挥发性有机物末端治理技术及选型方法

摘要：挥发性有机物末端治理技术主要有燃烧法、生物法、低温等离子体法、光催化氧化法、吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法。文章阐述了不同治理技术的原理、适用范围、性能特点及应用现状，详细介绍了常用燃烧法的优缺点及适用范围，深入分析了常用生物法的特性及研究方向。阐述了工艺的选型方法及流程，并对挥发性有机物治理的前景进行了展望。

关键词：挥发性有机物;治理技术;选型方法;燃烧法;生物法

中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）09-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.046

End treatment technology and selection method of volatile organic compounds

Song Zaoming

（LongKing-Coalogix Environmental Protection Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 200100，China）

Abstract：The end treatment technology of volatile organic compounds includes combustion method，biological method，plasma method，photocatalytic oxidation method， adsorption method， absorption method，condensation method and membrane separation method.This paper describes the principle，application scope， performance characteristics and application status of different treatment technologies，introduces the advantages and disadvantages of common combustion methods and their application scope in detail， and deeply analyzes the characteristics and research direction of common biological methods.Introduces the selection method and process of treatment technology， analyzes the prospect of volatile organic compounds treatment technology.

Key words：Volatile organic compounds;Treatment technology;Selection method;Combustion method;Biological method

揮发性有机物（Volatile organic compounds）简称VOCs，是指20℃时蒸汽压不小于10Pa，或标准大气压下沸点不高于260?C的有机化合物，或实际生产条件下具有以上相应挥发性的有机化合物（甲烷除外）的统称[1-2]。

常见VOCs有烃类、卤代烃类、酯类、醚类、醛类、醇类、酸类、胺类等。研究表明，VOCs参与大气光化学反应，是造成大气污染的主要因素之一，对人类健康安全产生较大危害，VOCs的控制刻不容缓[3-4]。VOCs的控制分为源头消减、过程控制和末端治理。近年来，在大气环境质量改善的任务日益紧迫的背景下，源头消减和过程控制力度虽显不足，但末端治理技术得到了充分的发展[5]。燃烧法、生物法、低温等离子体法、光解催化氧化法、吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法等末端治理技术均获得了较为成功的运用。经过了多年的发展，VOCs治理也终将迎来源头控制、过程控制和末端治理全方位精细化控制的时代[6]。

1 挥发性有机物末端治理技术

1.1 燃烧法

燃烧法是将VOCs加热到着火温度进行氧化反应，将污染物通过氧化作用转化为CO2和H2O等小分子的方法，是目前最为成熟、高效的方法。工程上常用燃烧法有直接燃烧、蓄热燃烧、催化燃烧和蓄热催化燃烧。燃烧法处理效率高，适用范围较广，常见VOCs风量大浓度低，直接运用任何一种燃烧法均不经济，一般根据不同燃烧法的特性、废气工况，采用工艺组合与功能叠加的方案。例如可结合吸附浓缩工艺，将废气浓缩后进行燃烧处理更为合理、经济[7-10]。

1.2 生物法

生物法是根据废水生化处理的原理衍生的，是利用微生物以VOCs为碳源和氮源进行新陈代谢，将VOCs降解为CO2和H2O等小分子的方法。生物法适用于处理工况条件温和、浓度低、生物降解性好的VOCs，生物法的优点是治理效率可观、设备结构简单、维护方便、安全性高、能耗、操作费用及投资较低;缺点是微生物培养和驯化难度大、处理周期长、占地面积大、填料易堵塞、受气候影响大、系统pH难以控制等。常用生物法有生物过滤、生物洗涤、生物滴滤，生物法广泛于恶臭治理，是具有较大发展潜力和竞争力的方法。不同生物法的结构形式、优缺特性及适用范围不同，须因地制宜地选择最优方案[11-13]。

1.3 低温等离子体法

低温等离子体是在外加电场的作用下，通过放电产生大量电子、离子和原子等高能活性粒子和臭氧，活性粒子和臭氧与VOCs发生复杂的反应，将其转化为简单化合物。常用低温等离子体有介质阻挡放电法、电晕放电法和沿面放电法。低温等离子体处理低浓度VOCs及恶臭气体具有便捷高效、安全、装置简单占地小、投资小等优点，中小风量采用直接接触法处理，大风量采用间接接触法处理。但低温等离子体安全隐患大、总体处理效率低、能量效率差、能耗高、臭氧排放严重、副产物难控制，不宜用于高浓度VOCs治理。建议与催化、吸附、吸收等技术协同使用[14-17]。

1.4 光解催化氧化法

光解催化氧化法是除臭领域常用方法，光解催化氧化法包含光解和光催化两种技术，光解是在一定波长的光波作用下，利用O2产生O3对VOCs进行分解;光催化是利用一定波长的光波照射TiO2催化剂，产生具有强氧化性的·OH等自由基去降解VOCs。研究表明，波长短的光波有利于激发TiO2产生高能自由基，波长较长的光波有利于臭氧的产生。一般将光解与光催化技术协同使用，以提高技术和经济性能。光解催化氧化法适用于大风量低浓度VOCs治理，具有氧化性强、除臭效率高、安全性能好、广谱性强、设备操作维护简单、能耗低、投资小等优点，缺点是紫外灯管及电源使用寿命有限需要定期维护更换，光催化剂价格较高，对高浓度VOCs处理效率较低[18-20]。

1.5 吸附法

吸附法是利用吸附剂分子对VOCs分子间的作用力截留污染物分子的方法。吸附法优点是效率高、技术成熟、应用广泛、吸附剂可循环使用。但吸附剂需处置或再生、吸附剂易堵塞、中毒，受温度、湿度和颗粒物影响较大。吸附法依赖于吸附剂实现吸附功能，常用吸附剂有沸石分子筛、活性炭、活性氧化铝、吸附树脂等。其中活性炭和沸石分子筛目前应用最为广泛。活性炭是具有吸附功能的碳基物质的总称，按形态分为颗粒状、柱状、蜂窝状和纤维状。颗粒状、柱状和蜂窝状活性炭多用于一次性吸附设备中，蜂窝状和纤维状活性炭多用于吸附浓缩系统，并协同燃烧法或冷凝法使用。活性炭具有比表面积大、吸附容量高、成本低等优点，缺点是占地大、不耐温、再生次数有限、危废处置成本高，有自燃风险。沸石分子筛相对于活性炭来说，其微孔结构均匀，选择性吸附作用突出，具有占地小、强度大、寿命长、耐温不易燃、不产生二次污染等优点，这些优势一定程度地弥补了其吸附容量小、成本高的缺点，多用于对大风量低浓度VOCs吸附浓缩后结合燃烧法进行处理[21-23]。

1.6 吸收法

吸收法是利用VOCs各组分在溶液中溶解度不同而分离气体混合物的方法。主要适用于温度低、压力高、溶解度高的VOCs净化。吸收法适用范围广、操作弹性大、吸收剂价廉易得、处理效率高、可吸收易聚合物质、安全隐患小。吸收法的效果取决于吸收剂的自身性能、VOCs特性及吸收设备结构。一般选取稳定、价廉易得、无毒害、低挥发或者不挥发的物质作为吸收剂，常用吸收剂有水、油类、有机溶剂等。吸收法配合溶剂回收时一般投资较大，无溶剂回收时投资低但易产生二次污染，需根据具体情况甄选工艺[24-26]。

1.7 冷凝法

冷凝法是将温度设置在VOCs的沸点以下，利用低温使VOCs蒸汽过饱和后液化出来，达到净化VOCs的目的。冷凝法不适宜处理低浓度、低沸点的VOCs。适用于高浓度、低温、小风量、组分单一、各组分沸点接近的工况，如石化油品的生产、运输、销售过程的油气回收，化工行业工艺设备（反应釜、真空泵、储罐等）的VOCs回收。使用冷凝法达到排放标准需要极低温度或较大压力，难度和费用较大，因此实际应用中一般会综合考虑系统能耗和回收价值，常作为预处理与吸附法、燃烧法或其他方法协同使用，以降低后续处理负荷，并尽可能地回收有价值的产品[27-28]。

1.8 膜分离法

膜分离法是利用VOCs各组分在压力推动下透过膜的速率不同，而使得不同气体选择性透过，达到分离的目的。膜分离法适用于高浓度小风量、温度低，有较高回收价值的VOCs处理，处理效率高效、无二次污染，回收收益大。目前主要应用于化工行业烷烃和烯烃回收。但膜分离法膜通量一般较小，处理速度慢、维护清洗困难，设备投资高。随着膜材料的发展，膜分离法已成为研究热点[29-30]。

2 挥发性有机物末端治理工艺选型方法

相比传统的尘、硫、硝及其他大气污染物，VOCs气体特征较为复杂，治理难度非常大，在选用VOCs治理技术时，没有固定和参考的工艺模式，不仅需要考虑VOCs本身特性，还需要综合考虑各种技术的性能指标、适用范围、建设和运行成本、执行的排放标准等因素[6]。近年来，国内外环境领域的学者研究方向集中在不同行业VOCs排放特征[31-33]、国内外VOCs治理技术市场应用情况[36]、大气污染控制技术的综合性能评价方法[33-35]等方面，研究了不同治理技术的优缺点及适用范围[6，36-37]、各类技术对VOCs的去除率及特征[32]、目前主流工艺的运行费用[38]等;部分研究给出了不同浓度及成分的VOCs末端治理技术选择建议[33，36]。

上述研究成果为VOCs末端治理工艺选型提供了较为全面的理论依据和指导，但尚未明确工艺选型的流程和方法。本文通过大量的理论研究和工程实践，总结出VOCs末端治理工艺选型流程和方法，主要包括项目收资及分析、工艺筛选、技术性能评价、经济性能评价及综合评价优化等核心环节。

项目收资及分析是工艺选型的核心环节，收资内容包括废气排放源（排放方式（连续/间歇）、物料消耗量、排放时间）、工况（风量、组分及含量、温湿度、压力）、场地情况、公用工程信息（水电气煤等）、图纸报告（检测报告、环评、可研、图纸、相关标准规范及批复）、废气收集、治理现状等。工艺筛选是依托项目收资和分析结果，判断排放特征，结合不同工艺的特性，初步筛选出单元工艺或组合工艺。技术性能分析可依托于前人的研究[33-35]，对项目技术原理和工艺路线科学合理性、技术成熟程度和连续运行稳定性的判断，是对生产工况波动的适用性以及与主体生产工艺、外界环境等条件的相容性分析，确保工艺的技术可靠性和适应性;经济效益分析是對工程建设和设备投资等费用以及运行原辅料、公用工程消耗、人工、折旧、维护等费用的计算和分析，确保一次性投资费用和运行费用的合理性;综合评价和优化是在对初选工艺进行技术和经济性能的评价后，对该工艺进行综合性评估并根据评估结果予以优化。在上述任一环节中，当出现不符合要求的情景出现时，应对当前工艺予以淘汰或重新进入工艺选型的流程，直至选择出符合控制目的要求、综合性能好、经济成本少的工艺。

3 结论及展望

坚持源头消减、过程控制为重点，兼顾末端治理的全过程深度治理是我国VOCs治理未来的发展趋势。目前国内还是以末端治理为主要的VOCs控制手段，其中燃烧法和吸附法是目前最为成熟、高效的方法，沸石分子筛因其优良特性也得到了广泛的使用。VOCs治理初期常用的冷凝、吸附、吸收、低温等离子体和光催化氧化法的均有较为明显的优点和缺点，其单一使用的模式逐渐被淘汰了，多作为预处理与其他高效技术联用。生物降解技术以良好的环保特性和温和的使用条件正在受到更多关注;膜分离技术也因为材料的发展已成为国内外的研究热点。在今后的研究工作中，不仅要深入研究单元工艺，还要加强不同技术协同使用的研究与开发。同时加快基本技术规范、图集和标准的编制，完善工艺路线的优化及组合、技术集成与系统设计、设计方法等指导性文件，加强末端治理工艺选型方法的研究力度，以期筛选出符合控制目的要求、综合性能好、经济成本少的最优可行技术[39-42]。

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收稿日期：2020-07-06

作者简介：宋早明（1992-），男，汉族，研究生学历，研究方向为大气污染防治、固体废弃物处理与资源化。