伍建軍 梁燦欽 林錦權

有機廢氣治理技術研究進展

伍建軍1梁燦欽2林錦權2

(1．東莞市環(huán)境科學研究所，廣東東莞 523009;2．東莞市機動車排氣污染監(jiān)督管理所，廣東東莞 523009)

首先對有機廢氣最為常用的碳吸附和熱燃燒治理技術進行了綜述，隨后重點介紹了新興起的生物法研究進展，最后針對當前有機廢氣治理存在的問題，提出了相應的研究方向。

有機廢氣;活性炭纖維;催化燃燒;生物法

有機廢氣是我國大氣污染主要來源之一，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，有機廢氣的排放量迅速增加，排放種類也變得復雜，包括了各種烴類、醇類、醛類、酸類、酮類和胺類等。行業(yè)來源也日益廣泛，涵蓋了石油化工、塑膠、玩具、電線加工、家具、印刷、涂料等［1］。有機廢氣組成也變得日趨復雜，通常含有烴類化合物、含氧有機化合物、含氮、硫、鹵素及含磷有機化合物等一種或多種毒性污染物質(zhì)。有機廢氣通過呼吸道和皮膚進入人體后，可能給人的呼吸、血液、肝臟等系統(tǒng)和器官造成暫時性或永久性病變，尤其是苯并芘類多環(huán)芳烴能使人體直接致癌。同時，有機廢氣也是形成光化學煙霧;造成臭氧層空洞;引起溫室效應和惡臭污染等環(huán)境問題的罪魁禍首。在日常生活中，人們經(jīng)常遭受工業(yè)有機廢氣的襲擊，隨著民眾環(huán)保意識的提高，居民的相應投訴也越來越多。因此，研發(fā)治理有機廢氣的技術及設備迫在眉睫。

1 有機廢氣治理技術概述

根據(jù)有機廢氣的成分特性，研究人員目前已經(jīng)研發(fā)出了許多適用的治理技術。按照污染物的去向形式，可將有機廢氣治理技術分為兩大類：一是濃縮回收。濃縮回收是指采用吸收、吸附、冷凝、膜分離等方法將有機廢氣中低濃度的揮發(fā)性有機物濃縮回收再生;二是分解消除。分解消除是指利用光、電、熱、催化劑、等離子體或微生物等作用將有機廢氣中低濃度的揮發(fā)性有機物徹底分解轉(zhuǎn)化成水和二氧化碳等物質(zhì)，從而達到去毒化的目的。

在實際應用中，工業(yè)有機廢氣處理常用的方法有吸附法、吸收法、催化燃燒法、熱力燃燒法等［2］。近年來又出現(xiàn)了一些新技術，如生物法、電暈法、光分解法等離子體分解法。雖然有機廢氣治理技術目前已經(jīng)多樣化，但每種治理方法都存在一定的適用性和局限性，而且不同排放源的廢氣組成也千差萬別。因此，對于企業(yè)來說，統(tǒng)籌考慮有機污染物的種類、性質(zhì)、濃度、凈化要求和經(jīng)濟性等因素，綜合選擇適當?shù)挠袡C廢氣治理方法顯得至關重要。本文首先介紹了有機廢氣最為常用的碳吸附和熱燃燒技術，隨后綜述了生物法新興技術的研究進展，最后針對當前有機廢氣治理存在的問題，提出了相應的研究方向。

2 有機廢氣治理方法

2.1 活性炭纖維吸附

活性炭纖維 (ACF)是繼傳統(tǒng)活性炭 (粉狀和粒狀活性炭)之后的第三代活性炭產(chǎn)品，以有機纖維 (腈綸等)為原料經(jīng)預處理、炭化、活化而成。與傳統(tǒng)的炭質(zhì)吸附劑相比，活性炭纖維 (ACF)具有比表面積大、吸附脫附速度快、吸附容量大、耗能低、無二次污染等突出的優(yōu)點，同時，也可以應用低濃度有機廢氣的治理。印度學者Dwivedi等［3］進行了活性炭纖維吸附法與冷凝濃縮法對有機廢氣去除的對比研究，研究表明，活性炭纖維吸附能夠去除百萬分之一 (ppm)濃度水平的VOCs，而冷凝濃縮法對VOCs的濃度要求是百分之一 (1%)以上?？梢?，活性炭纖維吸附在環(huán)保治理尤其在有機廢氣的處理和回收方面具有很好的應用前景［4］。

近年來，一些學者對活性炭纖維吸附機理及其影響因素和改性等方面進行了諸多有針對性的研究。在影響因素方面，李學佳等［5］采用動態(tài)吸附實驗裝置，研究了溫度、濃度、流速對固定床吸附器中粘膠基活性炭纖維吸附甲苯廢氣的飽和吸附量的影響，結果表明：飽和吸附量與甲苯氣體流量成正比;與溫度成反比;但隨氣體濃度增加，飽和吸附量是呈先升后降的趨勢。在機理研究方面，國家炭素研究重點實驗室的李洪美等［6］研究提出活性炭纖維吸附性能不僅取決于其孔結構特性，還與ACF的表面化學結構與性質(zhì)密切相關的結論。在改性方面，韓國Soo－Jin Park等［7－9］分別采用電極氧化和氧離子氧化等方法功能化改性ACF，改性后ACF比表面積和孔容雖有所減少，但表面含氧基團增加，尤其是羧基和酚羥基增多明顯，由此能夠提高對極性物質(zhì)的吸附能力。

活性炭纖維在吸附有機廢氣方面具有較為明顯的優(yōu)勢，但也存在價格昂貴、壽命及選擇性有待提高等方面的不足。因此，結合實際和當前存在的問題，今后應不斷簡化生產(chǎn)工藝、降低成本、提高產(chǎn)品的使用壽命，繼續(xù)探索活性炭纖維的功能化改性研究，增強ACF對特殊物質(zhì)的吸附能力和選擇性，為活性炭纖維的大規(guī)模推廣應用掃清障礙。

2.2 催化燃燒法

燃燒法分為直接燃燒法和催化燃燒法。直接燃燒法主要是采用燃氣或燃油等輔助燃料燃燒，將混合氣體加熱，使有害物質(zhì)在高溫作用下分解為無害物質(zhì)。本法工藝簡單、投資小，但只適用于高濃度、小風量的廢氣，也存在依賴輔助燃料、安全隱患和過程控制難等方面的局限性。為解決直接燃燒法的不足，人們開始轉(zhuǎn)向了催化燃燒技術的研究，該技術是典型的氣－固相催化反應，其實質(zhì)是活性氧參與深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時使反應物分子富集于表面提高了反應速率。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時放出大量熱能，其反應方程為［10－11］：

催化燃燒涉及的催化劑種類繁多，按活性成分大體可分為3大類：①貴金屬催化劑，如Pt、Pa、Ru等;②過度金屬氧化物催化劑，如MnOx、CoOx和CuOx等;③復氧化物類催化劑有BaCuO2、LaMnO3、CuMn204尖晶石等［12］。其中，考慮經(jīng)濟成本，貴金屬催化劑基本失去了推廣應用可能，而過度金屬氧化物和復氧化物類催化劑的研究將成為主流的發(fā)展方向。

近年來，為探索催化劑在廢氣治理方面的工業(yè)化應用，研究人員對催化劑進行了不同方式的合成和負載研究，并取得了積極進展。Chung和Ahlstrom－Silversand等［13－14］在金屬絲網(wǎng)上涂覆了貴金屬Pt進行有機物催化燃燒，取得了較大成功。國家綠色化學合成技術重點實驗室［15］以316L不銹鋼絲網(wǎng)為載體，采用電泳沉積法和熱處理技術在絲網(wǎng)表面包覆一層具有高粘結強度和較高比表面積的表面Al2O3/Al粘合層，再利用濕浸涂技術在絲網(wǎng)表面負載納米鈣鈦礦型稀土復合氧化物La0.8Sr0.2MnO3催化劑，以甲苯、二甲苯和丙酮的催化燃燒反應為模擬反應，考察了催化劑的催化性能和反應特性。結果表明，La0.8Sr0.2MnO3催化劑在絲網(wǎng)表面具有較強的粘結強度，在強放熱反應中具有傳熱速率快，催化劑床層整體均溫性好的特性，具有較好的催化燃燒活性和穩(wěn)定性，為催化劑的工業(yè)化推廣應用奠定了基礎。

然而，由于催化燃燒涉及化學工程、環(huán)境工程、催化反應和過程控制等交叉學科的知識，其研究領域廣泛，目前還有些技術瓶頸問題亟待深入研究：一是低廉、高性能催化劑的研發(fā)，在實際應用中，研發(fā)抗毒能力強、比表面積大、造價和運行成本低、壽命長的催化劑，才具有市場競爭力。二是研發(fā)節(jié)能型、環(huán)保型和功能型的新一代裝備，一方面設備必須體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，研發(fā)低起燃點催化劑，并考慮附帶余熱回收系統(tǒng);另一方面考慮產(chǎn)品的生命周期，研究催化劑的失活再生一體化、自動化集成系統(tǒng)?？傊?，研發(fā)節(jié)能型、環(huán)保型以及系統(tǒng)化、功能化、自動化的催化燃燒裝備是該技術發(fā)展的必然趨勢。

2.3 生物法

生物法處理有機廢氣最早由美國開始應用，至今已經(jīng)有50多年的歷史，在技術特點方面，生物法較傳統(tǒng)的物理化學方法具有設備簡單、投資少、運行費用低、無二次污染等優(yōu)點。目前，研究學者先后開發(fā)出不同的生物凈化系統(tǒng)，包括生物濾池、生物滴濾塔、生物洗滌器等技術，其工藝特點比較［16－17］見表1。

表1 生物處理工藝比較

隨著我國對有機廢氣治理力度的不斷加大，運用低投資、低運行成本的生物法凈化揮發(fā)性有機廢氣已引起國內(nèi)研究人員的重視，并成為了研究熱點之一。常虹等［18］人基于生物濾池處理苯系有機廢氣，結果顯示，在pH值在5左右的酸性條件下時，溫度保持在25℃左右，進氣二甲苯濃度小于800mg·m－3時，生物濾池對廢氣中的二甲苯去除率可達到70%～100%，可見利用生物濾池處理低濃度二甲苯，具有很好的去除效果。但處理過程中溫度、pH對處理系統(tǒng)的影響較大，對過程控制難度極大，限制了規(guī)?；瘧谩顫h祥等［19］人對生物洗滌器處理低流量、高濃度揮發(fā)性有機廢氣進行了研究，考察了高濃度下的有機廢氣凈化作用。結果證明，在室溫和pH值為5左右時，生物洗滌器對高濃度氣態(tài)污染物，具有較強的去除能力，并實現(xiàn)了多種污染物在相同的填料高度下的良好去除，對不同化合物處理效率達到53.7%～78.6%，此項成果填補了我國環(huán)保工程領域的空白，該裝置可以用來處理實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的成分復雜的揮發(fā)性有機氣體，很值得在環(huán)境保護領域推廣，但處理效率還有待進一步的提高。柳知非等［20］人進行了生物滴濾塔的填料選擇及其運行功效研究，試驗采用培養(yǎng)馴化的污泥菌種，對1﹟陶粒、2﹟陶粒、塑料小球和沸石4種填料進行生物掛膜，通過對比篩選，選擇性能優(yōu)越的1﹟陶粒作為滴濾塔填料凈化苯乙烯廢氣，結果表明，在進氣量為0.6 m3/h，循環(huán)噴液量為90 L/min，進氣負荷小于180 g/(m3·h)，去除負荷可達到163 g/(m3·h)，苯乙烯凈化效率達到90%以上。

在動力學研究方面，國外Alonso等人［21］研究不同高度的生物膜厚度變化和生物質(zhì)積累所引起的比表面積的變化，建立了VOC沿軸向的變化動態(tài)模型，并通過實驗數(shù)據(jù)來估算模型中的穩(wěn)態(tài)情況下的參數(shù);Christina等［22］人研究營養(yǎng)濃度與反沖洗在建立數(shù)學模型中的影響;Aizpuru等［23］人對去除效率定量分析模型進行了研究。在國內(nèi)，劉強等［24］人通過對生物滴濾塔凈化VOCs過程的分析，建立并驗證了基于生物降解為一級反應動力學和零級反應動力學的污染物濃度沿填料層高度變化的方程，提出方程反應常數(shù)隨入口濃度的增大而升高的結論。伍世云［25］根據(jù)雙膜理論導出了微生物過濾塔控制VOCs方法的動力學方程，并提出了微生物過濾塔控制VOCs方法的要點。因此，通過上述的動力學建模，為生物滴濾塔的系統(tǒng)化、自動化應用奠定了一定理論基礎。

從文獻報道［26］來看，生物滴濾塔是生物法中的研究熱門，也是當前有機廢氣治理的主流技術之一，接下來，針對實際困難和問題，還需要從以下方面進行更為深入的研究：首先，仍然需要進行動力學方面的研究，研究動力模型不應局限于理想化模型，而應更加全面地考慮整個系統(tǒng)內(nèi)包括吸收、吸附、物理、生物及化學等因素的交叉作用，基于復雜因素的綜合，建立綜合性模型方程，由此才能更好地為技術的工業(yè)化實踐提供幫助。其次，微生物的高效集成開發(fā)，微生物是影響生物滴濾塔運行效果的關鍵因素，微生物不應局限于對單一污染物去除有效，而是需要開發(fā)適應性強、對多種污染物同時適用的高效多功能性的微生物菌團。除此之外，還要關注滴濾塔的堵塞、中間產(chǎn)物的二次污染、難溶性有機廢氣的適應等問題。

3 結論和展望

目前，我國有機廢氣的治理任務艱巨，對技術的需要日益迫切，而各種治理技術可謂五花八門，都存在各自的優(yōu)點和缺點，也均處在發(fā)展和提升階段。如何揚長避短、突破技術瓶頸，整合各種技術資源，真正實現(xiàn)有機廢氣治理的產(chǎn)業(yè)化應用是所有科研工作需要正視的問題。筆者認為，解決上述問題，首先需要重視技術的實效性，無論是廣泛采用的傳統(tǒng)處理方法，還是新開發(fā)的處理技術，都要考慮到應用的實效性。不能只能有效處理一種污染物，而是能夠?qū)崿F(xiàn)多種污染物并存狀況下的同步去除，不能光在實驗室搞研究，而是要把技術放大到工業(yè)化應用中。其次，重視技術的環(huán)保、節(jié)能、低廉。我國是一個發(fā)展中國家，面臨經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的雙重任務，開發(fā)簡單有效、環(huán)保節(jié)能，而且低成本的有機廢氣治理技術已成為我國治理有機廢氣污染的最佳途徑。另外，從技術應用的角度來看，傳統(tǒng)的活性炭吸附和催化燃燒技術可以現(xiàn)行推廣，而生物法尚需進一步的實踐論證，基于生物法具備良好的發(fā)展?jié)摿?，今后應將其列入有機廢氣治理領域的主攻方向。

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Research on the Progress in the Technology of Volatile Organic Compounds Treatment

WU Jian-jun1LIANG Can-qin2LIN Jin-quan2
(1．Institute of Environment Science Research，Dongguan 523009，China;2．Institute of Vehicle Exhaust Pollution Supervision，Dongguan 523009，China)

In this paper，volatile organic compounds control technologies by carbon adsorption and thermal combustion which are most commonly used are reviewed firstly，and then Research progress on the emerging technologies about the biological method is emphasized．For the current problems of volatile organic compounds control，the corresponding research directions are also proposed．

volatile organic compounds;activated carbon fiber;catalytic combustion;biological method

X703

A

1009－0312(2012)01－0061－05

2011－07－08

伍建軍 (1976—)，男，浙江蘭溪人，碩士，主要從事環(huán)境科學研究。