關(guān)杰，李鋒，郭耀廣，蘇瑞景，王蔣鑌，李英順

(1.上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海 201209；2.上海第二工業(yè)大學(xué) 資源循環(huán)科學(xué)與工程中心，上海 201209；3.上海浦東曙光環(huán)境治理新技術(shù)研究中心，上海 201209；4.上海新金橋環(huán)保有限公司，上海 201201)

目前，包裝印刷工藝主要有平版印刷、凸版印刷、凹版印刷、絲網(wǎng)印刷以及數(shù)字印刷等，不同印刷工藝的揮發(fā)性有機(jī)物VOCs來源和排放方式基本相同[1-2]。調(diào)配油墨過程中溶劑的揮發(fā)、印刷過程中溶劑的揮發(fā)、烘干過程中溶劑的揮發(fā)、復(fù)合過程以及清洗過程中均會(huì)產(chǎn)生大量的VOCs，據(jù)統(tǒng)計(jì)有機(jī)溶劑通常占到了油墨總量的 70%～80%[3-4]，其主要成分為醇、酯、醚、酮、芳香烴等有機(jī)物[5-7]。這些有機(jī)廢氣排放到環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致大氣中的某些污染因子含量嚴(yán)重超標(biāo)，一方面會(huì)給企業(yè)造成巨大的溶劑浪費(fèi)，另一方面也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害人類健康[8]。印刷行業(yè)產(chǎn)生的廢氣中含有一定的顆粒物，具有濃度低、風(fēng)量大的特點(diǎn)，而且印刷廢氣已經(jīng)成為大氣中VOCs的主要來源之一[9-11]。針對(duì)印刷廢氣這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套既經(jīng)濟(jì)又合理廢氣處理工藝成為當(dāng)前的一項(xiàng)重要任務(wù)。

1 印刷廢氣治理技術(shù)

印刷廢氣治理技術(shù)主要?jiǎng)澐譃榉纸饧夹g(shù)和回收技術(shù)兩大類，分解技術(shù)就是將有機(jī)物徹底分解為二氧化碳和水，主要有直接燃燒、催化燃燒、蓄熱燃燒、生物法、光氧化、光催化等技術(shù)[12-16]；回收技術(shù)就是通過一定的條件對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行分離回收，主要有吸附、吸收、冷凝、膜分離等技術(shù)[17-19]。表1對(duì)以上各種技術(shù)的應(yīng)用范圍及特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)于廢氣的來源廣泛、成分復(fù)雜、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用某一種單一技術(shù)很難達(dá)到處理要求，需要多種技術(shù)聯(lián)用。

表1 各種廢氣治理技術(shù)應(yīng)用范圍及特點(diǎn)總結(jié)[12-19]

2 工程案例

2.1 項(xiàng)目概況

上海某印刷廠在生產(chǎn)過程中會(huì)用到兩臺(tái)糊箱機(jī)和三臺(tái)印刷機(jī)，會(huì)使用大量的膠水和水性油墨，由此產(chǎn)生大量含細(xì)小粉塵顆粒物的VOCs，根據(jù)其原料檢測(cè)報(bào)告結(jié)果分析可知，該印刷廠產(chǎn)生的VOCs成分主要是苯、甲苯、二甲苯等。且該印刷廠擁有自己的污水處理站。

2.2 工藝介紹

該項(xiàng)目主要根據(jù)廢氣的特點(diǎn)，考慮了處理效果、成本等各種因素，主流工藝采用吸收和紫外光解技術(shù)，即含有細(xì)小粉塵顆粒物的VOCs，經(jīng)過噴淋洗滌吸收后滿足紫外光解條件，而且定期更換的吸收液可以直接利用該廠的污水處理站進(jìn)行處理，具體的工藝流程為：噴淋洗滌吸收+紫外光解氧化+水相霧化吸收。該廠印刷廢氣治理的具體工藝流程見圖1。本工藝處理系統(tǒng)主要由噴淋塔、紫外光解氧化裝置、氣霧分離器、霧化吸收裝置、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、控制系統(tǒng)以及煙囪等組成。

圖1 某印刷廢氣治理工藝流程圖
Fig.1 A process flow chart of printing exhaust treatment

2.3 工藝原理

2.3.1 吸收法 吸收利用的是較難揮發(fā)的溶劑與氣體充分接觸，根據(jù)不同氣體在溶劑中不同溶解度或化學(xué)反應(yīng)特性差異進(jìn)行分離，從而達(dá)到凈化氣體的目的。按吸收原理可以劃分為物理吸收和化學(xué)吸收，大多數(shù)情況下，VOCs的吸收是物理吸收。針對(duì)不同的廢氣特點(diǎn)，吸收劑的選擇至關(guān)重要，主要考慮以下幾個(gè)因素：綠色環(huán)保、安全性高、對(duì)氣體有較高的可溶性、較低的揮發(fā)性、較低粘度、原料易得且廉價(jià)、對(duì)吸收設(shè)備腐蝕性小等[20]?；瘜W(xué)吸收中的吸收劑一般較難選擇，而且價(jià)格相對(duì)比較昂貴，所以選擇物理吸收。在實(shí)際應(yīng)用中，任何一種吸收劑都不可能達(dá)到上面所有要求，只有盡可能選擇合適的吸收劑。水是一種最廉價(jià)、綠色環(huán)保、安全性高、易獲取的理想吸收劑[21]。

吸收法主要用來處理大風(fēng)量、低濃度、高濕度的VOCs，處理效率高達(dá)95%～98%[22]，現(xiàn)在該技術(shù)相對(duì)而言比較成熟，而且工藝比較簡單，設(shè)備占地面積比較小，操作起來比較容易，成本比較低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3.2 紫外光解法 紫外光解法是一種新興VOCs治理技術(shù)，其利用高能紫外線的照射，分子吸收光子而成為激發(fā)態(tài)，當(dāng)激發(fā)態(tài)分子能量高于化學(xué)鍵能時(shí)，從而致使化學(xué)鍵斷裂而發(fā)生多種光化學(xué)反應(yīng)，一部分VOCs分子直接分解為二氧化碳和水；同時(shí)，空氣經(jīng)過高能紫外線的照射，其中的氧氣和水分子會(huì)激發(fā)為臭氧和羥基自由基等強(qiáng)氧化劑，再利用這些強(qiáng)氧化劑對(duì)VOCs進(jìn)行徹底的氧化分解[23-24]。

根據(jù)波長，紫外線可以劃分為4個(gè)波段：①UVA波段，即長波黑斑效應(yīng)紫外線，波長320～400 nm；②UVB波段，即中波紅斑效應(yīng)紫外線，波長275～320 nm；③UVC波段，即短波滅菌紫外線，波長200～275 nm；④UVD波段，即真空紫外線，波長100～200 nm[25]。VOCs處理中利用的是UVD波段的紫外線激發(fā)出的臭氧和羥基自由基，其能斷開大部分化學(xué)鍵，即能夠降解大多數(shù)VOCs[26]。

與傳統(tǒng)VOCs治理技術(shù)相比，紫外光解法具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其可以在常溫常壓下，不需要特定的加熱、加濕處理，就能夠斷開大部分的化學(xué)鍵，而且反應(yīng)過程快速高效、安全性高、成本低廉，其在VOCs治理行業(yè)占據(jù)重要地位[26]。

2.4 工藝特點(diǎn)

2.4.1 印刷廢氣收集系統(tǒng) 五臺(tái)設(shè)備的污染點(diǎn)源以及有VOCs揮發(fā)處均采用軟簾進(jìn)行圍合，在其上方設(shè)置集氣罩進(jìn)行收集，各集氣罩收集的印刷廢氣統(tǒng)一接入主管道，主管道最終接入廢氣處理系統(tǒng)。

2.4.2 印刷廢氣處理系統(tǒng) 收集后的印刷廢氣進(jìn)入噴淋塔，噴淋塔采用旋流板塔，在旋流板塔徑向進(jìn)風(fēng)管內(nèi)設(shè)有第一級(jí)噴淋區(qū)，印刷廢氣在第一級(jí)噴淋區(qū)與吸收劑充分接觸，然后氣流由旋流塔的中下部均勻上升，進(jìn)入第二級(jí)高密度洗滌噴淋區(qū)，在廢氣均勻穿過氣液分布核心區(qū)域時(shí)，其表面的水膜會(huì)產(chǎn)生大量的液沫，為印刷廢氣和循環(huán)水提供了巨大的接觸面積，達(dá)到高效去除印刷廢氣中顆粒物和部分水溶性有機(jī)物的目的。在此過程中，循環(huán)水需要定期排入該廠污水處理站進(jìn)行更換。廢氣經(jīng)過塔頂?shù)某F脫水裝置和后端的氣霧分離器，可以大大降低洗滌后印刷廢氣的濕度，而且還可以保證后續(xù)紫外光解對(duì)氣體濕度的要求。

噴淋洗滌后的印刷廢氣經(jīng)過兩重氣霧分離之后，印刷廢氣中的顆粒物和部分可溶性有機(jī)氣體都得到去除，印刷廢氣的濃度和濕度均達(dá)到紫外光解的處理?xiàng)l件。印刷廢氣進(jìn)入紫外光解裝置中，在185 nm波長紫外光照射下，激發(fā)產(chǎn)生臭氧和羥基自由基等強(qiáng)氧化性基團(tuán)，利用這些強(qiáng)氧化性基團(tuán)對(duì)印刷廢氣中的苯、甲苯、二甲苯等有機(jī)物氣體進(jìn)行氧化，使其氧化分解為二氧化碳和水。

經(jīng)過紫外光解處理后的印刷廢氣中會(huì)有少量水溶性小分子生成及臭氧殘留，經(jīng)過后續(xù)的高效霧化吸收裝置可以將這些水溶性小分子和殘留臭氧吸收，而且在此過程中產(chǎn)生的吸收液可以進(jìn)入噴淋階段的循環(huán)池中，供噴淋塔洗滌使用。經(jīng)過高效霧化吸收的印刷廢氣基本得到完全凈化，但印刷廢氣的濕度比較大，再次經(jīng)過氣霧分離器，會(huì)使印刷廢氣的含水率大大降低，最后通過煙囪達(dá)標(biāo)排放。

2.5 運(yùn)行結(jié)果

項(xiàng)目經(jīng)過調(diào)試正常運(yùn)行后，對(duì)進(jìn)出口的非甲烷總烴指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供，處理前后印刷廢氣中非甲烷總烴濃度見表2。除此之外，還對(duì)出口的苯、甲苯、二甲苯指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，主要揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)值見表3，其出口的印刷廢氣污染因子濃度低于上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《印刷業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/872—2015)中的限值。

表2 非甲烷總烴監(jiān)測(cè)值

表3 主要揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)值

由表2、表3非甲烷總烴和主要揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)值可知，該套“噴淋洗滌吸收+紫外光解氧化+水相霧化吸收” 印刷廢氣處理系統(tǒng)對(duì)非甲烷總烴的去除效率為93.97%以上，對(duì)苯、甲苯、二甲苯幾乎可以完全去除，對(duì)顆粒物的去除也滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。總之，針對(duì)該印刷廠廢氣成分及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的這套處理組合工藝可以實(shí)現(xiàn)該印刷廠有機(jī)廢氣的達(dá)標(biāo)排放。

3 結(jié)論

(1)該套“噴淋洗滌吸收+紫外光解氧化+水相霧化吸收” 廢氣處理系統(tǒng)的噴淋洗滌工藝對(duì)印刷廢氣進(jìn)行初步凈化處理，使其滿足紫外光解降解廢氣的條件，可以更高效地降解廢氣，最后經(jīng)過氣相霧化吸收工藝，廢氣可以得到徹底凈化，而且在氣相霧化吸收工藝中產(chǎn)生的吸收液可以進(jìn)入循環(huán)水池供給噴淋洗滌工藝的運(yùn)行，循環(huán)水池中的吸收液可以定期排入該印刷廠自有的污水處理站進(jìn)行更新，3個(gè)階段的處理工藝相輔相成，可以對(duì)印刷廢氣進(jìn)行徹底降解。

(2)該套廢氣處理系統(tǒng)不需要昂貴的藥品，僅需使用廉價(jià)易得的水資源作為吸收液，而且整套工藝流程簡單、風(fēng)阻小、無大功率裝置、耗電量小，極大降低了設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。

(3)該套廢氣處理系統(tǒng)適用于大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣，對(duì)于污染物種類相同的其他行業(yè)廢氣的治理具有可復(fù)制的參考價(jià)值。