伍建军 梁灿钦 林锦权

有机废气治理技术研究进展

伍建军1梁灿钦2林锦权2

(1．东莞市环境科学研究所，广东东莞 523009;2．东莞市机动车排气污染监督管理所，广东东莞 523009)

首先对有机废气最为常用的碳吸附和热燃烧治理技术进行了综述，随后重点介绍了新兴起的生物法研究进展，最后针对当前有机废气治理存在的问题，提出了相应的研究方向。

有机废气;活性炭纤维;催化燃烧;生物法

有机废气是我国大气污染主要来源之一，随着工业的快速发展，有机废气的排放量迅速增加，排放种类也变得复杂，包括了各种烃类、醇类、醛类、酸类、酮类和胺类等。行业来源也日益广泛，涵盖了石油化工、塑胶、玩具、电线加工、家具、印刷、涂料等［1］。有机废气组成也变得日趋复杂，通常含有烃类化合物、含氧有机化合物、含氮、硫、卤素及含磷有机化合物等一种或多种毒性污染物质。有机废气通过呼吸道和皮肤进入人体后，可能给人的呼吸、血液、肝脏等系统和器官造成暂时性或永久性病变，尤其是苯并芘类多环芳烃能使人体直接致癌。同时，有机废气也是形成光化学烟雾;造成臭氧层空洞;引起温室效应和恶臭污染等环境问题的罪魁祸首。在日常生活中，人们经常遭受工业有机废气的袭击，随着民众环保意识的提高，居民的相应投诉也越来越多。因此，研发治理有机废气的技术及设备迫在眉睫。

1 有机废气治理技术概述

根据有机废气的成分特性，研究人员目前已经研发出了许多适用的治理技术。按照污染物的去向形式，可将有机废气治理技术分为两大类：一是浓缩回收。浓缩回收是指采用吸收、吸附、冷凝、膜分离等方法将有机废气中低浓度的挥发性有机物浓缩回收再生;二是分解消除。分解消除是指利用光、电、热、催化剂、等离子体或微生物等作用将有机废气中低浓度的挥发性有机物彻底分解转化成水和二氧化碳等物质，从而达到去毒化的目的。

在实际应用中，工业有机废气处理常用的方法有吸附法、吸收法、催化燃烧法、热力燃烧法等［2］。近年来又出现了一些新技术，如生物法、电晕法、光分解法等离子体分解法。虽然有机废气治理技术目前已经多样化，但每种治理方法都存在一定的适用性和局限性，而且不同排放源的废气组成也千差万别。因此，对于企业来说，统筹考虑有机污染物的种类、性质、浓度、净化要求和经济性等因素，综合选择适当的有机废气治理方法显得至关重要。本文首先介绍了有机废气最为常用的碳吸附和热燃烧技术，随后综述了生物法新兴技术的研究进展，最后针对当前有机废气治理存在的问题，提出了相应的研究方向。

2 有机废气治理方法

2.1 活性炭纤维吸附

活性炭纤维 (ACF)是继传统活性炭 (粉状和粒状活性炭)之后的第三代活性炭产品，以有机纤维 (腈纶等)为原料经预处理、炭化、活化而成。与传统的炭质吸附剂相比，活性炭纤维 (ACF)具有比表面积大、吸附脱附速度快、吸附容量大、耗能低、无二次污染等突出的优点，同时，也可以应用低浓度有机废气的治理。印度学者Dwivedi等［3］进行了活性炭纤维吸附法与冷凝浓缩法对有机废气去除的对比研究，研究表明，活性炭纤维吸附能够去除百万分之一 (ppm)浓度水平的VOCs，而冷凝浓缩法对VOCs的浓度要求是百分之一 (1%)以上。可见，活性炭纤维吸附在环保治理尤其在有机废气的处理和回收方面具有很好的应用前景［4］。

近年来，一些学者对活性炭纤维吸附机理及其影响因素和改性等方面进行了诸多有针对性的研究。在影响因素方面，李学佳等［5］采用动态吸附实验装置，研究了温度、浓度、流速对固定床吸附器中粘胶基活性炭纤维吸附甲苯废气的饱和吸附量的影响，结果表明：饱和吸附量与甲苯气体流量成正比;与温度成反比;但随气体浓度增加，饱和吸附量是呈先升后降的趋势。在机理研究方面，国家炭素研究重点实验室的李洪美等［6］研究提出活性炭纤维吸附性能不仅取决于其孔结构特性，还与ACF的表面化学结构与性质密切相关的结论。在改性方面，韩国Soo－Jin Park等［7－9］分别采用电极氧化和氧离子氧化等方法功能化改性ACF，改性后ACF比表面积和孔容虽有所减少，但表面含氧基团增加，尤其是羧基和酚羟基增多明显，由此能够提高对极性物质的吸附能力。

活性炭纤维在吸附有机废气方面具有较为明显的优势，但也存在价格昂贵、寿命及选择性有待提高等方面的不足。因此，结合实际和当前存在的问题，今后应不断简化生产工艺、降低成本、提高产品的使用寿命，继续探索活性炭纤维的功能化改性研究，增强ACF对特殊物质的吸附能力和选择性，为活性炭纤维的大规模推广应用扫清障碍。

2.2 催化燃烧法

燃烧法分为直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧法主要是采用燃气或燃油等辅助燃料燃烧，将混合气体加热，使有害物质在高温作用下分解为无害物质。本法工艺简单、投资小，但只适用于高浓度、小风量的废气，也存在依赖辅助燃料、安全隐患和过程控制难等方面的局限性。为解决直接燃烧法的不足，人们开始转向了催化燃烧技术的研究，该技术是典型的气－固相催化反应，其实质是活性氧参与深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时使反应物分子富集于表面提高了反应速率。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能，其反应方程为［10－11］：

催化燃烧涉及的催化剂种类繁多，按活性成分大体可分为3大类：①贵金属催化剂，如Pt、Pa、Ru等;②过度金属氧化物催化剂，如MnOx、CoOx和CuOx等;③复氧化物类催化剂有BaCuO2、LaMnO3、CuMn204尖晶石等［12］。其中，考虑经济成本，贵金属催化剂基本失去了推广应用可能，而过度金属氧化物和复氧化物类催化剂的研究将成为主流的发展方向。

近年来，为探索催化剂在废气治理方面的工业化应用，研究人员对催化剂进行了不同方式的合成和负载研究，并取得了积极进展。Chung和Ahlstrom－Silversand等［13－14］在金属丝网上涂覆了贵金属Pt进行有机物催化燃烧，取得了较大成功。国家绿色化学合成技术重点实验室［15］以316L不锈钢丝网为载体，采用电泳沉积法和热处理技术在丝网表面包覆一层具有高粘结强度和较高比表面积的表面Al2O3/Al粘合层，再利用湿浸涂技术在丝网表面负载纳米钙钛矿型稀土复合氧化物La0.8Sr0.2MnO3催化剂，以甲苯、二甲苯和丙酮的催化燃烧反应为模拟反应，考察了催化剂的催化性能和反应特性。结果表明，La0.8Sr0.2MnO3催化剂在丝网表面具有较强的粘结强度，在强放热反应中具有传热速率快，催化剂床层整体均温性好的特性，具有较好的催化燃烧活性和稳定性，为催化剂的工业化推广应用奠定了基础。

然而，由于催化燃烧涉及化学工程、环境工程、催化反应和过程控制等交叉学科的知识，其研究领域广泛，目前还有些技术瓶颈问题亟待深入研究：一是低廉、高性能催化剂的研发，在实际应用中，研发抗毒能力强、比表面积大、造价和运行成本低、寿命长的催化剂，才具有市场竞争力。二是研发节能型、环保型和功能型的新一代装备，一方面设备必须体现节能环保，研发低起燃点催化剂，并考虑附带余热回收系统;另一方面考虑产品的生命周期，研究催化剂的失活再生一体化、自动化集成系统。总之，研发节能型、环保型以及系统化、功能化、自动化的催化燃烧装备是该技术发展的必然趋势。

2.3 生物法

生物法处理有机废气最早由美国开始应用，至今已经有50多年的历史，在技术特点方面，生物法较传统的物理化学方法具有设备简单、投资少、运行费用低、无二次污染等优点。目前，研究学者先后开发出不同的生物净化系统，包括生物滤池、生物滴滤塔、生物洗涤器等技术，其工艺特点比较［16－17］见表1。

表1 生物处理工艺比较

随着我国对有机废气治理力度的不断加大，运用低投资、低运行成本的生物法净化挥发性有机废气已引起国内研究人员的重视，并成为了研究热点之一。常虹等［18］人基于生物滤池处理苯系有机废气，结果显示，在pH值在5左右的酸性条件下时，温度保持在25℃左右，进气二甲苯浓度小于800mg·m－3时，生物滤池对废气中的二甲苯去除率可达到70%～100%，可见利用生物滤池处理低浓度二甲苯，具有很好的去除效果。但处理过程中温度、pH对处理系统的影响较大，对过程控制难度极大，限制了规模化应用。杨汉祥等［19］人对生物洗涤器处理低流量、高浓度挥发性有机废气进行了研究，考察了高浓度下的有机废气净化作用。结果证明，在室温和pH值为5左右时，生物洗涤器对高浓度气态污染物，具有较强的去除能力，并实现了多种污染物在相同的填料高度下的良好去除，对不同化合物处理效率达到53.7%～78.6%，此项成果填补了我国环保工程领域的空白，该装置可以用来处理实际生产中产生的成分复杂的挥发性有机气体，很值得在环境保护领域推广，但处理效率还有待进一步的提高。柳知非等［20］人进行了生物滴滤塔的填料选择及其运行功效研究，试验采用培养驯化的污泥菌种，对1﹟陶粒、2﹟陶粒、塑料小球和沸石4种填料进行生物挂膜，通过对比筛选，选择性能优越的1﹟陶粒作为滴滤塔填料净化苯乙烯废气，结果表明，在进气量为0.6 m3/h，循环喷液量为90 L/min，进气负荷小于180 g/(m3·h)，去除负荷可达到163 g/(m3·h)，苯乙烯净化效率达到90%以上。

在动力学研究方面，国外Alonso等人［21］研究不同高度的生物膜厚度变化和生物质积累所引起的比表面积的变化，建立了VOC沿轴向的变化动态模型，并通过实验数据来估算模型中的稳态情况下的参数;Christina等［22］人研究营养浓度与反冲洗在建立数学模型中的影响;Aizpuru等［23］人对去除效率定量分析模型进行了研究。在国内，刘强等［24］人通过对生物滴滤塔净化VOCs过程的分析，建立并验证了基于生物降解为一级反应动力学和零级反应动力学的污染物浓度沿填料层高度变化的方程，提出方程反应常数随入口浓度的增大而升高的结论。伍世云［25］根据双膜理论导出了微生物过滤塔控制VOCs方法的动力学方程，并提出了微生物过滤塔控制VOCs方法的要点。因此，通过上述的动力学建模，为生物滴滤塔的系统化、自动化应用奠定了一定理论基础。

从文献报道［26］来看，生物滴滤塔是生物法中的研究热门，也是当前有机废气治理的主流技术之一，接下来，针对实际困难和问题，还需要从以下方面进行更为深入的研究：首先，仍然需要进行动力学方面的研究，研究动力模型不应局限于理想化模型，而应更加全面地考虑整个系统内包括吸收、吸附、物理、生物及化学等因素的交叉作用，基于复杂因素的综合，建立综合性模型方程，由此才能更好地为技术的工业化实践提供帮助。其次，微生物的高效集成开发，微生物是影响生物滴滤塔运行效果的关键因素，微生物不应局限于对单一污染物去除有效，而是需要开发适应性强、对多种污染物同时适用的高效多功能性的微生物菌团。除此之外，还要关注滴滤塔的堵塞、中间产物的二次污染、难溶性有机废气的适应等问题。

3 结论和展望

目前，我国有机废气的治理任务艰巨，对技术的需要日益迫切，而各种治理技术可谓五花八门，都存在各自的优点和缺点，也均处在发展和提升阶段。如何扬长避短、突破技术瓶颈，整合各种技术资源，真正实现有机废气治理的产业化应用是所有科研工作需要正视的问题。笔者认为，解决上述问题，首先需要重视技术的实效性，无论是广泛采用的传统处理方法，还是新开发的处理技术，都要考虑到应用的实效性。不能只能有效处理一种污染物，而是能够实现多种污染物并存状况下的同步去除，不能光在实验室搞研究，而是要把技术放大到工业化应用中。其次，重视技术的环保、节能、低廉。我国是一个发展中国家，面临经济发展和环境保护的双重任务，开发简单有效、环保节能，而且低成本的有机废气治理技术已成为我国治理有机废气污染的最佳途径。另外，从技术应用的角度来看，传统的活性炭吸附和催化燃烧技术可以现行推广，而生物法尚需进一步的实践论证，基于生物法具备良好的发展潜力，今后应将其列入有机废气治理领域的主攻方向。

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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

伍建军 (1976—)，男，浙江兰溪人，硕士，主要从事环境科学研究。