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在我國工業(yè)與制造業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中,日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境保護問(wèn)題廣泛受到社會(huì )的關(guān)注,為堅決執行“堅持人與自然和諧共生,建設生態(tài)文明是中華民族永續發(fā)展的千年大計”的發(fā)展戰略。各級政府也把環(huán)境治理和污染控制列為政府的工作重點(diǎn)之一,全國掀起了生態(tài)環(huán)境保護的熱潮。治理?yè)]發(fā)性有機廢氣(簡(jiǎn)稱(chēng):VOCs)的排放亦成為環(huán)保的一項重大實(shí)施工作,為此,有關(guān)部門(mén)不惜關(guān)停一些涉污生產(chǎn)企業(yè)。促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)加大了VOCs達標排放的環(huán)保設施建設。但目前VOCs達標排放處理(簡(jiǎn)稱(chēng):VOCs處理)的現狀卻仍亂象叢生,這就造成了企業(yè)花錢(qián)買(mǎi)“手銬”的悲慘后果。
主要原因是部分VOCs處理在缺乏量化分析、無(wú)針對污染物處理方案的前提下,采取天下文章一大抄之法,買(mǎi)幾個(gè)設備組裝一下就完成了VOCs處理,可想而知,其結果就是非但沒(méi)有將有害物質(zhì)進(jìn)行有效處理,還向大氣中排放了新增的污染物。如廣東VOCs治理普及率較高的某市,在空氣污染(臭氧)檢測中竟然多次超標,追溯其主要原因是許多生產(chǎn)企業(yè)的VOCs處理設備非但未能將污染物消除,卻產(chǎn)生了新的污染物,如“地上魔鬼”的臭氧。
VOCs主要包括碳烴化合物、苯及苯系物、醇類(lèi)、酮類(lèi)、酚類(lèi)、醛類(lèi)、酯類(lèi)、胺類(lèi)、腈類(lèi)、氰類(lèi)等有機化合物。源于電子、化工、石油化工、涂料、印刷、涂裝、家具、皮革等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。
VOCs是大氣污染源之一;是引發(fā)灰霾、光化學(xué)煙霧等大氣環(huán)境污染問(wèn)題的元兇之一;是以PM2.5為特征的區域性復合型大氣污染物的元兇之一。VOCs通過(guò)呼吸道和皮膚進(jìn)入人體后,可能給人的呼吸、血液、肝臟等系統和器官造成暫時(shí)性和永久性病變,尤其是苯并芘類(lèi)多環(huán)芳烴能使人體直接致癌,VOCs對人體健康危害極大。
現就部分生產(chǎn)企業(yè)應用的VOCs處理技術(shù)及其效果進(jìn)行相關(guān)的分析:
活性炭吸附法
1、處污原理
活性炭吸附法由于前期投資較低,是目前應用最多的VOCs處理辦法,是通過(guò)活性炭的自然吸附能力吸附VOCs,當吸附飽和后,活性炭脫附再生或交給專(zhuān)業(yè)危廢公司處理。
2、實(shí)際應用情況
運用活性炭吸附法進(jìn)行VOCs處理的環(huán)保公司對其設備的除污參數,基本上都會(huì )提到此類(lèi)設備的除污效率達到90%以上,但在實(shí)際除污應用過(guò)程中,除污效率達到90%以上只是理論值。而且在不同的工作環(huán)境下,其除污效率遠比這個(gè)理論數值低。主要原因包括溫度、工作環(huán)境濕度、水霧、酸度、灰塵及被吸附氣體之間的相互作用等。例如我國南方全年濕度較大,氣溫較高,其活性炭實(shí)際吸附量不足實(shí)驗室的50%。
3、主要問(wèn)題
使用活性炭吸附法處理VOCs達標排放實(shí)際運維費用是十分高昂的,同時(shí)自然吸、脫附管理難、適用性受多種因素影響,不適合含粉塵、水汽、乳狀物等廢氣處理,難穩定環(huán)保達標。且大量飽和后的活性炭處理更耗費巨大,該方法僅是將污染物吸附轉移,如對飽和后活性炭轉移過(guò)程無(wú)嚴格把關(guān)跟蹤,則極易造成二次污染。但因前期投資少,企業(yè)自然選用較多,現雖監管難(炭箱內沒(méi)有活性炭,活性炭設施過(guò)于簡(jiǎn)陋、幾乎不換炭,活性炭選用與實(shí)際設計不符,使用量過(guò)少等),但環(huán)保部門(mén)終會(huì )有所行動(dòng)的,存在著(zhù)巨大環(huán)保風(fēng)險。而且容易造假應付環(huán)保管理。(如:炭箱內沒(méi)有活性炭,活性炭設施過(guò)于簡(jiǎn)陋、幾乎不換炭,活性炭實(shí)際工程與設計不符,使用量過(guò)少等。)
低溫等離子體技術(shù)
1、處污原理
低溫等離子廢氣處理設備里的介質(zhì)阻擋放電過(guò)程中,等離子體內部產(chǎn)生富含極高化學(xué)活性的粒子,如電子、離子、臭氧和激發(fā)態(tài)分子等。理論上有機廢氣與這些具有較高能量的活性基團發(fā)生反應,部分會(huì )被裂解,最終轉化為二氧化碳和水等物質(zhì),從而達到凈化廢氣的目的。
2、實(shí)際應用情況
國內生產(chǎn)的運用低溫等離子體技術(shù)的治污設備,制造的環(huán)保公司對設備的除污參數,基本上都會(huì )提到這類(lèi)設備的除污效率達到80%以上。大量可用于VOCs處理的低能量等離子體設備僅可用于治理油煙污染,在實(shí)際處理工業(yè)VOCs過(guò)程中,這種低溫等離子體技術(shù)設備對有機廢氣的降解基本無(wú)效和會(huì )生成污染副產(chǎn)物,其降解效率較低,而VOCs的易燃性令其安全性備受關(guān)注。
3、主要問(wèn)題
現大量使用的小功率低溫等離子體是過(guò)去餐廚行業(yè)用于油煙處理的,其不適合VOCs處理,且生成副產(chǎn)物和大量的臭氧,會(huì )拉弧引燃VOCs等問(wèn)題。
因為等離子體技術(shù)在短時(shí)間內對包括芳香類(lèi)化合物的有機廢氣處理效率是很低的,主要是生成中間產(chǎn)物。如采用大功率等離子體在穩定的有機廢氣中,也要在一定的時(shí)間內才有處理效果。而對于工廠(chǎng)源源不斷高速排出的VOCs廢氣,其處理效率很低并會(huì )次生很多中間副產(chǎn)物,導致VOCs成分更復雜(這些副產(chǎn)物的危害性可能更大)、同時(shí)設備運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量無(wú)用臭氧。且有機廢氣絕大部分是易燃、易爆的化合物。等離子體運行時(shí)的拉弧極易引爆VOCs,天津爆炸事件已令社會(huì )對其的安全性質(zhì)疑,故該技術(shù)在各地被禁用已日逐增加。
光催化氧化
1、處污原理
光催化廢氣處理設備的技術(shù)是利用特種紫外線(xiàn)波段,在催化劑的作用下,將氧氣催化生成臭氧和羥基自由基及負氧離子,再將VOCs分子氧化還原的一種處理方式。
2、實(shí)際應用情況
大部分應用于VOCs處理的UV光催化處理設備是引用過(guò)去除臭殺菌的技術(shù)原理,通常采用雙波長(cháng)紫外光管,將能量主要用于轉換臭氧,用普通二氧化鈦材料作為催化劑,雖除污效率號稱(chēng)達到80%以上。實(shí)際現在使用的UV光催化處理VOCs設備的效率均較低,在無(wú)計算技術(shù)的控制下,會(huì )大量生成臭氧和中間副產(chǎn)物。
3、主要問(wèn)題
在UV光催化氧化技術(shù)應用中,包括UV管的波長(cháng)、光催化材料、反應時(shí)間、相對濕度、灰塵顆粒物等都是處理VOCs成敗的瓶頸要素。目前普遍認為光催化氧化法能夠將VOCs完全降解生成無(wú)毒無(wú)害的CO2和H2O等,但是在使用中由于反應時(shí)間太短,揮發(fā)性有機物在光催化氧化反應會(huì )生成酮、醛等更惡毒的中間產(chǎn)物和大量的臭氧。
近年來(lái)工業(yè)城鎮造成臭氧超標的其中因素就是濫用等離子體和產(chǎn)臭氧的UV光催化氧化設備。由于這兩類(lèi)設備都是試圖通過(guò)將空氣中的氧轉變成臭氧后通過(guò)化學(xué)反應消解工業(yè)廢氣的技術(shù),但因反應條件的制約,使產(chǎn)生的臭氧轉換成自由基和負氧離子的效率極低,同時(shí)因反應時(shí)間過(guò)短,導致設備產(chǎn)生的大部分臭氧未能實(shí)現對VOCs處理而直接排放。
生物處理法
1、處污原理
利用微生物對廢氣中的污染物進(jìn)行消化代謝,實(shí)質(zhì)上是一種生化分解過(guò)程,它通過(guò)附著(zhù)在介質(zhì)上的活性微生物來(lái)吸收有機廢氣,將污染物轉化為無(wú)害的水、二氧化碳及其它無(wú)機鹽類(lèi)。
2、實(shí)際應用情況
以污染物為微生物的食物來(lái)源,生物處理法包括:碳氫氧組成的各類(lèi)有機物、簡(jiǎn)單有機硫化物、有機氮化物、硫化氫及氨氣等無(wú)機類(lèi)。要求小氣量、低濃度、排氣連續、廢氣處理容器大,雖處理過(guò)程比較環(huán)保, 但運維復雜、生物補養繁瑣等原因,使生物處理法形同虛設,因其監管難,故仍比比皆是。
3、主要問(wèn)題
適用性較差:僅適用于特定的污染物,且生物細菌易死亡,對易溶物和易降解污染物進(jìn)行處理時(shí),會(huì )受到一定的限制;生物因新陳代謝易堵塞;生物法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應器的生物量以及整個(gè)填充床的壓降及填充床是否易堵塞問(wèn)題;難實(shí)現自動(dòng)控制;難以提高對各運行參數的控制能力,維護費用高和難管控故障;菌種培育困難:難篩選出高效降解各種VOCs氣體的優(yōu)勢菌種;反應場(chǎng)地約束:反應裝置占地面積大、反應時(shí)間較長(cháng)。故生物法在應用中不乏擺設的情況。
燃燒法
1、處污原理
燃燒法分為蓄熱式燃燒技術(shù)(RTO)和催化燃燒技術(shù)(RCO)。其原理是通過(guò)直接燃燒或者添加催化劑進(jìn)行低溫燃燒,利用“燒”將有機廢氣徹底降解為水和二氧化碳。
2、實(shí)際應用
燃燒法作為目前處理效率和效果相對理想的工藝,雖然它的價(jià)格相對昂貴且運行費用不低,但已被大部分專(zhuān)家和部分地市環(huán)境主管部門(mén)認可,甚至制定為主要治理工藝。
3、存在的主要問(wèn)題
因蓄熱燃燒(RTO)方式的燃燒室內溫度一般不低于750度,甚至高達1000度,因此,會(huì )產(chǎn)生燃料型氮氧化物。氮氧化物按生成機理的不同分為三類(lèi):熱力型、快速型和燃料型,其中燃料型占60%_95%。在生成燃料型NOx過(guò)程中,首先是含有氮的有機化合物或空氣中的氮氣經(jīng)過(guò)熱裂解產(chǎn)生N,CN,HCN和等中間產(chǎn)物基團,然后再氧化成NOx。經(jīng)粗算,一套20萬(wàn)m3/h處理量的蓄熱燃燒設備,其氮氧化物排放量約等于一臺35t/h的燃煤流化床鍋爐。
在有機廢氣的催化燃燒(RCO)工藝中,由于采用自來(lái)水作為水噴淋進(jìn)行預處理,水中的氯離子及有機物質(zhì)自帶的氯離子在催化燃燒室內(200~500度)極易生成二噁英。而VOCs處理設備上均無(wú)高溫高溫裝置用于促使二噁英的分解,因此,氣體在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的二噁英將直接排放至到大氣。
為什么VOCs的處理會(huì )難以達標呢?
主要是人才緊缺!因為我國有機化學(xué)的分支學(xué)科發(fā)展不平衡,特別是有機化學(xué)與其他學(xué)科的交叉和滲透不夠,并且我國有機化學(xué)的研究隊伍規模普遍較小,且相關(guān)的分支學(xué)科沒(méi)有很好的發(fā)展,因而對整個(gè)學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了影響,并有萎縮的趨勢。
在缺乏政策導向、缺乏評價(jià)體系下,造成了有機化學(xué)的研究工作沒(méi)人去做,也不愿意去做。有機化學(xué)本身相對“枯燥”,就業(yè)艱難,導致很多本、碩、博學(xué)生都不愿意選擇這個(gè)學(xué)科,特別是一些非熱門(mén)的領(lǐng)域:如有機光化學(xué)、自由基化學(xué)、元素有機化學(xué)等。
其次,是過(guò)于急功逐利,對VOCs的治理缺乏科學(xué)的研究、機理分析,只想找個(gè)什么設備就實(shí)現,其結果可想而知。VOCs處理的創(chuàng )新成敗已上升到經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境共存的問(wèn)題, 同時(shí)也將關(guān)聯(lián)著(zhù)我國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的安全。
難道VOCs的處理真的“無(wú)計可施”嗎?
其實(shí)不然,國內已有前衛的環(huán)保企業(yè)正聯(lián)合國內外專(zhuān)家學(xué)者將有機化學(xué)研究的理論應用到可持續的綠色發(fā)展中,其中成果就有把有機化學(xué)與環(huán)??茖W(xué)進(jìn)行交叉滲透,在全社會(huì )關(guān)注的有機廢氣處理中通過(guò)“小分子活化惰性化學(xué)鍵的有機化學(xué)反應機理”、“有機化學(xué)原子經(jīng)濟性的高效率、高選擇性合成方法學(xué)中的不對稱(chēng)催化反應機理”、“有機化學(xué)的自由基化學(xué)反應機理”、“綠色有機化學(xué)反應及過(guò)程化學(xué)反應機理的研究”、“計算化學(xué)機理的研究”等理論應用到VOCs處理設備上,實(shí)現了從根本上把VOCs處理設備推向節能、可靠、便宜、人工智能的高度上來(lái),為《中國制造2025》提交了一份合格的鋪墊報告。
VOCs處理的研發(fā)和應用創(chuàng )新必須順應“發(fā)展是第一要務(wù),人才是第一資源,創(chuàng )新是第一動(dòng)力。”的時(shí)代發(fā)展步伐!
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