UV工藝在廈門(mén)市VOCs廢氣治理中的應(yīng)用研究

吳艷聰 劉建福

(1.廈門(mén)市環(huán)境科學(xué)研究院，福建 廈門(mén) 361021；2.廈門(mén)理工學(xué)院環(huán)境生物技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

“十三五”以來(lái)，我國(guó)細(xì)顆粒物(PM2.5)污染控制雖取得一定成效，但PM2.5濃度仍處高位。京津冀及周邊地區(qū)源解析結(jié)果表明，揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是PM2.5的主要組分，其貢獻(xiàn)占比可達(dá)20%～40%[1]。同時(shí)，我國(guó)臭氧(O3)濃度逐年上升，尤其在夏秋季節(jié)，O3已成為部分城市的首要污染物[2],O3污染問(wèn)題日益顯現(xiàn)。有關(guān)研究表明，VOCs是形成O3和PM2.5的重要前體物，減少VOCs排放可有效降低空氣中的PM2.5和O3濃度[3]。為此，《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見(jiàn)》明確要求大力推進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物減排，確保2025年揮發(fā)性有機(jī)物排放總量比2020年下降10%以上[4]。

廈門(mén)市自2016年開(kāi)始實(shí)施VOCs污染整治，涉及表面涂裝、印刷包裝、含噴漆的汽車(chē)維修、化工、船舶制造維修業(yè)、橡膠制品業(yè)、制鞋業(yè)、工藝品制造等8個(gè)行業(yè)。至2019年底，廈門(mén)市整治企業(yè)1025家。

常見(jiàn)的VOCs廢氣末端治理技術(shù)有直接燃燒法、吸附濃縮+蓄熱燃燒法、吸附濃縮+蓄熱催化燃燒法、活性炭吸附法、吸收法、冷凝回收法、UV法(即利用紫外光催化或分解VOCs的方法)、低溫等離子法、生物法等[5-6]。其中，UV法因其投建費(fèi)用、運(yùn)維成本較低，在中小企業(yè)中應(yīng)用廣泛。但隨著研究的深入，行政主管部門(mén)意識(shí)到采用UV法治理工業(yè)VOCs廢氣不僅效率低，還會(huì)產(chǎn)生臭氧，可能與治理初衷背道而馳。

2019年，為做好廈門(mén)市下一步的VOCs污染防治決策，特別對(duì)涉VOCs排放的工業(yè)企業(yè)開(kāi)展相關(guān)調(diào)查與監(jiān)測(cè)。其中，開(kāi)展末端治理工藝應(yīng)用情況調(diào)查涵蓋VOCs排放企業(yè)632家。同時(shí)，重點(diǎn)篩選典型UV治理工藝企業(yè)20家，開(kāi)展UV工藝參數(shù)、VOCs治理效率及臭氧排放濃度調(diào)查與監(jiān)測(cè)，以此研究UV法的實(shí)際治理效果和臭氧產(chǎn)生情況等問(wèn)題。

1 UV工藝應(yīng)用情況簡(jiǎn)介

1.1 UV工藝原理

UV波長(zhǎng)在100～380nm范圍內(nèi)，按波段可分為UV-A、UV-B、UV-C和真空紫外V-UV。其中，UV-C和V-UV有相對(duì)較強(qiáng)的氧化能力。在VOCs廢氣治理上，UV工藝雖然名稱(chēng)叫法繁多，比如UV光解、UV光催化、UV光氧化等，但其實(shí)際應(yīng)用原理大致相同[7]。工業(yè)上一般使用低壓汞燈來(lái)產(chǎn)生UV。低壓汞燈產(chǎn)生的UV波長(zhǎng)主要集中在254nm與185nm處，其中254nm處約占85%，185nm處約占15%。UV分解VOCs有兩種途徑，一種是紫外光直接氧化分解作用，當(dāng)紫外線能量大于有機(jī)物鍵能時(shí)，UV可以將有機(jī)物分子實(shí)體中的一個(gè)或多個(gè)化學(xué)鍵打斷，以達(dá)到降解的目的；另一種是光催化氧化，即填充的光催化劑在紫外光照射條件下發(fā)生電子-空穴分離，激發(fā)O2或者VOCs分子，產(chǎn)生了活性氧化劑如臭氧(O3)、氧自由基(O·)或羥基自由基(·OH)。這些活性氧化劑再與VOCs分子發(fā)生氧化反應(yīng)[8-10]。常用光催化劑為T(mén)iO2[11]。理論上，絕大多數(shù)的揮發(fā)性有機(jī)物分子最終都可以被氧化分解成無(wú)害的二氧化碳和水[12]。

1.2 UV工藝應(yīng)用

根據(jù)調(diào)查，與其他常見(jiàn)的VOCs末端處理工藝相比，UV工藝在廈門(mén)市VOCs排放企業(yè)中的應(yīng)用比例最高，約為59%。如圖1所示，按照VOCs排放重點(diǎn)行業(yè)分類(lèi)，汽修(帶噴漆作業(yè))、包裝印刷、涂裝、化工使用比例分別為77%、45%、46%、67%。

圖1 廈門(mén)市VOCs排放企業(yè)UV工藝選用情況

在具體應(yīng)用上，為提高廢氣處理效率，企業(yè)往往采取各種治理工藝串聯(lián)組合。除單一UV工藝外，常見(jiàn)的UV工藝聯(lián)用組合有UV+活性炭、UV+等離子等。據(jù)本次調(diào)查，在UV系列工藝中，單一UV的應(yīng)用約占58%，UV+活性炭約29%。UV+等離子因投用成本相對(duì)較高，比例最小約為13%。

2 調(diào)查與監(jiān)測(cè)

2.1 調(diào)查

基于UV降解VOCs的工作原理，UV能量強(qiáng)度、VOCs分子在UV處理設(shè)施的停留時(shí)間、催化劑的用量等都是影響處理效率的重要因素。因此，通過(guò)發(fā)放調(diào)查表，調(diào)查UV燈管功率、燈管數(shù)量、催化劑裝填量、處理設(shè)施運(yùn)行風(fēng)量、設(shè)施尺寸大小等參數(shù)，評(píng)估處理設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置是否合理。

2.2 監(jiān)測(cè)

為了評(píng)估UV工藝實(shí)際處理效率和臭氧產(chǎn)生量，選取20家典型企業(yè)，其中單一UV設(shè)施的企業(yè)9家、UV+活性炭企業(yè)6家、UV+等離子企業(yè)5家。參照國(guó)標(biāo)監(jiān)測(cè)采樣方法，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)出口的風(fēng)量，采樣、送測(cè)進(jìn)出口非甲烷總烴濃度，按公式(1)計(jì)算設(shè)施處理效率，使用便攜式臭氧分析儀(型號(hào)：美國(guó)2B Technologies Model 106M)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)施出口的臭氧濃度，并結(jié)合風(fēng)量，按公式(2)計(jì)算臭氧的排放速率。

(1)

式(1)中，η為處理設(shè)施處理效率；C進(jìn)口、C出口分別為處理設(shè)施進(jìn)出口非甲烷總烴監(jiān)測(cè)濃度，單位為mg/m3；Q進(jìn)口、Q出口分別為處理設(shè)施進(jìn)出口實(shí)測(cè)風(fēng)量，單位為m3/h。

Q=C×q

(2)

式(2)中，Q為臭氧排放速率，單位為g/h；C為出口臭氧排放濃度，單位為g/m3；q為設(shè)施出口風(fēng)量，單位為m3/h。

2.3 調(diào)查與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

使用單一UV工藝的企業(yè)調(diào)查與監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 單一UV處理設(shè)施參數(shù)調(diào)查與監(jiān)測(cè)情況

從處理效率分析，單一UV工藝對(duì)VOCs的處理效率約在21%～55%，平均處理效率約39%；處理設(shè)施均有不同程度的臭氧產(chǎn)生，臭氧排放速率約在21～90g/h，平均排放速率約60g/h。每根燈管的臭氧排放速率大小不一，可見(jiàn)紫外燈管的質(zhì)量參差不齊?？傮w來(lái)說(shuō)，每萬(wàn)風(fēng)量紫外燈管功率越大，臭氧排放速率越高，停留時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的處理效率越高。預(yù)計(jì)，每萬(wàn)風(fēng)量紫外燈管功率在15kW以上，停留時(shí)間在2s以上，處理效率可以大于40%。結(jié)合廈門(mén)市第一階段VOCs整治工作的調(diào)查評(píng)估，當(dāng)前單一UV工藝處理設(shè)施參數(shù)取值較為規(guī)范，廢氣停留時(shí)間大多在1.5s以上，每萬(wàn)風(fēng)量紫外燈管總功率大多在8kW以上。

采用UV+活性炭聯(lián)用工藝的企業(yè)調(diào)查與監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 UV+活性炭處理設(shè)施參數(shù)調(diào)查與監(jiān)測(cè)情況

根據(jù)調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，UV+活性炭的處理效率在12%～64%，平均處理效率約35%；臭氧排放速率在4～270g/h之間，平均約為70g/h。聯(lián)用工藝的影響因素更為復(fù)雜，活性炭的填充量越大，更換周期越短，臭氧排放速率越高，廢氣在設(shè)施內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，處理效率就越高。一般情況下，廢氣在紫外光燈箱區(qū)停留時(shí)間宜在2s以上，活性炭停留時(shí)間宜在1s以上，每萬(wàn)風(fēng)量活性炭裝填量應(yīng)大于1m3，活性炭更換周期宜小于3個(gè)月[13]。但在實(shí)際應(yīng)用中，為了節(jié)約建設(shè)成本，設(shè)計(jì)的紫外燈管總功率、活性炭裝填量及廢氣停留時(shí)間均比單一UV或單一活性炭工藝小，同時(shí)活性炭更換周期更長(zhǎng)，這樣往往造成在串聯(lián)組合中的UV工藝和活性炭工藝均未能正常發(fā)揮作用。

等離子技術(shù)原理是在通過(guò)強(qiáng)電場(chǎng)以氣體放電的形式引發(fā)高能電子，利用高能電子直接與VOCs分子發(fā)生反應(yīng)生成多種碎片分子，或者間接產(chǎn)生·OH、·O等強(qiáng)氧化自由基分解VOCs分子，從而達(dá)到降解消除氣態(tài)VOCs污染分子的作用[14]。UV+等離子是指UV光催化與等離子的協(xié)同工藝。采用UV+等離子聯(lián)用工藝的企業(yè)調(diào)查與監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 UV+等離子處理設(shè)施參數(shù)調(diào)查與監(jiān)測(cè)情況

由表3可知，UV+等離子聯(lián)用工藝的處理效率在20%～55%，平均處理效率約42%；臭氧排放速率范圍約8～306g/h，平均排放速率約88g/h。由于等離子工藝降解VOCs過(guò)程同樣副產(chǎn)臭氧[15]，因此UV+等離子聯(lián)用工藝的臭氧平均排放速率比單一UV工藝高。

3 結(jié)論與建議

①UV系列工藝在廈門(mén)市VOCs排放企業(yè)中應(yīng)用廣泛，比例超過(guò)59%，其中大多數(shù)為帶噴漆作業(yè)的汽修企業(yè)。在UV系列工藝選用中，以單一UV工藝最為常見(jiàn)，占比高達(dá)58%。UV系列工藝均有不同程度的臭氧排放，由于紫外燈管品牌與質(zhì)量的不同，產(chǎn)生的臭氧排放速率不一，每根燈管排放速率從0.097g/h到5.64g/h，相差幾十倍。在VOCs的處理效率方面，UV系列工藝處理效率從12%到64%，總體處理效率不高，僅適用于低濃度VOCs的治理。調(diào)查的處理設(shè)施進(jìn)口非甲烷總烴濃度在10～120mg/m3，進(jìn)口濃度大小不一，也是造成處理效率不同的一大因素。建議企業(yè)合理設(shè)置工藝抽排風(fēng)量，減風(fēng)增濃，有利于提高廢氣處理效率。但UV工藝不能忽視臭氧產(chǎn)生問(wèn)題，較高處理效率往往伴隨著較大速率的臭氧排放。

②在環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中，臭氧日最大8h平均二級(jí)濃度限值為160μg/m3，廣泛應(yīng)用UV工藝導(dǎo)致的臭氧排放可能對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量存在一定的影響。建議開(kāi)展UV系列工藝產(chǎn)生的臭氧對(duì)環(huán)境空氣污染的探索實(shí)驗(yàn)，在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)和安全的前提下，暫時(shí)關(guān)閉UV工藝，利用空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)評(píng)估臭氧濃度變化情況。

③與其他VOCs處理工藝相比，UV工藝的投用及運(yùn)維成本較低，除副產(chǎn)臭氧外，相對(duì)綠色環(huán)保，有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)臭氧是一種不穩(wěn)定的氣體，半衰期短，可自動(dòng)分解成氧氣。建議環(huán)?？蒲袉挝患訌?qiáng)研究，探索UV處理工藝消除臭氧的方法，破除UV工藝的應(yīng)用阻礙。此外，當(dāng)前環(huán)保設(shè)施大多數(shù)為企業(yè)自主驗(yàn)收，加上環(huán)保治理公司良莠不齊，低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)常見(jiàn)，UV關(guān)鍵設(shè)備如UV燈管、催化劑等以次充好，造成處理效率難以保證。建議行政主管部門(mén)逐步推動(dòng)制定UV工藝VOCs廢氣治理相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成市場(chǎng)規(guī)范。

④研究表明，UV工藝應(yīng)用在降解封閉體系中VOCs氣體，如循環(huán)降解室內(nèi)、封閉車(chē)廂內(nèi)的VOCs氣體，處理效率極高[16]。但在非封閉體系中，受限于停留時(shí)間等因素，當(dāng)前工業(yè)VOCs廢氣處理效率較低。涂裝、包裝印刷、化工都是VOCs排放的重點(diǎn)行業(yè)，為減少VOCs污染，促進(jìn)污染物減排，建議行政主管部門(mén)引導(dǎo)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)選用處理效率較高的處理工藝，逐步更替UV工藝。