淺談活性炭工藝在VOCs污染治理工程中的應(yīng)用及缺陷

所有能參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的化合物都可以被稱為VOC，對VOC廢氣進(jìn)行有效治理具有非常重要的意義。但目前不同企業(yè)對其所產(chǎn)生的有機(jī)廢氣特點(diǎn)及應(yīng)使用環(huán)保設(shè)備仍然處于無序化的模糊性發(fā)展階段。

因此，環(huán)保工作者需要了解VOC廢氣處理設(shè)備的作用機(jī)理，掌握其常用處理方法，優(yōu)化流程，才能妥善實(shí)現(xiàn)VOC廢氣治理。

所有能參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的化合物都可以被稱為VOC，對VOC廢氣進(jìn)行有效治理具有非常重要的意義。但目前不同企業(yè)對其所產(chǎn)生的有機(jī)廢氣特點(diǎn)及應(yīng)使用環(huán)保設(shè)備仍然處于無序化的模糊性發(fā)展階段。在驗(yàn)收的實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，環(huán)評(píng)、環(huán)評(píng)批復(fù)、驗(yàn)收及環(huán)保管理均離不開活性炭，相互之間有所呼應(yīng)但實(shí)體設(shè)備缺乏規(guī)定，通行設(shè)備出現(xiàn)崇尚所謂方法（工藝）一刀切的局面，且流于設(shè)備表觀。歸結(jié)到底，對設(shè)備的了解還不能透徹，對活性炭選型、工藝設(shè)計(jì)和凈化裝備設(shè)計(jì)中活性炭的基本性能、適用范圍和使用條件等缺乏規(guī)律性認(rèn)識(shí)，沒有真正掌控原理。

因此，環(huán)保工作者需要了解VOC廢氣處理設(shè)施的作用機(jī)理，掌握其常用處理方法，優(yōu)化流程，才能妥善實(shí)現(xiàn)廢氣治理。

1. 活性炭設(shè)備的應(yīng)用及實(shí)例

吸附法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的吸附分離與凈化，近年來備受關(guān)注，廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生有機(jī)氣體的企業(yè)。下面按時(shí)間順序針對近幾年VOCs去除的活性炭設(shè)備進(jìn)行描述。

1.1 活性碳纖維工藝實(shí)例應(yīng)用

活性碳纖維（ACF）是一種新型吸附材料，與傳統(tǒng)的活性炭相比，其首先是比表面積大，有效吸附容量高；其次是脫附快，能耗低，容易再生；再次是強(qiáng)度高、壽命長；最后是可吸附低濃度氣體，現(xiàn)階段應(yīng)用廣、技術(shù)成熟。實(shí)際使用中可見設(shè)備簡單、體積小、易于管理。常見的活性炭纖維處理VOCs裝置中，活性碳纖維只有薄薄的一兩層，活性碳纖維固定在金屬框架上，如果安裝不好活性碳纖維與箱體間會(huì)出現(xiàn)空隙，造成氣流短路，未得到處理氣體直接外溢，造成不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象；同時(shí)，活性碳纖維中活性炭總量較小，看上去的設(shè)備容積基本都是空殼，起作用的活性炭體積非常有限，為了減小風(fēng)阻，也不可能裝載太多的活性碳纖維。

活性炭是一個(gè)吸附脫附的動(dòng)態(tài)平衡過程，這種設(shè)備不允許廠內(nèi)再生，顯而易見，此類設(shè)備存在因活性碳纖維裝填量少而吸附量不足或者頻繁更換活性碳纖維的問題。

1.2 活性炭組合工藝實(shí)例應(yīng)用

正如前節(jié)所述，活性碳纖維吸附裝置存在吸附容量不足或者頻繁更換的問題，隨時(shí)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)排放現(xiàn)象，為了提高吸附容量或者使用時(shí)間，出現(xiàn)了大體量的活性炭（蜂窩活性炭）或者UV光解、低溫等離子等配合活性炭的組合工藝，活性炭應(yīng)用過程發(fā)展到第二階段。在關(guān)注活性炭裝填量的前提下，單一的活性炭吸附工藝會(huì)造成活性炭過快飽和，處理效果不穩(wěn)定，大多數(shù)情況下都與其他處理工藝組合使用。此時(shí)出現(xiàn)的典型代表工藝主要有“UV光解+活性炭吸附”、“低溫等離子+活性炭吸附”，“旋流板塔+UV光解+活性炭吸附”、“水噴淋+干式過濾器+活性炭吸附”等?，F(xiàn)場組裝工藝有了極大進(jìn)步，使用穩(wěn)定性大大提高。但不可否認(rèn)的是，在一些工程驗(yàn)收時(shí)，仍存在裝填量不足等問題，上部空間成為氣流通道，明顯存在氣流短路問題。未裝填活性炭的地方空氣阻力小，氣流優(yōu)先選擇通過未裝填活性炭的地方而不會(huì)通過大比阻的活性炭塊，由此容易導(dǎo)致排放氣體不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象；另外有些不僅裝填量不足，且出現(xiàn)蜂窩活性炭細(xì)碎化問題，常由蒸汽或高溫氣流降溫結(jié)露造成，這往往是廢氣處理系統(tǒng)不合理導(dǎo)致的，也有的是設(shè)備防水不好所致。

某些環(huán)保設(shè)備廠家在設(shè)備安裝過程中對活性炭裝填不認(rèn)真、隱蔽部位不合理、短路現(xiàn)象嚴(yán)重，排污企業(yè)管理水平有限條件下活性炭裝置的活性炭性能保障不充分等問題更是比比皆是。也就是說，不在乎工藝對不對，實(shí)際是活性炭裝填方式不對、裝填量不足、裝填通路不滿格等，容易形成氣流短路，從而造成處理效果不好。活性炭裝填量不足及不合理，加之UV光解、低溫等離子用電量不足，總體有機(jī)氣體去除率出現(xiàn)不理想現(xiàn)象很正常，在實(shí)際工程中這些工藝所遭到的否定有其悲哀所在。

1.3 “吸附+脫附+催化燃燒”工藝實(shí)例應(yīng)用

催化燃燒處理VOCs是目前有效的技術(shù)之一，吸附脫附過程循環(huán)，具有低溫降解、減少能耗、效率高等優(yōu)勢，關(guān)鍵是自我再生活性炭（沸石輪轉(zhuǎn)），危廢產(chǎn)生量少，無可置疑。問題在于我們對此工藝的推崇程度及其應(yīng)用環(huán)境。某企業(yè)于2022年10月對原有廢氣處理設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造，原有的“一級(jí)、二級(jí)循環(huán)水冷凝+活性炭吸附”改為“活性炭吸附/脫附-催化燃燒”，誠然，比較原有工藝缺乏了工藝流線長度，循環(huán)水冷凝及其脫水對活性炭也是有保護(hù)的，但嚴(yán)格來講這實(shí)屬降級(jí)。

目前有一個(gè)誤區(qū)，即一提到活性炭吸附脫附加催化燃燒，就認(rèn)為是有效工藝，完全忽略了本體保護(hù)及工藝參數(shù)，比如VOCs濃度、粉塵含量、含水率等等工藝特點(diǎn)。在具體的使用方面，催化燃燒裝置比較適合處理風(fēng)量適中并且VOCs濃度較高的化工廢氣。對于低含量VOCs氣體，直接催化燃燒裝置困難，需要沸石輪轉(zhuǎn)設(shè)備壓縮處理后，再輸送到催化燃燒設(shè)備催化燃燒。

對于催化燃燒設(shè)備，從某公司防水型蜂窩活性炭介紹來看，具有較為發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，其吸附和凈化作用廣泛。就其活性炭分布可見，完全無視氣流短路通道。

事實(shí)上，進(jìn)入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃，濕度不能太高，很多有機(jī)氣體可以造成污染，廢活性炭放置存放需要密封等問題。只有切實(shí)理解活性炭吸附脫附原理，才能合理判斷設(shè)備是否升級(jí)。評(píng)估環(huán)保設(shè)施應(yīng)該從收集效率、收集風(fēng)量、處理率和排放達(dá)標(biāo)等方面予以確定，設(shè)備的安全性、可操作性、堅(jiān)固性及耐久性也是評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

2. 實(shí)例中的不達(dá)標(biāo)性分析

2.1 實(shí)例基本情況

某新型環(huán)保膠粘劑與水性涂料項(xiàng)目發(fā)生技改變更，合并了不同車間VOCs排氣筒，也合并了污水處理廠廢氣排氣筒，論證過程中污水處理廠廢氣所經(jīng)歷的處理設(shè)施似乎是強(qiáng)化了，在驗(yàn)收中確切體現(xiàn)了問題所在。

2.2 有機(jī)廢氣治理設(shè)施參數(shù)與設(shè)計(jì)規(guī)范的符合性

設(shè)施參數(shù)：“水噴淋塔+干式過濾器+活性炭吸附/脫附”配套噴淋塔的容積為12m3，廢氣停留時(shí)間約1.9s，主要去除廢氣中的顆粒物、以及少量水溶性的VOCs；干式過濾器為16套G4級(jí)過濾袋和F7級(jí)過濾袋，主要是去除水分、顆粒物；配套3個(gè)活性炭箱（2個(gè)吸附、1個(gè)脫附，交替運(yùn)行），容積2.5m×2.2m×2.1m，總?cè)莘e34.65m3。

規(guī)范符合性：對照《吸附法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2026—2013），實(shí)際配套廢氣治理設(shè)施參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

項(xiàng)目“催化燃燒裝置”（H）使用的催化劑為重金屬催化劑（鉑，鈀，釕等），填充量約0.14m3，采用電加熱助燃。其實(shí)際安裝設(shè)施參數(shù)，也是能夠滿足《催化燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2027—2013）相關(guān)要求的。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行無法確定

依據(jù)該項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書及其審批部門批復(fù)文件，以及此后廢氣處理設(shè)施變更環(huán)境影響分析報(bào)告和審批部門批復(fù)等文件，相關(guān)內(nèi)容如下。

廢氣處理設(shè)施變更環(huán)境影響分析報(bào)告內(nèi)容為：

1#車間生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機(jī)廢氣、2#車間水性木工乳膠A、B產(chǎn)品及水性苯丙乳液產(chǎn)生的灌裝廢氣、3#生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣、污水站廢氣，一并收集進(jìn)入廢氣處理裝置進(jìn)行處理，活性炭脫附廢氣進(jìn)入“催化燃燒裝置”（編號(hào)H）處理，處理后合并通過1支30m高排氣筒（PVOCs）排放。

審批部門對廢氣處理設(shè)施變更環(huán)境影響分析報(bào)告的批復(fù)意見：揮發(fā)性有機(jī)物的排放濃度、排放速率，均能夠滿足《揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)第6部分：有機(jī)化工行業(yè)》（DB37/2801.6—2018）表1中Ⅱ時(shí)段要求，甲醛、苯乙烯排放濃度能夠滿足表2中要求，甲醛排放速率能夠滿足《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16297—1996）表2中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，苯乙烯排放速率能夠滿足《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（G14554—93）表2相關(guān)要求；氨、H2S排放濃度、排放速率及臭氣濃度能夠滿足《有機(jī)化工企業(yè)污水處理廠(站)揮發(fā)性有機(jī)物及惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37/3161—2018）表1標(biāo)準(zhǔn)要求。

再以惡臭氣體污染物排放限值論證合并處理的不合理性。通過對標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的對比可見，相應(yīng)指標(biāo)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，根本不可能執(zhí)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場檢測結(jié)果為，臭氣濃度2000~3000，排放標(biāo)準(zhǔn)的要求是：①DB37/2801.6—2018臭氣濃度800；②G14554—93中25m排氣筒6000、35m排氣筒15000，明顯表明超過有機(jī)化工企業(yè)污水處理廠(站)揮發(fā)性有機(jī)物及惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)了。顯而易見，也不可能執(zhí)行污水處理站的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 吸附等溫線表明去除率無法協(xié)調(diào)

污水處理站臭氣主要包括氨氣、不徹底氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生，主要原因是在氧氣充足的條件下，受到好氧細(xì)菌生化過程的影響，污水中的有機(jī)成分（如蛋白質(zhì)等），會(huì)造成氨氣的產(chǎn)生；在氧氣不充分條件下，受到厭氧細(xì)菌的影響，有機(jī)物會(huì)出現(xiàn)部分分解，會(huì)造成不徹底氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生。吸附法是去除揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種方法。

王潔等的活性炭吸附與級(jí)配優(yōu)化仿真模擬研究活性炭吸附表明：丁烷、2-甲基丁烷、戊烷和甲基叔丁基醚（MTBE）4種揮發(fā)性有機(jī)物的吸附過程，在0~20kPa時(shí)，活性炭對不同揮發(fā)性有機(jī)物的吸附飽和壓力，會(huì)隨分子量的增加逐漸減小，隨活性炭孔徑的增加逐漸增大；揮發(fā)性有機(jī)物的擴(kuò)散系數(shù)，會(huì)隨吸附劑孔徑的增加而增大，隨揮發(fā)性有機(jī)物分子的增大而減小。由此可見，盡管存在競爭吸附，但高分子越大，越容易低壓飽和。

作為活性炭吸附，通常用Langmuir吸附等溫線和Frundlich吸附等溫線來表達(dá)，不論是哪種計(jì)算公式，對應(yīng)于臭氣排放標(biāo)準(zhǔn)800和6000~15000的有機(jī)污染物相關(guān)數(shù)據(jù)可知，800到6000~15000的分子層上是沒有競爭力的，不可能繼續(xù)被去除，論證報(bào)告污水處理站臭氣通過“水噴淋塔+干式過濾器+活性炭吸附/脫附”的一切假設(shè)都不合理。

4. 結(jié)論

綜上所述，活性炭吸附解吸平衡對應(yīng)高濃度吸附后，低濃度污染物的氣體通過無法達(dá)到其單獨(dú)通過活性炭時(shí)的效力，并不是只要通過就達(dá)到固定去除率。對于活性炭相關(guān)的環(huán)保設(shè)施的選型，必須按照相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)要求確定，否則會(huì)出現(xiàn)理論上的根本錯(cuò)誤，目前該方面仍存在一定的問題。在環(huán)保設(shè)備發(fā)展尚處于不完善階段的情況下，單體完善和工藝合理組合仍然需要謹(jǐn)慎使用，否則會(huì)出現(xiàn)即使理論上可行，但實(shí)際處理效率低下的情況。具體工藝實(shí)施的完整性及其掌控，處理效率及管理水平的評(píng)估有待于普及提高。