淺談活性炭工藝在VOCs污染治理工程中的應用及缺陷

所有能參與大氣光化學反應的化合物都可以被稱為VOC，對VOC廢氣進行有效治理具有非常重要的意義。但目前不同企業對其所產生的有機廢氣特點及應使用環保設備仍然處于無序化的模糊性發展階段。

因此，環保工作者需要了解VOC廢氣處理設備的作用機理，掌握其常用處理方法，優化流程，才能妥善實現VOC廢氣治理。

所有能參與大氣光化學反應的化合物都可以被稱為VOC，對VOC廢氣進行有效治理具有非常重要的意義。但目前不同企業對其所產生的有機廢氣特點及應使用環保設備仍然處于無序化的模糊性發展階段。在驗收的實際工作中發現，環評、環評批復、驗收及環保管理均離不開活性炭，相互之間有所呼應但實體設備缺乏規定，通行設備出現崇尚所謂方法（工藝）一刀切的局面，且流于設備表觀。歸結到底，對設備的了解還不能透徹，對活性炭選型、工藝設計和凈化裝備設計中活性炭的基本性能、適用范圍和使用條件等缺乏規律性認識，沒有真正掌控原理。

因此，環保工作者需要了解VOC廢氣處理設施的作用機理，掌握其常用處理方法，優化流程，才能妥善實現廢氣治理。

1. 活性炭設備的應用及實例

吸附法主要適用于低濃度氣態污染物的吸附分離與凈化，近年來備受關注，廣泛應用于各個生產環節產生有機氣體的企業。下面按時間順序針對近幾年VOCs去除的活性炭設備進行描述。

1.1 活性碳纖維工藝實例應用

活性碳纖維（ACF）是一種新型吸附材料，與傳統的活性炭相比，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；再次是強度高、壽命長；最后是可吸附低濃度氣體，現階段應用廣、技術成熟。實際使用中可見設備簡單、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出現空隙，造成氣流短路，未得到處理氣體直接外溢，造成不達標現象；同時，活性碳纖維中活性炭總量較小，看上去的設備容積基本都是空殼，起作用的活性炭體積非常有限，為了減小風阻，也不可能裝載太多的活性碳纖維。

活性炭是一個吸附脫附的動態平衡過程，這種設備不允許廠內再生，顯而易見，此類設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 活性炭組合工藝實例應用

正如前節所述，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，隨時出現不達標排放現象，為了提高吸附容量或者使用時間，出現了大體量的活性炭（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，活性炭應用過程發展到第二階段。在關注活性炭裝填量的前提下，單一的活性炭吸附工藝會造成活性炭過快飽和，處理效果不穩定，大多數情況下都與其他處理工藝組合使用。此時出現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。現場組裝工藝有了極大進步，使用穩定性大大提高。但不可否認的是，在一些工程驗收時，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，氣流優先選擇通過未裝填活性炭的地方而不會通過大比阻的活性炭塊，由此容易導致排放氣體不達標現象；另外有些不僅裝填量不足，且出現蜂窩活性炭細碎化問題，常由蒸汽或高溫氣流降溫結露造成，這往往是廢氣處理系統不合理導致的，也有的是設備防水不好所致。

某些環保設備廠家在設備安裝過程中對活性炭裝填不認真、隱蔽部位不合理、短路現象嚴重，排污企業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，總體有機氣體去除率出現不理想現象很正常，在實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”工藝實例應用

催化燃燒處理VOCs是目前有效的技術之一，吸附脫附過程循環，具有低溫降解、減少能耗、效率高等優勢，關鍵是自我再生活性炭（沸石輪轉），危廢產生量少，無可置疑。問題在于我們對此工藝的推崇程度及其應用環境。某企業于2022年10月對原有廢氣處理設施進行升級改造，原有的“一級、二級循環水冷凝+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，循環水冷凝及其脫水對活性炭也是有保護的，但嚴格來講這實屬降級。

目前有一個誤區，即一提到活性炭吸附脫附加催化燃燒，就認為是有效工藝，完全忽略了本體保護及工藝參數，比如VOCs濃度、粉塵含量、含水率等等工藝特點。在具體的使用方面，催化燃燒裝置比較適合處理風量適中并且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，需要沸石輪轉設備壓縮處理后，再輸送到催化燃燒設備催化燃燒。

對于催化燃燒設備，從某公司防水型蜂窩活性炭介紹來看，具有較為發達的空隙結構，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。

事實上，進入吸附裝置的廢氣溫度宜低于40℃，濕度不能太高，很多有機氣體可以造成污染，廢活性炭放置存放需要密封等問題。只有切實理解活性炭吸附脫附原理，才能合理判斷設備是否升級。評估環保設施應該從收集效率、收集風量、處理率和排放達標等方面予以確定，設備的安全性、可操作性、堅固性及耐久性也是評估標準。

2. 實例中的不達標性分析

2.1 實例基本情況

某新型環保膠粘劑與水性涂料項目發生技改變更，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歷的處理設施似乎是強化了，在驗收中確切體現了問題所在。

2.2 有機廢氣治理設施參數與設計規范的符合性

設施參數：“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級過濾袋和F7級過濾袋，主要是去除水分、顆粒物；配套3個活性炭箱（2個吸附、1個脫附，交替運行），容積2.5m×2.2m×2.1m，總容積34.65m3。

規范符合性：對照《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》（HJ2026—2013），實際配套廢氣治理設施參數均滿足規范要求。

項目“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。其實際安裝設施參數，也是能夠滿足《催化燃燒法工業有機廢氣治理工程技術規范》（HJ2027—2013）相關要求的。

2.3 標準執行無法確定

依據該項目環境影響報告書及其審批部門批復文件，以及此后廢氣處理設施變更環境影響分析報告和審批部門批復等文件，相關內容如下。

廢氣處理設施變更環境影響分析報告內容為：

1#車間生產過程產生的有機廢氣、2#車間水性木工乳膠A、B產品及水性苯丙乳液產生的灌裝廢氣、3#生產過程中產生的有機廢氣、污水站廢氣，一并收集進入廢氣處理裝置進行處理，活性炭脫附廢氣進入“催化燃燒裝置”（編號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施變更環境影響分析報告的批復意見：揮發性有機物的排放濃度、排放速率，均能夠滿足《揮發性有機物排放標準第6部分：有機化工行業》（DB37/2801.6—2018）表1中Ⅱ時段要求，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準》（GB16297—1996）表2中的二級標準要求，苯乙烯排放速率能夠滿足《惡臭污染物排放標準》（G14554—93）表2相關要求；氨、H2S排放濃度、排放速率及臭氣濃度能夠滿足《有機化工企業污水處理廠(站)揮發性有機物及惡臭污染物排放標準》（DB37/3161—2018）表1標準要求。

再以惡臭氣體污染物排放限值論證合并處理的不合理性。通過對標準指標的對比可見，相應指標相差一個數量級，根本不可能執行統一標準，現場檢測結果為，臭氣濃度2000~3000，排放標準的要求是：①DB37/2801.6—2018臭氣濃度800；②G14554—93中25m排氣筒6000、35m排氣筒15000，明顯表明超過有機化工企業污水處理廠(站)揮發性有機物及惡臭污染物排放標準，超標了。顯而易見，也不可能執行污水處理站的廢氣排放標準。

3.4 吸附等溫線表明去除率無法協調

污水處理站臭氣主要包括氨氣、不徹底氧化產物的產生，主要原因是在氧氣充足的條件下，受到好氧細菌生化過程的影響，污水中的有機成分（如蛋白質等），會造成氨氣的產生；在氧氣不充分條件下，受到厭氧細菌的影響，有機物會出現部分分解，會造成不徹底氧化產物的產生。吸附法是去除揮發性有機物（VOCs）較為經濟實用的一種方法。

王潔等的活性炭吸附與級配優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種揮發性有機物的吸附過程，在0~20kPa時，活性炭對不同揮發性有機物的吸附飽和壓力，會隨分子量的增加逐漸減小，隨活性炭孔徑的增加逐漸增大；揮發性有機物的擴散系數，會隨吸附劑孔徑的增加而增大，隨揮發性有機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，不論是哪種計算公式，對應于臭氣排放標準800和6000~15000的有機污染物相關數據可知，800到6000~15000的分子層上是沒有競爭力的，不可能繼續被去除，論證報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”的一切假設都不合理。

4. 結論

綜上所述，活性炭吸附解吸平衡對應高濃度吸附后，低濃度污染物的氣體通過無法達到其單獨通過活性炭時的效力，并不是只要通過就達到固定去除率。對于活性炭相關的環保設施的選型，必須按照相關設計參數要求確定，否則會出現理論上的根本錯誤，目前該方面仍存在一定的問題。在環保設備發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慎使用，否則會出現即使理論上可行，但實際處理效率低下的情況。具體工藝實施的完整性及其掌控，處理效率及管理水平的評估有待于普及提高。