浅谈活性炭工艺在VOCs污染治理工程中的应用及缺陷

所有能参与大气光化学反应的化合物都可以被称为VOC，对VOC废气进行有效治理具有非常重要的意义。但目前不同企业对其所产生的有机废气特点及应使用环保设备仍然处于无序化的模糊性发展阶段。

因此，环保工作者需要了解VOC废气处理设备的作用机理，掌握其常用处理方法，优化流程，才能妥善实现VOC废气治理。

所有能参与大气光化学反应的化合物都可以被称为VOC，对VOC废气进行有效治理具有非常重要的意义。但目前不同企业对其所产生的有机废气特点及应使用环保设备仍然处于无序化的模糊性发展阶段。在验收的实际工作中发现，环评、环评批复、验收及环保管理均离不开活性炭，相互之间有所呼应但实体设备缺乏规定，通行设备出现崇尚所谓方法（工艺）一刀切的局面，且流于设备表观。归结到底，对设备的了解还不能透彻，对活性炭选型、工艺设计和净化装备设计中活性炭的基本性能、适用范围和使用条件等缺乏规律性认识，没有真正掌控原理。

因此，环保工作者需要了解VOC废气处理设施的作用机理，掌握其常用处理方法，优化流程，才能妥善实现废气治理。

1. 活性炭设备的应用及实例

吸附法主要适用于低浓度气态污染物的吸附分离与净化，近年来备受关注，广泛应用于各个生产环节产生有机气体的企业。下面按时间顺序针对近几年VOCs去除的活性炭设备进行描述。

1.1 活性碳纤维工艺实例应用

活性碳纤维（ACF）是一种新型吸附材料，与传统的活性炭相比，其首先是比表面积大，有效吸附容量高；其次是脱附快，能耗低，容易再生；再次是强度高、寿命长；最后是可吸附低浓度气体，现阶段应用广、技术成熟。实际使用中可见设备简单、体积小、易于管理。常见的活性炭纤维处理VOCs装置中，活性碳纤维只有薄薄的一两层，活性碳纤维固定在金属框架上，如果安装不好活性碳纤维与箱体间会出现空隙，造成气流短路，未得到处理气体直接外溢，造成不达标现象；同时，活性碳纤维中活性炭总量较小，看上去的设备容积基本都是空壳，起作用的活性炭体积非常有限，为了减小风阻，也不可能装载太多的活性碳纤维。

活性炭是一个吸附脱附的动态平衡过程，这种设备不允许厂内再生，显而易见，此类设备存在因活性碳纤维装填量少而吸附量不足或者频繁更换活性碳纤维的问题。

1.2 活性炭组合工艺实例应用

正如前节所述，活性碳纤维吸附装置存在吸附容量不足或者频繁更换的问题，随时出现不达标排放现象，为了提高吸附容量或者使用时间，出现了大体量的活性炭（蜂窝活性炭）或者UV光解、低温等离子等配合活性炭的组合工艺，活性炭应用过程发展到第二阶段。在关注活性炭装填量的前提下，单一的活性炭吸附工艺会造成活性炭过快饱和，处理效果不稳定，大多数情况下都与其他处理工艺组合使用。此时出现的典型代表工艺主要有“UV光解+活性炭吸附”、“低温等离子+活性炭吸附”，“旋流板塔+UV光解+活性炭吸附”、“水喷淋+干式过滤器+活性炭吸附”等。现场组装工艺有了极大进步，使用稳定性大大提高。但不可否认的是，在一些工程验收时，仍存在装填量不足等问题，上部空间成为气流通道，明显存在气流短路问题。未装填活性炭的地方空气阻力小，气流优先选择通过未装填活性炭的地方而不会通过大比阻的活性炭块，由此容易导致排放气体不达标现象；另外有些不仅装填量不足，且出现蜂窝活性炭细碎化问题，常由蒸汽或高温气流降温结露造成，这往往是废气处理系统不合理导致的，也有的是设备防水不好所致。

某些环保设备厂家在设备安装过程中对活性炭装填不认真、隐蔽部位不合理、短路现象严重，排污企业管理水平有限条件下活性炭装置的活性炭性能保障不充分等问题更是比比皆是。也就是说，不在乎工艺对不对，实际是活性炭装填方式不对、装填量不足、装填通路不满格等，容易形成气流短路，从而造成处理效果不好。活性炭装填量不足及不合理，加之UV光解、低温等离子用电量不足，总体有机气体去除率出现不理想现象很正常，在实际工程中这些工艺所遭到的否定有其悲哀所在。

1.3 “吸附+脱附+催化燃烧”工艺实例应用

催化燃烧处理VOCs是目前有效的技术之一，吸附脱附过程循环，具有低温降解、减少能耗、效率高等优势，关键是自我再生活性炭（沸石轮转），危废产生量少，无可置疑。问题在于我们对此工艺的推崇程度及其应用环境。某企业于2022年10月对原有废气处理设施进行升级改造，原有的“一级、二级循环水冷凝+活性炭吸附”改为“活性炭吸附/脱附-催化燃烧”，诚然，比较原有工艺缺乏了工艺流线长度，循环水冷凝及其脱水对活性炭也是有保护的，但严格来讲这实属降级。

目前有一个误区，即一提到活性炭吸附脱附加催化燃烧，就认为是有效工艺，完全忽略了本体保护及工艺参数，比如VOCs浓度、粉尘含量、含水率等等工艺特点。在具体的使用方面，催化燃烧装置比较适合处理风量适中并且VOCs浓度较高的化工废气。对于低含量VOCs气体，直接催化燃烧装置困难，需要沸石轮转设备压缩处理后，再输送到催化燃烧设备催化燃烧。

对于催化燃烧设备，从某公司防水型蜂窝活性炭介绍来看，具有较为发达的空隙结构，比表面积大，其吸附和净化作用广泛。就其活性炭分布可见，完全无视气流短路通道。

事实上，进入吸附装置的废气温度宜低于40℃，湿度不能太高，很多有机气体可以造成污染，废活性炭放置存放需要密封等问题。只有切实理解活性炭吸附脱附原理，才能合理判断设备是否升级。评估环保设施应该从收集效率、收集风量、处理率和排放达标等方面予以确定，设备的安全性、可操作性、坚固性及耐久性也是评估标准。

2. 实例中的不达标性分析

2.1 实例基本情况

某新型环保胶粘剂与水性涂料项目发生技改变更，合并了不同车间VOCs排气筒，也合并了污水处理厂废气排气筒，论证过程中污水处理厂废气所经历的处理设施似乎是强化了，在验收中确切体现了问题所在。

2.2 有机废气治理设施参数与设计规范的符合性

设施参数：“水喷淋塔+干式过滤器+活性炭吸附/脱附”配套喷淋塔的容积为12m³，废气停留时间约1.9s，主要去除废气中的颗粒物、以及少量水溶性的VOCs；干式过滤器为16套G4级过滤袋和F7级过滤袋，主要是去除水分、颗粒物；配套3个活性炭箱（2个吸附、1个脱附，交替运行），容积2.5m×2.2m×2.1m，总容积34.65m³。

规范符合性：对照《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ2026—2013），实际配套废气治理设施参数均满足规范要求。

项目“催化燃烧装置”（H）使用的催化剂为重金属催化剂（铂，钯，钌等），填充量约0.14m³，采用电加热助燃。其实际安装设施参数，也是能够满足《催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ2027—2013）相关要求的。

2.3 标准执行无法确定

依据该项目环境影响报告书及其审批部门批复文件，以及此后废气处理设施变更环境影响分析报告和审批部门批复等文件，相关内容如下。

废气处理设施变更环境影响分析报告内容为：

1#车间生产过程产生的有机废气、2#车间水性木工乳胶A、B产品及水性苯丙乳液产生的灌装废气、3#生产过程中产生的有机废气、污水站废气，一并收集进入废气处理装置进行处理，活性炭脱附废气进入“催化燃烧装置”（编号H）处理，处理后合并通过1支30m高排气筒（PVOCs）排放。

审批部门对废气处理设施变更环境影响分析报告的批复意见：挥发性有机物的排放浓度、排放速率，均能够满足《挥发性有机物排放标准第6部分：有机化工行业》（DB37/2801.6—2018）表1中Ⅱ时段要求，甲醛、苯乙烯排放浓度能够满足表2中要求，甲醛排放速率能够满足《大气污染物综合排放标准》（GB16297—1996）表2中的二级标准要求，苯乙烯排放速率能够满足《恶臭污染物排放标准》（G14554—93）表2相关要求；氨、H2S排放浓度、排放速率及臭气浓度能够满足《有机化工企业污水处理厂(站)挥发性有机物及恶臭污染物排放标准》（DB37/3161—2018）表1标准要求。

再以恶臭气体污染物排放限值论证合并处理的不合理性。通过对标准指标的对比可见，相应指标相差一个数量级，根本不可能执行统一标准，现场检测结果为，臭气浓度2000~3000，排放标准的要求是：①DB37/2801.6—2018臭气浓度800；②G14554—93中25m排气筒6000、35m排气筒15000，明显表明超过有机化工企业污水处理厂(站)挥发性有机物及恶臭污染物排放标准，超标了。显而易见，也不可能执行污水处理站的废气排放标准。

3.4 吸附等温线表明去除率无法协调

污水处理站臭气主要包括氨气、不彻底氧化产物的产生，主要原因是在氧气充足的条件下，受到好氧细菌生化过程的影响，污水中的有机成分（如蛋白质等），会造成氨气的产生；在氧气不充分条件下，受到厌氧细菌的影响，有机物会出现部分分解，会造成不彻底氧化产物的产生。吸附法是去除挥发性有机物（VOCs）较为经济实用的一种方法。

王洁等的活性炭吸附与级配优化仿真模拟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种挥发性有机物的吸附过程，在0~20kPa时，活性炭对不同挥发性有机物的吸附饱和压力，会随分子量的增加逐渐减小，随活性炭孔径的增加逐渐增大；挥发性有机物的扩散系数，会随吸附剂孔径的增加而增大，随挥发性有机物分子的增大而减小。由此可见，尽管存在竞争吸附，但高分子越大，越容易低压饱和。

作为活性炭吸附，通常用Langmuir吸附等温线和Frundlich吸附等温线来表达，不论是哪种计算公式，对应于臭气排放标准800和6000~15000的有机污染物相关数据可知，800到6000~15000的分子层上是没有竞争力的，不可能继续被去除，论证报告污水处理站臭气通过“水喷淋塔+干式过滤器+活性炭吸附/脱附”的一切假设都不合理。

4. 结论

综上所述，活性炭吸附解吸平衡对应高浓度吸附后，低浓度污染物的气体通过无法达到其单独通过活性炭时的效力，并不是只要通过就达到固定去除率。对于活性炭相关的环保设施的选型，必须按照相关设计参数要求确定，否则会出现理论上的根本错误，目前该方面仍存在一定的问题。在环保设备发展尚处于不完善阶段的情况下，单体完善和工艺合理组合仍然需要谨慎使用，否则会出现即使理论上可行，但实际处理效率低下的情况。具体工艺实施的完整性及其掌控，处理效率及管理水平的评估有待于普及提高。