工业VOCs治理技术进展与集成应用综述
夏凤愉，胡娜，刘小祥，王倩，王园 ，李婷
（ 南京工业大学连云港工业技术研究院，江苏连云港 222000）
摘要：本文针对医药、化工等行业快速发展伴生的挥发性有机物（VOCs）污染问题，系统梳理了其治理技术体系，阐述各治理技术原理、适用性及研究热点，并简述了工程上的常用组合工艺及其优势。最后，结合工程实际需求，提出了工业VOCs治理方案的选型原则，以期为该领域的科研与应用提供参考。
关键词：挥发性有机物、VOCs治理、技术适用性
Research Progress on Industrial VOCs Treatment Technologies and Engineering Selection Studies
Xia Feng-yu，Hu Na，Liu Xiao-xiang，Wang Qian，Wang Yuan，Li Ting
（Lianyungang industrial technology research institute of nanjing university of technology, lianyungang 222000,China)
Abstract: This paper addresses the pollution problem of volatile organic compounds (VOCs) that accompanies the rapid development of industries such as medicine and chemical engineering. It systematically reviews the treatment technology system for VOCs, elaborates on the principles, applicability and research hotspots of each treatment technology, and briefly describes the commonly used combined processes in engineering and their advantages. Finally, based on the actual engineering requirements, it proposes the selection principles for industrial VOCs treatment schemes, with the aim of providing references for research and application in this field.
Key words: Industrial VOCs, Adsorption Method, Combustion Technology, Biotechnology
前言
挥发性有机物（VOCs）作为臭氧与细颗粒物（PM2.5）生成的重要前体物，已成为我国及全球范围内区域复合型大气污染的关键成因之一。在人为排放源中，工业生产过程是VOCs的主要来源，尤其集中于石油化工、涂装、印刷、制药、家具制造及电子制造等行业。工业源所排放的VOCs组分复杂，常包含苯系物、醛酮类、卤代烃等有毒有害物质，其中部分化合物具有致癌、致畸和致突变特性，对生态环境、气候变化及公共健康均构成显著威胁。因此，实现对工业VOCs排放的高效控制和深度治理，已成为改善环境空气质量、保障人民健康、推动工业结构向绿色低碳转型、促进可持续发展的迫切任务[1-2]。
目前，以挥发性有机物组分的回收再利用潜力为依据，相应的末端治理技术可分为回收类技术与销毁类技术。各类技术在基本原理、适用条件、处理效能与经济性等方面各有特点，本文旨在系统梳理现有VOCs治理技术的优势与局限性及研究热点，并探讨了典型技术组合的工艺优势，以促进VOCs治理技术朝着更高效率、更低运行成本与更小环境影响的方向持续发展。
1. VOCs治理技术发展[3-5]
工业VOCs治理技术的发展并非单一技术的线性替代，而是在政策法规日趋严格、资源能源约束强化以及“双碳”战略目标引领下的系统化、多元化转型。早期的治理实践主要依赖于活性炭吸附、液体吸收和直接燃烧等传统方法，这些技术虽具有原理简单、操作方便的特点，但其普遍存在处理效率有限、运行能耗较高、二次污染或适用范围窄等局限。
随着国家《大气污染防治行动计划》等一系列环保政策的实施，特别是“十四五”期间对VOCs精准管控的强化，治理目标已从初期的达标排放，全面提升为兼顾“高效净化、低碳运行与资源回用”的综合治理。这一趋势强力驱动了技术路线的革新与拓展，一方面，销毁技术不断升级与丰富，如蓄热式燃烧、催化燃烧及其耦合技术凭借优异的热回收效率与稳定去除性能，成为处理中高浓度废气的核心方案，生物净化技术因其环境友好与运行成本低的特性，在适宜的低浓度、可生化降解废气治理场景中占有重要地位，而低温等离子体、光（电）催化氧化等高级氧化技术，则为应对复杂组分及难降解VOCs提供了新的技术途径。另一方面，回收技术朝着精细化与系统化方向发展，冷凝、吸附-脱附等工艺通过与新材料和智能控制技术的结合，持续提升其经济性与适应性，尤为显著的是，以沸石转轮吸附浓缩结合热力焚烧为代表的组合工艺，通过“先富集、后销毁”的集成设计，有效破解了大风量、低浓度VOCs废气治理的经济性与效率难题，这也标志着治理策略从单元技术应用向系统化工程解决方案的重要跨越。
当前，VOCs治理技术体系正呈现出源头预防、过程控制与末端治理多环节深度融合的发展态势，源头替代与工艺优化日益受到重视，过程控制技术的精准性持续提升，而末端治理则朝着更高效、更智能、更具资源循环特征的技术集成系统演进。展望未来，在政策与市场的双重驱动下，VOCs治理技术将继续向全流程减污降碳协同增效的方向深化发展，推动工业污染治理模式向预防性、循环性与智慧化的更高阶段转型。
2. 回收技术
2.1 吸附法[6-9]
在处理大流量、低浓度的工业VOCs废气时，吸附法是主流技术之一，具有去除率高、能耗物耗低的优势。然而，该技术不适用于可能与吸附剂发生反应或聚合的有机污染物。其治理的核心机制是利用多孔固体吸附剂表面的物理或化学作用，选择性捕集废气中的VOCs分子，从而实现气体净化目的，物理吸附过程可逆，化学吸附过程通常不可逆或再生困难。
目前，常用的吸附剂包括活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛、硅胶等，其中活性炭因原料来源广泛、成本较低，尽管存在吸附容量有限、再生性能差以及受温度与湿度影响显著等局限性，目前在VOCs回收领域仍占据重要地位。吸附法的核心工艺是吸附剂种类、设备及相关工艺、再生介质、后处理等的选择，通过采用以氮气为脱附介质的先进颗粒碳吸附技术，系统不仅能实现高达90%的溶剂回收率，其吸附材料的使用寿命还可长达十年。
在工程应用中主要面临吸附剂饱和再生、复杂废气适应性、运行控制精度以及二次污染风险等瓶颈和挑战，未来吸附技术的发展将围绕高性能吸附材料的设计与合成、低能耗再生工艺的创新、智能化控制系统的优化，以及资源化与低碳化路径的探索等方面展开。图1为典型有机废气吸附工艺流程图。
图1 水蒸气再生——冷凝回收工艺流程
Figure 1 Process Flow of Water Vapor Regeneration-Condensation Recovery
2.2 吸收法
吸收法作为一种经典的VOCs治理技术，具有工艺简单、投资小、运行成本低等特点，适用于处理中、高浓度的 VOCs，其净化气态污染物是以液体作为吸收剂，通过洗涤装置使废气中的污染物与吸收剂充分接触，通过冷凝凝结、物理吸收、乳化、化学吸收等一种或多种作用致使污染物转移到吸收液，从而达到净化废气的目的。
目前，常用的吸收剂有矿物油类吸收剂、水复合吸收剂、高沸点有机溶剂和离子液体吸收剂等[10]，装置主要包括鼓泡塔、喷淋塔、填料塔、板式塔等，它们均是以增大气液两相间接触面积的方式提高吸收效率。图2为典型有机废气吸收工艺示意图[11]。
在工程实践中吸收法也有一定的使用瓶颈，如吸收过程受气液相平衡限制达不到很高的吸收效率，以及吸收剂的选择性或容量受限、再生难度大与处置成本高、存在二次污染风险等，均制约了其进一步推广应用。研究热点仍在高性能吸收剂的开发、低能耗再生技术的创新、工艺过程的强化及智能控制等方面。
图2，液体吸收法处理有机废气示意图
Figure 2, Schematic Diagram of Liquid Absorption Method for Treating Organic Waste Gas
2.3 膜分离法
膜分离技术因具有高效选择性及模块化设计的特点，在高浓度、高价值溶剂回收方面应用较多，其治理工业VOCs是基于溶解扩散机制与膜的选择性渗透原理，从而实现对VOCs组分的分离，其回收效率可达95%以上，能耗较传统工艺降低30%–50%。常见的气体分离膜组件包括中空纤维式与平板式，其核心功能层为致密高分子材料，分离驱动力来源于膜两侧的VOCs分压差，通常通过压缩进气或真空渗透侧来实现[12-13]。
在工程实践中面临，如膜材料的塑化与老化问题、对工况湿度敏感、使用寿命普遍低以及多组分废气分离效率有限等问题，限制了其广泛的应用，研究热点包括开发新型混合基质膜，以增强材料的抗塑化能力与化学稳定性，此外膜易堵塞需定期清洗，处理较为麻烦且成本较高，故降低膜成本也一直是研究的热点。
2.4 冷凝法[14-15]
冷凝法适用于资源回收，常用于处理高浓度、高价值挥发性有机物方面，其理论根基在于利用VOCs饱和蒸气压随温度与压力变化的特性，通过深度制冷，将废气温度降至目标组分露点以下，使其发生气液相变，从而实现高效分离与回收，技术核心在于精准的温控。
作为冷凝法的关键，冷凝设备主要采用蒸汽压缩式制冷、热电制冷、机械制冷或液氮制冷等技术。制冷方式与冷凝温度的具体选择，需综合考虑现场配套条件、废气排放要求、回收率目标及运行成本等因素。
在工程上关注的仍是能耗问题，冷凝法的突破仍是通过包括热泵系统集成、开发新型制冷工质、增强设备的抗结霜性能等技术手段进行降耗，若能解决能耗问题，冷凝法有望从VOCs治理的辅助单元转为核心环节，特别是目前在对回收标准有严苛要求的半导体、医药等行业。
3. 销毁技术
3.1 燃烧技术法
燃烧法是治理工业VOCs的主流技术，适用中高浓度、大风量废气，具有处理效率高、稳定可靠的特点，是末端治理的标杆。其技术是在高温下，VOCs中的有机物与氧气反应转化为二氧化碳和水，同时释放热能的过程。
根据助燃方式、运行温度及设备的不同，燃烧法可分为直接燃烧法、蓄热燃烧法以及催化燃烧法，其中直接燃烧法反应通常温度为760~850℃，去除效率可达95%以上。而蓄热燃烧法的关键部件为陶瓷材质的蓄热体，蓄热体贮存热量用于预热低温废气，从而显著减少辅助燃料的消耗，运行温度常为800~900℃，热回收效率可超过93%，其工艺流程可参考图3所示示意图[16]。催化燃烧法则通过在反应中引入铂、钯等贵金属催化剂，有效降低反应活化能，使VOCs在300~400℃下即可发生氧化分解，也能节省能耗，目前蓄热催化燃烧技术应用较广，因其融合了蓄热特性与催化剂的低温优势，极大降低了系统运行能耗，图4为其工艺流程示图。[17]。燃烧法均需将废气加热至一定温度，废气自身所含的能量越大能耗越少，故废气中有机物的浓度的高低对系统能耗影响很大[18]。
在工程上，有机胺类废气因会产生氮氧化合物及二恶英等二次污染，不适用燃烧法，同样催化燃烧法也不适用含硫、卤素的有机物废气，因硫、卤素等会导致催化剂失效，此外燃烧法对低浓度废气适应能力也有限，故研究的热点主要是新材料的研发、系统的集成优化以及能效提升等方向。
图3 固定式两室蓄热燃烧工艺流程示意图
Figure 3 Schematic Diagram of Fixed-Type Two-Chamber Regenerative Combustion Process Flow
图4 蓄热催化燃烧工艺流程
Figure 4 Thermal Storage Catalytic Combustion Process Flow
3.2 生物技术法
生物技术法因具有设备简单，投资及运行费用低，无二次污染等优点，一直是处理有机废水的主流技术，近年在治理工业VOCs的技术中比重也越来越大，尤其用于中低浓度、亲水性强、生物降解性好的有机废气，其治理本质是微生物的新陈代谢，利用物生物以VOCs中有机物作碳源和能源，通过代谢将其分解，并实现自身生长与繁殖。其工艺装置主要包括生物过滤塔、生物滴滤塔和生物洗涤器等[19]，技术关键在于筛选和驯化高效降解特定VOCs的菌种。
在工程上，存在抗冲击负荷能力较弱、对疏水性VOCs去除效率有限等问题，研究热点包括选育高效降解菌种、开发新型填料材料以及与其他治理技术的优化组合，生物法作为绿色治理技术，符合可持续发展理念，若能突破处理效能，有望成为工业VOCs综合治理体系中的核心支撑技术。
3.3 等离子体技术
等离子体技术最初主要用于处理低浓度大风量的臭味，故在民用空气净化器领域应用成熟，近年凭借其较高的处理效率而发展迅速。其技术原理是通过电晕放电、介质阻挡放电或滑动电弧放电等高压放电方式[20]，生成富含高能电子、离子、自由基及激发态分子的非平衡等离子体，其作用机制综合了电子轰击的物理效应与自由基氧化的化学过程，两者共同作用，实现对VOCs分子的有效降解与去除。
在工程上，不同化学键破坏需要的能量不同，降解过程中部分大分子只被断链成小分子，并未被彻底氧化，尤其对于混合气体的净化，不能做到所有分子都被彻底氧化降解，所以在能量效率及工程放大应用方面仍存在挑战，目前主要通过与其他工艺的优化组合来开发其技术潜力。
3.4 光催化技术[21]
光催化降解技术是一种基于光能激发催化剂产生强氧化性物种的高级氧化过程，是近年新兴技术，主要用于治理低浓度、难降解组分的挥发性有机物的技术，其降解原理主要是当受到特定波长的光照射时，光催化剂吸收光能形成超氧自由基等活性氧物种，通过高活性自由基进攻有机物的化学键，最终实现有机物的降解。
在实际工程应用中，光催化技术也不能做到彻底降解氧化，需组合其他降解技术实施，此外还需解决降解效率、催化剂成本等方面的挑战，目前研究热点主要在光催化材料改性、反应设备优化等，但作为绿色治理技术，若能解决效率问题，光催化技术也有望实现更广泛的应用。
4. 组合技术[22-29]
综上所述，在实际工程中，单一VOCs治理技术因受作用机理与适用边界的限制，难以全面应对复杂多变的废气工况，因此需依据废气的组分、浓度、风量、温湿度等参数，并结合治理目标与经济成本，对各技术进行比选与集成，其集成按照“预处理—核心治理—后处理”的流程进行构建，下文系统梳理了目前常用的组合技术。
4.1膜富集-冷凝回收技术
膜分离-冷凝组合技术是近年来针对高浓度、高价值挥发性有机废气资源回收的主流工艺，工艺利用膜分离的高效选择性与冷凝相变的深度回收特性相结合，实现了VOCs的高效净化与资源回收，常用于石油化工、化学品运输、半导体清洗及涂料生产等行业，如常见的对卤代烃、苯系物及醚酯类等VOCs的回收。
工程上，有大型石化企业采用该组合技术处理储罐区的小呼吸排放气，成功回收了高纯度的二甲苯。要保障该组合工艺高效稳定运行，需重点关注预处理对废气中颗粒物与油雾的去除效率，防止膜组件污染与堵塞，此外VOCs的物化特性与膜材料的选择性及膜通量也需匹配。
4.2吸附浓缩-燃烧销毁技术
吸附-燃烧组合技术是废气组合中的最为经典高效的技术组合，技术利用吸附单元对污染物进行富集提浓，再将高浓度脱附气燃烧销毁，实现低耗能与高效率的完美结合，该工艺适用于大风量、低浓度的VOCs废气，在汽车涂装、包装印刷、家具制造等行业用的较多，总去除率可达98%以上。
在工程上该组合技术已十分成熟，大部分汽车涂装厂多采用沸石转轮吸附浓缩配套RTO系统，成功将喷漆车间的大风量、低浓度废气转化为达标烟气，要保障该组合工艺稳定运行，需控制好吸附与脱附过程，确保高效脱附的同时避免吸附剂的性能衰减。
4.3 吸附浓缩-生物净化技术
吸附-生物组合也是一种高效、经济的治理方案，组合利用吸附单元的负荷调节与生物单元的深度降解，实现废气的达标排放，该组合适用于处理低浓度、大风量、生物降解性好的VOCs废气，且废气中不含有对微生物有毒害的成分，在污水处理厂、食品加工、饲料生产及轻工印刷等行业应用较多，废气成分通常为醇类、醚类、酮类和某些酯类等水溶性较好的有机物。
在工程上，很多大型城市污水处理厂针对曝气池等设施产生的低浓度恶臭的VOCs废气，采用了活性炭吸附预处理的生物滤池工艺，有效保障了生物系统在进气波动下的处理效率，要保障该组合技术稳定运行，需调控吸附与生物降解的平衡，确保脱附的污染物能被及时、完全地降解，避免二次污染。
4.4等离子/光催化-吸收/吸附组合技术
等离子/光催化-吸收/吸附组合是针对复杂、低浓度VOCs废气治理的一种深度净化工艺，组合将等离子或光催化等高级氧化作预处理，将大分子、难降解的VOCs降解为小分子、可溶性或更易吸附的中间产物，再通过吸收或吸附进行最终富集与去除，形成“氧化破坏-深度净化”的组合治理路径。工艺适用于大风量且含难生物降解或疏水性组分的废气，如电子制造业、喷涂行业及化工仓储等排放的复杂混合废气。
在工程上，有集成电路板制造企业采用了等离子体结合碱液吸收的组合系统，有效处理了其生产线产生的含多种卤代烃及苯系物的低浓度废气。该组合工艺稳定运行的关键需精确控制等离子或光催化强度，既要保证足够的分子破坏效率，又需减少不完全氧化副产物的生成，以避免对后端吸收液或吸附剂造成额外负荷或毒害。
5. 结论
本文通过对工业VOCs治理主流技术综合分析可知，工业VOCs排放组分复杂、浓度范围宽，单一技术难以应对所有场景，治理技术的方案选择须遵循“以废定策、分级净化、组合优化”的核心原则。实践中应依据VOCs的具体物化性质、排放特征、环保标准及经济成本，科学选用吸收、冷凝、燃烧等单一或组合工艺，未来的发展趋势在于深化不同技术间的集成，通过优势互补实现高效净化与资源回收的平衡。
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【作者简介】 夏凤愉（1988-），女，四川广安人，本科，工程师， 主要从事工业三废治理与废弃物资源化利用，致力于相关技术的研发与成果转化。
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