垃圾填埋氣中微量揮發(fā)性有機(jī)物的凈化技術(shù)
摘要：垃圾填埋氣（LFG）是填埋場(chǎng)的最終產(chǎn)物之一。作為一種新興的清潔能源，世界上20多個(gè)國(guó)家每年從中回收的能量約相當(dāng)于200萬噸原煤資源。除用作發(fā)電，鍋爐燃料，管道供氣外，較新的LFG利用途徑還包括用作汽車的替代燃料，生產(chǎn)甲醇或者燃料電池等。
關(guān)鍵詞：垃圾填埋氣，微量揮發(fā)性，有機(jī)物，凈化技術(shù)
1前言
垃圾填埋氣（LFG）是填埋場(chǎng)的最終產(chǎn)物之一。作為一種新興的清潔能源，世界上20多個(gè)國(guó)家每年從中回收的能量約相當(dāng)于200萬噸原煤資源。除用作發(fā)電，鍋爐燃料，管道供氣外，較新的LFG利用途徑還包括用作汽車的替代燃料，生產(chǎn)甲醇或者燃料電池等。
除主要組分CH4、CO2、N2等外，Young等在英國(guó)3個(gè)填埋場(chǎng)的空氣中，共檢測(cè)出154種微量揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），其總體積濃度小于1％，有116種在各填埋場(chǎng)中均可檢到。鄒世春等對(duì)廣州大田山填埋場(chǎng)LFG的測(cè)定結(jié)果表明，在檢測(cè)出的氯代烴類、苯系物、氯代烴等60多種VOCs中，有17種屬于USEPA優(yōu)先控制的污染物。
實(shí)踐表明，這些含量低、毒性大的微量VOCs不僅會(huì)造成二次污染、危害人類健康；其中的鹵代烴和硫化物等還能引起的腐蝕，降低鍋爐和內(nèi)燃機(jī)的操作壽命，并對(duì)填埋氣的燃燒特性施加不利影響。
近年來，發(fā)達(dá)國(guó)家頒布了不少法令，限制VOCs的排放，并積極需求有效的凈化技術(shù)；我國(guó)新近頒布的《填埋氣利用國(guó)家行動(dòng)方案》中，基于保護(hù)環(huán)境和回收資源考慮，也明確提出了控制填埋氣中微量VOCs的要求。
2 填埋氣中VOCs凈化的常規(guī)技術(shù)
依據(jù)其存在形式，填埋氣中的VOCs可分為兩部分：少部分未經(jīng)收集、即從垃圾填埋表面散逸到空氣中，這可通過改善覆蓋材料、增加收集井、采用植被吸收等預(yù)防性措施減少或消除；絕大部分VOCs經(jīng)濃縮后與CH4一起貯存、需通過深度冷凝、吸附凈化、溶劑吸收、膜分離、生物過濾、催化燃燒等一種或多種物理、化學(xué)或生化工藝進(jìn)行末端治理。
目前，圍繞填埋氣中微量有害的VOCs，國(guó)內(nèi)外采用的常規(guī)凈化技術(shù)主要有：
2.1深度冷凝
冷凝是利用各種VOCs在不同溫度和壓力下具有不同的飽和蒸氣壓，通過降低溫度或增加壓力，使某些有機(jī)物首先凝結(jié)出來。該法常作為凈化填埋氣中VOCs前處理，以降低有機(jī)負(fù)荷。冷凝法在理論上可達(dá)到很高的凈化程度，但是當(dāng)其濃度低于約4.5×10-7mol/L時(shí)，需采取深度冷凍，這將使運(yùn)行成本大大提高。
硅氧烷是可引起內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)重磨損的雜質(zhì)組分，Martin等將過濾后的LFG冷卻到-23℃，使其蒸汽發(fā)生深度冷凝，經(jīng)干燥和凈化分離后，硅氧烷即可除去。Markbreiter等先將填埋氣壓縮至一臺(tái)加壓罐，通過等焓膨脹冷凝其中的水蒸氣；然后向氣體中注入甲醇，使其深度制冷；在甲醇冷凝液中，即包含有從深度制冷的填埋氣中脫除的VOCs雜質(zhì)組分，經(jīng)雜質(zhì)分離脫除后的氣體，則可作進(jìn)一步處理。
2.2吸附凈化
吸附凈化是通過吸附劑對(duì)氣體組分的選擇性吸附來實(shí)現(xiàn)的。可凈化VOCs的吸附劑有活性炭、硅膠、分子篩等，其中活性炭因其價(jià)廉易得、較大的表面積、良好的微孔結(jié)構(gòu)、多樣的吸附效果、較高的吸附容量和高度的表面反應(yīng)性等特征，應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)具有凈化效率高、可回收有用成分、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理低濃度（≤5000mg/m3（標(biāo)））的VOCs廢氣。吸附效果取決于吸附劑性質(zhì)、VOCs種類、濃度、性質(zhì)和吸附系統(tǒng)的操作溫度、濕度、壓力等因素，常與吸收、冷凝、催化燃燒等方法聯(lián)合使用。
存在的問題主要是：在吸附劑定期再生和更換的過程中，VOCs有散逸的可能；吸附操作對(duì)進(jìn)氣濕度有較高要求，當(dāng)相對(duì)濕度超過60％時(shí)，苯系化合物等VOCs的穿透時(shí)間和吸附容量迅速下降；由于全過程的復(fù)雜性，吸附操作費(fèi)用相對(duì)較高，且會(huì)有廢棄吸附劑和再生廢液等引起的二次污染問題。
2.3溶劑吸收
溶劑吸收是采用低揮發(fā)或不揮發(fā)溶劑對(duì)VOCs進(jìn)行吸收，再利用有機(jī)分子和吸收劑物理性質(zhì)的差異進(jìn)行分離的VOCs控制技術(shù)，吸收效果主要取決于吸收劑的吸收性能和吸收設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征。存在的問題主要是：對(duì)吸收劑和吸收設(shè)備要求較高，而且吸收劑需要定期更換，過程較復(fù)雜，費(fèi)用較高。
Troost等在0℃以下將填埋氣通過四乙醇二甲醚溶液，使其中的VOCs被溶液吸收，使用過的溶劑可通過加熱脫除其中的揮發(fā)性有機(jī)物，得以再生。另?yè)?jù)報(bào)道，NHD(聚乙二醇二甲醚)溶劑具有良好的脫硫脫碳性能，對(duì)填埋氣中的部分VOCs有較好的脫除效果。
2.4膜技術(shù)
膜分離是根據(jù)VOCs和其它組分透過膜組件速率的差異，而達(dá)到分離的目的。采用膜分離技術(shù)處理填埋氣中的VOCs,具有流程簡(jiǎn)單、回收率高、能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。近年來,隨著膜材料和膜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,國(guó)外已有許多成功應(yīng)用的范例，日東電工、GKSS和MTR公司等已經(jīng)開發(fā)出多套用于VOCs回收的氣體分離膜。常用的處理廢氣中VOCs的膜分離工藝包括:蒸汽滲透、氣體膜分離和膜接觸器等。
由于氣體分離效率受膜材料、氣體組成、壓差、分離系數(shù)以及溫度等多種因素的影響，且對(duì)原料氣的清潔度有一定要求，膜組件價(jià)格昂貴，因此氣體膜分離法一般不單獨(dú)使用。
2.5生物降解
生物降解是附著在濾料介質(zhì)上的微生物在適宜的環(huán)境條件下，利用廢氣中的有機(jī)成分作為碳源和能源，維持其生命活動(dòng)，并將有機(jī)物同化為CO2、H2O和細(xì)胞質(zhì)的過程。該法的設(shè)備流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用和成本低、安全可靠、無二次污染，尤其在處理低濃度、生物可降解性好的VOCs時(shí)更顯其經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)利用生物膜過濾器對(duì)苯系VOCs進(jìn)行處理，去除率達(dá)75％；國(guó)外也有用土壤床層處理甲苯的應(yīng)用研究。
生物法的主要問題是設(shè)備體積大、停留時(shí)間長(zhǎng)、容易堵塞，且處理混合VOCs的效果欠佳。但該法的前景看好。目前主要研究方向是微生物種類，生物反應(yīng)器和最佳工藝條件等。
2.6燃燒
燃燒是利用VOCs的易燃性，將其在較高溫度下轉(zhuǎn)化為CO2和H2O的一種方法，它對(duì)VOCs的處理更徹底、更完全，是處理成分復(fù)雜、高濃度VOCs廢氣的首選方法。
目前有直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒三種方式。直接燃燒運(yùn)行費(fèi)用較低，但容易發(fā)生爆炸，浪費(fèi)熱量、且產(chǎn)生二次污染。熱力燃燒處理低濃度VOCs時(shí)，需加入輔助燃料，會(huì)增大運(yùn)行費(fèi)用。催化燃燒為無火焰燃燒，安全性好；要求的燃燒溫度低（300～450℃），對(duì)可燃組分濃度和熱值限制；但為延長(zhǎng)催化劑使用壽命，不允許廢氣中含有塵粒和霧滴。
一般情況下，VOCs中空氣的比例較大，這就要求根據(jù)廢氣的溫度、體積、化學(xué)組成、露點(diǎn)以及進(jìn)出口濃度等因素，來選擇焚燒方式。
3.填埋氣中VOCs凈化的新興技術(shù)
3.1光催化降解
光催化是化學(xué)、物理和材料等學(xué)科交叉研究產(chǎn)生的新技術(shù)，它可在常溫常壓下將大多數(shù)VOCs徹底分解，與前述常規(guī)處理方法相比，反應(yīng)過程快速高效，反應(yīng)條件比較溫和，且無二次污染問題。國(guó)內(nèi)外對(duì)VOCs的光催化轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究表明，對(duì)大多數(shù)VOCs而言，轉(zhuǎn)化效果良好，含氮VOCs比含磷、硫、氯的VOCs的光催化轉(zhuǎn)化速率低；在253.7nm的紫外燈光照射下，除CCl4外，其它三氯乙烯、丙酮、苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷等，均易于光催化降解。
近年來，用半導(dǎo)體催化劑光催化降解VOCs的研究與開發(fā)相當(dāng)活躍，TiO2是最常用的光催化劑，它在紫外線照射下，使H2O生成-OH，然后-OH可將VOCs氧化成CO2和H2O，該技術(shù)成本較低，已接近商業(yè)化使用階段。
目前，該方法因降解效率不高而處于研究開發(fā)階段，研究重點(diǎn)在于探索高效反應(yīng)器，提高并充分利用催化劑的活性。
3.2等離子體凈化
等離子體被稱為物質(zhì)的第4種形態(tài)，由電子、離子、自由基和中性粒子組成，為導(dǎo)電性流體，總體上保持電中性。按照離子溫度的不同，可分為平衡等離子體和非平衡等離子體。
近年來發(fā)展起來的非平衡等離子體技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、效率高、能耗低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。它是通過高電壓放電形式，產(chǎn)生大量的高能電子或高能電子激勵(lì)產(chǎn)生的O、OH、N基等活性粒子，破壞VOCs分子中的C-H、C＝C或C-C等化學(xué)鍵，使其中的H、Cl、F等發(fā)生置換反應(yīng)。由于O、OH基等具有強(qiáng)氧化能力，結(jié)果使C、H分解氧化、最終生成CO2和H2O，即VOCs通過放電處理最終變?yōu)闊o害物質(zhì)。
研究表明，非平衡態(tài)等離子中，只有電子的溫度是很高的，整個(gè)等離子氣體區(qū)域溫度只比未反應(yīng)時(shí)升高10℃，因此該法具有很高的能量效率，是處理低濃度、高流速、大流量的VOCs較為理想的方法。當(dāng)前，等離子法處理VOCs的技術(shù)尚處研究階段。
3.3紫外線氧化
紫外線(UV)氧化法，也稱間接等離子體法。它是利用短波長(zhǎng)紫外線以及氧基氧化劑，如O3和H2O2等，在紫外光照射下，將VOCs轉(zhuǎn)化成CO2和H2O。紫外光由低壓輝光放電(汞燈)，或者高壓低溫等離子體產(chǎn)生。
在這種間接等離子體工藝中，紫外光起到催化劑的作用。發(fā)射管效率低以及停留時(shí)間長(zhǎng)是這種方法的主要障礙，F(xiàn)在通過結(jié)合管催化劑如TiO2，F(xiàn)exOy等，這些方面已得到改善。不足之處是熱力發(fā)生以及要求停留時(shí)間較長(zhǎng)，而這又影響到去除率。并且，副產(chǎn)物可能會(huì)覆蓋于反應(yīng)器表面，對(duì)表面光催化反應(yīng)產(chǎn)生影響。
3.4脈沖電暈技術(shù)
脈沖電暈法去除VOCs的基本原理是通過沿陡峭、脈沖窄的高壓脈電暈的放電，在常溫常壓下獲得非平衡等離子體，即產(chǎn)生大量高能電子和O、OH等活性粒子，對(duì)有害物質(zhì)分子進(jìn)行氧化降解反應(yīng)，使污染物最終無害化。1988年以來，美國(guó)環(huán)保局進(jìn)行了VOCs和有毒氣體電暈破壞的研究，模擬表面反應(yīng)器進(jìn)行分子形式的電暈破壞，達(dá)到分解的目的，并由此開發(fā)了低成本低濃度污染物流的控制技術(shù)，電暈技術(shù)被認(rèn)為是一種有前途的控制技術(shù)。
3.5脫除VOCs的聯(lián)合工藝
針對(duì)LFG中VOCs種類多、濃度低、毒性大等特點(diǎn)，單靠某種工藝顯然不能徹底解決污染問題，因此，許多新型工藝不斷涌現(xiàn)，并和常規(guī)控制工藝聯(lián)合起來，應(yīng)對(duì)填埋氣回收利用中存在的VOCs隱患。
如非平衡等離子體技術(shù)在處理低濃度VOCs方面具有獨(dú)特的作用，若與催化劑合用，通過改善等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)等手段，則VOCs的脫除效率可達(dá)到實(shí)用化水平。而電暈法與催化法或吸附法相結(jié)合，也可進(jìn)一步完善VOCs處理技術(shù)。
最近，對(duì)于低濃度（≤100mg/m3（標(biāo)））、高流量（≥34000（標(biāo)）m3/h）的VOCs氣流，國(guó)外開發(fā)出活性炭吸附濃縮與催化焚燒聯(lián)合工藝。其特點(diǎn)是先通過吸附塔將有機(jī)物濃縮，脫附后再進(jìn)行焚燒，從而大大減少了需要催化焚燒的氣流量，這不僅減少了裝置運(yùn)行需投入的燃料量，同時(shí)增加了單位時(shí)間內(nèi)氣流中有機(jī)物自身的燃燒熱。與相同條件下的單催化焚燒系統(tǒng)相比，裝置規(guī)模要小得多，需投入的燃料量也大為減少，從而降低了投資及操作費(fèi)用。
4 結(jié)論
LFG在回收利用以前，需經(jīng)雜質(zhì)顆粒與水的預(yù)處理、深冷脫氮、酸性氣體和微量有害VOCs脫除等濃縮凈化步驟，以增加燃燒熱值、降低集輸費(fèi)用。特別是其中的VOCs，因具有組分復(fù)雜、濃度低、毒性大等特點(diǎn)，決定了其控制技術(shù)在整個(gè)凈化工藝中占有重要地位，其凈化程度的高低決定了填埋氣的最終利用途徑。
除了深度冷凝、活性炭吸附、溶劑吸收、膜分離、生物降解和焚燒等常規(guī)控制技術(shù)外，填埋氣中VOCs的脫除還可采取光催化降解、等離子體技術(shù)、紫外線氧化法和脈沖電暈等新興技術(shù)。這些技術(shù)的有效聯(lián)合，是填埋氣中VOCs凈化技術(shù)的未來研究方向。
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