垃圾填埋氣中微量揮發性有機物的淨化（huà）技術

垃圾填埋氣(LFG)是填埋場的zui終產物之一。作為一種新興的清潔能源，世界上20多個（gè）國家每年從中回收的能量約相當於200萬噸原煤資源。除用作發電，鍋爐（lú）燃料，管道供氣（qì）外，較新的LFG利用途徑還包括用作汽車的替代燃料，生產甲醇或者燃料電（diàn）池等（děng）。除主要（yào）組分CH4、CO2、N2等外，Young等在英國3個填埋場的（de）空（kōng）氣中，共檢測出154種微量揮（huī）發性有機物(VOCs)，其總體積濃度小（xiǎo）於1%，有116種在各填埋場中均可檢（jiǎn）到。
1、填埋氣中VOCs淨化的常規技術
依據其存在形式，填埋氣中的VOCs可分為兩部分：少部分（fèn）未經收集、即從垃圾填埋表（biǎo）麵散（sàn）逸到空氣中，這可通過改（gǎi）善覆蓋材料、增（zēng）加收集井、采用植（zhí）被吸收（shōu）等預防性措施減少（shǎo）或消除;絕大部分VOCs經濃縮後與CH4一起貯存、需（xū）通過深度冷凝、吸附淨化、溶劑吸收、膜分離、生物過濾、催化燃（rán）燒等一種或多種物理、化學或生化工藝進行末端治理。目（mù）前，圍繞填埋氣中微量有害的VOCs，國（guó）內（nèi）外采用的常規淨化技術主（zhǔ）要有：
2.1、深度（dù）冷凝
冷凝是利用各種VOCs在不同溫度和壓力下具（jù）有不同的（de）飽和蒸氣壓，通過降低溫度或增加（jiā）壓力，使某些（xiē）有機物首先凝結出來。該（gāi）法常作為淨化填埋氣中VOCs前處理，以降低有機負荷。冷凝法（fǎ）在理論上可達到很高的淨化程度，但是當（dāng）其濃度低於約4.5×10-7mol/L時（shí），需采取深度冷凍（dòng），這將使運行成本大大提高。矽氧（yǎng）烷是可引起內燃機嚴重磨損（sǔn）的雜質組分（fèn），Martin等（děng）[7]將（jiāng）過濾（lǜ）後的LFG冷卻到（dào）-23℃，使其蒸汽發生（shēng）深度（dù）冷凝，經幹燥和淨化分離後，矽氧烷即可除去。Markbreiter等先將填埋氣壓縮至一台加壓罐，通（tōng）過等焓膨脹冷凝（níng）其中的水蒸（zhēng）氣;然後向氣體中注入甲醇，使其深度製（zhì）冷;在甲（jiǎ）醇冷凝液中，即包含有（yǒu）從深度製冷的填埋氣中脫（tuō）除的VOCs雜質組分，經雜質分離脫除後的氣體，則可（kě）作進一步處理。
2.2、吸附淨化
吸附淨化是通過吸附劑對氣體組分的選擇性吸（xī）附來實現的。可淨化VOCs的吸附劑有活性炭、矽膠、分子篩等，其中（zhōng）活性（xìng）炭因（yīn）其價廉易得、較大的（de）表麵積（jī）、良好的微（wēi）孔結構、多（duō）樣的吸附效果、較（jiào）高的吸附容量和高度的表麵反應性等特征，應用。該技術具（jù）有淨化效率高、可回收（shōu）有用成分、設備簡單、操作方（fāng）便等優點，適用（yòng）於處（chù）理（lǐ）低濃度(≤5000mg/m3(標))的VOCs廢氣（qì）。吸附效果取（qǔ）決於吸（xī）附劑性質、VOCs種類、濃（nóng）度、性質和吸附係統的操作溫度、濕度、壓力等因素，常與吸（xī）收、冷凝、催化燃燒等方法（fǎ）聯合使用。存在的問題主要是：在吸（xī）附劑定期再生和更換的過程中，VOCs有散逸的可能（néng）;吸附操作（zuò）對進氣濕（shī）度有較高要求，當相對（duì）濕度超過60%時，苯係化合物等VOCs的穿透時間和吸附容量迅速下（xià）降;由於全過程的複雜性，吸（xī）附操作費用相對較高，且會有廢棄吸附劑和再生廢液等引起的（de）二次汙染問題。
2.3、溶劑吸收（shōu）
溶劑吸（xī）收是采用低揮發或不揮發溶劑對VOCs進行吸收，再利用有機分子和吸收劑物理性質的差異進行分離的VOCs控製技術，吸收效果主要取決於吸收劑的吸收性能和吸（xī）收設備的結構特（tè）征。存在的問題主要是：對吸（xī）收劑和吸收（shōu）設備要求較高，而且吸收劑需要定期更換，過程較複雜（zá），費（fèi）用較高。Troost等在0℃以下將（jiāng）填埋氣通過四乙醇二甲醚溶液，使其中的VOCs被（bèi）溶液吸收，使用（yòng）過的溶劑可（kě）通過加熱脫除其中的揮發性有機物，得以再生。另據報道，NHD(聚乙二（èr）醇二甲醚)溶劑（jì）具有良好的（de）脫硫脫（tuō）碳性能，對填埋氣中（zhōng）的部分VOCs有（yǒu）較好（hǎo）的脫除效果。
2.4、膜技術（shù）
膜分離是根據VOCs和其它組分透過膜組件速率的差（chà）異，而達到分離的目的。采用（yòng）膜分離技術處理填埋氣中的VOCs,具有流程簡單、回收率高、能耗低、無（wú）二次汙染（rǎn）等優點。近年來,隨著膜材料和膜技術的進一步發展（zhǎn）,國外已有許多成功應用的範例，日東電工、GKSS和MTR公司等已經開發出多套用於VOCs回收的氣體分離膜（mó）。常用（yòng）的處（chù）理廢氣中VOCs的膜分離工藝包（bāo）括:蒸汽滲透、氣體膜分離和膜（mó）接觸器等。由於氣體分離效率受膜材料、氣體（tǐ）組成、壓差（chà）、分離係數以及溫度等多種因素的影響，且對原料氣的清潔度有一定要求，膜組件價格（gé）昂貴，因此氣體膜分離法一般不單獨使用。
2.5、生（shēng）物（wù）降解
生物降解是附著在濾料介質上的微生物（wù）在適宜的環境條件（jiàn）下，利用廢氣中的（de）有機成分作為碳源和能源，維持其生命活動，並將有機物同化為CO2、H2O和細胞質（zhì）的過程。該法的設備流程簡單、運行（háng）費用和成（chéng）本低、安（ān）全可靠、無二次汙染，尤其在處理低濃度、生物可降解性好（hǎo）的VOCs時更顯其經濟性。國內利用生物膜過濾器（qì）對苯係VOCs進行處理，去除率達（dá）75%;國外（wài）也有用土壤床層處理甲苯的應用研究。生物法的主要問（wèn）題是設備體積大、停留（liú）時（shí）間長、容易堵塞，且（qiě）處（chù）理混合（hé）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，生物反應器和*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（huà）為CO2和H2O的一種（zhǒng）方法，它（tā）對VOCs的處理更*、更*，是處理成分複（fù）雜、高濃度VOCs廢氣的方法。目前有直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒三種方式。直接燃（rán）燒（shāo）運行費用較（jiào）低（dī），但容易發生爆炸，浪費熱量、且產生二次汙染。熱力燃燒處理低濃度VOCs時（shí），需加入（rù）輔助燃料，會增大運行費（fèi）用。催化燃燒為無火（huǒ）焰燃燒，安全性好;要求的燃燒溫度低(300～450℃)，對可燃組分濃度（dù）和熱值限製小;但為延長催化劑使用壽命，不允許廢氣中含有塵粒和霧滴。一般情況下，VOCs中空（kōng）氣的比例較大，這就要求根（gēn）據廢氣的溫度、體積、化學組成、露點以及進出口濃度等因素，來選擇焚燒方式。
3、填埋氣中VOCs淨化的新興技術
3.1、光催化降解
光催化是化學（xué）、物理和材料等（děng）學科交叉研究產生（shēng）的（de）新技術，它可（kě）在常溫常壓下（xià）將大多數VOCs*分解，與前述常規處理方（fāng）法相比，反應過程快速，反應條件比較溫和，且無二次汙染問題。國內外對VOCs的光催化轉（zhuǎn）化規律的研究表明，對大多（duō）數VOCs而言，轉化效（xiào）果良好（hǎo），含氮VOCs比含磷（lín）、硫、氯的VOCs的光催化轉化速率低；在253.7nm的紫外燈光照射（shè）下，除CCl4外，其它三（sān）氯乙（yǐ）烯、丙酮、苯、甲苯（běn）、二氯甲烷、三氯甲烷等，均易於光催化降解。近年來，用半導體（tǐ）催化劑光催化降（jiàng）解VOCs的研究與開發相當活躍，TiO2是zui常用的光催化劑，它在紫外（wài）線（xiàn）照射下，使H2O生（shēng）成-OH，然後-OH可將VOCs氧化成CO2和H2O，該技術成本較低，已接近（jìn）商業化使（shǐ）用階段。目前，該方法因降解效率不高而處於研究（jiū）開發階段，研究重點在於探索反應器，提高並充分利用催化（huà）劑的活性。
3.2、等離子體淨化
等離子體被稱為物質（zhì）的第4種形態，由電子、離子、自由基和中性粒子組成，為導電性流體，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（děng）離子體（tǐ）。近年來發展起來的非平衡等離子體（tǐ）技術，具有工藝簡（jiǎn）單、效率高、能耗低、適用範圍廣等優點。它（tā）是通過高電壓放電（diàn）形式，產生大量的高能電子或（huò）高能電子激勵產生的O、OH、N基等活性粒子，破壞VOCs分子中的C-H、C=C或C-C等化學鍵，使其中的H、C1、F等發（fā）生置換反應。由於O、OH基等具有強氧（yǎng）化能力，結（jié）果（guǒ）使C、H分解氧化、zui終生成CO2和H2O，即VOCs通過放電處理zui終變為無害物質（zhì）。研究表明（míng），非平衡態等離子中，隻有電子的溫（wēn）度是很高的（de），整個等離子氣體區域溫度隻比未反應（yīng）時升高（gāo）10℃，因此該法具有（yǒu）很高的能量效率，是處理低濃度、高流速、大流量的VOCs較為理（lǐ）想的方法。當前，等離子法（fǎ）處理VOCs的技術尚處研究階段。
3.3、紫外線氧（yǎng）化（huà）
紫外線(UV)氧化法，也（yě）稱間接等離子體法。它是利用短波長紫外線以及氧基（jī）氧化劑，如O3和（hé）H2O2等，在紫（zǐ）外光照（zhào）射下，將VOCs轉化成CO2和H2O。紫外光由（yóu）低（dī）壓輝光放電(汞燈)，或者高壓低（dī）溫等離子體產生。在這種間接（jiē）等離子體工藝中（zhōng），紫（zǐ）外光起到催化劑的（de）作用。發射管效率低以及停留時間長是這種方法的主要障礙。現在通過結（jié）合管催化劑如TiO2，FexOy等，這些方麵（miàn）已得到改善。不足之處是熱力發生以及要求停留時間較長，而這又影響到去除率。並且，副產物可能會覆蓋於反（fǎn）應器表麵，對表（biǎo）麵光催化反應產生影響。
3.4、脈衝電暈技術
脈衝電暈法去除VOCs的基本原理是通（tōng）過沿陡峭、脈衝窄的高（gāo）壓脈電暈的放電（diàn），在常溫常壓下獲得非（fēi）平衡等離子體，即產生大量高能電子和O、OH等活性粒子，對有害物（wù）質分（fèn）子進（jìn）行氧化降解反應，使汙染物zui終無害化。1988年以來，美國環保局進行（háng）了VOCs和有（yǒu）毒氣體電暈破壞的研究，模擬表麵反應器進行分子形式的電暈破（pò）壞，達到分解的目的，並由此開發了低成本低濃度汙染物流的控（kòng）製技術，電暈技術被認為（wéi）是一種有前途的控製（zhì）技術。
3.5、脫除VOCs的聯合工藝
針（zhēn）對LFG中（zhōng）VOCs種類多、濃度低、毒性大（dà）等特點，單靠某種工藝顯（xiǎn）然不能*解決汙染問題，因此，許（xǔ）多新型工藝不（bú）斷湧現，並和常規控製工藝聯合起來，應對填埋氣回收（shōu）利用中存在的VOCs隱患。如非平衡等離子體技（jì）術在處理低濃度VOCs方麵具有*的作用，若與（yǔ）催化劑合（hé）用，通過（guò）改善等離子體反應器的結構等手段，則VOCs的脫除效率（lǜ）可（kě）達到（dào）實用化水（shuǐ）平。而電暈法與催化（huà）法或吸附法相結合，也可進一（yī）步完善（shàn）VOCs處（chù）理（lǐ）技術。zui近，對於低濃（nóng）度(≤100mg/m3(標))、高流量(≥34000(標)m3/h)的VOCs氣流，國外開發出活性炭吸附濃縮與催化焚燒聯合工藝。其特點是先通過（guò）吸附塔將有機物濃縮，脫附後再（zài）進行焚燒，從而大大減少了需要催化焚燒的氣流量，這不僅（jǐn）減少了（le）裝置運行（háng）需投入的燃料量，同時增（zēng）加了單位時間內氣流中有機物（wù）自身的燃燒熱。與相同（tóng）條件下的單催化焚（fén）燒係統相比，裝置規模（mó）要小得多（duō），需投入的燃料量也大（dà）為減少，從而降低了投資及（jí）操作（zuò）費用。