周明顯

國立中山大學

環境工程研究所 教授

一、 揮發性有機物及臭味之特性

當人體嗅覺某種「氣味」而「感覺厭惡」，該氣味即為一般認知之臭味。多數物質有氣味，臭味物質特指具強烈氣味之物質。以化學結構言之，臭味物質之分子多因具剩餘電子，而有刺激人類嗅覺特性。

表 1.1 常見臭味物質及其發臭官能基(非含氧烴)

表 1.1、1.2 列出依化學結構區分之常見臭味物質及其發臭官能基，顯示具剩餘電子對之不飽合、含氧、含還原態氮、含還原態硫、含鹵素等碳氫化合物具特殊味道。如將此等物質氧化 (即奪去其剩餘電子)，則可減輕其味道。

以空污法令言之，空氣污染防制法施行細則 (1999年8月11日)規定之惡臭物質如表1.3所示，主要為含還原態硫及氮之化合物。

表 1.2 常見臭味物質及其發臭官能基(含氧烴及植物精油)

表 1.3 空氣污染防制法施行細則規定之惡臭物質

二、 揮發性有機物及臭味之控制方法概述

經濟考量為 VOC排氣處理方法選擇中之最重要者，圖2.1比較各排氣處理方法之費用及適用VOC濃度範圍。一般而言，低濃度排氣(<10-20 mg C/m 3 )適以活性碳吸附處理，中低濃度廢氣(50-1000 mg C/m 3 )適以生物法或吸附濃縮/脫附焚化法處理，中濃度廢氣(500-3,000 mg C/m 3 )適以蓄熱式焚化法處理，中高濃度廢氣(2,000-5,000 mg C/m 3 )則以觸媒焚化較經濟，高濃度廢氣(>5,000-10,000mg C/m 3 )則可以火焰焚化、冷凝或活性碳吸附回收處理。含中低濃度硫或氮成分臭氣則可以化學洗滌法處理。

圖 2.1 有機廢氣處理之相對費用及適用方法 2

三、 吸附技術

吸附法乃利用可與污染物質進行物理結合或化學反應之物質為吸附劑，將污染成份去除。活性碳及沸石為常用吸附劑，可有效除去之污染物質包括：脂肪酸類、硫醇類、酚類、碳化氫類 (脂肪族及芳香族)、有機氯化物、丙酮、醇類(甲醇除外)、醛類(甲醛除外)、酯類等。一般而言，吸附法如用於回收VOC，具適用範圍大與操作費用低等優點；然如用於去除臭味及VOC，則僅適用於低濃度(<10~50 ppm)。表3.1為活性碳對各種臭味物質之吸附能力。

表 3.1 活性碳對各種物質之吸附能力*

*測試條件：100℉、吸附質濃度>15 ppm。

(一)、吸附設備

一般用來處理廢氣的吸附系統為固定式再生床。此外，為便於更換吸附劑，亦有採用抽取式或纖維濾網式之吸附設施，此種型式吸附塔乃將吸附劑填置於可抽取式箱櫃內，或製成濾網、不織布型式，操作一段期間後即予抽換。一般吸附設備操作條件如下：

1. 空塔速度 0.2~0.5公尺/秒

2. 停留時間 1~2秒

3. 壓損 70~150 mm H 2 O

圖 3.2 以活性碳吸附回收VOC設施示意

採用活性碳作為吸附劑之操作溫度宜維持在 40℃以下才能發揮良好效果(圖3.2、3.3)。若廢氣含有大量水份，由於水分在活性碳表面凝結將使污染物質吸附效果下降，灰塵、煙霧、雜質若覆蓋在吸附劑表面亦會降低吸附效率，故皆必須先將干擾物質除去。有機溶劑吸附後可利用水蒸氣或氮氣進行脫附(圖3.2)。活性碳吸附法適用於低濃度碳氫化合物所致污染之控制，但不適用於胺、硫化氫、低級胺類等成份所致臭氣之控制處理，此種廢氣可利用添著碳處理，或採取添著碳和活性碳併用方式，或採用藥液洗滌和活性碳組合方式，或採用化學吸附劑處理。

圖 3.3 以活性碳吸附處理含VOC排氣設施示意

(二)、 吸附濃縮/ 脫附焚化

對於高風量低濃度揮發性有機廢氣，可採用濃縮處理技術，沸石濃縮轉輪 (Zeolite Rotary Adsorber)即為典型例子。

沸石轉輪濃縮器 (圖3.4)之目的為將大風量低濃度VOCs處理方式轉換成小風量高濃度氣流。蜂巢狀沸石轉輪設有疏水性沸石，對揮發性有機物有高效率吸附能力，製程排氣VOC經過處理即可被吸附去除。

沸石濃縮轉輪一般操作條件為：風量 2~100 m 3 /sec，進氣VOC濃度0~l,500 mg/Nm 3 。轉輪轉速約2~5轉/每小時，轉輪持續通一個吸附區及一個脫附區， VOC在轉輪上除去後將形成較高溫氣流。濃縮後通常經由直燃、觸媒或蓄熱式焚化爐氧化，焚化爐本身具有熱交換器，可預熱進氣溫度，亦可當作脫附再生熱源。

為去除吸附在蜂巢狀轉輪中之 VOCs分子，以180℃熱空氣加熱一小扇形轉輪面積，在高溫條件下，有機物分子活性增大而脫附離開沸石表面。脫附氣流傳遞部份能量予轉輪，使原氣流溫度降低，一般濃縮氣流以80℃離開轉輪，VOC濃縮比例約可使濃度提高為原來的6-15倍。經由濃縮處理後廢氣可逕排大氣，高濃度VOC廢氣則可經冷凝回收或以焚化處理。

圖 3.4 沸石濃縮轉輪系統示意

四、 化學洗滌技術

圖 4.1 填充洗滌塔

化學洗滌法係藉由氣 -液接觸，使氣相中之臭味成分轉移至液相，並藉化學藥劑與臭味成分之中和、氧化或其它化學反應去除臭味物質。

可應用化學洗滌方法處理之臭味物質包括有機硫化合物、含氮化合物、有機酸、含氧碳氫化合物、含鹵化物等廢氣。

(一)、洗滌設備

常用的吸收控制設備為填充塔 (圖4.1)，吸收液從塔頂往下流，廢氣向上流，臭氣與吸收液充分接觸而反應去除。吸收液與廢氣流量比例(液/氣比)一般為1 ~ 3 L/m 3 ，填料高度一般為2~5公尺，氣體空塔流速一般為0.5~1公尺/秒。操作良好之填充塔，除臭效果可達到90%以上。

(二)、化學吸收劑

常用之化學吸收劑包括下列幾種：

(1)鹼性溶液

鹼性吸收液常用含有 1~10%氫氧化鈉之溶液，對消除硫化氫很有效，其它如甲硫醇、硫化甲基、二硫化甲基、低級脂肪酸等經常在廢水處理場造成臭味之物質，此法可獲得甚佳處理效果。

(2)酸性溶液

酸液洗滌主要用於消除由氨、三甲胺等鹼性氣體所致臭味，一般多使用硫酸 (0.5~5%之溶液)為洗滌液。

(3)次氯酸鈉溶液

次氯酸鈉一般與酸鹼性吸收液一起使用。對於其他方法很難消除之硫化甲基，使用次氯酸鈉吸收液之控制效果甚佳。處理污水處理場高濃度臭氣時，次氯酸鈉溶液濃度 (有效氯濃度) 約為500~2000 ppm；而處理較低濃度臭氣時，使用次氯酸鈉溶液濃度約50~500 ppm。以各項氧化劑之性能而言，次氯酸鈉最便宜，效果亦不錯，故最常使用。

在溶液中之次氯酸鈉係以次氯酸 (HOCl)形式存在:

NaOCl+ H 2 O→HOCl+ NaOH......(3.1)

在 pH=7.5，次氯酸鹽溶液之有效氯以50% HOCI和次氯酸根離子(OCl - )存在。在pH=l0，只有0.3%有效氯以HOCl存在;在pH=l1或12，HOCl幾乎完全解離成無用之次氯酸根離子，因此pH值控制很重要。

五、 焚化技術

焚化一般分無觸媒熱焚化 (簡稱熱焚化)及觸媒焚化二種。依熱回收方式，焚化設施又可分熱回收型及蓄熱型。熱回收型者以表面式熱交換器回收焚化設施高溫排氣熱量，一般熱回收率<70 %；蓄熱型者以陶磁蓄熱材回收排氣熱量，一般熱回收率可達90 %以上。圖5.1顯示各型焚化控制設備。

圖 5.1 各型焚化控制設備

(一)、熱焚化

一般熱焚化之火焰溫度可達 1,370℃(2,500 o F)。混合氣體在後燃室燃燒溫度為650-820℃(1200-1500 o F)，氣體停留時間為0.3-0.5秒，氣流速度為3-15 m/s。在上述條件下，臭味物質之去除率可達99%以上。

(二) 、觸媒焚化

觸媒焚化之一般特性可有效改善由 VOCs所致之臭氣問題，廢氣通常採過濾設備去除粒狀物質，以預熱設備以使脂肪類、多環芳香烴等物質之液滴或固體氣膠在接觸觸媒表面之前即能揮發氣化；若含有可能對觸媒造成毒化之成份，如：硫化合物、重金屬、煙霧等物質，則必需先予排除，以延長觸媒使用年限。

觸媒焚化之混合氣體通常需預熱至在後燃室燃燒溫度為 350-425℃(650-800 o F)，氣體以3-15 m/s之流速通過一觸媒層，於燃燒室內停留時間為0.1-0.3秒。觸媒焚化一般使用貴金屬觸媒(主要為Pt、Pd、Rh)或一般金屬氧化物觸媒(主要為Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 、Co 2 O 3 /MgO)，臭味物質之去除率可達95 %。

(三 )、蓄熱式焚化

一般蓄熱式焚化系統 (RTO)至少包括二個蓄熱床、進氣控制設備、加熱及溫度控制設備。蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄熱材料，欲處理氣體先進入一蓄熱床(A床)預熱至一定溫度以反應去除其中之VOC，反應後高溫氣體通過另一蓄熱床(B床)時，氣體熱能將傳入原已冷卻之蓄熱材，即高溫氣體之顯熱已被儲存，氣體則以較低的溫度排放。待一定時間後，欲處理氣體則導入該高溫床(B床)預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於A床，完成一操作循環(operation cycle)。

氣體焚化設施之熱回收率 ( R )一般定義為：

其中 T c 、 T o 、 T i 分別為蓄熱床內氣體最高溫度 (即最高氧化溫度)、蓄熱床出口(即RTO)、欲處理氣體之溫度。設若 T c 、 T o 、 T i 分別為700、70、30℃，則

即熱回收率可達 90%以上。

由上計算例知，吾人僅需將欲處理氣體提高 40℃( T o - T i ＝70-30＝40℃)即可將氣體中之VOC氧化。一般以RTO處理VOC濃度大於1,600 mg/m 3 之排氣(相當於一般VOC約600 ppmv)，即除啟動外，無需使用輔助燃料或電熱。一般RTO之設計及操作參數如表5.1所示。

表 5.1：一般RTO設計及操作參數

(四)、焚化法適用範圍

一般 VOC或臭味物質多可用焚化法處理，除應注意上節所述進氣條件(主要為VOC濃度<25% LEL及避免影響觸媒活性之物質)外，如焚化含氯、氟、硫有機物，需設洗滌設備，以去除焚化排氣中可能含有之氫氯酸、氫氟酸、氯氣、氟氣、硫氧化物等；如焚化含氮有機物，需估算焚化排氣中NO x 濃度，是否符合法規標準。

六、 生物技術

生物氧化處理法為將排氣通過活性污泥混合液、生物滴濾塔或生物濾床，排氣中臭味或 VOCs等成分傳輸入液相或固相後，為其中之微生物分解。適用生物處理之排氣中揮發性有機物，分解性由易至難排列略為：

1. 含氧烴：醇、醛、酮、醚、有機酸

2. 芳香烴：苯、甲苯、二甲苯、異丙苯、乙苯、苯乙烯

3. 酚：酚、甲酚

4. 含氮氧烴：丙烯醯胺、丙烯睛、乙醯胺、二甲基甲醯胺

5. 烯烴：丁二烯

6. 含氯、氮烴： 1,2 －二氯乙烷、氯乙烯、苯胺

一般在氣體空塔停留時間 0.5-3分鐘之條件下，VOCs去除可達95%以上。生物氧化法分生物洗滌法、生物滴濾塔及生物濾床法等三種(圖6.1)，茲分述其技術概要。

(一)、生物洗滌

生物洗滌法之機制為： (1)廢氣中水溶性空氣污染成份溶入活性污泥混合液中，(2)污染成份為活性污泥中微生物分解，例如排氣中硫化氫之處理：

水溶性高之成分，如氨、低級胺、硫化氫、低級醇、低級酮、低級揮發性有機酸等，適以本法處理。

圖 6.1 排氣生物處理系統

(二)、生物滴濾

有機廢氣及臭氣處理用滴濾塔如圖 5.1所示，廢臭氣中污染物為惰性濾料表面附著之生物膜吸收後，為微生物氧化為二氧化碳、水、硝酸鹽、硫酸鹽等最終產物。每去除1公斤有機物，約有0.1公斤微生物質體(biomass)產生。一般濾料材質為塑膠或石質，比表面積50-200 m 2 /m 3 ，堆疊高度2-6 m。滴濾塔啟動時，一般用與處理標的有機污染物類似之活性污泥混合液為植種，生物膜厚度以1-3 mm為佳。處理時需鼓風機電力、工業用水(或回收廢水)、微生物營養鹽(氮、磷)及操作人力等直接費用，每數月需淋洗去除濾料表面過厚之生物膜。在正常操作條件(循環水pH = 6.5-8、溫度25-35℃、氣體空塔滯留時間20-120秒、循環水量1 m 3 /m 2 .h)下，每立方公尺濾料每小時可分解20-40克VOC。有機物生物分解性，由易至難排列，依次為含氧或氮烴、芳香烴、脂肪烴，多數含鹵素有機物之生物分解性偏低。

生物滴濾塔廢氣處理機制為： (1)廢氣中空氣污染成份傳輸進入滴濾塔填充物表面附生之生物膜中，(2)污染成份為生物膜中微生物分解，例如甲苯(C 6 C 5 -CH 3 )之生物分解：

一般處理條件及參數為： (1)入流氣溫：<40℃，(2)入流VOC濃度：<1000 ppmv，(3)濾料體積分解能力：約30 g VOC/m 3 .h，(4)濾塔填充物高度：2-6 m，(5)VOC去除率：>90%，(6)濾塔填充物比表面積：約100 m 2 /m 3 ，(7)循環水流量：1 m 3 /(m 2 截面積•小時)。

適用生物滴濾塔處理之有機成分除上述適用生物洗滌者外，水溶解度在 100 mg/L以上之成分，如苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、醇酮酯醚、醯胺等，均有良好處理效果。

(三)、生物濾床

生物濾床法使用家畜糞便堆肥、磷酸鈣、蛇木屑等組成之濾料吸收處理臭味成分，濾料一般需植種活性污泥，水份控制於 50-55%，pH控制於7-8間。廢氣中空氣污染成份傳輸進入濾料表面生物膜後，為其中微生物分解。生物濾床廢氣處理系統堆置高度通常小於1M，此系統可處理低水溶性成分，較不適合處理高濃度含硫、氮、或鹵素化合物之排氣。

七、 工廠如何有效防制揮發性有機物及臭味

進行防制之考量步驟為： (1)製程改善與管理是否已充份考量並實施、(2)廢氣抽除系統是否完善、(3)廢氣抽除量是否可再減少等項目。

上諸項目已充份考量並實施後，如排氣不符法令標準，或雖符標準，然有影響員工及廠外民眾健康之虞者，即應進行處理。處理技術或設備選擇須有下列基本資料：

1. 排氣流量；

2. 排氣臭味成分、濃度、溫度；

3. 上述資料之隨時變化情形；

4. 臭味去除效率；

5. 其他配合設施，例如有無既有排氣處理設施、污水處理設施、管理人力及其素質、水電供應、建物或土地空間等。

一般而言，處理技術初步篩選可參考圖 2.1；進一步篩選則需作技術及經濟評估，高設備投資(如200萬台幣以上)之評估可委託工程公司、學術或研究機構進行，評估項目包括去除率、操作難易度及穩定性、設備投資、操作費用(水、電、燃料、藥品、人力等)、每千立方公尺排氣之操作及設備攤提費等。

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