本项目于2019年9月实施至今。该塑料生产企业年产1.5×10⁴ t的耐热聚丙烯塑料(polypropylene，PP)、增强PP和阻燃丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS)塑料等塑料母料产品，用于家电、空调等塑料产品的制造。该企业的生产工艺包括：投料、热熔、拉丝、冷却、切割造粒、收集、分选、装袋。车间内共设10条生产线。由于工厂配电负荷影响，目前最多同时运行9条生产线。车间内有机废气的主要污染源为各生产线的热熔、拉丝工艺段设备形成的点源，以及冷却段形成的线源。对点源采取加罩单独收集的有机废气收集方法。其中，对离干管较远端的点源，在风管后端增设轴流风机以保障远端有机废气的收集效果；对整体车间采用空间区域整体收集的形式，最后汇入有机废气处理系统。总设计处理风量为10 000 m³∙h⁻¹，有机废气收集系统如图1所示。

在车间满负荷运行时，对车间内9条生产线产生的点源有机废气进行了采样和全组分分析(依据标准HJ 644-2013进行采样和测试。其中，采集样品通过CAMSCO不锈钢吸附管进行浓缩吸附，气相色谱-质谱联用仪型号为岛津QP2010 Ultra)，使用美国华瑞公司的RAE PGM-7340型VOCs检测仪测定TVOCs。测试分析结果如图2所示。

由图2可知，全组分分析共检出13种有机污染物，包含了烷烃、烯烃、苯系物和卤代烃。其中，质量浓度较高的污染物有苯乙烯、氯苯、乙苯、甲苯和4-乙烯基环己烷，最高分别达到58.87、28.37、16.12、17.19和15.38 mg∙m⁻³，如图2中顶部深红色区域所示。其他有机污染物的质量浓度相对较低，大部分不超过1 mg∙m⁻³，如图2中底部浅黄色区域所示。图2的颜色深浅分布还表明，不同生产线的点源有机废气中各类污染物及TVOCs均存在明显差异。其中，10号生产线的TVOCs最低，仅为20.11 mg∙m⁻³；1号生产线的TVOCs最高，为115.81 mg∙m⁻³。存在上述差异是由各生产线实时生产负荷和收集效率的不同所致。

进一步将9条生产线产生的各类污染物平均浓度按苯系物、烷烃和其他污染物3大类进行了统计，结果如图3所示。生产线的点源有机废气中，苯系物占比87%，主要为苯乙烯；烷烃占比17.01%，其他污染物仅占比0.31%。

该企业的生产时间为每日6:00—22:00，分别于车间开工前1 h(5:00)，生产时的上午(10:00)、中午(14:00)、下午(18:00)和停工后1 h(23:00)共5个时刻，在有机废气收集总风管处采样，并对其进行了全组分分析，结果如图4所示。此次采样时，车间为半满负荷运行，仅运行了4条生产线，故TVOCs相对较低。

由图4可知，在晨间5:00，由于企业尚未开工，车间内并无有机废气源，室内空气中尚存未完全换气的有机废气，此时TVOCs为3.1 mg∙m⁻³。这可能因停工间隔时间较短(8 h)所致。车间正常生产时(即10:00、14:00和18:00这3个时刻)，测得的TVOCs分别为33.2、33.0 和40.8 mg∙m⁻³。在夜间23:00，车间已停工1 h，此时的车间亦无有机废气源，TVOCs明显下降，为9.3 mg∙m⁻³。

综上所述，该塑料生产企业排放的有机废气中，主要污染物为苯乙烯、甲苯和乙苯。当车间满负荷运行时，各生产线点源有机废气的TVOCs为20~120 mg∙m⁻³；半满负荷运行，TVOCs相对较低，为3~40 mg∙m⁻³。车间正常工作时间内，有机废气中TVOCs相对稳定，质量浓度大小主要由当日生产负荷决定。

有机废气处理工艺大多为活性炭吸附、低温等离子和光催化技术，但活性炭吸附运行成本高，低温等离子和光催化技术去除效果不佳^[10]。近年来，东莞、长沙和厦门等多个城市的生态环境局先后发文禁止使用单一活性炭、光催化等低效VOCs处理工艺。本项目所在的塑料企业产生的有机废气主要成分为苯乙烯、甲苯和乙苯。这类苯系物的可生物降解性较差，故本项目选用“等离子+生物过滤”的联合工艺，以期先利用“等离子体”工艺提高污染物的可生化降解性，再利用“生物过滤”工艺将所得中间污染物进行完全矿化、降解^[14-16]。

基于文献调研和我司的前期实验^[11-12]与工程经验^[13]，结合上述废气组分占比及其时间特征分析，确定了以下设计思路：1)生物过滤技术为核心，对废气中的苯乙烯、甲苯、乙苯等主要苯系物进行高效去除^{[7, 14]}；2)在生物过滤前端安排等离子装置，提高有机废气中部分烷烃和卤代烃的可生化性^{[8, 15]}。此外，考虑到有机废气温度较高(约35 ℃)，且含有较多的粉尘和油状物，故有机废气进入主体工艺前先通过预处理(水洗和静电除油设备)进行除尘、除油，以防止油、尘污染等离子装置放电系统、堵塞生物滤池填料。故本项目采用预处理和“等离子+生物过滤”的联合工艺。

其中，等离子装置的总功率为2 080 W，设计停留时间为2.1 s。根据有机废气实测数据及我司的工程经验，确定生物过滤池的停留时间为30 s。接种微生物为我司实验驯化所得的苯系物降解菌；工艺流程如图5所示。

不同工艺段对各污染物及TVOCs的净化能力用去除率表示，计算式为式(1)。

式中：η_i为各污染物在不同工艺段的去除率或总去除率，%；C_in、C_out分别为进出口的污染物质量浓度，mg∙m⁻³。

待生物过滤装置接种、挂膜生长30 d后，分别于稳定运行后的第15、30、45、60天，对工程装置的进气和不同工艺段的出气进行采样，并对样品进行了TVOCs检测，得到不同工艺段的TVOCs去除率(见图6)。由图6知，在4次不同运行时间的测试过程中，“等离子+生物过滤”联合工艺的运行相对稳定，其中等离子工艺段对TVOCs的去除率约25%，生物段对TVOCs的去除率约80%，总TVOCs去除率约85%。

在使用等离子装置时，时常伴有副产物——“臭氧”^[17-18]。臭氧会造成二次污染，但同时也具有一定的杀菌作用，可能影响生物滤池中微生物的生长。故在进行TVOCs测试时，同步使用了臭氧检测仪(Ozone analyzer IDEAL 1000)对等离子装置的出气进行了持续监测，但并未检出臭氧(仪器检出限为0.02 mg∙m⁻³)。结合已有研究^[17-20]推测，可能是由于臭氧分解产生较多的氧自由基，参与到VOCs的降解过程中，将这些副产物臭氧消耗殆尽，使得项目运行过程中并未检出臭氧。

当工程装置稳定运行至第75天时，再次在工程装置的进气处和不同工艺段的出气处采样，并进行了全组分分析。测定了各污染物质量浓度，并计算出各污染物在不同工艺段的去除率和总去除率，结果如图7所示。

由图7可知，本次测试总共检出10种有机污染物，仍以苯乙烯、乙苯和甲苯的质量浓度较高(3种污染物占进气TVOCs的比例达81.58%)。然而，本次测试结果中各污染物质量浓度均较低。这主要是由于：在进行本次采样时，车间仅运行了3条生产线，生产负荷较小。工程装置的整体TVOCs去除率为95.3%，其中等离子段的TVOCs去除率为36.57%，生物段的TVOCs去除率为92.6%。从各污染物的去除效果来看，二氯甲烷的去除率相对较低，仅为33.33%，甲苯的去除率为79.02%，其余8种污染物的去除率均达到95%以上。排放尾气的TVOCs仅为0.61 mg∙m⁻³，说明工程装置整体表现出较好的运行状态。

本联合工艺项目的处理风量为10 000 m³ h⁻¹，投资成本为124万元。该处理工程常用功率15.1 kW。电费按0.6元∙(kWh)⁻¹计，每年运行时间按8 000 h计，则每年电费为7.28万元。水费按3.5元∙m⁻³计，则每年水费为1.10万元。故每年总运行成本为8.38万元。

同等净化效果下，若仅采用“生物过滤”工艺去除塑料有机废气，投资成本为140万元^[21-22]。该处理工艺常用功率15.0 kW，电费按0.6 元∙(kWh)⁻¹计，每年运行时间8 000 h，则每年电费为7.20万元。水费按3.5元∙m⁻³计，则每年水费为1.65万元。故每年总运行成本为8.85万元。

因此，“等离子+生物过滤”联合工艺的协同优势，解决了单一“生物过滤工艺”投资成本高的问题，也规避了单一“等离子工艺”运行成本高、二次污染的问题。

本工程于2019年9月实施至今，实现了对废气中有机污染物的高效去除，取得了良好的治理效果，明显改善了车间工人的生产环境，并减少了周边居民的投诉。“等离子+生物过滤”联合工艺的协同优势，解决了单一“生物过滤工艺”投资成本高的问题，也规避了单一“等离子工艺”运行成本高、二次污染的问题，可为我国塑料废气治理领域提供技术与工程参考。