摘要：總結(jié)了美國的清潔空氣法、國家有毒空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、最高可實現(xiàn)控制技術(shù)、控制技術(shù)指南等聯(lián)邦法規(guī)政策，美國南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)、紐約州等區(qū)域涂料VOCs管控措施，以及涂料行業(yè)較為成熟的VOCs控制技術(shù)，并評估了其典型控制技術(shù)和政策法規(guī)的實施效益、經(jīng)濟(jì)影響。
涂料行業(yè)是我國VOCs污染的主要來源之一，據(jù)估算2010年我國涂料使用過程的VOCs排放量約為223.5萬t，占當(dāng)年全國人為源VOCs排放總量的13%。由于涂料基數(shù)中大量使用了揮發(fā)性有機溶劑、助劑等，在涂裝過程中溶劑型涂料有50%以上的VOCs排放到大氣中，其中多數(shù)含有可對人體內(nèi)臟造成毒害甚至致癌作用的苯、甲苯、二甲苯、氯苯、丁醇、環(huán)己酮、環(huán)己烷和乙酸丁酯等有毒有害物質(zhì)。部分具有光化學(xué)反應(yīng)活性的VOCs排放至大氣中后，會與NOx等氣體經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)和光化學(xué)作用形成臭氧、光化學(xué)煙霧等，最終危害人類健康和區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全。
現(xiàn)階段我國VOCs控制才剛剛起步，系統(tǒng)性不強、行業(yè)針對性差、控制不全面等問題較為突出。廢氣治理方面，產(chǎn)品類型單一、技術(shù)水平落后、產(chǎn)品運行維護(hù)差。我國在“十二五”期間將VOCs列為重點污染物，以“三區(qū)六群”(京津冀、長三角和珠三角地區(qū)，遼寧中部、山東半島、武漢及其周邊、長株潭、成渝、臺灣海峽西岸等城市群)作為重點管控區(qū)域，推動涂料等有機溶劑使用量大的典型行業(yè)的VOCs污染聯(lián)防聯(lián)治工作，因此有必要借鑒國外VOCs綜合防治政策、法規(guī)和技術(shù)方面的寶貴經(jīng)驗。
在美國，人們已經(jīng)認(rèn)識到可以通過減少VOCs的排放量來達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS)中的臭氧含量要求，因此，先后制定和實施了一系列針對涂料行業(yè)VOCs污染控制的法律法規(guī)，促進(jìn)了行業(yè)工藝水平和污染控制技術(shù)的發(fā)展，有效地減少了VOCs的排放，為涂料行業(yè)的環(huán)境保護(hù)工作帶來了極大的促進(jìn)作用。本研究針對美國涂料行業(yè)VOCs污染排放標(biāo)準(zhǔn)、管理策略、控制技術(shù)等進(jìn)行了分析，為我國今后在該領(lǐng)域的VOCs綜合防治工作提供一定的啟示。
01美國VOCs污染控制政策和技術(shù)
1.1聯(lián)邦政府政策法規(guī)
1.1.1清潔空氣法(CAA)及其修正案
CAA是美國環(huán)境空氣質(zhì)量保護(hù)的基礎(chǔ)法律，美國環(huán)?？偸?EPA)以該法作為基本依據(jù)建立了NAAQS等一系列重要法律法規(guī)作為補充，構(gòu)成了聯(lián)邦核心法規(guī)(CFR)。1990年通過的《清潔空氣法修正案》(CAAA)要求采取嚴(yán)格措施，到2000年降低70%VOCs排放量。在對涂料行業(yè)的控制方面，規(guī)定工業(yè)涂料的VOCs(稀釋后)排放限值為420g/L。CAAA列出的189種禁止或限制排放的有毒有害物質(zhì)中70%為VOCs，包括了甲醇、甲乙酮、甲苯等幾乎所有涂料中常用的有機溶劑。
1.1.2新污染源行為標(biāo)準(zhǔn)(NSPS)
為促進(jìn)大氣污染控制技術(shù)的推廣使用，減緩空氣污染問題，同時考慮到技術(shù)成本、健康和環(huán)境影響、能源需求等因素，根據(jù)1977年《清潔空氣法》制定了NSPS，它定義了限值和對特定排放單元的檢測方法及VOCs排放限值等，目前為止已頒布的涂料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有汽車和輕型卡車、金屬家具、大型家電、金屬線圈、飲料罐、壓敏膠帶和標(biāo)簽等表面噴涂作業(yè)VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)。
1.1.3國家有毒空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(NESHAPs)
根據(jù)國會的要求，EPA須建立標(biāo)準(zhǔn)和管理措施控制導(dǎo)致癌癥或其他嚴(yán)重影響健康的危險空氣污染物的來源。1992年7月16日，EPA公布了第一批排放有毒空氣污染物源類別清單，該名單包括了工業(yè)表面涂裝VOCs污染源。為保證有效減少該類污染物，EPA將CAAA列出的危險空氣污染物按不同污染源制定了國家排放標(biāo)準(zhǔn)，表1給出了部分工業(yè)維護(hù)表面涂裝的有機有毒空氣污染物(OHAP)限制要求。為最大限度地減少HAP的排放，EPA專門設(shè)立了最高可實現(xiàn)控制技術(shù)(MACT)，通過最佳的清潔生產(chǎn)工藝、控制技術(shù)、操作手段等途徑達(dá)到限制要求。對HAP污染源實行嚴(yán)格的空氣污染削減措施。對現(xiàn)有污染源，①若有30個以上同類污染源，MACT底線應(yīng)達(dá)到最佳的前12%企業(yè)的平均限值；②若同類污染源小于30個，應(yīng)達(dá)到前4名的平均限值。對于新污染源，須達(dá)到現(xiàn)有同類污染源的最佳控制水平。
1.1.4控制技術(shù)指南(CTG)
清潔空氣法的第183(e)條款要求美國環(huán)保署對消費和商業(yè)品產(chǎn)生的VOCs的排放量進(jìn)行管理。為了對VOCs污染源進(jìn)行監(jiān)管，協(xié)助國家和地方達(dá)到空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，EPA編制了CTG，對船舶制造、家具、大型家電涂裝等均提出了具體排放限制要求及控制措施(見表2)。CTG雖不屬于法規(guī)，但各州須以此為指導(dǎo)文件，制定相應(yīng)的法律標(biāo)準(zhǔn)，作為減排計劃的一部分。
1.1.5國家消費和商業(yè)產(chǎn)品VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)
(1)建筑涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)
EPA對消費產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的VOCs釋放進(jìn)行的一項調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)建筑涂料的VOCs釋放量約占所有消費產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的9%，而且建筑涂料更與人們的生活密切相關(guān)，所以該標(biāo)準(zhǔn)的制定與實施對于減少大氣污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著重大意義。1999年9月13日起，在美國生產(chǎn)和配送建筑涂料將按照此標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。
(2)汽車修補涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)
1999年1月11日以后在美國境內(nèi)出售、配送的汽車如客車、貨車、卡車和其他移動設(shè)備，零部件涂裝涂料、修補涂料要求按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行(見表3)。
(3)氣溶膠涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)
EPA認(rèn)為通過控制具有高化學(xué)反應(yīng)活性的VOCs排放量可以更有效地降低地面臭氧濃度，因此，EPA采用了基于化學(xué)反應(yīng)活性限值控制的氣溶膠涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)活性值的計算方法，并對監(jiān)管對象(氣溶膠產(chǎn)品標(biāo)簽上注明的或指定產(chǎn)品配方的生產(chǎn)商、進(jìn)口商、經(jīng)銷商)提出了設(shè)立相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)識、記錄、上報的要求。標(biāo)準(zhǔn)于2009年1月1日起執(zhí)行，最遲執(zhí)行時間為2011年1月1日。
1.2地方法規(guī)
除了上述聯(lián)邦法規(guī)、控制技術(shù)指導(dǎo)以外，各地區(qū)對VOCs排放也制定了嚴(yán)格的限制要求。
1.2.1區(qū)域性法規(guī)
為促進(jìn)區(qū)域性污染物的綜合治理，美國設(shè)有多個區(qū)域性的管轄區(qū)，如南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)(AQMD)、加州空氣資源委員會(CARB)、東北臭氧遷移委員會(OTC)等。
以AQMD為例，針對游艇、金屬零部件及產(chǎn)品、汽車生產(chǎn)線、金屬容器、密封件和線圈、電磁線、氣溶膠涂料、木材產(chǎn)品、建筑等方面的涂料使用均有具體的VOCs標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)需要不斷更新。如為控制大小船舶及其輔助設(shè)備、海上浮標(biāo)、石油鉆井平臺等方面海洋涂料的VOCs排放設(shè)立了1106條例(游艇另設(shè)專門的規(guī)定)，規(guī)定了詳細(xì)的涂料VOCs含量和排放限值、可替代的污染控制措施及VOCs削減效率核算方法、VOCs檢測分析手段。
1.2.2州級法規(guī)
一般情況，各州須根據(jù)自身的實際情況，以州實施計劃等形式制定控制要求，強制性要求其他政府部門、企業(yè)、機構(gòu)共同控制和減少污染。如紐約州1979年7月24日生效的《表面涂裝工藝州實施計劃》，要求企業(yè)嚴(yán)格按照該法規(guī)要求執(zhí)行以下條款:①申請表面涂裝生產(chǎn)線許可證；②提供合理可達(dá)到技術(shù)(RACT)的檢測報告；③安裝污染控制設(shè)備，并限定生產(chǎn)線VOCs排放量；④定期向環(huán)保局提交記錄報告，上報生產(chǎn)過程中原料(包括溶劑)的購買量、使用量和產(chǎn)量，生產(chǎn)工藝中VOCs實際含量，污染控制設(shè)備的去除效率數(shù)據(jù)；⑤企業(yè)自行測定涂裝生產(chǎn)線的揮發(fā)性有機物質(zhì)含量、水含量、密度、固體體積和固體質(zhì)量來確定實際的VOCs含量(取樣和分析的方法由相關(guān)法規(guī)規(guī)定)；⑥溶劑的貯存清洗需采用防止泄露和揮發(fā)的控制措施。
1.3VOCs治理技術(shù)
美國海灣地區(qū)空氣質(zhì)量管理區(qū)(BAAQMD)指導(dǎo)文件、加州空氣污染控制協(xié)會(CAPCOA)信息中心、清潔空氣技術(shù)中心(CATC)空氣污染技術(shù)報告等均提供了典型行業(yè)最佳可行控制技術(shù)(BACT)的技術(shù)信息，用以協(xié)助企業(yè)達(dá)標(biāo)排放。其中，涂料行業(yè)常用的控制技術(shù)主要分為兩類:燃燒技術(shù)和吸附技術(shù)。燃燒技術(shù)主要用于烘干室排放的含VOCs廢氣的治理；吸附技術(shù)處理低濃度的噴涂室排放的尾氣。各行業(yè)的表面涂裝VOCs控制技術(shù)見表4。
1.3.1燃燒技術(shù)
直接燃燒法適用的VOCs污染源廣泛，特別是高濃度低風(fēng)量地區(qū)的VOCs廢氣。一般直接熱力燃燒器的處理風(fēng)量在0.24~24m3/s。最適合的進(jìn)口濃度為1500~3000×10-6(體積分?jǐn)?shù)，下同)，該濃度范圍可以保持反應(yīng)器維持在高溫并且不需要添加額外的燃料。換熱燃燒法則適用于0.24~24m3/s的氣流。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性，最適用處理的濃度范圍是1500~3000×10-6，一般最高處理濃度必須低于1/4的爆炸極限濃度。直接燃燒和換熱燃燒反應(yīng)器具有很多相似之處:①正常工作溫度均在590~650℃之間，處理有害污染物時操作溫度可達(dá)到980~1200℃；②均不適宜處理含鹵素或含硫廢氣，因為生成的HCl、HF和SO2等強酸性化合物會腐蝕反應(yīng)器；③一般不需要前處理措施；④處理低濃度高流量的廢氣經(jīng)濟(jì)性較差。
蓄熱燃燒法適用于治理濃度小于1000×10-6、風(fēng)量大于2.4m3/s的VOCs廢氣。該法的處理風(fēng)量范圍在2.4~240m3/s之間，適于濃度小于100×10-6的氣體。廢氣進(jìn)入反應(yīng)器前需要預(yù)先去除顆粒物，工作前采用天然氣燃料預(yù)熱氣體使溫度升至760~820℃(最高操作溫度1100℃)。反應(yīng)器中加入貴金屬催化劑可以降解含氯等鹵族氣體，但廢氣中存在硅、磷、砷等其他重金屬物質(zhì)會使催化劑中毒。催化燃燒法適宜的廢氣流量在0.33~24m3/s，可以處理濃度低于1×10-6的廢氣。由于使用了催化劑，其反應(yīng)溫度比熱力燃燒的溫度低，廢氣進(jìn)入催化劑床層前采用輔助加熱器加熱至320~430℃，催化劑最高設(shè)計工作溫度可達(dá)540~675℃。
1.3.2吸附技術(shù)
吸附技術(shù)可將VOCs濃度從400~2000×10-6降低至50×10-6，處理廢氣的濃度范圍在20×10-6到1/4爆炸濃度極限之間，風(fēng)量大于2.4m3/s。常用的吸附劑有活性炭、有機聚合物、沸石等?；钚蕴康母鼡Q頻率是6個月至5a，雖然活性炭的更換頻率比沸石和有機聚合物高，但價格便宜，因此應(yīng)用相對廣泛些?；钚蕴康脑偕鷾囟仁?/span>218~318℃，再生后的吸附容量約為初始吸附容量的50%。通常活性炭吸附裝置后還可以連接燃燒/催化燃燒反應(yīng)器或者冷凝器進(jìn)一步降解或回收VOCs。
1.3.3控制技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
EPA對典型操作條件下的熱力燃燒、活性炭吸附(采用蒸汽再生活性炭)等控制技術(shù)進(jìn)行了的經(jīng)濟(jì)分析(不包括前處理費用)，如表5所示。
02實施效益與成本評估
美國逐步頒布的涂料行業(yè)VOCs污染的控制法規(guī)，特別是1990年的CAAA，對VOCs污染物的排放提出了極為嚴(yán)格的限制要求，其中第183(e)款要求EPA必須以最佳可行控制(BAC)規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)行為，即在綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，健康、環(huán)境和能源影響的基礎(chǔ)上，所確定的排放管理控制手段必須采用最有效的設(shè)備、措施、工藝、方法、系統(tǒng)或技術(shù)，包括化學(xué)配方重組、原料或產(chǎn)品替代、重新包裝、使用、消費、存儲或處置等?；谶@些規(guī)定，隨后制定和完善的一系列法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)促使工業(yè)界不斷改進(jìn)工藝和創(chuàng)新涂料配方、升級治理技術(shù)，極大地減少了VOCs排放量，使涂料使用過程中揮發(fā)的VOCs總量從1994年的568萬t減少到2006年的389萬t，取得了驕人的成績。以下是部分典型行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的VOCs削減效益和成本影響評估。
為達(dá)到《國家建筑涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)》，通過推行對低VOCs含量涂料提供經(jīng)濟(jì)鼓勵等可促進(jìn)產(chǎn)品達(dá)到BAC的要求。另外產(chǎn)品配方重組被認(rèn)為是在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上最可行的策略，包括涂料中VOCs含量的適當(dāng)調(diào)整，樹脂技術(shù)的改動。該法規(guī)的實施可減少約103000t/a的VOCs污染物，排放量較1990年降低20.2%?？傮w而言，建筑涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)的實施不僅能夠減少VOCs的排放、臭氧生成和有害空氣污染物的排放，同時也會有利于人們健康和環(huán)保。在1990年的工業(yè)調(diào)查中有64%的產(chǎn)品符合建筑涂料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的VOCs含量要求，其余不合格產(chǎn)品調(diào)整的花費主要來自新產(chǎn)品的開發(fā)、市場調(diào)研測試。據(jù)EPA估計生產(chǎn)商、進(jìn)口商支付超標(biāo)費用，產(chǎn)品的使用者更換涂裝設(shè)備，產(chǎn)品的記錄、匯報和檢測這3個主要環(huán)節(jié)，共花費2800萬美元。通過成本效益分析，法案實施后每減排1tVOCs消耗250美元，對建筑涂料的市場價和產(chǎn)量影響不會超過0.1%。
在美國的《國家汽車修補涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)》中，EPA將生產(chǎn)商和進(jìn)口經(jīng)銷商作為最有效的控制對象，依靠現(xiàn)有的國家和地方法規(guī)、涂料產(chǎn)品信息、汽車修補涂料行業(yè)反饋的信息，確定VOCs限值標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。此外，由于汽車涂料中所含VOCs也屬于有害空氣污染物(HAP)的范疇，因此汽車制造業(yè)也通過采用各種OHAP減排技術(shù)的組合降低表面涂裝過程的VOCs排放量，如使用低HAP含量的涂料，提高涂料利用率、控制烘干爐尾氣以及控制溶劑型涂裝生產(chǎn)線自動化噴槍的排氣等。該法規(guī)預(yù)期可減少32500t/a的VOCs排放，與1995年相比排放量減少33%。實施成本包括涂料制造工藝改造成本，對涂料生產(chǎn)者、經(jīng)銷商、個體戶培訓(xùn)的費用，成本約為450萬美元/a，涂料價格和平均維修費用上漲0.2%。但與其他具有潛在可用性的控制方法相比，可預(yù)測的經(jīng)濟(jì)的沖擊很小，也更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
EPA預(yù)計，《國家氣溶膠涂料VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)》實施后減少VOCs排放量可達(dá)15570t/a，在1990年的基礎(chǔ)上減排19.4%。減排量主要集中在氣溶膠噴霧涂料制造業(yè)，對噴霧涂料使用業(yè)、噴霧涂料批發(fā)業(yè)和噴霧涂料進(jìn)口業(yè)的影響要小得多。原材料價格、技術(shù)革新成本、排污記錄保存及上報達(dá)標(biāo)的成本等會有一定程度的提高。
03總結(jié)和建議
經(jīng)過數(shù)十年的努力，美國先后頒布和實施了一系列污染控制法律法規(guī)，推動了各行業(yè)工藝技術(shù)的升級，有效減少了VOCs的排放，極大改善了區(qū)域環(huán)境質(zhì)量。美國在VOCs污染控制法律標(biāo)準(zhǔn)方面積累的先進(jìn)經(jīng)驗很值得我們學(xué)習(xí)。
(1)VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)如NESHAPs等均建立在MACT的基礎(chǔ)之上，這不僅保證了主要生產(chǎn)企業(yè)在采用較優(yōu)的VOCs削減措施的前提下達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，也在一定程度上迫使污染源生產(chǎn)工藝和污染治理技術(shù)升級，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。我國有必要綜合考慮行業(yè)工藝進(jìn)步和治理技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，適時修訂和完善法規(guī)體系，在保證法規(guī)順利執(zhí)行的同時，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級改造。
(2)污染控制對象遵循先從大的污染源抓起，隨時間推移向中小型污染源擴(kuò)展的的思路，VOCs排放限值及控制技術(shù)要求也逐步提高。隨著工業(yè)的發(fā)展，我國新的污染源不斷增加，若維持現(xiàn)有的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不變，污染將會加重，須盡早修訂完善相關(guān)法規(guī)，按照“污染源由大到小、要求由寬到嚴(yán)”的原則逐步修改污染排放標(biāo)準(zhǔn)。
(3)為有效保障區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量，美國突破各州行政區(qū)劃的限制，先后劃定了AQMD、OTC等多個司法管轄區(qū)，制定專門的VOCs污染物控制目標(biāo)和措施要求。其跨行政區(qū)域的管控經(jīng)驗對于我國在“三區(qū)六群”等地區(qū)VOCs污染綜合防治工作具有較高的借鑒意義，特別在在合作理念、組織機構(gòu)、法規(guī)體系和資源整合等方面。
(4)美國聯(lián)邦政府和各地方政府部門在污染控制上的責(zé)任明確、配合良好，也是保障各行業(yè)限制要求和VOCs減量化指標(biāo)實施成效的主要原因之一。
(5)美國的控制規(guī)定在內(nèi)容上比較全面，除有技術(shù)數(shù)據(jù)，還附加了如何達(dá)到這些條款要求的配套技術(shù)和導(dǎo)引措施，如CTG、BACT等，保證了執(zhí)行可操作性。我國有必要通過對科技攻關(guān)項目的示范工程、行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)的工藝技術(shù)生產(chǎn)實踐、廢氣治理行業(yè)成熟技術(shù)產(chǎn)品等進(jìn)行評估和篩選，建立基于不同行業(yè)類別的VOCs治理先進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)庫，用以指導(dǎo)各污染源的治理。
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