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化学制药行业废气VOCs排放特征评估分析

文章出处:河北谱云科技有限公司 人气:发表时间:2019-02-28 09:14

  以浙江台州6家典型化学合成类制药企业为代表,对其排放工艺废气中的18项挥发性有机物(VOCs)特征污染物(如甲苯、甲醛、二氯甲烷等)进行监测和分析,并采用臭氧产生潜力(OFP)和健康风险评价指标对VOCs所产生的环境与健康危害进行初步的评价.结果表明,化学合成类制药企业排放的总VOCs浓度为14.9~308.6mg˙m-3,其产生环境危害的OFP值为3.1~315.1mg˙m-3,主要贡献物质为甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯等6种物质,存在较大的潜在环境危害.另外,健康危害中的非致癌风险指数和总致癌风险指数介于9.48×10-7~4.98×10-4a-1和3.17×10-5~6.33×10-3之间,主要是苯、甲醛和二氯甲烷这3种致癌物.

voc污染

  关键词:化学制药行业废气VOCs排放特征评估分析

  挥发性有机物(VOCs)的大量排放不仅影响了空气环境质量而且直接或间接地影响人体健康.一些具有较强活性的VOCs在一定条件下与氮氧化物发生光化学反应,引起大气中臭氧浓度增加[1,2];或与大气中的自由基反应形成二次气溶胶污染,对大气中O3和灰霾等空气污染的形成起到非常重要的作用,从而间接地影响了人体健康[3,4,5].另外,部分VOCs本身具有毒性和致癌性,属于有害空气污染物,对人体的健康造成直接的危害[6,7].

  化学合成类制药工业是重要的工业VOCs排放源.根据文献[8]的调研统计,2009年以VOCs为原料的工艺过程中,化学合成类制药工业排放VOCs达到22万t,占排放估算总量的7.4%.另外,化学合成制药生产过程中使用到大量的原辅料,大部分为有机溶剂,且含有一些“三致物质”[9].作为化学原料药生产大省的浙江,化学合成类制药企业排放的VOCs在全省VOCs排放总量中占举足轻重的作用,也是需重点治理的VOCs排放行业.在《浙江省环境保护地方标准建设“十二五”规划》中,将其列为浙江省“十二五”期间标准工作的重点项目[10].为此,本研究选取浙江台州具代表性的6家企业作为对象,结合其原辅料使用情况,对其所释放的工艺废气VOCs进行监测,并分析其排放特征、环境和健康风险等,旨在为化学制药类行业VOCs减排、合理选择排放控制技术及后续地方标准的制订提供基础信息.

  所谓的化学合成类制药是指以化学原料为主要起始反应物,通过化学反应合成生产药物中间体或对中间体结构进行改造和修饰,得到目标产物,然后经脱保护基、提取分离、精制和干燥等工序得到最终产品.其生产工艺及产排污节点如图1所示.从中可大致反映出化学合成类制药行业废气主要来源于以下3个方面:①合成反应过程中有机溶剂挥发;②提取和精制过程中有机溶剂挥发;③干燥过程中粉尘和有机溶剂挥发.除此之外还包括企业污水处理厂和固废堆场产生的一些恶臭气体及挥发的残留有机溶剂.

  1材料与方法

  1.1监测对象与监测指标

  采样区域选择了浙江省化学合成类制药产业高度集中的台州,选取了其中6家具有典型代表性企业为研究对象.以下分别简称为A、B、C、D、E和F.在废气处理工艺上,所选的企业采用了目前较为先进废气处理工艺,其中A和B采用蓄热式催化燃烧工艺(regenerativecatalyticoxidizer,RCO),C、D和E采用蓄热式燃烧工艺(regenerativethermaloxidizer,RTO),F则采用了等离子体+催化氧化处理工艺(双氧水+浓硫酸).

  根据前期对浙江省化学合成类制药原辅料的调查统计,结合6家企业的实际原料使用情况,筛选了苯、甲苯、二甲苯、甲醛、二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、乙酸、四氢呋喃(THF)、乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)、异丙醇、丙酮、丙烯腈、吡啶和乙酸丁酯这18项有机物进行监测分析.

  1.2样品采集与分析

  VOCs的采样点均设置在6家企业废气处理系统总排放口,并在企业正常运行的情况下,每隔15min取一个样,连续取样6次.样品的采集及测定分析均委托于台州市环境监测站.采用过程中记录排气筒高度,气体温度和湿度,并参考相关的监测和分析方法采样,其中除甲醛参考国家已发布环境保护标准测定外[11],其余均参考文献[12].废气中VOCs的浓度通过温度和湿度换算后,以标准状态下干气浓度表示.

  1.3VOCs风险评价

  对流层中的臭氧是大气发生光化学烟雾的标志性产物,而大气中VOCs是参与光化学污染的重要物种[13].因此可通过VOCs对臭氧产生潜力分析来评价VOCs对大气环境的影响.目前,评估VOCs对臭氧产生的贡献情况常用最大反应活性因子(maximumincrementalreactivity,MIR),MIR反映出某种VOCs能产生的最大臭氧浓度[14,15,16].VOCs不仅会增加环境大气氧化性,还可能引发环境大气的毒性,直接或间接的威胁人体健康安全.目前,VOCs对人体产生的健康风险评价采用美国联邦政府的危险评价管理体系[17],基于各种VOCs本身性质的差异性,参照国际癌症研究机构(InternationalAgencyforResearchonCancer,IARC)编制的分类系统将VOCs分为非致癌性物质与致癌性物质[18],并建立相应的评估风险.以上三者的计算方法分别如下公式所示.

  (1)最大反应活性因子

  式中,cMIRj为某种VOCs能够产生的最大臭氧浓度;MIR为某种VOCs的最大反应活性因子(O3/j,g˙g-1),取值参考文献[19];cj为某种VOCs的质量浓度(mg˙m-3);μj和μozone分别表示某种VOCs和臭氧的相对分子质量,OFPMIR为总VOCs能产生的最大臭氧浓度.

  (2)非致癌风险评价

  非致癌风险通常以危害指数(hazardindex,HI)表征,定义由于暴露造成的长期摄入量与参考剂量的比值.计算公式如下:

  式中,HI表征CDIj为某种VOCs的长期日摄入量,mg˙(kg˙d)-1;×10-6为与RfD相对应的假设可接受的危险度水平;RfDj为某种VOCs的参考剂量,mg˙(kg˙d)-1;取值参考美国EPA综合风险信息系统(IRIS)数据库中推荐值[20]

  考虑到VOCs主要通过呼吸途径进入人体,因此CDI的计算公式如下[21,22]:

  式中,cj为某种VOCs的质量浓度,mg˙m-3;IR为吸入空气量,m3˙d-1;ED为暴露时间,d˙a-1;EF为暴露频率,a;BW为平均体重,kg;AL为平均寿命,a.

  根据实际情况,主要接触VOCs的人群为企业员工,因此老人和小孩不在考虑范围内;并作如下假设:暴露频率为30a;暴露时间为除去法定节假日的正常工作时间(250d),按8h˙d-1;吸入空气量为19m3˙d-1[23];平均体重为62.7kg[24];平均寿命为70a[25];人对VOCs的吸收率取值0.63[25].

  (3)致癌风险评价

  致癌风险评价由风险值(Risk)表征,通过人体长期实际暴露浓度与致癌斜率因子的乘积来表示.计算公式如下:

  式中,SFj为某种VOCs致癌斜率因子,(kg˙d)˙mg-1,取值参考IRIS数据库中推荐值[20],详见表2所示.此外,IRIS数据库中并未给出甲醛的SF推荐值,本研究参考文献[26]取值为4.6×10-2(kg˙d)˙mg-1.

  2结果与讨论

  2.1废气排放特征

  6家化学合成类制药企业废气排放监测结果如表1所示.由于6家企业目标产品不同故原辅料的使用情况也有明显差异,在监测的18项指标中仅有甲苯、甲醇、二氯甲烷和乙酸乙酯这4项物质6家企业全部使用,而丙烯腈、吡啶和乙酸乙酯均只有1家企业使用.另外,18种VOCs中含有3种致癌物和3种可能致癌物.从表1中还可知不同化学合成类制药企业所排放的废气中VOCs差异明显,总浓度介于14.9~308.6mg˙m-3之间,均值浓度为93.6mg˙m-3.此外,表1中还反映出了部分指标值浓度偏高,如甲苯38.8mg˙m-3、二氯甲烷158.0mg˙m-3、三氯甲烷41.5mg˙m-3、乙醇47.5mg˙m-3、乙酸乙酯31.9mg˙m-3和丙酮28.1mg˙m-3;更为重要的是,目前上述指标项目中,除甲苯外均没有相应的排放标准,存在较大的环境危害.

  2.2VOCs的臭氧产生潜力分析

  6家企业废气排放中VOCs产生总OFP情况如表2所示.从中可见,按最大反应活性因子法计算得6家企业的OFP值介于3.1~315.1mg˙m-3之间,A企业最低,D企业最高,且差异明显.造成这种差异的原因主要是由于企业使用的原辅料及排放浓度的差异.图2列举了6家企业废气OFP贡献率排名前3的物质,主要为甲苯、四氢呋喃、三氯甲烷和乙酸乙酯等.其中,甲苯在B、C和D企业中均排名第一,各占56.0%、42.5%和94.6%;四氢呋喃则在企业E和F中排名第一,各占82.2%和69.7%;A企业中三氯甲烷排名第一,为73.5%.

  2.3VOCs的健康风险评价

  表3为6家企业产生VOCs的非致癌风险总评估值.从中可以看出6家企业非致癌风险指数介于9.48×10-7~4.98×10-4a-1之间.虽然除了F企业,其余非致癌风险值均高于瑞典环境保护局、荷兰建设和环境部推荐的最大可接受水平1×10-6a-1[27],但是该结果是在排放口VOCs的风险评价值,而实际的风险值远低于该计算值.其中A和E企业三氯甲烷占VOCs产生总HI的第一;B、C和D企业排名第一的均为二氯甲烷.6家企业总VOCs产生HI值贡献排名前3依次为二氯甲烷、三氯甲烷和甲苯.

  致癌风险评价结果如表4所示,6家企业总VOCs致癌风险值为3.17×10-5~6.33×10-3.单项致癌物的致癌风险值为1.18×10-5~5.90×10-3,单项和综合均高于欧美的致癌风险标准值10-6~10-5之间[28].鉴于是排放口浓度的致癌风险评估值,实际致癌风险值远低于该计算值.结合HI指数(图3),可以看出苯、甲醛、二氯甲烷这3种致癌物的大量排放会对人体产生较为严重的健康安全隐患,理应在排放过程中加以严格控制.

  3讨论

  我国对VOCs的控制相较发达国家还落后较多,现今对制药行业VOCs的控制主要还是援用《大气污染综合排放标准》(GB16297-1996),虽6家企业VOCs单项监测数据无一超标,但总VOCs排放浓度最高值可达308.6mg˙m-3,远超过世界银行《药品和生物技术制造业环境、健康与安全指南》中VOCs推荐限值[29].以B企业为例,其废气排放速率为2×104m3˙a-1,年生产时间按250d计,每天运行24h计,以此计算出其年总VOCs排放量为37.0t.另外,根据浙江省对企业有机废气收集率不低于90%的要求(按90%计算),估算企业无组织总VOCs排放量约为4.1t˙a-1.以最大活性因子估算其产生的OFP值为34.0t˙a-1,由此可见其对环境有较大的危害.本研究监测过程所得总VOCs浓度为企业废气排放各项VOCs浓度相加,以此方法操作在日后监测中较为不便,应建立在统一的VOCs监测分析方法,因此,现阶段明确我国VOCs的定义及涵盖范围、监测规范、分析方法、排放量核算方法显得极为重要.

  化学合成类制药废气VOCs成分复杂、差异性显著.如在6家监测企业中废气VOCs的OFP值介于3.1~315.1mg˙m-3之间,高低值相差百倍.如B企业虽然总VOCs以308.6mg˙m-3排名第一,但其总OFP值255.2mg˙m-3低于D企业的315.1mg˙m-3.另外,F企业总VOCs浓度为14.9mg˙m-3于6家企业中最低,但其VOCs总致癌风险值却均高于A和E企业,这是由于F企业使用了甲醛原辅料,使得废气含有一定的甲醛.因此,在VOCs总量控制的同时,更要特定地针对部分能引起环境和健康危害较大的指示物单独进行筛选控制.从而形成了既控制了VOCs的排放总量,又控制了行业中一些高毒高害的VOCs,从而达到最大限度地降低VOCs产生的环境和人体健康危害.

  此外,对于企业而言,在生产过程中,溶剂的选择是程序开发的一个重点考虑事项,如与苯、三氯甲烷等毒性较高的溶剂相比,最好使用乙酸乙酯、乙醇和丙酮;应多从源头和过程控制,尽量减少高毒高害溶剂的使用,并加强清洁生产、原辅料替代和工艺改进.在末端处理技术,采用适宜、合理、先进的处理技术,保证企业能达到排放标准的要求.在选择焚烧处理技术时,应更加注重含氯物质的分质处理,以便减少环境的二次污染和对设备的腐蚀.

  4结论

  (1)所选的6家化学制药行业企业废气排放中总VOCs浓度介于14.9~308.6mg˙m-3之间.其中部分指标浓度偏高,如甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、乙醇、乙酸乙酯和丙酮,亟需制定该行业大气污染物排放标准.

  (2)6家企业的OFP风险指数介于3.1~315.1mg˙m-3,能对环境产生较大的危害,产生的主要物质为甲苯、四氢呋喃、三氯甲烷、乙酸乙酯、二甲苯和甲醇.非致癌风险指数致癌风险指数分别介于9.48×10-7~4.98×10-4a-1和3.17×10-5~6.33×10-3之间,具有较大的潜在人体健康危害,产生的主要物质为苯、甲醛和二氯甲烷这3种致癌物.

  河北谱云科技有限公司位于河北省石家庄市高新技术产业开发区,公司专业从事环境监测仪器仪表的研发、生产、销售与服务,以自主研发生产的环境自动监测仪器为核心,应用自动化控制与系统集成技术为客户提供自动化、智能化的环境系统解决方案,并为客户提供环境监测设施的第三方运营维护服务。

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