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生物发酵制药行业VOCs和异味污染特征与防控技术的现状与展望

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生物发酵制药行业VOCs和异味污染特征与防控技术的现状与展望

发布日期:2018-12-19 作者:张成刚 点击:

生物发酵制药行业VOCs和异味污染特征与防控技术的现状与展望


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摘要:(VOCs)和异味是行业排放的主要污染物质,对人体健康和生态环境有潜在危害。目前,针对生物发酵制药行业VOCs和异味污染特征及防控技术的基础研究较少,有关制药企业VOCs和异味污染在监管和治理方面均缺乏充分的理论指导,甚至导致个别药企因环保措施治理不到位而只得搬迁的情况。本文以生物发酵制药行业作为研究对象,总结了不同生产流程、污水处理站和菌渣处理阶段VOCs和异味的污染特征,并在此基础上系统概述了应用于VOCs和异味末端治理技术的发展现状。因此,为更好地解决生物发酵制药行业VOCs和异味污染问题,未来应重点在以下4个方面开展工作:(1)优化生产工艺,实现污染物的源头削减;(2)开展针对发酵制药行业VOCs和异味的污染特征研究,建立快速、有效追溯VOCs和异味污染来源的方法;(3)针对VOCs和异味的污染特征,筛选高效和经济的治理技术;(4)推进生物发酵制药行业VOCs和异味排放标准和技术规程的制定和实施。

生物发酵制药行业是我国国民经济的重要组成部分,主要产品为抗生素和维生素及其衍生物等。目前,我国抗感染类产品中80%为生物发酵类抗生素,同时我国还是上大的维生素类药品的生产国与出口国。生物发酵制药行业快速发展的同时,其生产过程中产生的挥发性有机物(volatile organic compounds ,VOCs)和异味带来的人体健康风险和生态环境污染也日益受到关注。

VOCs是指有光化学反应活性的有机化合物[4],而异味是指一切刺激嗅觉器官并引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质[5,6]。因此,从污染物成分上看,VOCs与异味污染存在交叉重叠,即大部分VOCs有异味,而异味物质还包括H2S和NH3等无机物。有研究表明,VOCs与异味污染物一般具有较强的刺激性和毒性,部分表现出致畸、致癌和致突变作用,在大气光化学反应作用下可生成O3和二次有机气溶胶(SOA)等污染物,引起光化学烟雾和灰霾等环境问题,导致区域大气复合污染。由于存在多种生化反应和纯化学合成反应过程,生物发酵制药在不同产品、不同阶段、不同工况下排放废气的种类和浓度变化较大。有研究指出,生物发酵制药是制药行业中VOCs 和异味排放种类多、浓度大的一类。然而,国内外有关污染物污染特征和治理技术的基础研究均明显不足,使得VOCs和异味排放问题成为很多发酵制药企业久治不愈的环保难题,甚至造成企业面临不得不搬迁甚至关停的情况。

“十三五”规划纲要中要求重点区域、重点行业排放的挥发性有机物总量下降10%以上。发酵类原料药生产作为制药行业污染防治的重点,“十三五”规划纲要的出台标志着对其排放VOCs和异味等大气污染物的防治工作提升到了一个新的水平,但由于在治理手段方面仍有许多技术瓶颈,亟需进行更深入的基础研究和技术研发以推动有关领域的发展。因此,本文将针对生物发酵制药行业VOCs和异味污染问题,在总结分析污染特征的已有认识基础上,归纳适用于生物发酵制药行业的废气末端治理技术,强调应形成“源头-过程-末端-管理”系统的VOCs及技术思路,以期为生物发酵制药企业制定VOCs和异味污染控制政策,改善环境空气质量提供思路和参考。

1 VOCs和异味的污染特征

生物发酵制药是指通过微生物发酵的方法生产抗生素和其他的活性成分,不同产品的生产工艺大体相似,一般可以分为发酵和提取两个阶段,其中发酵阶段包括高温灭菌和发酵呼吸两种工况,提取阶段包括固液分离、提炼纯化、精制和干燥等步骤。因此,生物发酵制药的主要VOCs和异味污染源为发酵尾气、提取废气、污水处理站废气以及菌渣等固废废气。限于发酵制药现有的工艺水平,原料与产量的比值高达200/1,其中相当一部分原料以VOCs和异味物质的形式排放消耗。有研究表明,发酵制药废气排放总量的95%以上(质量分数)来自于含有机溶剂的提取废气,而发酵尾气的异味和污水处理站的臭味则是造成企业因废气污染受到民众投诉的主要原因。

1.1 发酵阶段VOCs 和异味的污染特征

发酵过程中,原料中的蛋白质、氨基酸在微生物的作用下发生脱羧和脱氨产生异臭味,其臭气浓度一般在5000~7500 之间[18]。此外,发酵菌种代谢产物也可能具有特殊气味。发酵尾气中多种气味混合后,导致尾气的异味特征非常复杂,形成特殊的“发酵味”。不同发酵制药产品的发酵尾气气味有显著不同,例如,硫氰酸红霉素的发酵尾气有明显的霉味和苦涩味,维生素C 的发酵尾气带有酸味,而维生素B的发酵尾气则有明显的甜味等。

据报道,青霉素发酵尾气中VOCs 种类和浓度在升温、保压、降温和发酵(呼吸)这4 个阶段中有较大差异,总体来看,氯代烃类所占比例大(24。6%~78。8%),其次是酯类(11。2%~52。4%),这两类物质占TVOCs 含量的90%以上;其中升温阶段VOCs 含量高(5416。4 mg·m-3),其次是降温阶段(1099。6 mg·m-3),发酵阶段VOCs含量低(202。0 mg·m-3),均超过地方有关标准(DB13/2208-2015)[20]2~90 倍。这是由于灭菌阶段处于高温环境,有利于有机溶剂的挥发。此外,在灭菌阶段和发酵阶段的尾气中均检测到高浓度的乙酸乙烯酯、三氟三氯乙烷、二氯四氟乙烷、二氯乙烯,但这些高浓度污染物的来源、成因和异味贡献仍不明确。天津某生物发酵制药企业发酵塔排放尾气中主要的污染物为烷烃和含氧有机物,其中戊烷、丙酮和乙醇占总质量浓度的50。6%,乙醇的质量浓度百分比高达22。1%,发酵塔排气口的臭气浓度超过6000。表1总结了青霉素、泰乐菌素和硫氰酸红霉素发酵废气中的特征污染物及其理化性质。

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1.2 提取阶段VOCs和异味的污染特征

提取指的是发酵液的预处理、固液分离,以及后续的产品精制纯化等过程。提取废气的少部分来自于装置排放的有组织工艺废气,可能是连续的,也可能是间歇的;大部分来自于非密闭式工艺过程中的无组织、间歇式的排放,这部分废气通过蒸发、吹扫和喷溅等方式逸散到大气中。提取废气是制药企业主要的VOCs 污染源,具有物质浓度高、收集难度大等特征。

据报道,青霉素结晶工序、干燥工序和结晶车间可监测到至少62种VOCs,其中结晶工序产生的污染物种类多(55 种),TVOCs浓度范围为29.6~446.7 mg·m-3,干燥工序和结晶车间排气口处TVOC浓度相对较低,分别为8.5~14.3mg·m-3 和3.0~11.6mg·m-3。乙酸丁酯、正丁醇和丙酮作为青霉素提取阶段的原料,在各工序排放尾气中均能检测到,且各监测点污染物浓度波动范围较大,种类复杂,这是由于所有的化学反应不可能完全进行。此外,VOCs在气相降解过程中与·OH、SO2、氮氧化物等均会发生反应,进而产生二次污染物。Jenkin 等提出的MCM(master chemical mechanism)模型表明,乙酸丁酯和正丁醇在气相降解过程中涉及100多种物质,这也进一步解释了青霉素提取过程中VOCs和异味物质种类繁多的原因。

乙酸丁酯、正丙醇和丙酮等有机溶剂是青霉素、红霉素和四环素等抗生素提取过程常用的溶媒,通过调研分析,这些药企周边环境空气检出率高、检出浓度大的污染物基本上是提取阶段使用的酯类、醇类和酮类等有机溶剂。虽然这些含氧有机物的嗅阈值与硫化物、醛类和有机酸类物质相比较高,但当浓度较高时仍对人体有较大刺激性。例如,乙酸丁酯为水果香味、嗅阈值为0.076mg·m-3,正丙醇为酒精味、嗅阈值为0.23 mg·m-3,丙酮为辛辣甜味、嗅阈值为99.8mg·m-3,而醛类和有机酸类的嗅阈值一般在0.05mg·m-3 以下。表2 总结了青霉素、泰乐菌素、硫氰酸红霉素、维生素C 和维生素B12提取废气的特征污染物及其理化性质。

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1.3 污水处理站和菌渣处理阶段VOCs和异味的污染特征

污水处理站产生的废气以无组织排放为主,VOCs和异味物质种类较多,异臭味污染较为严重。其中污水处理设施产生的VOCs 和异味主要来自于生化处理(尤其是厌氧)过程中有机物分解产生的硫化氢、氨、有机硫化物和有机酸等,以及废水中有机溶剂等污染物的挥发释放。另外,污泥浓缩、脱水等处理系统也会有异味产生。

污水处理站产生的废气与废水处理工艺和运行工况密切相关,各处理单元产生的VOCs和异味在种类和浓度上存在极大差异。据报道,某维生素C 生产企业的污水处理站采用预处理+UASB/IC+SBR工艺,其污水处理能力为2。2万m3·d-1,各处理单元环境空气中共检测到32 种VOCs,其中沉砂池检测到的污染物种类多,为25种,SBR池仅检测到19种;TVOCs浓度范围为1。0~32。1mg·m-3,主要的污染物是氯代烃类和酮类,分别占监测总量的6。4%~55。8%和10。4%~58。1%,其中沉砂池是整个废水处理系统VOCs源强大的单元。上述作者分析,这是由于污水中含有大量菌丝体、蛋白质、残留的营养物质以及生物成的代谢产物,造成沉砂池有机物浓度较高,沉砂池为半密闭状态,剧烈的曝气作用使大量的VOCs和异味逸散,此外,表面挥发作用也能够加剧沉砂池VOCs和异味的排放。

菌渣是发酵制药产生的主要固废,主要成分是微生物菌丝体,代谢产物以及未利用完的有机物、无机盐等。据统计,每生产1t发酵类抗生素原料药将产生8~10t的新鲜菌渣(含水率约为70%),我国每年的发酵类抗生素制药菌渣产量在160~210 万t 左右。在高温和长期贮存的条件下,废渣会进行发酵,产生臭味。例如,新鲜青霉素菌渣的初始状态为灰黄色、无味,二次发酵后,固体会自溶变稀,发出恶臭味,并产生大量的NH3。因此,菌渣的存放和处置是发酵制药企业在异味治理和精细化管理上需要进一步改进完善的内容之一。

2 VOCs和异味的末端治理技术

现有的VOCs处理技术可应用于生物发酵制药废气的末端治理,包括吸收、吸附、冷凝和膜分离等回收技术以及高温燃烧、化学氧化、光催化、等离子和生物技术等消除技术。有关技术的概念、原理和适用虑废气的污染特征,进行有针对性的选择和设计,尤其是发酵制药废气的VOCs和异味物质成分复杂,而且不同成分的物理和化学性质相差较大,单一的某种技术难以实现污染物的有效净化,因此,多种技术的联合运用已经成为目前发酵制药行业VOCs和异味治理的重要发展方向之一。

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2.1 发酵阶段VOCs和异味的末端治理技术

根据发酵尾气的污染特征,一般没有必要进行物质回收,因此发酵尾气的末端治理以污染物的消除为主。由于抗生素发酵尾气可能带出抗生素活性物质以及气量较大,目前还未有利用生物法处理的报道和成功的工程案例。主流的末端治理技术包括化学氧化、吸收吸附、光催化氧化和高温氧化等,其中化学氧化又包括利用臭氧、液相氧化剂等的常温氧化和催化氧化。

据报道,西安利君制药采用“臭氧-UV-喷淋”组合工艺对红霉素发酵尾气进行处理,即旋风分离后的发酵尾气先通入臭氧进行一级氧化,之后进行紫外光光氧化,后经氧化喷淋和吸收喷淋后排放。利用手持式检测器对处理前后的污染情况进行分析,VOCs 和CH4 的净化效率分别为79.7%和73.8%,出口H2S的浓度低于仪器检出限,并且发酵生产车间周围已没有“苦涩味”,发酵尾气达到了无气味排放的要求。

然而,本研究团队的研究结果表明(数据尚未发表),在多种发酵尾气中通入臭氧的氧化除臭效果并不理想,主要是由于反应时间不足、臭氧氧化能力有限,并且臭氧如在后续喷淋吸收过程中不能很好去除,还可能造成二次污染,增加废气的臭气浓度。因此,在将臭氧应用于发酵尾气治理的过程中,必须组合其他工艺对处理后的尾气进行妥善处理。

继光氧化和等离子技术之后,“吸附浓缩+燃烧”组合工艺正逐渐成为VOCs 和异味治理的主流措施。某青霉素生产企业的发酵尾气先采用沸石转轮吸附浓缩技术,其中改性Cu/NaY 型沸石分子筛作为吸附材料,单台分子筛的处理气量为3 万 m3·h-1,总处理规模为12 万 m3·h-1,脱附后的浓缩废气采用催化氧化技术进行处理。从VOCs去除的角度来看,吸附浓缩技术可以有效降低废气中的VOCs浓度,排气口TVOCs 浓度从8.0 mg·m-3降至0.5 mg·m-3。值得注意的是,废气中检出的24种污染物的去除率和浓缩倍数有较大差异,浓度较高的丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯和2-丁酮等有较好的净化效果,而萘和氯苯等有机物的净化和浓缩倍数都不理想。由于沸石分子筛为无机水合硅铝酸盐成分,对于含硫废气的处理效果并不好,若用于含硫废气的除臭仍需组合其他工艺。此外,由于发酵尾气的相对湿度通常高于60%~80%,在进行吸附浓缩处理前需要采用过滤和除湿等前处理步骤。

2.2 提取阶段VOCs和异味的末端治理技术

对于高浓度、组分简单的提取废气,一般先采用回收技术进行处理。冷凝技术作为简单有效的回收方法之一,应用较多。例如,丙酮、甲醇和乙醇等有机溶媒废气在9、−5 和−15℃冷凝温度下的减排效果随着冷凝温度降低,处理效果越好,三者在−15℃下的回收率均能达到90%以上。但该研究同时发现,即使废气冷却到−15℃,尾气中残留的有机溶媒含量仍无法达到文献中的排放要求。因此,低温冷凝技术一般作为高浓度、组分简单提取废气的前处理工序,废气的进一步处理还应配套吸附等后续工艺。例如,针对青霉素和土霉素生产企业在提取阶段产生的乙酸乙酯和正丁醇,采用的组合工艺为“二级冷凝+活性炭吸附”。

当提取废气组分较复杂或回收成本过高、不具有回收价值时,可直接使用吸收法、化学氧化法和燃烧法等技术去除污染物。有研究表明,单纯双氧水、芬顿试剂、次氯酸钠溶液对丙酮气体的大去除率可达85%以上,辅助15W 的UV 光照后能够促进·OH的产生,3种氧化剂对丙酮的去除率均提高5%以上。并且丙酮经过双氧水氧化后,尾气中除未反应完的丙酮外,仅有乙酸生成,而芬顿试剂氧化后的中间产物为乙酸和乙二酸,次氯酸钠溶液氧化后的中间产物为三氯甲烷[43,44]。

2.3 污水处理站和菌渣处理阶段VOCs和异味的末端治理技术

制药废水处理过程中,水解酸化、厌氧消化等环节产生的含有甲烷的中、高浓度废气常采用化学氧化、燃烧的方法进行处理,好氧和沉淀等环节产生的低浓度废气主要是除臭的问题。喷淋吸收是污水处理站处理废气常用并且较为经济的处理方法之一,常与光氧化、等离子氧化和活性炭吸附等工艺组合,有比较好的除臭效果。含NH3废气一般采用水吸收和酸吸收两种方法进行治理,常温常压下水喷淋对NH3的吸收效率可达到70%以上。

某生物发酵制药企业针对水解酸化池和絮凝沉淀池等单元产生的高浓度废气建立了中试试验,采用的处理工艺为“二级碱吸收+次氯酸钠氧化”,其中氧化喷淋塔中有效氯浓度为0。2%。对处理前后气体的监测结果表明,H2S和 NH3的处理效率分别为83。3%和86。3%,臭气浓度也从进气口8000降低为出气口的3000。值得注意的是,工业级次氯酸钠具有较大刺激性气味,作为喷淋的后一级使用时极有可能造成气体出口的二次污染,因此应当后置水吸收或有其他有效处理工艺。

近年来,生物技术因投资少、性能可靠和二次污染小等特点被广泛用于市政恶臭的处理,在制药行业VOCs和异味治理上的应用也越来越广泛。生物技术包括生物滴滤法、生物过滤法和生物洗涤法,其中,生物洗涤法一般只适合处理水溶性较好的气体,如醇类和酮类,对于大部分水溶性较差的VOCs和异味的处理更多采用生物滴滤法和生物过滤法。生物滴滤法和生物过滤法在填料类型、喷淋方式的区别以及优缺点列于表4中。在某青霉素生产企业的污水处理站中,苯乙酸与H2S一起形成难闻的臭气,厂区的多数工人对这种混合废气过敏,除此之外,这种废气还会腐蚀混凝土和金属构筑物。当采用填充有ZX03型填料的生物滴滤塔处理时,在不同进气浓度比例下,H2S的去除率均能够保持在95%以上。此外,在生物滴滤塔后安装一个活性炭吸附装置能够确保高浓度负荷情况下苯乙酸的有效去除,并且此方法对生物滴滤塔压力损失小,可长期稳定运行。Balasubramanian 等在生物滴滤塔对单纯甲醇、乙醇、丙酮、甲苯以及四者混合气体去除效率的研究中表明,入口容积负荷(ILR)、空床停留时间和物质本身的性质均是影响去除效率的重要因素,此外,不同污染物间的竞争关系能够造成混合气体处理效率的降低,当处理混合气体时,ILRmax 仅为240 g·(m3·h)-1,4 种污染物质分别进行处理时,ILRmax 能够达到380 g·(m3·h)-1。生物过滤法处理某制药厂污水处理站好氧池产生的较低浓度异味气体的中试试验表明,以脱硫芽孢杆菌为主的复合菌群对H2S及NH3的处理效果均较稳定,处理效率分别可达98。1%和95。1%。

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菌渣和污泥等固体废弃物普遍采用堆肥、焚烧、填埋等处置方式。发酵制药菌渣中含有大量的有机物,普遍具有高蛋白、高能量的特点,若经合理处置去除残留效价,可制作成有机肥料和饲料。例如,山东某阿维菌素制药企业将菌渣制成饲料蛋白和肥料,每吨售卖价格为500元,不仅使资源得到了再利用,也取得了可观的经济效益和社会效益。菌渣制肥通常需要采用高温干燥和造粒工艺,在这些过程中存在VOCs和异味释放的问题。银川某发酵制药企业的复合肥生产线采用“二级喷淋+生物洗涤+电除雾+光氧化+低温等离子体氧化”组合工艺处理制肥废气,废气量约为7 万m3·h-1,虽然可以实现排口达标排放,但厂界臭气浓度仍时有超标。河南省某制药企业的抗生素菌渣干燥塔产生的废气采用“水膜除尘+碱液喷淋”处理工艺,可以实现排口烟尘、SO2、NOx、H2S和NH3等指标达标排放,处理气量近15万m3·h-1。

结论与展望

总的来说,发酵制药行业产品种类繁多,生产工序复杂,原材料投入量大,许多原料和中间产物以VOCs 和异味的形式排放到环境中。目前,抗生素原料药的生产主要集中在我国,因此,抗生素发酵尾气污染特征及治理技术方面并没有先进的国外经验可以借鉴,而我国对发酵制药过程中排放的VOCs和异味污染特征的基础研究相对薄弱,有效治理技术的研究也相对落后,如果不能很好解决就会存在“建(搬)到哪里,污染到哪里”的问题。针对现有VOCs和异味治理上的普遍问题,构建高效的污染防控技术体系需要“科学-技术-管理”三步,通过实现“源头削减、过程控制、末端处理、科学监管”的完整技术体系方法,才能进一步推进有关污染治理工作的成效。生物发酵制药及其他行业的VOCs及异味污染防治工作,

未来应着重在以下四个方面进行更深入的研究。

3。1 优化生产工艺,源头削减污染排放是VOCs 和异味污染治理的重要内容和要任务。

发酵制药行业VOCs和异味污染的产生和排放与生产工艺密不可分。生产企业做好做实环保,其实就是要做好自身的产业结构升级与调整,优先从生产工艺水平上下功夫,才能在污染治理上达到事半功倍的效果。发酵制药生产过程中,从物料储存、调和、投料到各种化学或生化反应过程中,以及废水、固废的集输、储存、处理和采样等,都不可避免的产生VOCs及异味废气。因此,今后的废气治理应纠正过去“重末端、轻源头”的认识错误,应做到以下两点:先,从源头上减轻污染,例如减少高毒性、高VOCs含量的原辅材料使用,研发筛选更清洁的菌种、提高产率;其次,减少生产过程中VOCs和异味的泄露,除了推广使用无泄漏、低泄漏设备,还可以借鉴石化行业中应用较多的泄漏检测与修复技术(LDAR),该项技术不仅能够降低企业物料损失,有效减少因泄露造成的VOCs 和异味排放,还可以提高工艺安全性和可靠性。

3.2 解析识别关键VOCs 和异味污染因子,是确定治理技术方案的核心科学问题。

深入开展针对生物发酵制药行业VOCs和异味污染特征的基础性研究,综合考虑污染物的感官效应和健康风险,建立更科学、可靠、快速的污染物识别分析方法,形成针对特定产品和生产工艺的VOCs及异味关键污染物及污染特征识别的技术方法。在此基础上,形成发酵制药行业关键污染物清单,同时形成发酵制药企业的污染源动态清单,从而建立快速、有效追溯VOCs和异味污染事故来源的方法。

3。3 针对污染特征筛选高效合理和经济可行的技术是VOCs和异味污染治理的关键手段。

生物发酵制药行业生产工序复杂,生产工艺操作条件的不同会导致废气物理参数(温度、湿度)有较大差异,使得VOCs 和异味排放随工况变化波动。此外,废气排放点一般较分散,一个企业往往有几个到十几个排放点,还有很多无组织排放点源,使得废气的厂界达标(尤其是臭气浓度指标)排放具有一定难度。提高密闭收集效率不仅可以有效降低无组织逸散量和末端处理风量,更可以提高VOCs和异味物质的回收利用率。此外,进一步开发针对废气污染特征的新型处理工艺和新材料具有其必要性和市场价值。

3。4 先进完善的排放标准与技术规程是VOCs 与异味污染治理长效保持的保障。

我国现行的《恶臭污染物排放标准》自1993年制定实施以来,随着我国经济的发展以及民众环保意识的提高,已越来越不能满足环保监管工作的需求。于2017 年发布的《制药工业大气污染物排放标准》(征求意见稿)将VOCs 异味作为重点控制对象,给出了苯、甲醛和二氯甲烷等16种特征污染物的浓度和排放量限值,对臭气浓度指标也提出了更高要求。各地方也已陆续公布或正在制定适合当地情况的地方排放标准,通过标准提升倒逼环保技术的发展。实际上,科学、完整的生物发酵制药行业的VOCs和异味排放标准,在主控因子筛选上不仅要考虑污染物排放限值,还要考虑其对环境、健康方面的影响,从而避免忽略一些重要的污染物。例如,某发酵制药企业排放尾气中丙酮(183.2mg·m-3)、乙酸乙酯(91.2mg·m-3)和甲醇(4.6mg·m-3)浓度高,而评价VOCs对臭氧生成贡献的丙烯等效浓度中乙酸乙酯(49.9%)大,其次为丙酮(13.6%)和二甲苯(12.3%),而在VOCs的健康风险评价中,苯和二氯甲烷的致癌风险值大[11]。但由于分析检测方法的不完善或是各地实际情况所限,多项指标可能还不能实施,实际工作中仍以非甲烷总烃和臭气浓度作为VOCs和异味污染的监管指标。

此外,由于不同企业间在产品、工艺、管理水平上的差异,废气污染排放特点可能存在相当大的差异,为常规监管和制定合理的治理技术方案带来一定难度。因此,企业或工业园区作为污染主体,应制定更切合自身情况的排放标准和污染防治技术规程,提高生产工艺水平的同时在管理水平上同步提高,推动生产与环保的良性循环,促进产业结构升级、帮助企业渡过阵痛期,才能实现企业的长远和健康发展。


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