關(guān)于高校實(shí)驗(yàn)室廢氣污染防治工程的幾點(diǎn)思考

張 瓊

(南京大學(xué)，江蘇 南京 210046)

近年來，霧霾污染越來越受到重視，人們對改善環(huán)境空氣質(zhì)量的需求逐年提高，揮之不去的霧霾防治問題，已成為我國大氣污染防治的的核心難題。由于霧霾來源多變，成因極其復(fù)雜，故對治理霧霾，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，需要多管齊下多措并舉，從不同排放源進(jìn)行防控。近兩年，在環(huán)保部督查中心督查中，發(fā)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)室存在廢氣污染防治措施未建成、防治措施不到位、治污水平低等問題，揭示了高校實(shí)驗(yàn)室廢氣污染防治管理工作的不足。高校實(shí)驗(yàn)室，尤其是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、生物實(shí)驗(yàn)室等，對于有機(jī)溶劑、無機(jī)酸等化學(xué)藥劑的使用較頻繁，產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、酸霧等不容忽視。根據(jù)大氣污染防治法，高校實(shí)驗(yàn)室廢氣需采取有效的收集處理措施。但由于高校實(shí)驗(yàn)室廢氣污染引起重視較晚，國內(nèi)大部分高校實(shí)驗(yàn)樓未能對實(shí)驗(yàn)室廢氣處理進(jìn)行有效收集和處理，故大部分涉及廢氣污染排放的已建高校實(shí)驗(yàn)樓均需進(jìn)行廢氣處理改造。本文結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)樓廢氣處理改造工程實(shí)踐，梳理了高校實(shí)驗(yàn)室廢氣排放現(xiàn)狀、改造工程方案，分析了改造工程的常見問題及改進(jìn)思路，供同類廢氣處理改造工程借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)室分類及排放特征

按照承擔(dān)的具體功能和學(xué)科區(qū)分，高校實(shí)驗(yàn)室可分為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、生物實(shí)驗(yàn)室、物理實(shí)驗(yàn)室等。就廢氣排放而言，不同類別的實(shí)驗(yàn)室區(qū)別較大。就廢氣污染物的復(fù)雜度和濃度而言，以化學(xué)實(shí)驗(yàn)室為最；就異味或惡臭濃度而言，以生物實(shí)驗(yàn)室中的動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)室最為突出；相反，物理實(shí)驗(yàn)室的廢氣較為單一，污染程度較小。

1.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣特征

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行各類有機(jī)、無機(jī)、高分子等化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，使用的藥劑大多具有揮發(fā)性，常見的化學(xué)藥劑有硫酸、鹽酸、硝酸、氨水、醇類、醚類、醛類、芳香烴類、酯類等不一而足，上述各類藥劑均具有不同程度的揮發(fā)性，故化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排放的廢氣中涵蓋了上述無機(jī)物及有機(jī)物的各種藥劑，成分復(fù)雜。同時(shí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生污染的實(shí)驗(yàn)研究較多，均需在通風(fēng)柜中進(jìn)行，因而化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)柜通常數(shù)量較多，外排的廢氣氣量較大。

1.2 生物實(shí)驗(yàn)室廢氣特征

生物實(shí)驗(yàn)室大體分為植物實(shí)驗(yàn)室、微生物實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室，相對于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室而言，廢氣成分相對更為簡單，存在少量的無機(jī)酸性廢氣和有機(jī)廢氣，但動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室通常存在明顯的惡臭異味，需針對性地設(shè)置異味處理設(shè)備。

1.3 物理實(shí)驗(yàn)室廢氣特征

物理實(shí)驗(yàn)室包括電學(xué)實(shí)驗(yàn)室、熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、材料實(shí)驗(yàn)室等。物理實(shí)驗(yàn)室廢氣成分最為單一，主要廢氣污染物有丙酮、乙醇等有機(jī)廢氣，此外排放有少量的氯化氫、硫酸霧等無機(jī)廢氣。由于大部分物理實(shí)驗(yàn)均不會(huì)產(chǎn)生廢氣，故物理實(shí)驗(yàn)室外排廢氣氣量通常較小。

2 實(shí)驗(yàn)室廢氣收集處理工程方案介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)室廢氣收集與輸送

實(shí)驗(yàn)室廢氣收集方式主要有兩種，即局部收集方式和全面換風(fēng)收集方式。

局部收集方式為利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備本身或利用外部集氣罩進(jìn)行廢氣收集的方式，如通風(fēng)柜、萬向集氣罩、原子吸收罩、排風(fēng)試劑柜等。少部分實(shí)驗(yàn)室由于廢氣毒性較大，僅通過局部收集仍然不能滿足實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)針對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整體換風(fēng)，換氣次數(shù)通?？刂茷?～12次/h，部分污染較重或異味較明顯的實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)達(dá)到25次/h[1]。

局部排風(fēng)和整體換風(fēng)的排風(fēng)系統(tǒng)通常在實(shí)驗(yàn)樓建設(shè)時(shí)已經(jīng)考慮并建設(shè)好，故實(shí)驗(yàn)室廢氣收集處理改造工程通常對實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)部的收集系統(tǒng)改動(dòng)較少，通常只需考慮對部分老化、腐蝕、破損的管道進(jìn)行更換，對收集管道上的部分閥門進(jìn)行更換或加裝。

2.2 實(shí)驗(yàn)室廢氣處理現(xiàn)狀

目前常用的實(shí)驗(yàn)室廢氣處理工藝有堿液吸收法、活性炭吸附法、光催化、低溫等離子、植物液吸收等工藝。堿液吸收法主要利用循環(huán)噴淋的堿液吸收氯化氫、硫酸霧、硝酸霧等無機(jī)酸，需定期排放廢水補(bǔ)充循環(huán)液；活性炭吸附法主要利用活性炭的多孔結(jié)構(gòu)[2]吸附大分子有機(jī)廢氣，活性炭吸附飽和前須進(jìn)行更換，同時(shí)更換的廢棄活性炭須委托有危廢處置資質(zhì)的單位處置；光催化和低溫等離子主要利用設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的臭氧、羥基自由基、氧自由基等活性基團(tuán)[3-4]分解有機(jī)大分子，使得有機(jī)大分子開環(huán)斷鏈，部分礦化為二氧化碳和水，從而實(shí)現(xiàn)凈化。

用于高校實(shí)驗(yàn)室廢氣通常表現(xiàn)為無機(jī)酸和有機(jī)物的復(fù)合污染，故通常采用可同時(shí)處理無機(jī)酸及有機(jī)物的兩種工藝組合的復(fù)合處理工藝，如采用“堿吸收+活性炭吸附”、“堿吸收+低溫等離子”等組合工藝。

通過實(shí)地調(diào)研，部分國內(nèi)重點(diǎn)高校實(shí)驗(yàn)室廢氣處理工藝見表1。

根據(jù)表1，目前國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室廢氣處理采用堿吸收和活性炭吸附工藝較多，少數(shù)高校采用了植物液吸收、低溫等離子、SDG吸附[5]等工藝。堿吸收工藝脫胎于化工領(lǐng)域中的傳質(zhì)吸收理論，由于理論較為成熟，投資成本較低，故使用頻率較高?；钚蕴课焦に噷Ψ枷銦N類、酯類、醇類等多種有機(jī)廢氣均具有較好的吸附效果，吸附性能具有較好的廣譜性，故應(yīng)用較為廣泛。植物液吸收[6]、低溫等離子、光催化及SDG吸附目前應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室廢氣處理的案例較少，植物液吸收的主要作用為吸附異味分子，低溫等離子和光催化的主要作用為降解異味分子，二者主要用于除臭。SDG吸附為區(qū)別于堿吸收的干式吸附工藝，主要利用堿性混合柱狀填料對酸性廢氣進(jìn)行吸附，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)生成鹽，該工藝適合上水、排液存在困難的場合，同時(shí)定期需對吸附劑進(jìn)行更換，由于北方水資源更為稀缺，故該工藝在北方應(yīng)用更為廣泛，在南方應(yīng)用較少。

表1 部分重點(diǎn)高校實(shí)驗(yàn)室廢氣處理工藝一覽

3 實(shí)驗(yàn)室廢氣處理改造工程常見問題與改進(jìn)思路

3.1 廢氣收集系統(tǒng)回風(fēng)竄風(fēng)防范

實(shí)驗(yàn)樓的實(shí)驗(yàn)室數(shù)量通常較多，為節(jié)約投資成本，后段廢氣處理設(shè)備往往與實(shí)驗(yàn)室并非一一對應(yīng)關(guān)系，往往需要多個(gè)實(shí)驗(yàn)室共用一套廢氣處理設(shè)備。共用廢氣處理設(shè)備使得不同實(shí)驗(yàn)室及外界大氣通過廢氣收集排放管道形成通路，可能因氣壓不平衡導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)回風(fēng)、竄風(fēng)等問題。故在進(jìn)行廢氣收集排放管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取有效防范措施，如在前段不同支路上加裝止回閥、電動(dòng)閥等閥門進(jìn)行物理隔斷，也可考慮在廢氣處理設(shè)備后增加一臺(tái)后置引風(fēng)機(jī)，使得最大負(fù)壓點(diǎn)位位于后置引風(fēng)機(jī)，但應(yīng)充分考慮后置風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓的大小，風(fēng)量風(fēng)壓過大則會(huì)帶來防震和降噪的問題。

3.2 廢氣處理設(shè)備占地優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)樓排放廢氣氣量大，廢氣處理改造工程需要增設(shè)的設(shè)備數(shù)量多。以化學(xué)實(shí)驗(yàn)樓為例，通常整棟樓排放廢氣量在50～200萬m3/h之間，以50萬m3/h的廢氣量為例，通常按照常規(guī)廢氣處理設(shè)備加工規(guī)格，需要增設(shè)25～50套廢氣處理系統(tǒng)，廢氣處理系統(tǒng)包含廢氣管道、處理設(shè)備、風(fēng)機(jī)、排氣筒及配套支架、儀表等。數(shù)量眾多的廢氣處理設(shè)備，基本上會(huì)布滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)樓樓頂，老舊實(shí)驗(yàn)樓往往面臨無處可放置設(shè)備的困境[7]。

為解決占地問題，目前可供借鑒的方式有兩種。首推方式為降低風(fēng)量，通過詳細(xì)調(diào)研各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的長期科研方向、排氣設(shè)備的使用頻次，摸清各個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)排氣設(shè)備的排放規(guī)律，排放時(shí)間段，從而通過找尋最大同開率來確定最為經(jīng)濟(jì)可行的廢氣量，通過控制同開率，往往可以較大程度地削減最大同時(shí)排氣量，從而幫助減少廢氣處理設(shè)備數(shù)量減少占地面積，此種方式通?？蓭椭鷾p少占地面積約30%。第二種方式為改變設(shè)備結(jié)構(gòu)型式，如將設(shè)備設(shè)計(jì)成立式設(shè)備，將組合式廢氣處理工藝設(shè)計(jì)成一體化立式設(shè)備型式。此種方式可削減占地面積約40%，但需特別注意樓面承重，必要時(shí)需進(jìn)行樓面加固。

3.3 減少二次污染

堿吸收、活性炭吸附工藝使用頻率最高，就處理效果而言，堿吸收和活性炭吸附工藝分別對酸霧、有機(jī)廢氣具有較高的處理效率。但這兩種工藝均產(chǎn)生大量二次污染物，堿吸收工藝會(huì)產(chǎn)生大量廢水，需接管至廢水站處理，活性炭吸附產(chǎn)生大量吸附飽和的廢炭，需按危險(xiǎn)廢物合法轉(zhuǎn)運(yùn)及處置。二次污染產(chǎn)生額外的處置費(fèi)用，增加運(yùn)行管理成本，針對廢氣污染較輕的實(shí)驗(yàn)室，如物理實(shí)驗(yàn)室、生物實(shí)驗(yàn)室，在處理措施的選擇上，宜優(yōu)先采用二次污染較小的處理工藝，如可采用光催化處理、低溫等離子等工藝。

3.4 運(yùn)行維護(hù)便捷化自動(dòng)化

不同的廢氣處理設(shè)備，均需要專業(yè)人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，由于實(shí)驗(yàn)室廢氣處理設(shè)備數(shù)量通常較多運(yùn)維工作較為繁重，如何提高運(yùn)維工作的便捷度自動(dòng)化程度顯得十分重要。如目前采用較多的堿吸收塔，需根據(jù)堿液消耗情況補(bǔ)充液堿或片堿，同時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間增長，循環(huán)吸收液會(huì)逐漸累積雜質(zhì)、鹽分及有機(jī)物，吸收液須定期排放并補(bǔ)充新鮮水源。若補(bǔ)堿、排液工作均依靠人工完成，則需耗費(fèi)大量人力。故在設(shè)計(jì)堿吸收工藝時(shí)，需考慮配套設(shè)置自動(dòng)添加堿液、自動(dòng)排液等系統(tǒng)。自動(dòng)加堿及自動(dòng)排液可分別通過pH和電導(dǎo)率自動(dòng)檢測進(jìn)行控制。自動(dòng)化程度的提高，除降低人力維護(hù)成本外，也可幫助提高廢氣處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.5 防震降噪

實(shí)驗(yàn)室樓為科研、教學(xué)場所，對環(huán)境中的噪音敏感。廢氣處理系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、水泵等產(chǎn)生震動(dòng)及噪音。目前多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)室廢氣改造工程未充分考慮防震降噪措施，導(dǎo)致樓頂?shù)脑胍魝鞑ㄖ翗窍聦?shí)驗(yàn)室，尤其頂層實(shí)驗(yàn)室噪音較為明顯。由于噪音偏大會(huì)影響正常教學(xué)和科研活動(dòng)，故廢氣治理改造工程應(yīng)充分考慮防震降噪措施。針對風(fēng)機(jī)的震動(dòng)及噪音，應(yīng)采用減震底座和風(fēng)機(jī)隔音箱進(jìn)行減震降噪，針對樓頂?shù)恼w噪音，可在樓頂四周加裝隔聲板進(jìn)行降噪。

4 結(jié) 語

高校實(shí)驗(yàn)室廢氣污染治理工程的實(shí)施，對于大氣污染防治具有重要意義，但應(yīng)針對不同類型的實(shí)驗(yàn)室，合理選擇治理技術(shù)，同時(shí)應(yīng)重視廢氣污染防治工程帶來的回風(fēng)竄風(fēng)、二次污染、震動(dòng)噪音等次生問題，在解決廢氣污染問題的同時(shí)，做到不影響實(shí)驗(yàn)室正?？蒲?、教學(xué)等工作。未來高校實(shí)驗(yàn)室廢氣污染防治工作，應(yīng)朝著運(yùn)行維護(hù)簡單、二次污染小、噪音小、占地小、不影響正?？蒲泻徒虒W(xué)等方面發(fā)展。