一種實驗動物設施廢氣處理裝置的研制和初步應用

劉 毅，岳慧娟，劉 佳，周 彥，陳 浩

(1.西安培華學院醫學院，西安 710125； 2.西安富康空氣凈化設備工程有限公司，西安 710077)

實驗動物設施是以研究、試驗、教學、生物制品、藥品生產等為目的進行實驗動物飼育、試驗的建筑物、設備的總和[1]。實驗動物正常代謝會產生廢氣，通過實驗動物設施的通風系統排出，主要成分是氨、硫化氫、甲基硫醇、三甲胺、苯乙烯、乙醛、二硫化甲基等臭味氣體，污染周圍環境，威脅周邊人群健康[2]。多個實驗動物設施監測表明，未經處理的廢氣排放濃度已超過《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)規定[3-5]。此外實驗室動物設施廢氣中還可能包含病原微生物、可懸浮顆粒物、臭氧等空氣污染物。對于實驗動物設施排出的高風量、多成份廢氣，通常的活性炭吸附、水噴淋吸收、紫外光分解等技術都有一定局限性。我們通過對光催化技術和氣液擾流的改進，開發了一種針對實驗動物設施廢氣的綜合處理工藝及裝置，并對其處理能力進行了應用研究。

1 材料和方法

1.1 結構和原理

本裝置由光催化、氣液擾流兩個模塊組成，安裝在實驗動物設施的樓面或樓旁地面，設施出風口與裝置進風口對接。被處理廢氣先經過光催化模塊，病原微生物、可揮發有機物(VOCs)、氨、硫化氫等成分被分解；然后轉為豎向進入噴淋模塊，光催化分解產物、可懸浮顆粒物、臭氧等被水吸收；再經過折流除霧，將水氣分離，凈化后的清潔空氣由裝置頂部排出(圖1)。

1.1.1 光催化模塊

光催化模塊由6組催化板和紫外光源組成。催化板的加工過程為：鈦基或鋁基蜂窩濾網，經草酸刻蝕后，先用凝膠-溶膠法在濾網上負載TiO2；然后用乙酸錳作為前驅物，以浸漬法在濾網上涂覆MnOx，即得到MnOx-TiO2復合光催化板。紫外光源由2支高壓汞燈及其驅動電源組成，主波長為365 nm。6組催化板平行排列，間距200 mm，兩兩之間設置紫外光源。

1.1.2 氣液擾流模塊

氣液擾流模塊就是要將光催化處理后的氣體，通過擾流和噴淋作用，使污染物和光催化產物充分溶解吸收。經過光催化模塊的氣體，在擋風板和導流板的作用下轉為向上，通過夾在兩層網格板之間擾流球(三組圓形PVC板編織的空心球體)的擾動，使原本方向一致的層流變為方向不一致的紊流，以增加與噴淋液接觸的時間。噴淋液在裝置內部循環使用，依靠循環水泵提供動力，噴淋液從裝置底部的儲液箱，被抽送到裝置頂部的多組噴嘴，向下噴出實心錐形水霧，霧滴直徑約0.5 mm。水霧向下與形成紊流的氣體相互交融，氣體中的物質被充分吸收，最終落入儲液箱中繼續循環。經過氣液擾流的汽霧向上通過并排“S型”隔板組成的折流板，水霧與氣體分離，清潔空氣由裝置頂部排出。

1.1.3 給水和排水

儲水箱設置進水管、排水管和溢水管。噴淋液一般為自來水或者中水，儲水箱水位高低，由設置在進水管的浮球閥控制。排水采用反饋控制，信號來自于儲水箱電導率傳感器，設定TDS(總固體溶解物)值高限為3000 ppm，低限為2000 ppm；噴淋液吸收廢氣污染物后，TDS開始上升，到達高限時，發出信號啟動排水管電磁閥開始排水；水位降低，浮球閥開啟，補充新的噴淋液，TDS開始降低；當TDS降低到2000 ppm時，發出信號關閉排水管電磁閥。這樣周而復始，使裝置儲水箱及排水的TDS值始終在2000～3000 ppm，既保證噴淋液達到較大吸收飽和度，又保證排水TDS值不超過《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)規定。

注：(1)排風口；(2)光催化板；(3)高壓汞燈；(4)擾流球；(5)噴淋水霧；(6)噴嘴；(7)除霧裝置。圖1 實驗動物設施廢氣處理裝置結構工藝圖Note.(1) Air outlet.(2) Photocatalytic board. (3) High-pressure mercury lamp. (4) Turbulent ball. (5) Spray steam. (6) Spray nozzle. (7) Gas-liquid separator.Figure.1 The structure of laboratory animal facility exhaust treatment equipment

1.2 應用方法

1.2.1 現場條件

測試現場為西安某衛生研究所綜合實驗大樓，樓頂屋面安裝實驗動物設施廢氣處理裝置4套，用以處理該大樓實驗動物實施排放的廢氣。該設施采用雙走廊設計，符合《實驗動物設施建筑技術規范》(GB50447-2008)，獲得實驗動物生產和使用許可證。生產區和實驗區使用面積分別為800和1200。生產區IVC系統飼養小鼠1400籠，約8000只，每3 d更換一次墊料；IVC系統飼養大鼠共計600籠，約2200只，每4 d更換一次墊料；開放式籠具飼養家兔80籠，共140只，每天沖洗籠具底盤2次；開放式籠具飼養比格犬40籠，每天沖洗籠具底盤2次。實驗區設有毒理學實驗室(內有染毒柜)、組織病理學實驗室、分子生物學實驗室、實驗動物手術室等功能單元。IVC系統集中排風口1處，實測風量2230 m3/h；生產區集中排風口1處，實測風量25600 m3/h；實驗區排風口2處，分別為12400 m3/h和10800 m3/h。4處排放口各安裝1套實驗動物設施廢氣處理裝置。

1.2.2 測試方法

按照《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)規定的方法，選取具有代表性的氨、硫化氫、臭氣濃度三個指標，對該設施惡臭污染物廠界濃度和排放量進行檢測。廠界濃度監測點設置在綜合實驗大樓西南側(該位置為下風側)樓面邊沿，間隔1 m設置1個監測點，共設置5個；每2 h采集一次，共4次，取其最大測定值為該監測點濃度，5個監測點濃度平均值為最終測定值。排放量檢測采樣點為4個排氣口頂部(距離地面高度為23.5 m)，每2 h采集一次，共5次，取其平均測定值為該排氣口排放量。分別于相鄰2 d(天氣狀況和飼養條件基本一致)，每天上午9時按照上述方法檢測廢氣處理裝置關閉(處理前)和開啟(處理后)狀態下的數據，并計算清除率。

清除率=(處理前測定值-處理后測定值)/處理前測定值×100%

1.3 統計學方法

2 結果

2.1 處理前后惡臭污染物廠界濃度變化

結果顯示，未做尾氣處理的情況下，該綜合實驗大樓樓面周邊氨、硫化氫、臭氣濃度均超過《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)廠界限值(二級新建改建)。啟動本研究所述實驗動物設施廢氣處理裝置后，此三項指標檢測值明顯降低，小于排放標準限值。(表1)

2.2 處理前后排風口惡臭污染物濃度和排放量變化

結果顯示，IVC系統排風口氨、硫化氫、臭氣濃度及排放量最高，生產區和實驗區排放口次之。未經處理的情況下，IVC排風口臭氣排放過《臭污染物排放標準》(GB14554-93)規定的限值(排氣筒高度15 m標準值)。啟動本研究所述實驗動物設施廢氣處理裝置后，各排風口三項指標濃度和排放量檢測值明顯降低。(表2、3)

表1 處理前后惡臭污染物廠界濃度的比較Table.1 Comparison of plant boundary concentrations of malodorous pollutants before and after treatment

注：與處理前比較，*P< 0.05。

Note.Compared with the before processing，*P< 0.05.

表2 各排風口處理前后惡臭污染物濃度比較Table.2 Comparison of odor pollutant concentrations before and after treatment

注：(*)實驗區為兩個排風口平均濃度值。

Note.(*)The data are mean values between two outlets of experimental area.

表3 各排風口處理前后惡臭污染物排放量比較Table.3 Comparison of odor pollutant emission load before and after treatment

注：(*)實驗區為兩個排風口平均濃度值；(#)依據《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)，排氣筒高度20 m標準值。

Note.(*)The data are mean values between two outlets in the experimental area.(#)According to Odor Emission Standards (GB14554-93), value of exhaust funnel height by 20 m.

3 討論

實驗動物設施作為動物飼育和試驗的載體，可以向周圍環境排放動物代謝和排泄物分解產生的惡臭氣體、微生物和顆粒物。其中臭氣包含以氨、硫化氫為代表的無機氣體，以及醇類、醛類、醚類、胺類等揮發性有機氣體(volatile organic compounds，VOCs)。有研究表明，某豬場NH3和H2S排放量分別達到8.3 kg/h、1.28 kg/h，分別是《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)限值的1.7倍和3.9倍[6]。目前實驗動物設施惡臭氣體排放數據未見報道，本研究對于面積2000(生產區800)的設施廢氣排放進行了檢測。結果表明，以設備所在樓面周界作為廠界，檢測到NH3和H2S的濃度分別為4.25 mg/m3和0.169 mg/m3，超過《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)限值規定(相應標準分別為1.5 mg/m3和0.06 mg/m3)；樓面可明顯聞及臭味氣體，檢測臭氣濃度為43.2，超過標準規定的限值(標準值為20)。本研究還對各排氣口惡臭物質濃度和排放量進行了檢測，結果顯示，盡管排放量指標未超標準限值，但各排氣口均檢出較高濃度的NH3和H2S，其中IVC系統排氣口污染物濃度遠高于生產區和實驗區。這些惡臭污染物給周邊帶來環境污染，輕則刺激人的嗅覺器官引起不適，重則引發頭痛、惡心、眼角膜和呼吸道炎癥、免疫力降低等，長期暴露還會引發致癌、致畸等嚴重后果。

目前還沒有專門針對實驗動物設施排氣的脫臭、凈化方法，一般的工業廢氣處理方法在清除范圍、維護成本、安裝條件等方面具有一定的局限性。比如，以活性炭凈化裝置為代表的吸附法，雖然具有效率高、設備簡單的優點，但吸附材料需要頻繁更換，運行維護成本很高，不適合大氣量、高濃度的廢氣處理[7]；以噴淋塔為代表的中和吸收法，處理氣量大，維護成本低，但是設備體積較大，對安裝現場條件要求較高，不適合放置在設備密集、空間狹小的實驗動物設施樓面[8]；紫外光分解凈化設備體積小，重量輕，對大部分有機物清除效果確切，但對無機氣體處理效果不佳，并且還會產生大量臭氧，引起二次污染[9]。本研究采用光催化和氣液擾流的綜合處理工藝，通過改進后的光催化分解有機物和微生物，隨后通過高效率的氣液擾流方式，將光催化產物(包括臭氧)、顆粒物、無機污染物溶解于水，達到脫臭、除菌、凈化的目的。采用這種工藝的設備體積小、安裝簡便、清除范圍廣、無常規耗材、無二次污染、容易實現自動化，適合實驗動物設施廢氣處理應用場景[10]。

本研究以某實驗動物設施為試驗對象，分別在四個排風口安裝廢氣處理設備，檢測了處理前后NH3、H2S、臭氣濃度三項指標的變化。結果表明，這種采用光催化與氣液擾流工藝相結合的廢氣處理裝置，可以有效降低實驗動物設施所在樓面的污染物濃度，對NH3、H2S、臭氣的清除率分別為96.9%、95.8%、94.0%。經過處理后，三項指標達到《惡臭污染物排放標準》(GB14554-93)廠界限值(二級新建改建)。本研究還對比了處理前后排風口惡臭污染物濃度和排放量，結果表明該廢氣處理設備可以有效降低排風口惡臭污染物的排放，能夠大幅減少實驗動物設施對周邊大氣環境的影響。

通過實地應用研究，證明了光催化與氣液擾流技術相結合的凈化工藝可以作為實驗動物設施廢氣處理的備選方案。但是，本研究也發現一些需要改進和注意的問題。比如，處理高濃度、大氣量廢氣過程中產生的廢水是否達標？不同氣溫環境下是否會影響設備凈化效率？光催化過程中是否會產生不溶于水的新的大氣污染物？對這些問題的深入研究，將進一步推進實驗動物設施廢氣處理技術、工藝、設備的研發創新，為實驗動物行業的持續發展提供有利保障。