高校實驗室廢氣凈化處理系統的建立與實踐

周驥平, 張 鍵, 張惠芹, 張振環, 何朝龍, 李 躍, 居 軍

(1. 揚州大學 實驗室與設備管理處, 江蘇 揚州 225009； 2. 揚州大學 實驗室環保與智能裝備研究所, 江蘇 揚州 225009； 3. 揚州天輝實驗室裝備環保工程有限公司， 江蘇 揚州 225009)

實驗室的環境安全是高校開展正常的教學、科研工作的重要保證,也直接關系到教師和學生的人身安全與健康，實驗室廢氣是影響實驗室環境安全的主要因素之一。但迄今為止,我國大部分高校因受到管理理念、經費以及硬件設備等條件的約束,對實驗室廢氣的防治還停留在采用通風柜直排和補風換氣的層面上,尚缺乏全面系統地解決問題的辦法,很難滿足高校實驗室環境安全與污染防治以及保障師生身心健康的要求。這將嚴重制約高校教學、科研事業的可持續發展。國家環境保護總局早在2004年就發文提出,將實驗室、化驗室、試驗場的污染納入環境監管范圍。教育部、國家環保總局于2005年7月聯合發布的《關于加強高等學校實驗室排污管理的通知》也明確要求高校提高實驗室排污管理工作的認識,并將高校實驗室排污納入環境監督管理范圍。隨著全國生態環境保護大會于2018年5月在北京召開,開啟了新時代生態環境保護工作的新階段。會議提出加大力度推進生態文明建設、解決生態環境問題,堅決打好污染防治攻堅戰,這是關系民生的重大社會問題。為此,解決高校實驗室的廢氣污染問題就顯得尤為迫切[1-2]。

高校實驗室產生的廢氣是伴隨化學反應而產生的化學廢棄物,主要包括各種難聞、有毒、有害和有腐蝕性的氣體,成分包括各種氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物,如氨、三甲胺、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚H2S、VOC類、苯類和其他非金屬氫化物等。對實驗廢氣的凈化處理,其凈化處理工藝及設計參數的選擇將直接影響廢氣凈化的效果。為此,國內許多學者對實驗廢氣的凈化處理進行了一些研究和探索,也取得了不少階段性成果,但尚未提出一套系統的、較為經濟有效又普遍適用的實驗室廢氣凈化處理方法與模式。目前,實驗室廢氣凈化處理存在的主要問題是,凈化處理工藝功能單一、裝置體量偏小、處理氣量難以控制、實驗誤差偏大、凈化處理的效果無法保障等。

因此,研究并建立高校實驗室廢氣凈化處理體系并有效實施是高校實驗室安全管理的一項重要工作。近年來,通過開展產學研合作,結合自身條件與實際需求,研制開發了多功能復合式實驗室廢氣凈化處理技術與系統。其主要目標就是通過關鍵技術研究及處理技術集成,實現對實驗室廢氣進行凈化處理并達標排放,同時有效利用資源、降低處理成本,提高處理效果,有利于推廣應用[3-5]。

1 高校實驗室廢氣的產生特點與處理方法分析

1.1 高校實驗室廢氣的產生特點

高校實驗室產生的廢氣包括試劑和樣品的揮發物、分析過程中間產物、泄漏等,種類較多并且復雜。大致可劃分為有機、無機、粉塵和惡臭等類型。其主要特點：一是每次實驗產生的廢氣量相對較小,但累積量還是很大的；二是同時含有有機物和油氣粉塵；三是實驗廢氣的排放是間歇性、階段性的[6]。

1.2 實驗廢氣處理方法分析

現有的廢氣處理技術主要有：氧化處理法、生化處理法、物理吸附法、焚燒法、吸收法、低溫等離子法等。通過這些方法的實施,能夠有效地中和或改變廢氣中有毒有害氣體的結構特性,消除惡臭氣味[7]。但每一種廢氣治理技術均有其適用對象和技術局限性,目前尚沒有一種可以處理所有廢氣污染物的技術。對于高校實驗室廢氣而言,由于其自身的特殊性,不能簡單地統一采用某一種方法來處理。應針對不同廢氣類型采用不一樣的處理方式和裝置。同時要對實驗室通風柜的使用進行分類,盡可能避開混合使用。

對于有機廢氣,一般采用催化氧化+活性炭吸附的處理方式,而不能采用噴淋塔,因為有機類的廢氣部分能溶于水,若采用噴淋塔在未改變其分子結構的情況下會隨廢水排放,部分不溶于水的則對噴淋塔無效[8]。對于無機廢氣,采用噴淋塔需加試劑處理的方式；對于惡臭廢氣,采用催化氧化+生物塔處理的方式；對于粉塵可根據其種類采用相應的重力、旋風、袋式等處理的方法。

在各種處理方法的應用中,吸收法是控制大氣污染的重要手段之一,其處理氣態污染物技術相對成熟,設計及操作經驗豐富、適用性強,因而應用較為廣泛。但該方法只對處理大風量、常溫、低濃度有機廢氣比較有效且費用低。一般情況下,活性炭吸附有機廢氣可達到95%的凈化率,且設備簡單、投資小。與此同時,活性炭吸附方法具有較大的負面效應,其吸附飽和后的活性炭屬危險固廢,其處置費用較高。須建立活性炭再生裝置,利用熱空氣吹掃吸附飽和的活性炭,使活性炭表面吸附的有機質從活性炭表面分離而使活性炭得以脫附再生[9]。

此外,對于高校實驗室而言,有些廢氣治理工藝并不都可以采用,如生物法、低溫等離子法、燃燒法等均需要一批專門的運行及維護專業人員,而且這類方法比較適用于污染物種類和濃度變化不大的有機類廢氣處理。因此,高校實驗室的廢氣處理必須采用易于操作管理的分類處理凈化工藝,整個處理過程要環保、安全、穩定、無劇烈的能量轉換,處理系統操作、管理及維護要簡便,投資省、運行費用低[10]。

2 實驗室廢氣凈化處理系統的總體設計

2.1 廢氣凈化處理的基本要求

實驗室廢氣凈化處理的基本要求不僅僅局限于保障室內空氣清潔安全,還要確保排出的廢氣不會對周圍的環境造成較大的污染,不能影響實驗室周邊的環境空氣質量；既要做到無毒、無味、不易燃、不易爆、不含病原體等要求,又不得使實驗室周邊環境大氣中有害物質的濃度超過國家規定的最高容許濃度。

2.2 廢氣凈化處理系統的功能分析

在廢氣凈化處理系統中收集廢氣、處理廢氣、排放廢氣是系統的基本功能。除此之外,系統還應具備分級分類處理和自動控制相結合的功能。廢氣凈化處理過程中,用戶可以通過顯示模塊隨時查看廢氣收集、處理和排放等各個環節具體數據信息；同時系統還應具備降噪功能和資源開發再利用等功能。

2.3 實驗室廢氣凈化處理系統的總體結構

根據實驗廢氣凈化處理要求和實驗室廢氣凈化處理系統建立的功能要求,研究設計并開發了實驗室廢氣凈化處理系統的總體結構,如圖1所示。

圖1 實驗室廢氣凈化處理系統的組成

實驗室廢氣凈化處理系統可以按廢氣流動方向自主依次設有過濾吸附單元、酸堿洗滌單元、光催化氧化單元、活性炭吸附單元、微生物凈化單元和流量調節單元等模塊,同時可以根據實驗室廢氣的類型和容量自由組合構成廢氣凈化處理的組合模塊。廢氣凈化處理組合模塊受智能控制模塊的統一控制。動力驅動模塊和廢氣收集模塊工作后收集相應實驗室的廢氣,并在運行顯示模塊上顯示相關信息；經凈化處理組合模塊處理后的廢氣再經檢測模塊檢測達標后即可通過輔助模塊和排放模塊達標排放。為降低噪音,避免動力驅動模塊干擾正常的教學和科研活動,系統還增設消聲模塊。為提高活性炭的利用率,盡可能地減少吸附飽和后的活性炭危險固廢的處置量,系統還設有活性炭再生模塊,能實現活性炭的5次再生[11]。

上述廢氣凈化處理過程融入到自動化智能控制之中,自動化控制環節的工作分布在各個處理環節內。以廢氣收集環節為例,智能控制器根據收集到的信號和數據及時通過控制和調整變頻器的頻率輸出,從而改變風機的轉速,起到調節風量的目的[12]。在每臺通風柜上都安裝有智能電動風閥，并與中央控制系統相連接,實行數據共享。控制中心根據檢測到的數據實時分析實驗廢氣量大小,從而控制風機的轉速,并及時調整風量。有廢氣排出時,電動風閥打開后,控制模塊統一指揮廢氣的吸入量和吸入速度,無廢氣排出時,電動風閥則保持關閉狀態,這樣可以避免無廢氣空排和廢氣倒灌的現象發生。

3 應用實踐與推廣

已建立的實驗室廢氣凈化處理系統集成了目前廢氣凈化領域的最新技術和最新工藝,包括光催化氧化有機廢氣技術、生物塔濾微生物降解揮發性有機廢氣技術、活性炭吸附有機廢氣及蒸汽脫附回收與高溫熱空氣原位再生工藝、可溶性廢氣及酸霧廢氣噴淋法吸收工藝、變頻風機加電動調節風閥聯動技術等。系統具有如下特點：

(1) 分級處理、功能明確、針對性強；

(2) 自動化程度高,通過PLC控制,確保達標排放,而且管理及維護簡便；

(3) 活性炭的再生流程簡捷、自動化程度高、適用范圍廣,大大延長活性炭更換周期,并具有在線檢測報警、精確提示活性炭更換時間,費用只有使用傳統活性炭吸附裝置的1/10左右；

(4) 凈化過程環保、安全、穩定,無劇烈的能量轉換,運行費用低。

本系統可廣泛應用于高校、科研院所實驗室的廢氣凈化處理,以及化工工業、生物醫藥、污水處理廠、電子工業等行業廢氣凈化的試驗研究中。本系統在2015年首次應用于我校環境科學與工程學院大樓的廢氣處理,廢氣最大處理量35 000 m3/h,經第三方檢測,廢氣凈化后達到《惡臭污染物綜合排放標準》(GB 14554—93)二級排放標準。目前正在穩定運行中,其特點及應用得到了充分驗證。

2016年5月、2017年5月和2018年4月,本系統技術又分別在我校獸醫學院動物無害化處理中心、延邊大學實驗室廢液處理系統和華中科技大學化工樓實驗室通風改造的工程設計與建設中得到集成應用。自各系統整體使用運行至今,始終穩定達到《惡臭污染物綜合排放標準》(GB 14554—93)二級排放標準。這一系統的應用,不僅為相關學校消除了實驗室廢氣的環境污染,保障了師生的身心健康,而且節省了廢氣凈化處理費用,提高了實驗室運行管理效能,有效解決了相關學校廢氣凈化處理等實驗室改造的技術難題。

4 結語

隨著我國科研投入的逐年加大和高等教育的蓬勃發展,各科研單位和高等院校進行的教學科研實驗越來越深入、廣泛,科研單位和各類院校進行的教學科研實驗越來越普遍、范圍也越來越廣,實驗所產生的廢氣也會越來越多。實驗室廢氣凈化處理系統的建立較好地適應了這一發展趨勢和實驗室環境安全與污染防治的要求。我們將在現有技術成果的基礎上,針對各高校實驗室的不同現狀與出現的新問題,加大對關鍵技術的不斷研究及集成處理技術的探索,不斷完善系統功能和適應性,進一步降低凈化處理成本、提高凈化處理效果，為達到顯著減少實驗室污染物排放量,營造綠色環保的實驗環境做出應有的貢獻。