高校实验室废气净化处理系统的建立与实践

周骥平, 张 键, 张惠芹, 张振环, 何朝龙, 李 跃, 居 军

(1. 扬州大学 实验室与设备管理处, 江苏 扬州 225009； 2. 扬州大学 实验室环保与智能装备研究所, 江苏 扬州 225009； 3. 扬州天辉实验室装备环保工程有限公司， 江苏 扬州 225009)

实验室的环境安全是高校开展正常的教学、科研工作的重要保证,也直接关系到教师和学生的人身安全与健康，实验室废气是影响实验室环境安全的主要因素之一。但迄今为止,我国大部分高校因受到管理理念、经费以及硬件设备等条件的约束,对实验室废气的防治还停留在采用通风柜直排和补风换气的层面上,尚缺乏全面系统地解决问题的办法,很难满足高校实验室环境安全与污染防治以及保障师生身心健康的要求。这将严重制约高校教学、科研事业的可持续发展。国家环境保护总局早在2004年就发文提出,将实验室、化验室、试验场的污染纳入环境监管范围。教育部、国家环保总局于2005年7月联合发布的《关于加强高等学校实验室排污管理的通知》也明确要求高校提高实验室排污管理工作的认识,并将高校实验室排污纳入环境监督管理范围。随着全国生态环境保护大会于2018年5月在北京召开,开启了新时代生态环境保护工作的新阶段。会议提出加大力度推进生态文明建设、解决生态环境问题,坚决打好污染防治攻坚战,这是关系民生的重大社会问题。为此,解决高校实验室的废气污染问题就显得尤为迫切[1-2]。

高校实验室产生的废气是伴随化学反应而产生的化学废弃物,主要包括各种难闻、有毒、有害和有腐蚀性的气体,成分包括各种氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物,如氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚H2S、VOC类、苯类和其他非金属氢化物等。对实验废气的净化处理,其净化处理工艺及设计参数的选择将直接影响废气净化的效果。为此,国内许多学者对实验废气的净化处理进行了一些研究和探索,也取得了不少阶段性成果,但尚未提出一套系统的、较为经济有效又普遍适用的实验室废气净化处理方法与模式。目前,实验室废气净化处理存在的主要问题是,净化处理工艺功能单一、装置体量偏小、处理气量难以控制、实验误差偏大、净化处理的效果无法保障等。

因此,研究并建立高校实验室废气净化处理体系并有效实施是高校实验室安全管理的一项重要工作。近年来,通过开展产学研合作,结合自身条件与实际需求,研制开发了多功能复合式实验室废气净化处理技术与系统。其主要目标就是通过关键技术研究及处理技术集成,实现对实验室废气进行净化处理并达标排放,同时有效利用资源、降低处理成本,提高处理效果,有利于推广应用[3-5]。

1 高校实验室废气的产生特点与处理方法分析

1.1 高校实验室废气的产生特点

高校实验室产生的废气包括试剂和样品的挥发物、分析过程中间产物、泄漏等,种类较多并且复杂。大致可划分为有机、无机、粉尘和恶臭等类型。其主要特点：一是每次实验产生的废气量相对较小,但累积量还是很大的；二是同时含有有机物和油气粉尘；三是实验废气的排放是间歇性、阶段性的[6]。

1.2 实验废气处理方法分析

现有的废气处理技术主要有：氧化处理法、生化处理法、物理吸附法、焚烧法、吸收法、低温等离子法等。通过这些方法的实施,能够有效地中和或改变废气中有毒有害气体的结构特性,消除恶臭气味[7]。但每一种废气治理技术均有其适用对象和技术局限性,目前尚没有一种可以处理所有废气污染物的技术。对于高校实验室废气而言,由于其自身的特殊性,不能简单地统一采用某一种方法来处理。应针对不同废气类型采用不一样的处理方式和装置。同时要对实验室通风柜的使用进行分类,尽可能避开混合使用。

对于有机废气,一般采用催化氧化+活性炭吸附的处理方式,而不能采用喷淋塔,因为有机类的废气部分能溶于水,若采用喷淋塔在未改变其分子结构的情况下会随废水排放,部分不溶于水的则对喷淋塔无效[8]。对于无机废气,采用喷淋塔需加试剂处理的方式；对于恶臭废气,采用催化氧化+生物塔处理的方式；对于粉尘可根据其种类采用相应的重力、旋风、袋式等处理的方法。

在各种处理方法的应用中,吸收法是控制大气污染的重要手段之一,其处理气态污染物技术相对成熟,设计及操作经验丰富、适用性强,因而应用较为广泛。但该方法只对处理大风量、常温、低浓度有机废气比较有效且费用低。一般情况下,活性炭吸附有机废气可达到95%的净化率,且设备简单、投资小。与此同时,活性炭吸附方法具有较大的负面效应,其吸附饱和后的活性炭属危险固废,其处置费用较高。须建立活性炭再生装置,利用热空气吹扫吸附饱和的活性炭,使活性炭表面吸附的有机质从活性炭表面分离而使活性炭得以脱附再生[9]。

此外,对于高校实验室而言,有些废气治理工艺并不都可以采用,如生物法、低温等离子法、燃烧法等均需要一批专门的运行及维护专业人员,而且这类方法比较适用于污染物种类和浓度变化不大的有机类废气处理。因此,高校实验室的废气处理必须采用易于操作管理的分类处理净化工艺,整个处理过程要环保、安全、稳定、无剧烈的能量转换,处理系统操作、管理及维护要简便,投资省、运行费用低[10]。

2 实验室废气净化处理系统的总体设计

2.1 废气净化处理的基本要求

实验室废气净化处理的基本要求不仅仅局限于保障室内空气清洁安全,还要确保排出的废气不会对周围的环境造成较大的污染,不能影响实验室周边的环境空气质量；既要做到无毒、无味、不易燃、不易爆、不含病原体等要求,又不得使实验室周边环境大气中有害物质的浓度超过国家规定的最高容许浓度。

2.2 废气净化处理系统的功能分析

在废气净化处理系统中收集废气、处理废气、排放废气是系统的基本功能。除此之外,系统还应具备分级分类处理和自动控制相结合的功能。废气净化处理过程中,用户可以通过显示模块随时查看废气收集、处理和排放等各个环节具体数据信息；同时系统还应具备降噪功能和资源开发再利用等功能。

2.3 实验室废气净化处理系统的总体结构

根据实验废气净化处理要求和实验室废气净化处理系统建立的功能要求,研究设计并开发了实验室废气净化处理系统的总体结构,如图1所示。

图1 实验室废气净化处理系统的组成

实验室废气净化处理系统可以按废气流动方向自主依次设有过滤吸附单元、酸碱洗涤单元、光催化氧化单元、活性炭吸附单元、微生物净化单元和流量调节单元等模块,同时可以根据实验室废气的类型和容量自由组合构成废气净化处理的组合模块。废气净化处理组合模块受智能控制模块的统一控制。动力驱动模块和废气收集模块工作后收集相应实验室的废气,并在运行显示模块上显示相关信息；经净化处理组合模块处理后的废气再经检测模块检测达标后即可通过辅助模块和排放模块达标排放。为降低噪音,避免动力驱动模块干扰正常的教学和科研活动,系统还增设消声模块。为提高活性炭的利用率,尽可能地减少吸附饱和后的活性炭危险固废的处置量,系统还设有活性炭再生模块,能实现活性炭的5次再生[11]。

上述废气净化处理过程融入到自动化智能控制之中,自动化控制环节的工作分布在各个处理环节内。以废气收集环节为例,智能控制器根据收集到的信号和数据及时通过控制和调整变频器的频率输出,从而改变风机的转速,起到调节风量的目的[12]。在每台通风柜上都安装有智能电动风阀，并与中央控制系统相连接,实行数据共享。控制中心根据检测到的数据实时分析实验废气量大小,从而控制风机的转速,并及时调整风量。有废气排出时,电动风阀打开后,控制模块统一指挥废气的吸入量和吸入速度,无废气排出时,电动风阀则保持关闭状态,这样可以避免无废气空排和废气倒灌的现象发生。

3 应用实践与推广

已建立的实验室废气净化处理系统集成了目前废气净化领域的最新技术和最新工艺,包括光催化氧化有机废气技术、生物塔滤微生物降解挥发性有机废气技术、活性炭吸附有机废气及蒸汽脱附回收与高温热空气原位再生工艺、可溶性废气及酸雾废气喷淋法吸收工艺、变频风机加电动调节风阀联动技术等。系统具有如下特点：

(1) 分级处理、功能明确、针对性强；

(2) 自动化程度高,通过PLC控制,确保达标排放,而且管理及维护简便；

(3) 活性炭的再生流程简捷、自动化程度高、适用范围广,大大延长活性炭更换周期,并具有在线检测报警、精确提示活性炭更换时间,费用只有使用传统活性炭吸附装置的1/10左右；

(4) 净化过程环保、安全、稳定,无剧烈的能量转换,运行费用低。

本系统可广泛应用于高校、科研院所实验室的废气净化处理,以及化工工业、生物医药、污水处理厂、电子工业等行业废气净化的试验研究中。本系统在2015年首次应用于我校环境科学与工程学院大楼的废气处理,废气最大处理量35 000 m3/h,经第三方检测,废气净化后达到《恶臭污染物综合排放标准》(GB 14554—93)二级排放标准。目前正在稳定运行中,其特点及应用得到了充分验证。

2016年5月、2017年5月和2018年4月,本系统技术又分别在我校兽医学院动物无害化处理中心、延边大学实验室废液处理系统和华中科技大学化工楼实验室通风改造的工程设计与建设中得到集成应用。自各系统整体使用运行至今,始终稳定达到《恶臭污染物综合排放标准》(GB 14554—93)二级排放标准。这一系统的应用,不仅为相关学校消除了实验室废气的环境污染,保障了师生的身心健康,而且节省了废气净化处理费用,提高了实验室运行管理效能,有效解决了相关学校废气净化处理等实验室改造的技术难题。

4 结语

随着我国科研投入的逐年加大和高等教育的蓬勃发展,各科研单位和高等院校进行的教学科研实验越来越深入、广泛,科研单位和各类院校进行的教学科研实验越来越普遍、范围也越来越广,实验所产生的废气也会越来越多。实验室废气净化处理系统的建立较好地适应了这一发展趋势和实验室环境安全与污染防治的要求。我们将在现有技术成果的基础上,针对各高校实验室的不同现状与出现的新问题,加大对关键技术的不断研究及集成处理技术的探索,不断完善系统功能和适应性,进一步降低净化处理成本、提高净化处理效果，为达到显著减少实验室污染物排放量,营造绿色环保的实验环境做出应有的贡献。