高校实验室废气治理工程方案优化探讨

郑憬文

（中国药科大学 基建处，江苏 南京 210009）

近几年，随着雾霾天气发生加剧，大气污染逐渐进入公众视野，大气污染防治已成为推进生态文明建设，促进经济社会可持续发展的一项重要举措。化工、涂装、发电、印刷等重污染行业首当其冲，大气污染防治工作最受关注。大气污染来源复杂，不仅限于工业污染，一些高校研发实验室同样排放废气污染物，“贡献”了一部分污染。根据《中华人民共和国大气污染防治法》及《挥发性有机物无组织排放控制标准》中的规定，产生含挥发性有机物废气的生产和服务活动应当在密闭空间或设备中进行，并按照规定安装、使用污染防治措施。因此，高校实验室废气污染也逐渐受到关注，各地纷纷出台政策，要求按照国家规定安装有效的废气治理设施。然而根据笔者参与的高校实验室废气治理工程经验及在多个高校的实地调研发现，高校实验楼废气治理存在楼顶面积不够导致污染防治设备布置困难、废气治理设施荷载过大等问题。针对上述问题，本文试图探讨不同的废气治理模式，以帮助未来更好地优化高校以及其他工业园研发实验楼的废气治理方式。

1 实验楼废气治理现状及存在问题

1.1 废气已收集但未采取治理措施

实验楼主要用于科研，往往进行大量的化学类、生化类、物化类实验，涉及种类繁杂的化学药剂，通常涉及盐酸、氢溴酸、硝酸、硫酸、氨水等无机物，卤代烃、芳香烃、酯类、酮类、醇类、脂肪烃等有机物。由于上述药剂具有不同程度的挥发性，在做实验过程中会挥发至空气中，造成室内空气污染，对科研工作者身体健康有损害[1]，因而出于职业卫生考虑，实验楼在建设时均已考虑将室内废气污染物集中转移至室外，即利用后置离心风机提供的动力，通过半密闭式的通风柜[2]、可移动式集气罩等前端收集装置收集废气并经管道输送至屋面排放。目前国内高校实验楼的普遍情况如此，安装有废气收集系统，但未采取有效治理措施，直接高空排放[3]。

1.2 废气治理设备面临无地可放的困境

为合理利用土地资源，高校实验楼大多为高层建筑。各层均布置有大量的通风柜、集气罩以及抽风口，外排风量极大，导致废气治理设备规格选型偏大，加上废气治理设备数量多，需占用大量楼面面积。由于楼顶已布置空调机组、消防设施、给排水设施等，占用了部分楼顶空间，进一步压缩了布置废气治理设施的空间，使得废气治理设施面临无地可放的困境。

1.3 实验楼楼面承重存在较大压力

根据调研显示，高校实验楼楼顶的均布荷载通常不超过5 kN/m2，而部分废气治理设备的静荷载超过10 kN/m2，超出了承重范围。因而，已建实验楼的废气治理改造，通常还需要先进行结构加固设计。

1.4 前端废气收集风管易腐蚀老化

典型的化学实验楼产生的废气中，主要污染物为酸雾和VOCs。最常用的废气输送管有304 材质不锈钢风管、PP 板材焊接风管、FRP 复合风管、无机玻璃钢风管。304 材质不锈钢风管易被酸雾腐蚀；PP 板材焊接风管相对强度低，耐火等级低（V0 级板材也达不到建筑B1 级的指标），室外紫外条件下易老化；FRP复合风管长期在VOCs 的作用下会逐渐老化，且耐火等级低（B2）；无机玻璃钢风管在室外风吹、日晒、雨淋、冰冻的长期循环作用下易风化。所以，我们在化学实验室排风管道的施工中，室内部分采用无机玻璃钢风管，室外部分采用FRP 复合风管。实验室废气收集风管无论采用何种材质，在实验室废气污染物的侵蚀下，使用寿命均会有所缩短。

1.5 废气治理设备选择空间小

由于楼顶空间受限，导致常用的卧式废气治理设备不适用。相较于立式废气治理设备，卧式废气治理设备占地尺寸更大，有限的楼面无法布置大量的卧式废气治理设备。因而，就实验楼废气治理而言，治理设备应向上发展，多采用立式废气治理设备。立式废气治理设备可节省占地，但在一定程度上增大了设备的运维难度。

2 实验楼废气治理工程方案改进思路

2.1 常用工程方案

（1）收集方案。实验楼的废气收集系统由通风柜、集气罩、管道、止回阀、调节风阀、压力计、变频风机及PLC 电控系统等组成。通风柜、集气罩、风压传感器、PLC 控制系统等安装于实验室内，变频风机安装于屋顶，利用排风竖井垂直布置[4]。目前常采用分散式的排风系统，即把一个房间内的通风柜及集气罩与楼顶的一台风机组成一个排风系统。工作时，通过压力传感器的反馈信号，自动调节风机的运行频率，使得通风柜和集气罩的排风量维持在一定范围。

（2）治理方案。实验室废气的主要特征为大风量低浓度，废气中主要污染物为酸雾和VOCs。针对酸雾，目前常用的治理工艺为吸收法[5]，利用相似相溶和化学反应吸收去除酸雾。针对大风量低浓度的VOCs，较成熟的治理工艺为吸收法[6]、光催化[7]、低温等离子[8]、吸附法[9]等工艺。吸收法适用于处理水溶性的VOC。光催化和低温等离子工艺适用于降解芳香烃、长链有机物，除臭效果较好，也具有一定的矿化效果。吸附法工艺利用吸附剂发达的微孔结构巨大的比表面积，对各类有机物均具有较高的吸附率。

每一种废气治理工艺都有技术优势和技术短板，由于实验室废气成分复杂，既含有无机污染物又含有有机污染物，治理工艺需考虑多种工艺进行组合，才可起到治理效果。处理实验室废气的常见组合工艺有：“碱液吸收法+活性炭吸附[10]”“碱液吸收法+光催化”“碱液吸收法+低温等离子”等，其治理思路是首先用碱液吸收除去废气中的酸雾，然后采用吸附、光催化或等离子法治理未被碱液吸收的VOCs。

2.2 工程方案改进思路

实验楼废气治理目前面临的主要问题有：废气治理设施在楼顶平面布置困难、实验楼楼顶难以承受废气治理设备的重量以及前端废气收集输送风管易受污染物影响而减少使用寿命等。考虑到目前实验室废气治理的主流工艺为“无机废气治理+有机废气治理”的组合工艺，一套废气治理系统包含了2 套废气治理设备，设想若能将前端无机废气治理设备放置于楼内，楼顶的废气治理设备将减少一半，则占地尺寸大、荷载偏大、酸雾腐蚀管道等问题基本可以迎刃而解。调研发现，目前国内外已有相关的研究，在实验室通风柜内内置喷淋循环系统，实现排风和酸雾洗涤一体化。受该思路启发，下文将探讨相较于“楼顶无机废气治理+楼顶有机废气治理”（以下简称“集中式方案”），采用“实验室无机废气治理+楼顶有机废气治理”（以下简称“分散式方案”）的优越之处（见图1）。

图1 集中式方案与分散式方案布置对比图

3 两种实验楼废气治理工程方案对比

参考我校实验楼同等规模，假定某栋实验楼共有实验室100 个，每个实验室有6 台通风柜，常见的通风柜有1800 mm、1500 mm、1200 mm 三种柜宽[11]，假定通风柜的规格均为柜宽1500 mm 型，具体尺寸为1500 mm（柜宽）×850 mm（柜深）×2350 mm（柜高），每台通风柜排风量1500 m3/h，则每个实验室外排风量为9000 m3/h，实验楼总计排风量为900 000 m3/h。

3.1 占地对比

分散式方案相比于集中式方案，从占地上少了楼顶的无机废气治理设备，无机废气治理设备通常采用碱液吸收填料塔。假定1 个实验室单独采用一套废气治理设施，则共需100 套处理能力为9000 m3/h 的废气治理设施，则分散式废气治理方案可以减少楼顶100 台碱液吸收填料塔。根据填料塔设计规范及工程经验，为保证吸收效果同时防止发生液泛，空塔气速不宜超过1.5 m/s。设计空塔气速取1.5 m/s[12]，塔体直径约1500 mm，加上循环水箱，吸收塔占地约3.5 m2。该实验楼共计减少100 套吸收塔，故可减少楼顶设备占地约350 m2，有效缓解了楼顶面积不够的问题。

分散式方案能有效地缓解楼顶占地问题，但反过来将无机废气喷淋设施并入通风柜，势必改变了原标准通风柜的几何尺寸。以美国AirClean 的喷淋式通风柜为例，其产品有对应国内常见的1800 mm、1500 mm、1200 mm 柜宽的产品，水平断面的几何尺寸（柜宽与柜深）与相应的标准通风柜无大的差别，并不多占用室内面积。主要差别在于柜体的高度上，一般标准的通风柜柜高为2350 mm，而喷淋式通风柜在柜门以上的部位增加了400 mm 高的喷淋模块段，总高度为2750 mm，因此对实验室的室内净高有一定要求（见图2）。以我校实验楼为例，2008 年以前建设的实验楼一般为6 层，每层结构层高为3.9 m，采用喷淋式通风柜有一定困难；2008 年后建设的实验楼一般均为五层，每层结构层高4.5 m，采用喷淋式通风柜是可行的。

综合上述分析，将无机废气处理装置设置于通风柜内的分散式方案，对于实验室内部工艺平面设计没有影响，只要建筑的结构层高不低于4.2 m 的实验室，通过优化布置各类水、电、通风管道，采用喷淋通风柜完全可行。4.5 m 以上层高的实验室则更为适用。

因此，分散式方案将集中于楼顶的无机吸收塔转移分散到各楼层相应的实验室，可有效缓解实验室楼顶设备布置困难的问题。

图2 一般标准通风柜与喷淋式通风柜尺寸对比

3.2 楼顶与楼层荷载变化对比

对于屋顶外置的吸收塔和吸附器均采用玻璃钢材质，单台处理风量9000 m3/h 的吸收塔含水重量约3 t，单台吸附器重量约1.2 t。集中式方案与分散式方案楼顶荷载对比如表1。

表1 两种方案楼顶荷载对比

由表1 可知，分散式方案相比集中式方案，楼顶废气处理设备荷载可减轻300 t，大大降低了楼顶荷载，减轻了楼顶结构承重的压力，有利于提高楼面的安全性。

相对室内而言，常用的1800 mm、1500 mm、1200 mm 柜宽通风柜的喷淋模块相同，仅在喷淋水量上略有差异。整个模块净重100 kg，工作时水槽中的碱液重约120~150 kg，合计约250 kg。现将普通全钢通风柜、普通PP 通风柜、不锈钢喷淋通风柜、PP 喷淋通风柜重量和单位面积荷载对比如表2 所示。

目前实验楼设计的均布荷载为5 KN/m2，即使全部采用不锈钢喷淋式通风柜，楼板也在安全荷载范围内，不需局部特殊处理。

3.3 运行管理对比

科学的运行维护是废气处理设备起到高效净化作用的重要前提条件，因此废气治理设备的运行管理非常重要。碱液吸收塔对酸雾的吸收净化，主要依靠酸雾溶于水并与碱液进行化学反应转化成盐，但吸收塔内的碱液储量是有限的，因而需要定期检测吸收液的酸碱度，如发现吸收液pH 即将变为酸性则需要及时更换吸收液，补充新的碱液。在传统的集中式方案中，吸收塔置于楼顶，吸收液检测不及时，易造成碱液补充不及时而导致酸雾吸收塔处理效果下降。而采用分散式方案，可以将通风柜内喷淋系统运行管理纳入实验室日常管理中来，由实验室使用者管理，谁使用谁管理，可有效降低酸雾吸收装置因吸收液更换不及时而超标的概率。

喷淋式吸收塔工作时的局部阻力在500~600 Pa之间，而喷淋式通风柜的工作阻力一般在120~150 Pa之间。在同等风量的情况下分散式系统的风机压头明显下降，电机功率也降低，运行费用也会下降。

同时，分散式方案将无机废气治理设备转移至各个实验室，增加了楼顶可利用面积，使得有机废气治理设备的布置可以更加科学，可进一步方便人工运维管理，帮助降低运维难度。

此外，分散式方案喷淋系统位于室内，喷淋吸收过程产生的废液通过室内排水管排入污水处理系统，也降低了极冷天气下室外排水管冻裂的风险。

表2 各型号通风柜重量与单位面积荷载

3.4 前端废气收集管道使用寿命对比

分散式方案将酸雾喷淋系统前置于通风柜内，在废气的产生端，即可对污染物起到净化作用，酸雾喷淋系统可去除大部分的酸雾，同时吸收部分水溶性的有机物，如乙醇、丙酮等，而集中式方案废气处理设施位于楼顶，实验室产生的酸雾及有机物必须先通过前端收集管道，因而收集管道内长期接触酸雾及各类有机物，无论管道采用金属材质还是塑料材质，均容易腐蚀、老化，而分散式方案在管道前端去除了大部分酸雾及部分水溶性有机物，输送介质更干净，因而可延长收集管道的使用寿命。

4 结语

实验室废气采用“实验室内无机废气治理+楼顶有机废气治理”的分散式方案具有降低楼顶废气设备占地面积、减轻楼顶设备重量、提高运行管理水平、延长前端废气收集管道等优势，该方案将科研环保部分纳入各个实验室内，体现了一种绿色科研、人人环保的理念。然而由于该工程方案中喷淋通风柜的单位面积荷载及高度略大于常规通风柜，对楼板的荷载和实验室内净高有一定要求，因而，更适用于可全新规划的新建实验楼，已建老实验楼若具备条件，也可借鉴此方案。