某高层实验室废气处理系统设计探讨

0 引言

大气环境保护是当前中国环境治理的一项重要内容，国家和各地方生态环境监管部门相继发布了大气污染的防治规定[1]。随着我国科学技术尤其是生物技术的迅猛发展，作为承载科学研究的平台，各类实验室正在加快建设中。实验室与一般工业场所类似，会对外排放一定量的气态污染物，从而影响周边大气环境。这些废气大多属于有毒有害物质，是大气污染物的重要来源[2]。实验室废气排放具有大风量、低浓度、多成分的特点，与工业企业的废气排放明显不同。高层实验室还面临屋面空间有限、废气无法引至地面的难题，无法套用成熟的工业废气处理工艺和设计。因此，开展针对实验室废气治理的研究，提出实验室废气处理有效且可行的措施，有着十分重要的现实意义。

1 项目概况及废气污染物种类

1.1 项目概况

该项目位于深圳，为一栋高层科学实验楼，总建筑面积48 259.19 m2。建筑地下3层，主要功能为停车库及设备用房；地上19层，主要功能为实验室用房，其中，1～5、7层为医疗器械检测实验室，8～11层为微生物和药理毒理实验室，13～19层为动物实验室和药物临床前安全评价研究实验室(GLP实验室)，6、12层为设备层。该项目将不同类型和功能的实验室尤其是实验动物用房，竖直布置在同一座高层综合科研实验建筑中，其规模之庞大、工艺之复杂较为罕见。

1.2 气态污染物来源及成分

根据实验室功能，可以将该项目排放的大气污染物分为2种：1～12层理化生物实验室内设有大量通风柜、万向排气罩、试剂柜等实验通风装置，其废气成分主要为实验过程中产生的酸性废气、碱性废气、挥发性有机化合物(VOC)等大气污染物；13～19层动物实验室的废气成分为实验动物代谢产生的恶臭气体，主要包括氨气、硫化氢，以及少量的甲硫醇、甲硫醚等臭味气体。根据该项目实验室功能、使用强度等因素，结合已有实验室实测数据，预测了各实验室废气成分、浓度、风量等指标范围，结果见表1。为了保护工作人员安全，各实验室内均设置排风设施，污染物通过集中布置于屋面的排风系统高空排放。为减少对周围环境影响，保障周边人群健康，需要针对不同废气成分，选用适当的废气净化措施，处理达标后排放。

表1 实验室废气来源、成分、浓度及风量范围

2 实验室废气排放水平及排放标准分析

2.1 高层实验室废气排放特点分析

该项目位于深圳市南山区科技园中心，靠近多家高新企业，且与居民区距离较近，对于废气排放的处理要求非常严格。与普通实验室功能单一相比，该项目体量巨大，同时包含理化、生物实验室与动物实验室，各种实验室排放的污染物种类与浓度不同，如何采用合理的废气处理方式是设计面临的一个难点。

该项目实验室既有局部通风，也有全室通风，排风统一通过立管引至屋面。除办公室、会议室、公共走廊等明确无污染源的排风可以直接排放外，其余区域排风均需经过废气处理装置处理，在排放浓度和排放速率均达到GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》[3]、GB 14554—93《恶臭污染物排放标准》[4]及相关地方标准后高空排放。

2.2 不同类型实验室废气分析

实验室各种污染因子的排放量与实验过程中试剂的使用量(动物养殖量)、实验室通风条件等因素有关，无法按照工业场所依据工艺和产量进行推算的方法计算。现场实测法是在废气排放现场实地进行废气样品的采集和废气流量的测定，以此确定废气污染物产生量和排放量的一种客观方法。笔者对以往类似项目不同类型实验室的废气排放进行了现场实测，作为本次设计的依据。其中，无组织排放废气样品的采集和测定在污染源的下风向近距离处进行，有组织排放及动物实验室废气样品的采集和测定在房间的排风口处进行。进行多点采样和测量，以取得平均浓度和流量值，用于计算废气的排放速率。表2、3分别给出了废气污染较为突出的化学实验室和动物实验室的现场检测结果。

表2 化学实验室有机废气排放质量浓度 mg/m3

由表2可以看出：实验室有组织排放时非甲烷总烃平均值为30.67 mg/m3，苯系物的质量浓度范围为0.01～0.19 mg/m3，根据当时的实验负荷状况推测，非甲烷超标可能性很大；无组织排放质量

表3 动物实验室室内排风口恶臭污染物浓度比较

浓度较高，基本与有组织排放相当。表明实验室的有机废气未得到有效收集，呈现面状污染的态势，影响实验人员的健康，同时VOC排放也影响空气质量。

表3表明：IVC系统排风口恶臭污染物浓度最高；生产区由于实验动物密度低，排污量次之；实验区仅用来做动物实验，动物密度最低，故排污量最小。

2.3 废气排放标准

通过对实验室产生的废气中主要污染物的分析，参照相关规范标准，可以得到该实验室设计中所依据的废气排放控制标准，见表4。

表4 实验动物房设施废气排放控制限值

3 废气处理装置设计

3.1 废气处理方案比选

废气治理措施有多种方式，常规方法主要包括喷雾法、吸附法、稀释法、吸收法、光解法等[6]。其中，喷雾法需使用射流喷雾炮，噪声过大，无法满足居民环境要求。以活性炭净化装置为代表的吸附法，虽然具有效率高、设备简单的优点，但因为活性炭吸附饱和后需要频繁更换，且存在二次危废处理，运营成本较高，不考虑采纳。稀释法使用大风量风机吹送新风来稀释实验室排出的废气，无法改变废气的成分和排放速率，实际的环境问题并没有得到解决，也不建议采纳。以喷淋塔为代表的中和吸收法，处理气量大，维护成本低，但是设备体积较大，对安装现场条件要求较高，不适合放置在设备密集、空间狭小的实验动物设施楼面。紫外光分解净化设备体积小、质量小，对大部分有机物清除效果确切，但对无机气体处理效果不佳，并且还会产生大量臭氧，引起二次污染[7]。

由于上述常规方法均无法有效应用于该项目，故需结合该建筑废气排放特点，选择更为合适的废气处理设备。经过反复比选，采用光催化结合气液扰流的综合处理工艺，其特点为采用改进后的光催化分解部分无机物和有机物，随后通过高效率的气液扰流方式，将光催化产物(包括臭氧)、颗粒物、无机污染物溶解于水，达到脱臭、净化的目的。采用这种工艺的设备体积小、安装简便、清除范围广、无常规耗材、无二次污染、容易实现自动化，适合该项目的理化实验室、生物实验室及实验动物设施废气处理。

3.2 一体扰流喷淋设备的应用

光催化结合气液扰流的综合处理装置(简称一体扰流喷淋设备)废气处理主要采用纳米半导体光催化与气液扰流净化相结合的技术原理，清除实验室尾气中的氨、硫化氢、VOC、病原微生物、臭气等气态污染物，减轻实验室对周边大气环境的影响。主要工艺流程为：1) 实验室尾气从设备进风口进入，经过活性氧预处理，与臭氧和氧自由基混合，增强后端光催化的效率；2) 实验室尾气经过纳米半导体光催化，污染物被分解；3) 经过臭氧消除段，通过负载Mn-Ag催化剂的活性炭纤维滤板，分解处理废气过程中产生的臭氧，使设备周边臭氧浓度符合GB 3095—2012《环境空气质量标准》限值规定；4) 通过气液扰流净化段，在扰流球的扰动作用下形成微涡旋，与向下散布的雾化喷淋液充分交融，将废气中的可悬浮颗粒物、氨、硫化氢等空气污染物由气相转变为液相，从而达到净化空气的目的；5) 经过折流除雾，使水汽分离，净化后的尾气从排风口排出。一体扰流喷淋设备废气处理工艺流程如图1所示。

图1 一体扰流喷淋设备废气处理工艺流程(风机正压段安装)

采用一体扰流喷淋设备作为废气处理装置，对该项目实验室中代表性污染物清除效率的检测方法进行了规定：在实验室内释放相应气态污染物，使得一体扰流喷淋设备前端(未处理)污染物浓度达到表4控制限值的2倍，然后在后端检测污染物浓度及风量指标，并计算排放速率。试验结果见表5，实验中模拟的屋面周界废气浓度测试点和实验室废气处理系统进出风口废气采集点布置见图2。同时，为有效去除特定废气成分，可在喷淋循环液中添加不同类型的中和剂，增强对相应废气成分的吸收性能。根据上述预设数据及试验方法，可以检测废气处理设备是否达到设计要求。

表5 对代表性气态污染物的清除效率

图2 屋面周界废气浓度测试点和实验室废气处理系统进出风口废气采集点

3.3 一体扰流喷淋设备选型要点分析

为确保光催化与气液扰流性能，一体扰流喷淋设备内断面风速不应高于3 m/s。为分解处理废气过程中产生的臭氧，需要设置臭氧消除过滤器，以额定处理风量10 000 m3/h为例，光催化后断面臭氧质量浓度为(32.4±14.7) mg/m3，需要设置滤材填充厚度为200 mm的臭氧消除过滤器，风阻力为150 Pa，臭氧清除率可达到70%。在实验室测试中对排风口周边臭氧进行检测，以确认其是否满足排放要求。根据我国现行标准，无法对臭氧进行排风口浓度及速率监测，只能按照规范GB 3095—2012对排风口周边进行臭氧浓度监测，结果见表6。

表6 一体扰流喷淋设备排风口周边臭氧质量浓度监测结果 μg/m3

①按照GB 3095—2012《环境空气质量标准》中的一级标准，臭氧质量浓度限值为160 μg/m3。采样点设于设备出风口1 m处，分别选择进风管方向的右、中、左3个方位布点采样求平均值。

实验室废气经过纳米半导体光催化裂解，分解产物大部分为CO2、H2O，另有极少量的氮氧化物、臭氧，经过后端的喷淋吸收，臭氧加速分解，少量氮氧化物溶解在喷淋液里，当达到饱和吸收下限时，排出喷淋液，补充中水。因此，一体扰流喷淋设备废水无需特殊处理即可达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》。一体扰流喷淋设备出水口水质检测结果见表7。

4 高层实验室屋面处理装置的布置

相对于普通多层实验室，该项目的实验室面积巨大，其中理化实验室面积共2万m2，动物实验室面积共1.6万m2，排风量共计60万m3/h。共设置20套动物房废气治理系统及12套理化实验室系统，每套系统包括一体扰流喷淋设备、低噪声离心风机、自动化控制系统。为了最大程度地提高空间利用率，合理布置排风系统，设计中将排风机集中放置于94.5 m高的屋面层，并预留检修通道，一体扰流喷淋设备放置于99 m的钢平台层，排风经过一体扰流喷淋设备处理达标后排至大气。屋面排风设备布置如图3所示。由于屋面空间有限，设备布置复杂，设计时使用了BIM技术，通过三维模型直观地表达管道与设备的空间关系，有效避免了管道、设备间的碰撞，减少了工程施工过程中因碰撞产生的变更与返工，提高了工作效率，节省了施工成本。屋面BIM模型见图4。

表7 一体扰流喷淋设备出水口水质检测结果

图3 屋面排风设备布置

图4 屋面排风设备BIM模型图

5 废气处理设备经济性分析

该项目的经济性分析见表8。

表8 废气处理系统经济性分析

6 结论及后续技术改进分析

由于大型高层实验室具有类型的多样性和功能的复杂性，在设计时要充分考虑不同实验室废气污染物的种类和排放特点，并结合国家和地方相关排放标准规范，最终确定适合的废气处理工艺。通过对该项目物理、化学、生物及动物实验室废气排放特点的分析，确定了其主要污染物种类及排放强度。在对比各类废气处理方案优势和不足的基础上，确定了一体扰流喷淋设备作为主要废气处理装置。该技术工艺可以有效处理该项目理化实验室、生物实验室、动物实验室排放的废气，在达标排放的同时，还能有效避免产生臭氧、废水等二次污染物，是一种可靠的实验室废气处理手段。

高层建筑综合实验室废气处理面临很多难题，该项目采用了纳米半导体光催化与气液扰流相结合的处理工艺，初步解决了既要废气排放达标、又要适应现场条件的问题。随着高层实验室的加速建造，还需要在废气处理效果、工艺、布置等方面进行持续观察和优化。比如，该项目排放的气态污染物浓度并不高，对于排放浓度高、风量大的高层实验室，气液扰流工艺产生的废水能否达标？本文研究只是针对深圳地区气候环境，在全国其他地区的不同气候条件下，是否会影响一体扰流喷淋除臭工艺的净化效率？本文研究只检测了设备出风口的臭氧浓度，光催化过程中是否会产生不溶于水的新的气态污染物，从而产生再生污染？对这些问题的深入研究将进一步推进实验室废气处理技术、工艺、设备的研发创新，为实验室工程行业的持续发展提供有利保障。