VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室的籌建與設(shè)計(jì)

栗 波，姜 榮，韓 勇，劉明亮，崔 巖

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司，北京 101111)

近年來(lái)，我國(guó)大面積出現(xiàn)持續(xù)性霧霾天氣，嚴(yán)重危害人們身體健康。大量研究表明，揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile organic compounds，簡(jiǎn)稱VOCs)是細(xì)顆粒物PM2.5和臭氧的重要前驅(qū)物之一，是復(fù)合型大氣污染的重要誘因[1-4]。VOCs一般是指參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，主要包括非甲烷總烴(烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴)、含氧有機(jī)化合物(醛、酮、醇、醚等)、鹵代烴、含氮化合物、含硫化合物等。

我國(guó)VOCs排放涉及石油化工、制藥、涂料、印刷、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)行業(yè)，管控工作難以全面展開(kāi)。近期環(huán)保部頒布了石油化工、石油煉制、合成樹(shù)脂行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋面積仍然較窄，因此應(yīng)盡快開(kāi)展其他行業(yè)VOCs檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和頒布。

VOCs檢測(cè)與分析是判斷VOCs來(lái)源、識(shí)別VOCs種類的重要手段，是研發(fā)源頭控制技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)、末端治理技術(shù)等方面的基礎(chǔ)，是國(guó)家管控VOCs、制定揮發(fā)性有機(jī)物相關(guān)政策的重要依據(jù)。目前，煤化工行業(yè)VOCs綜合整治基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，大部分企業(yè)不具備VOCs檢測(cè)能力。因此，建設(shè)VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室是非常迫切的工作。

1 實(shí)驗(yàn)室選址

實(shí)驗(yàn)室選址是實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建設(shè)以及日后投用的基礎(chǔ)。在符合國(guó)家法律法規(guī)的前提下，實(shí)驗(yàn)室選址應(yīng)優(yōu)先考慮基礎(chǔ)設(shè)施完善、交通便利、通訊良好的地區(qū)[5]，同時(shí)應(yīng)避開(kāi)噪聲、振動(dòng)、電磁干擾和其他污染源[6]。改建的VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室所在的舊建筑共6層，第一層、第二層已用，現(xiàn)將第三層改為實(shí)驗(yàn)室，建筑面積約1 300 m2。

2 實(shí)驗(yàn)室功能劃分及平面布局

VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室籌建的初衷是承擔(dān)煤化工行業(yè)廢氣、廢水、固廢中揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)，同時(shí)可進(jìn)行化工行業(yè)常規(guī)污染物的分析。廢氣的分析項(xiàng)目包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、非甲烷總烴、氯化氫、氟化氫、溴化氫、氯氣及廢氣有機(jī)特征污染物等。廢水的分析項(xiàng)目包括pH、懸浮物、COD、BOD、氨氮、總氮、總磷、總有機(jī)碳、石油類、硫化物、重金屬及廢水有機(jī)特征污染物等。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析項(xiàng)目和用途，VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室可劃分為實(shí)驗(yàn)區(qū)、輔助區(qū)和公共設(shè)施區(qū)。實(shí)驗(yàn)區(qū)是用于從事實(shí)驗(yàn)操作的場(chǎng)所，設(shè)有化學(xué)分析室、前處理室、光譜分析室、色譜分析室、天平室及高溫室；輔助區(qū)是為實(shí)驗(yàn)提供服務(wù)的場(chǎng)所，設(shè)有樣品接收與暫存室、藥品室、便攜式儀器室及鋼瓶間；公共設(shè)施區(qū)是為實(shí)驗(yàn)工作提供所需環(huán)境及其他條件保證的場(chǎng)所，設(shè)有新風(fēng)機(jī)房、辦公室、休息室、會(huì)議室及資料室等。

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)

化學(xué)分析室通常進(jìn)行樣品的化學(xué)處理和常規(guī)理化項(xiàng)目測(cè)定，以容量分析為主，放置一些小型的儀器設(shè)備。前處理室專門為色譜、光譜分析設(shè)置，樣品在用大型儀器測(cè)定前，需進(jìn)行前處理；光譜分析室中主要放置基于光的吸收、散射及發(fā)射等原理工作的大型儀器；色譜分析室承擔(dān)揮發(fā)性有機(jī)物的分析檢測(cè)；天平室是為放置稱重設(shè)備而獨(dú)立設(shè)置的房間，用于化學(xué)試劑及樣品的稱重；高溫室放置一些操作溫度較高的設(shè)備。

2.2 輔助區(qū)與公共設(shè)施區(qū)

樣品接收與暫存室是為暫存大批量樣品設(shè)置的房間；藥品室用于存放常用化學(xué)試劑及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；便攜式儀器室中存放采樣設(shè)備；鋼瓶間是用來(lái)放置實(shí)驗(yàn)室所用鋼瓶，為大型儀器提供所需氣體。

實(shí)驗(yàn)室正常使用時(shí)，通風(fēng)設(shè)備要經(jīng)常開(kāi)啟，為了防止分析房間負(fù)壓過(guò)大，影響實(shí)驗(yàn)人員身心健康，需向房間內(nèi)不斷補(bǔ)充新鮮空氣，故實(shí)驗(yàn)室中設(shè)有新風(fēng)機(jī)房。其他辦公、存放資料等房間配套實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

2.3 實(shí)驗(yàn)室平面布局

在VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室籌建與設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理利用原有建筑物的空間和設(shè)施，盡量做到少破壞原有建筑，其平面布局如圖1所示(陰影部分為建筑物原有設(shè)施)。

圖1 平面布局示意

由圖1可以看出：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室平面布局時(shí)，將實(shí)驗(yàn)區(qū)和辦公區(qū)分開(kāi)，合理充分利用室內(nèi)空間。實(shí)驗(yàn)區(qū)分干濕兩區(qū)，上側(cè)為濕區(qū)，下側(cè)為干區(qū)，中間用走廊隔開(kāi)，鋼瓶間位于建筑物外一層，靠近干區(qū)，緊鄰色譜室和光譜室2個(gè)用氣房間。

3 實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施及儀器設(shè)備

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及天平臺(tái)

VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置采取“島型”結(jié)構(gòu)，便于實(shí)驗(yàn)人員活動(dòng)并可以快速接近緊急設(shè)備或出口?；瘜W(xué)分析室與前處理室以中央實(shí)驗(yàn)臺(tái)為主，中間帶有試劑架，實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng) 5 400 mm、寬1 500 mm、高900 mm，臺(tái)面材質(zhì)選取耐酸堿腐蝕、耐撞擊、耐高溫的環(huán)氧樹(shù)脂。色譜、光譜分析室采用儀器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，臺(tái)面材質(zhì)選用環(huán)氧樹(shù)脂，實(shí)驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)3 500 mm、寬900 mm、高900 mm，相鄰實(shí)驗(yàn)臺(tái)留有500 mm檢修空間。天平臺(tái)的臺(tái)面和臺(tái)座應(yīng)具有抗震功能，臺(tái)面平整、光潔、有足夠剛度的臺(tái)板，一般選用大理石或陶瓷。

3.2 通風(fēng)

為了保證實(shí)驗(yàn)室安全、干凈、舒適，減少有毒有害物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的傷害，實(shí)驗(yàn)室需要設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)?；瘜W(xué)分析室及前處理室使用較多揮發(fā)性、刺激性氣味的試劑，且在實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生有毒有害的氣體，對(duì)這2個(gè)分析室設(shè)置較多的桌上型通風(fēng)柜和臺(tái)式通風(fēng)柜，一些分析項(xiàng)目直接在通風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺(tái)局部上方設(shè)有萬(wàn)向排氣罩。色譜分析室廢氣產(chǎn)生較少，僅對(duì)每張實(shí)驗(yàn)臺(tái)局部設(shè)有萬(wàn)向排氣罩。光譜分析室中火焰原子吸收分光光度計(jì)(AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP- AES)在工作時(shí)氣體燃燒產(chǎn)生火焰，故光譜分析室除設(shè)有萬(wàn)向排氣罩外，還增設(shè)排風(fēng)量較大的吸收罩。便攜式儀器室設(shè)有1個(gè)臺(tái)式通風(fēng)柜，用于便攜儀器的標(biāo)定。藥品室、樣品接收與暫存室采用帶排風(fēng)的柜子，保持24 h不間斷排風(fēng)。

由于通風(fēng)設(shè)施的使用，實(shí)驗(yàn)室容易出現(xiàn)負(fù)壓過(guò)大，影響實(shí)驗(yàn)人員身體健康，故VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室設(shè)有新風(fēng)機(jī)房，可不斷向房間內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣，以平衡室內(nèi)壓力，且新風(fēng)系統(tǒng)與中央空調(diào)連通，可維持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部溫度恒定。

3.3 給排水

VOCs檢測(cè)與分析室的供水取自城市自來(lái)水，由原建筑衛(wèi)生間引入，沿走廊吊頂進(jìn)入化學(xué)分析室、前處理室以及緊急噴淋裝置，接至實(shí)驗(yàn)臺(tái)水槽、通風(fēng)柜等用水處，化學(xué)分析室與前處理室各配備1臺(tái)純水機(jī)，用來(lái)制取不同級(jí)別的實(shí)驗(yàn)用水。2個(gè)分析室的排水管道匯總，然后接到地下一層污水處理設(shè)備。

3.4 供氣

實(shí)驗(yàn)室分析房間所用氣路統(tǒng)一來(lái)自鋼瓶間，由40 L標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶供氣，各種氣體均采用“一用一備”模式，便于自動(dòng)快速切換。引入色譜分析室的氣體有氮?dú)狻錃?、氦氣、氬氣、空氣等，引入光譜分析室的氣體有空氣、乙炔、氬氣、氮?dú)獾?，化學(xué)分析室預(yù)留1路氮?dú)狻?/p>

進(jìn)入色譜、光譜分析室的氣體主管道上設(shè)有總閥，安裝在房間內(nèi)明顯的墻面上，各路支管沿實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能柱鋪設(shè)，就近設(shè)置二級(jí)減壓閥和壓力表，實(shí)驗(yàn)室所有氣體管道應(yīng)做到統(tǒng)籌規(guī)劃、集中布置，以便于安裝、操作和檢修。氣體鋼瓶在更換時(shí)會(huì)有少量空氣進(jìn)入氣體匯流排中，可燃?xì)怏w管道在吹掃或檢修時(shí)需及時(shí)放出殘留在管道內(nèi)的氣體，因此，對(duì)所有氣體管道設(shè)置放空管線，并將可燃?xì)怏w與惰性氣體放空管線分開(kāi)布置引至樓頂高點(diǎn)放空?？紤]到未來(lái)預(yù)留或儀器位置變動(dòng)，色譜分析室的5種氣體管道并列引至儀器處，每個(gè)支管終端設(shè)置閥門，光譜分析室的4種氣體管道同樣按照此法布置。

3.5 裝飾

VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室屬于改建項(xiàng)目，土建的設(shè)計(jì)與施工盡量不改變?cè)薪ㄖ７块g內(nèi)的消防管道、橋架等已安裝，為避免造成室內(nèi)縱向空間較小，分析室內(nèi)采取無(wú)吊頂，只保留走廊吊頂。VOCs的分析主要針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物，故實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝修盡可能選取無(wú)揮發(fā)性有機(jī)物釋放的材料，避免影響儀器檢測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)室地面采用耐酸、耐堿、耐油的防滑瓷磚，墻面采用彩鋼板，走廊吊頂采用鋁塑板。

3.6 供電

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)統(tǒng)一配備220 V、380 V兩種規(guī)格電壓。實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)初期，分析儀器和設(shè)備尚未購(gòu)置，其電壓、功率等參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確獲取，因此在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，房間用電功率應(yīng)重點(diǎn)考慮，適當(dāng)放大。

3.7 安全

VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室需要用到氫氣和乙炔等易燃易爆氣體，故鋼瓶間在設(shè)計(jì)時(shí)，將可燃?xì)怏w鋼瓶和惰性氣體鋼瓶隔開(kāi)布置，每個(gè)鋼瓶采取固定措施，可燃?xì)怏w間與建筑物相連處為鋼筋混凝土防爆墻，鋼瓶間地面采用防火花、防靜電材料，并有遮陽(yáng)防曬措施。色譜分析室、光譜分析室、放置可燃?xì)獾匿撈块g設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀。

實(shí)驗(yàn)室門均朝外開(kāi)，便于事故時(shí)實(shí)驗(yàn)人員逃生。實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生間和走廊設(shè)有緊急噴淋裝置，靠近化學(xué)分析室和前處理室，當(dāng)發(fā)生意外傷害事故時(shí)，可進(jìn)行快速噴淋、沖洗，將傷害程度降至最輕?；瘜W(xué)分析室和前處理室水槽邊各配有1臺(tái)洗眼器。

3.8 分析儀器及設(shè)備配置

VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室目前主要承擔(dān)化工行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)，考慮到未來(lái)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展規(guī)模，參照GB 31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中水和大氣分析項(xiàng)目，另外配置環(huán)境檢測(cè)類儀器，玻璃量器按常規(guī)種類配置。分析儀器及設(shè)備配置情況見(jiàn)表1。

4 三廢處理

VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生三廢。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室時(shí)充分考慮了三廢處理問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室廢水通過(guò)排水管道進(jìn)入地下一層污水處理站，廢水經(jīng)過(guò)處理達(dá)標(biāo)后再進(jìn)入市政污水管道。實(shí)驗(yàn)室廢氣通過(guò)排風(fēng)管道送至樓頂，經(jīng)干式化學(xué)過(guò)濾器處理合格后，排入大氣。實(shí)驗(yàn)室固體廢物密封集中存放，交給相關(guān)單位收集處理。總之，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的三廢在向室外排放前，必須進(jìn)行凈化處理，使之達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排污標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 根據(jù)VOCs的性質(zhì)、種類、來(lái)源等，規(guī)劃并設(shè)計(jì)了VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室，能滿足石化行業(yè)尤其是煤化工行業(yè)VOCs檢測(cè)的需求，同時(shí)涵蓋其他環(huán)境類檢測(cè)項(xiàng)目。

表1 分析儀器及設(shè)備配置情況

(2) VOCs檢測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)全面采樣、科學(xué)檢測(cè)、系統(tǒng)記錄，對(duì)煤化工行業(yè)VOCs排放量、VOCs物質(zhì)清單等開(kāi)展排查，完善VOCs數(shù)據(jù)臺(tái)賬，為未來(lái)建立和完善煤化工行業(yè)的VOCs管控技術(shù)，制定行業(yè)VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)政策奠定了基礎(chǔ)。