高校實(shí)驗(yàn)室廢氣治理工程方案優(yōu)化探討

鄭憬文

（中國藥科大學(xué) 基建處，江蘇 南京 210009）

近幾年，隨著霧霾天氣發(fā)生加劇，大氣污染逐漸進(jìn)入公眾視野，大氣污染防治已成為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措?；?、涂裝、發(fā)電、印刷等重污染行業(yè)首當(dāng)其沖，大氣污染防治工作最受關(guān)注。大氣污染來源復(fù)雜，不僅限于工業(yè)污染，一些高校研發(fā)實(shí)驗(yàn)室同樣排放廢氣污染物，“貢獻(xiàn)”了一部分污染。根據(jù)《中華人民共和國大氣污染防治法》及《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，產(chǎn)生含揮發(fā)性有機(jī)物廢氣的生產(chǎn)和服務(wù)活動應(yīng)當(dāng)在密閉空間或設(shè)備中進(jìn)行，并按照規(guī)定安裝、使用污染防治措施。因此，高校實(shí)驗(yàn)室廢氣污染也逐漸受到關(guān)注，各地紛紛出臺政策，要求按照國家規(guī)定安裝有效的廢氣治理設(shè)施。然而根據(jù)筆者參與的高校實(shí)驗(yàn)室廢氣治理工程經(jīng)驗(yàn)及在多個高校的實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高校實(shí)驗(yàn)樓廢氣治理存在樓頂面積不夠?qū)е挛廴痉乐卧O(shè)備布置困難、廢氣治理設(shè)施荷載過大等問題。針對上述問題，本文試圖探討不同的廢氣治理模式，以幫助未來更好地優(yōu)化高校以及其他工業(yè)園研發(fā)實(shí)驗(yàn)樓的廢氣治理方式。

1 實(shí)驗(yàn)樓廢氣治理現(xiàn)狀及存在問題

1.1 廢氣已收集但未采取治理措施

實(shí)驗(yàn)樓主要用于科研，往往進(jìn)行大量的化學(xué)類、生化類、物化類實(shí)驗(yàn)，涉及種類繁雜的化學(xué)藥劑，通常涉及鹽酸、氫溴酸、硝酸、硫酸、氨水等無機(jī)物，鹵代烴、芳香烴、酯類、酮類、醇類、脂肪烴等有機(jī)物。由于上述藥劑具有不同程度的揮發(fā)性，在做實(shí)驗(yàn)過程中會揮發(fā)至空氣中，造成室內(nèi)空氣污染，對科研工作者身體健康有損害[1]，因而出于職業(yè)衛(wèi)生考慮，實(shí)驗(yàn)樓在建設(shè)時均已考慮將室內(nèi)廢氣污染物集中轉(zhuǎn)移至室外，即利用后置離心風(fēng)機(jī)提供的動力，通過半密閉式的通風(fēng)柜[2]、可移動式集氣罩等前端收集裝置收集廢氣并經(jīng)管道輸送至屋面排放。目前國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)樓的普遍情況如此，安裝有廢氣收集系統(tǒng)，但未采取有效治理措施，直接高空排放[3]。

1.2 廢氣治理設(shè)備面臨無地可放的困境

為合理利用土地資源，高校實(shí)驗(yàn)樓大多為高層建筑。各層均布置有大量的通風(fēng)柜、集氣罩以及抽風(fēng)口，外排風(fēng)量極大，導(dǎo)致廢氣治理設(shè)備規(guī)格選型偏大，加上廢氣治理設(shè)備數(shù)量多，需占用大量樓面面積。由于樓頂已布置空調(diào)機(jī)組、消防設(shè)施、給排水設(shè)施等，占用了部分樓頂空間，進(jìn)一步壓縮了布置廢氣治理設(shè)施的空間，使得廢氣治理設(shè)施面臨無地可放的困境。

1.3 實(shí)驗(yàn)樓樓面承重存在較大壓力

根據(jù)調(diào)研顯示，高校實(shí)驗(yàn)樓樓頂?shù)木己奢d通常不超過5 kN/m2，而部分廢氣治理設(shè)備的靜荷載超過10 kN/m2，超出了承重范圍。因而，已建實(shí)驗(yàn)樓的廢氣治理改造，通常還需要先進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)。

1.4 前端廢氣收集風(fēng)管易腐蝕老化

典型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)樓產(chǎn)生的廢氣中，主要污染物為酸霧和VOCs。最常用的廢氣輸送管有304 材質(zhì)不銹鋼風(fēng)管、PP 板材焊接風(fēng)管、FRP 復(fù)合風(fēng)管、無機(jī)玻璃鋼風(fēng)管。304 材質(zhì)不銹鋼風(fēng)管易被酸霧腐蝕；PP 板材焊接風(fēng)管相對強(qiáng)度低，耐火等級低（V0 級板材也達(dá)不到建筑B1 級的指標(biāo)），室外紫外條件下易老化；FRP復(fù)合風(fēng)管長期在VOCs 的作用下會逐漸老化，且耐火等級低（B2）；無機(jī)玻璃鋼風(fēng)管在室外風(fēng)吹、日曬、雨淋、冰凍的長期循環(huán)作用下易風(fēng)化。所以，我們在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)管道的施工中，室內(nèi)部分采用無機(jī)玻璃鋼風(fēng)管，室外部分采用FRP 復(fù)合風(fēng)管。實(shí)驗(yàn)室廢氣收集風(fēng)管無論采用何種材質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)室廢氣污染物的侵蝕下，使用壽命均會有所縮短。

1.5 廢氣治理設(shè)備選擇空間小

由于樓頂空間受限，導(dǎo)致常用的臥式廢氣治理設(shè)備不適用。相較于立式廢氣治理設(shè)備，臥式廢氣治理設(shè)備占地尺寸更大，有限的樓面無法布置大量的臥式廢氣治理設(shè)備。因而，就實(shí)驗(yàn)樓廢氣治理而言，治理設(shè)備應(yīng)向上發(fā)展，多采用立式廢氣治理設(shè)備。立式廢氣治理設(shè)備可節(jié)省占地，但在一定程度上增大了設(shè)備的運(yùn)維難度。

2 實(shí)驗(yàn)樓廢氣治理工程方案改進(jìn)思路

2.1 常用工程方案

（1）收集方案。實(shí)驗(yàn)樓的廢氣收集系統(tǒng)由通風(fēng)柜、集氣罩、管道、止回閥、調(diào)節(jié)風(fēng)閥、壓力計(jì)、變頻風(fēng)機(jī)及PLC 電控系統(tǒng)等組成。通風(fēng)柜、集氣罩、風(fēng)壓傳感器、PLC 控制系統(tǒng)等安裝于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，變頻風(fēng)機(jī)安裝于屋頂，利用排風(fēng)豎井垂直布置[4]。目前常采用分散式的排風(fēng)系統(tǒng)，即把一個房間內(nèi)的通風(fēng)柜及集氣罩與樓頂?shù)囊慌_風(fēng)機(jī)組成一個排風(fēng)系統(tǒng)。工作時，通過壓力傳感器的反饋信號，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，使得通風(fēng)柜和集氣罩的排風(fēng)量維持在一定范圍。

（2）治理方案。實(shí)驗(yàn)室廢氣的主要特征為大風(fēng)量低濃度，廢氣中主要污染物為酸霧和VOCs。針對酸霧，目前常用的治理工藝為吸收法[5]，利用相似相溶和化學(xué)反應(yīng)吸收去除酸霧。針對大風(fēng)量低濃度的VOCs，較成熟的治理工藝為吸收法[6]、光催化[7]、低溫等離子[8]、吸附法[9]等工藝。吸收法適用于處理水溶性的VOC。光催化和低溫等離子工藝適用于降解芳香烴、長鏈有機(jī)物，除臭效果較好，也具有一定的礦化效果。吸附法工藝?yán)梦絼┌l(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)巨大的比表面積，對各類有機(jī)物均具有較高的吸附率。

每一種廢氣治理工藝都有技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)短板，由于實(shí)驗(yàn)室廢氣成分復(fù)雜，既含有無機(jī)污染物又含有有機(jī)污染物，治理工藝需考慮多種工藝進(jìn)行組合，才可起到治理效果。處理實(shí)驗(yàn)室廢氣的常見組合工藝有：“堿液吸收法+活性炭吸附[10]”“堿液吸收法+光催化”“堿液吸收法+低溫等離子”等，其治理思路是首先用堿液吸收除去廢氣中的酸霧，然后采用吸附、光催化或等離子法治理未被堿液吸收的VOCs。

2.2 工程方案改進(jìn)思路

實(shí)驗(yàn)樓廢氣治理目前面臨的主要問題有：廢氣治理設(shè)施在樓頂平面布置困難、實(shí)驗(yàn)樓樓頂難以承受廢氣治理設(shè)備的重量以及前端廢氣收集輸送風(fēng)管易受污染物影響而減少使用壽命等。考慮到目前實(shí)驗(yàn)室廢氣治理的主流工藝為“無機(jī)廢氣治理+有機(jī)廢氣治理”的組合工藝，一套廢氣治理系統(tǒng)包含了2 套廢氣治理設(shè)備，設(shè)想若能將前端無機(jī)廢氣治理設(shè)備放置于樓內(nèi)，樓頂?shù)膹U氣治理設(shè)備將減少一半，則占地尺寸大、荷載偏大、酸霧腐蝕管道等問題基本可以迎刃而解。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外已有相關(guān)的研究，在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)柜內(nèi)內(nèi)置噴淋循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)和酸霧洗滌一體化。受該思路啟發(fā)，下文將探討相較于“樓頂無機(jī)廢氣治理+樓頂有機(jī)廢氣治理”（以下簡稱“集中式方案”），采用“實(shí)驗(yàn)室無機(jī)廢氣治理+樓頂有機(jī)廢氣治理”（以下簡稱“分散式方案”）的優(yōu)越之處（見圖1）。

圖1 集中式方案與分散式方案布置對比圖

3 兩種實(shí)驗(yàn)樓廢氣治理工程方案對比

參考我校實(shí)驗(yàn)樓同等規(guī)模，假定某棟實(shí)驗(yàn)樓共有實(shí)驗(yàn)室100 個，每個實(shí)驗(yàn)室有6 臺通風(fēng)柜，常見的通風(fēng)柜有1800 mm、1500 mm、1200 mm 三種柜寬[11]，假定通風(fēng)柜的規(guī)格均為柜寬1500 mm 型，具體尺寸為1500 mm（柜寬）×850 mm（柜深）×2350 mm（柜高），每臺通風(fēng)柜排風(fēng)量1500 m3/h，則每個實(shí)驗(yàn)室外排風(fēng)量為9000 m3/h，實(shí)驗(yàn)樓總計(jì)排風(fēng)量為900 000 m3/h。

3.1 占地對比

分散式方案相比于集中式方案，從占地上少了樓頂?shù)臒o機(jī)廢氣治理設(shè)備，無機(jī)廢氣治理設(shè)備通常采用堿液吸收填料塔。假定1 個實(shí)驗(yàn)室單獨(dú)采用一套廢氣治理設(shè)施，則共需100 套處理能力為9000 m3/h 的廢氣治理設(shè)施，則分散式廢氣治理方案可以減少樓頂100 臺堿液吸收填料塔。根據(jù)填料塔設(shè)計(jì)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，為保證吸收效果同時防止發(fā)生液泛，空塔氣速不宜超過1.5 m/s。設(shè)計(jì)空塔氣速取1.5 m/s[12]，塔體直徑約1500 mm，加上循環(huán)水箱，吸收塔占地約3.5 m2。該實(shí)驗(yàn)樓共計(jì)減少100 套吸收塔，故可減少樓頂設(shè)備占地約350 m2，有效緩解了樓頂面積不夠的問題。

分散式方案能有效地緩解樓頂占地問題，但反過來將無機(jī)廢氣噴淋設(shè)施并入通風(fēng)柜，勢必改變了原標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜的幾何尺寸。以美國AirClean 的噴淋式通風(fēng)柜為例，其產(chǎn)品有對應(yīng)國內(nèi)常見的1800 mm、1500 mm、1200 mm 柜寬的產(chǎn)品，水平斷面的幾何尺寸（柜寬與柜深）與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜無大的差別，并不多占用室內(nèi)面積。主要差別在于柜體的高度上，一般標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)柜柜高為2350 mm，而噴淋式通風(fēng)柜在柜門以上的部位增加了400 mm 高的噴淋模塊段，總高度為2750 mm，因此對實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)凈高有一定要求（見圖2）。以我校實(shí)驗(yàn)樓為例，2008 年以前建設(shè)的實(shí)驗(yàn)樓一般為6 層，每層結(jié)構(gòu)層高為3.9 m，采用噴淋式通風(fēng)柜有一定困難；2008 年后建設(shè)的實(shí)驗(yàn)樓一般均為五層，每層結(jié)構(gòu)層高4.5 m，采用噴淋式通風(fēng)柜是可行的。

綜合上述分析，將無機(jī)廢氣處理裝置設(shè)置于通風(fēng)柜內(nèi)的分散式方案，對于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部工藝平面設(shè)計(jì)沒有影響，只要建筑的結(jié)構(gòu)層高不低于4.2 m 的實(shí)驗(yàn)室，通過優(yōu)化布置各類水、電、通風(fēng)管道，采用噴淋通風(fēng)柜完全可行。4.5 m 以上層高的實(shí)驗(yàn)室則更為適用。

因此，分散式方案將集中于樓頂?shù)臒o機(jī)吸收塔轉(zhuǎn)移分散到各樓層相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，可有效緩解實(shí)驗(yàn)室樓頂設(shè)備布置困難的問題。

圖2 一般標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜與噴淋式通風(fēng)柜尺寸對比

3.2 樓頂與樓層荷載變化對比

對于屋頂外置的吸收塔和吸附器均采用玻璃鋼材質(zhì)，單臺處理風(fēng)量9000 m3/h 的吸收塔含水重量約3 t，單臺吸附器重量約1.2 t。集中式方案與分散式方案樓頂荷載對比如表1。

表1 兩種方案樓頂荷載對比

由表1 可知，分散式方案相比集中式方案，樓頂廢氣處理設(shè)備荷載可減輕300 t，大大降低了樓頂荷載，減輕了樓頂結(jié)構(gòu)承重的壓力，有利于提高樓面的安全性。

相對室內(nèi)而言，常用的1800 mm、1500 mm、1200 mm 柜寬通風(fēng)柜的噴淋模塊相同，僅在噴淋水量上略有差異。整個模塊凈重100 kg，工作時水槽中的堿液重約120~150 kg，合計(jì)約250 kg?，F(xiàn)將普通全鋼通風(fēng)柜、普通PP 通風(fēng)柜、不銹鋼噴淋通風(fēng)柜、PP 噴淋通風(fēng)柜重量和單位面積荷載對比如表2 所示。

目前實(shí)驗(yàn)樓設(shè)計(jì)的均布荷載為5 KN/m2，即使全部采用不銹鋼噴淋式通風(fēng)柜，樓板也在安全荷載范圍內(nèi)，不需局部特殊處理。

3.3 運(yùn)行管理對比

科學(xué)的運(yùn)行維護(hù)是廢氣處理設(shè)備起到高效凈化作用的重要前提條件，因此廢氣治理設(shè)備的運(yùn)行管理非常重要。堿液吸收塔對酸霧的吸收凈化，主要依靠酸霧溶于水并與堿液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成鹽，但吸收塔內(nèi)的堿液儲量是有限的，因而需要定期檢測吸收液的酸堿度，如發(fā)現(xiàn)吸收液pH 即將變?yōu)樗嵝詣t需要及時更換吸收液，補(bǔ)充新的堿液。在傳統(tǒng)的集中式方案中，吸收塔置于樓頂，吸收液檢測不及時，易造成堿液補(bǔ)充不及時而導(dǎo)致酸霧吸收塔處理效果下降。而采用分散式方案，可以將通風(fēng)柜內(nèi)噴淋系統(tǒng)運(yùn)行管理納入實(shí)驗(yàn)室日常管理中來，由實(shí)驗(yàn)室使用者管理，誰使用誰管理，可有效降低酸霧吸收裝置因吸收液更換不及時而超標(biāo)的概率。

噴淋式吸收塔工作時的局部阻力在500~600 Pa之間，而噴淋式通風(fēng)柜的工作阻力一般在120~150 Pa之間。在同等風(fēng)量的情況下分散式系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)壓頭明顯下降，電機(jī)功率也降低，運(yùn)行費(fèi)用也會下降。

同時，分散式方案將無機(jī)廢氣治理設(shè)備轉(zhuǎn)移至各個實(shí)驗(yàn)室，增加了樓頂可利用面積，使得有機(jī)廢氣治理設(shè)備的布置可以更加科學(xué)，可進(jìn)一步方便人工運(yùn)維管理，幫助降低運(yùn)維難度。

此外，分散式方案噴淋系統(tǒng)位于室內(nèi)，噴淋吸收過程產(chǎn)生的廢液通過室內(nèi)排水管排入污水處理系統(tǒng)，也降低了極冷天氣下室外排水管凍裂的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 各型號通風(fēng)柜重量與單位面積荷載

3.4 前端廢氣收集管道使用壽命對比

分散式方案將酸霧噴淋系統(tǒng)前置于通風(fēng)柜內(nèi)，在廢氣的產(chǎn)生端，即可對污染物起到凈化作用，酸霧噴淋系統(tǒng)可去除大部分的酸霧，同時吸收部分水溶性的有機(jī)物，如乙醇、丙酮等，而集中式方案廢氣處理設(shè)施位于樓頂，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的酸霧及有機(jī)物必須先通過前端收集管道，因而收集管道內(nèi)長期接觸酸霧及各類有機(jī)物，無論管道采用金屬材質(zhì)還是塑料材質(zhì)，均容易腐蝕、老化，而分散式方案在管道前端去除了大部分酸霧及部分水溶性有機(jī)物，輸送介質(zhì)更干凈，因而可延長收集管道的使用壽命。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)室廢氣采用“實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無機(jī)廢氣治理+樓頂有機(jī)廢氣治理”的分散式方案具有降低樓頂廢氣設(shè)備占地面積、減輕樓頂設(shè)備重量、提高運(yùn)行管理水平、延長前端廢氣收集管道等優(yōu)勢，該方案將科研環(huán)保部分納入各個實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，體現(xiàn)了一種綠色科研、人人環(huán)保的理念。然而由于該工程方案中噴淋通風(fēng)柜的單位面積荷載及高度略大于常規(guī)通風(fēng)柜，對樓板的荷載和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)凈高有一定要求，因而，更適用于可全新規(guī)劃的新建實(shí)驗(yàn)樓，已建老實(shí)驗(yàn)樓若具備條件，也可借鑒此方案。