某高層實(shí)驗(yàn)室廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

0 引言

大氣環(huán)境保護(hù)是當(dāng)前中國(guó)環(huán)境治理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，國(guó)家和各地方生態(tài)環(huán)境監(jiān)管部門(mén)相繼發(fā)布了大氣污染的防治規(guī)定[1]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)尤其是生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為承載科學(xué)研究的平臺(tái)，各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室正在加快建設(shè)中。實(shí)驗(yàn)室與一般工業(yè)場(chǎng)所類(lèi)似，會(huì)對(duì)外排放一定量的氣態(tài)污染物，從而影響周邊大氣環(huán)境。這些廢氣大多屬于有毒有害物質(zhì)，是大氣污染物的重要來(lái)源[2]。實(shí)驗(yàn)室廢氣排放具有大風(fēng)量、低濃度、多成分的特點(diǎn)，與工業(yè)企業(yè)的廢氣排放明顯不同。高層實(shí)驗(yàn)室還面臨屋面空間有限、廢氣無(wú)法引至地面的難題，無(wú)法套用成熟的工業(yè)廢氣處理工藝和設(shè)計(jì)。因此，開(kāi)展針對(duì)實(shí)驗(yàn)室廢氣治理的研究，提出實(shí)驗(yàn)室廢氣處理有效且可行的措施，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概況及廢氣污染物種類(lèi)

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于深圳，為一棟高層科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓，總建筑面積48 259.19 m2。建筑地下3層，主要功能為停車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房；地上19層，主要功能為實(shí)驗(yàn)室用房，其中，1～5、7層為醫(yī)療器械檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，8～11層為微生物和藥理毒理實(shí)驗(yàn)室，13～19層為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室和藥物臨床前安全評(píng)價(jià)研究實(shí)驗(yàn)室(GLP實(shí)驗(yàn)室)，6、12層為設(shè)備層。該項(xiàng)目將不同類(lèi)型和功能的實(shí)驗(yàn)室尤其是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用房，豎直布置在同一座高層綜合科研實(shí)驗(yàn)建筑中，其規(guī)模之龐大、工藝之復(fù)雜較為罕見(jiàn)。

1.2 氣態(tài)污染物來(lái)源及成分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室功能，可以將該項(xiàng)目排放的大氣污染物分為2種：1～12層理化生物實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有大量通風(fēng)柜、萬(wàn)向排氣罩、試劑柜等實(shí)驗(yàn)通風(fēng)裝置，其廢氣成分主要為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的酸性廢氣、堿性廢氣、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)等大氣污染物；13～19層動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的廢氣成分為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物代謝產(chǎn)生的惡臭氣體，主要包括氨氣、硫化氫，以及少量的甲硫醇、甲硫醚等臭味氣體。根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室功能、使用強(qiáng)度等因素，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)了各實(shí)驗(yàn)室廢氣成分、濃度、風(fēng)量等指標(biāo)范圍，結(jié)果見(jiàn)表1。為了保護(hù)工作人員安全，各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均設(shè)置排風(fēng)設(shè)施，污染物通過(guò)集中布置于屋面的排風(fēng)系統(tǒng)高空排放。為減少對(duì)周?chē)h(huán)境影響，保障周邊人群健康，需要針對(duì)不同廢氣成分，選用適當(dāng)?shù)膹U氣凈化措施，處理達(dá)標(biāo)后排放。

表1 實(shí)驗(yàn)室廢氣來(lái)源、成分、濃度及風(fēng)量范圍

2 實(shí)驗(yàn)室廢氣排放水平及排放標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 高層實(shí)驗(yàn)室廢氣排放特點(diǎn)分析

該項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)科技園中心，靠近多家高新企業(yè)，且與居民區(qū)距離較近，對(duì)于廢氣排放的處理要求非常嚴(yán)格。與普通實(shí)驗(yàn)室功能單一相比，該項(xiàng)目體量巨大，同時(shí)包含理化、生物實(shí)驗(yàn)室與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室，各種實(shí)驗(yàn)室排放的污染物種類(lèi)與濃度不同，如何采用合理的廢氣處理方式是設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)難點(diǎn)。

該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室既有局部通風(fēng)，也有全室通風(fēng)，排風(fēng)統(tǒng)一通過(guò)立管引至屋面。除辦公室、會(huì)議室、公共走廊等明確無(wú)污染源的排風(fēng)可以直接排放外，其余區(qū)域排風(fēng)均需經(jīng)過(guò)廢氣處理裝置處理，在排放濃度和排放速率均達(dá)到GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[3]、GB 14554—93《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[4]及相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)后高空排放。

2.2 不同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)室廢氣分析

實(shí)驗(yàn)室各種污染因子的排放量與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試劑的使用量(動(dòng)物養(yǎng)殖量)、實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)條件等因素有關(guān)，無(wú)法按照工業(yè)場(chǎng)所依據(jù)工藝和產(chǎn)量進(jìn)行推算的方法計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法是在廢氣排放現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地進(jìn)行廢氣樣品的采集和廢氣流量的測(cè)定，以此確定廢氣污染物產(chǎn)生量和排放量的一種客觀方法。筆者對(duì)以往類(lèi)似項(xiàng)目不同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)室的廢氣排放進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，作為本次設(shè)計(jì)的依據(jù)。其中，無(wú)組織排放廢氣樣品的采集和測(cè)定在污染源的下風(fēng)向近距離處進(jìn)行，有組織排放及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室廢氣樣品的采集和測(cè)定在房間的排風(fēng)口處進(jìn)行。進(jìn)行多點(diǎn)采樣和測(cè)量，以取得平均濃度和流量值，用于計(jì)算廢氣的排放速率。表2、3分別給出了廢氣污染較為突出的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果。

表2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢氣排放質(zhì)量濃度 mg/m3

由表2可以看出：實(shí)驗(yàn)室有組織排放時(shí)非甲烷總烴平均值為30.67 mg/m3，苯系物的質(zhì)量濃度范圍為0.01～0.19 mg/m3，根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)負(fù)荷狀況推測(cè)，非甲烷超標(biāo)可能性很大；無(wú)組織排放質(zhì)量

表3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)排風(fēng)口惡臭污染物濃度比較

濃度較高，基本與有組織排放相當(dāng)。表明實(shí)驗(yàn)室的有機(jī)廢氣未得到有效收集，呈現(xiàn)面狀污染的態(tài)勢(shì)，影響實(shí)驗(yàn)人員的健康，同時(shí)VOC排放也影響空氣質(zhì)量。

表3表明：IVC系統(tǒng)排風(fēng)口惡臭污染物濃度最高；生產(chǎn)區(qū)由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物密度低，排污量次之；實(shí)驗(yàn)區(qū)僅用來(lái)做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物密度最低，故排污量最小。

2.3 廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢氣中主要污染物的分析，參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可以得到該實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中所依據(jù)的廢氣排放控制標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表4。

表4 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房設(shè)施廢氣排放控制限值

3 廢氣處理裝置設(shè)計(jì)

3.1 廢氣處理方案比選

廢氣治理措施有多種方式，常規(guī)方法主要包括噴霧法、吸附法、稀釋法、吸收法、光解法等[6]。其中，噴霧法需使用射流噴霧炮，噪聲過(guò)大，無(wú)法滿足居民環(huán)境要求。以活性炭?jī)艋b置為代表的吸附法，雖然具有效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榛钚蕴课斤柡秃笮枰l繁更換，且存在二次危廢處理，運(yùn)營(yíng)成本較高，不考慮采納。稀釋法使用大風(fēng)量風(fēng)機(jī)吹送新風(fēng)來(lái)稀釋實(shí)驗(yàn)室排出的廢氣，無(wú)法改變廢氣的成分和排放速率，實(shí)際的環(huán)境問(wèn)題并沒(méi)有得到解決，也不建議采納。以噴淋塔為代表的中和吸收法，處理氣量大，維護(hù)成本低，但是設(shè)備體積較大，對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)條件要求較高，不適合放置在設(shè)備密集、空間狹小的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施樓面。紫外光分解凈化設(shè)備體積小、質(zhì)量小，對(duì)大部分有機(jī)物清除效果確切，但對(duì)無(wú)機(jī)氣體處理效果不佳，并且還會(huì)產(chǎn)生大量臭氧，引起二次污染[7]。

由于上述常規(guī)方法均無(wú)法有效應(yīng)用于該項(xiàng)目，故需結(jié)合該建筑廢氣排放特點(diǎn)，選擇更為合適的廢氣處理設(shè)備。經(jīng)過(guò)反復(fù)比選，采用光催化結(jié)合氣液擾流的綜合處理工藝，其特點(diǎn)為采用改進(jìn)后的光催化分解部分無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，隨后通過(guò)高效率的氣液擾流方式，將光催化產(chǎn)物(包括臭氧)、顆粒物、無(wú)機(jī)污染物溶解于水，達(dá)到脫臭、凈化的目的。采用這種工藝的設(shè)備體積小、安裝簡(jiǎn)便、清除范圍廣、無(wú)常規(guī)耗材、無(wú)二次污染、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，適合該項(xiàng)目的理化實(shí)驗(yàn)室、生物實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施廢氣處理。

3.2 一體擾流噴淋設(shè)備的應(yīng)用

光催化結(jié)合氣液擾流的綜合處理裝置(簡(jiǎn)稱一體擾流噴淋設(shè)備)廢氣處理主要采用納米半導(dǎo)體光催化與氣液擾流凈化相結(jié)合的技術(shù)原理，清除實(shí)驗(yàn)室尾氣中的氨、硫化氫、VOC、病原微生物、臭氣等氣態(tài)污染物，減輕實(shí)驗(yàn)室對(duì)周邊大氣環(huán)境的影響。主要工藝流程為：1) 實(shí)驗(yàn)室尾氣從設(shè)備進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)活性氧預(yù)處理，與臭氧和氧自由基混合，增強(qiáng)后端光催化的效率；2) 實(shí)驗(yàn)室尾氣經(jīng)過(guò)納米半導(dǎo)體光催化，污染物被分解；3) 經(jīng)過(guò)臭氧消除段，通過(guò)負(fù)載Mn-Ag催化劑的活性炭纖維濾板，分解處理廢氣過(guò)程中產(chǎn)生的臭氧，使設(shè)備周邊臭氧濃度符合GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》限值規(guī)定；4) 通過(guò)氣液擾流凈化段，在擾流球的擾動(dòng)作用下形成微渦旋，與向下散布的霧化噴淋液充分交融，將廢氣中的可懸浮顆粒物、氨、硫化氫等空氣污染物由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，從而達(dá)到凈化空氣的目的；5) 經(jīng)過(guò)折流除霧，使水汽分離，凈化后的尾氣從排風(fēng)口排出。一體擾流噴淋設(shè)備廢氣處理工藝流程如圖1所示。

圖1 一體擾流噴淋設(shè)備廢氣處理工藝流程(風(fēng)機(jī)正壓段安裝)

采用一體擾流噴淋設(shè)備作為廢氣處理裝置，對(duì)該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室中代表性污染物清除效率的檢測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)定：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)釋放相應(yīng)氣態(tài)污染物，使得一體擾流噴淋設(shè)備前端(未處理)污染物濃度達(dá)到表4控制限值的2倍，然后在后端檢測(cè)污染物濃度及風(fēng)量指標(biāo)，并計(jì)算排放速率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，實(shí)驗(yàn)中模擬的屋面周界廢氣濃度測(cè)試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)出風(fēng)口廢氣采集點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。同時(shí)，為有效去除特定廢氣成分，可在噴淋循環(huán)液中添加不同類(lèi)型的中和劑，增強(qiáng)對(duì)相應(yīng)廢氣成分的吸收性能。根據(jù)上述預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)方法，可以檢測(cè)廢氣處理設(shè)備是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表5 對(duì)代表性氣態(tài)污染物的清除效率

圖2 屋面周界廢氣濃度測(cè)試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)出風(fēng)口廢氣采集點(diǎn)

3.3 一體擾流噴淋設(shè)備選型要點(diǎn)分析

為確保光催化與氣液擾流性能，一體擾流噴淋設(shè)備內(nèi)斷面風(fēng)速不應(yīng)高于3 m/s。為分解處理廢氣過(guò)程中產(chǎn)生的臭氧，需要設(shè)置臭氧消除過(guò)濾器，以額定處理風(fēng)量10 000 m3/h為例，光催化后斷面臭氧質(zhì)量濃度為(32.4±14.7) mg/m3，需要設(shè)置濾材填充厚度為200 mm的臭氧消除過(guò)濾器，風(fēng)阻力為150 Pa，臭氧清除率可達(dá)到70%。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中對(duì)排風(fēng)口周邊臭氧進(jìn)行檢測(cè)，以確認(rèn)其是否滿足排放要求。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法對(duì)臭氧進(jìn)行排風(fēng)口濃度及速率監(jiān)測(cè)，只能按照規(guī)范GB 3095—2012對(duì)排風(fēng)口周邊進(jìn)行臭氧濃度監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 一體擾流噴淋設(shè)備排風(fēng)口周邊臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果 μg/m3

①按照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，臭氧質(zhì)量濃度限值為160 μg/m3。采樣點(diǎn)設(shè)于設(shè)備出風(fēng)口1 m處，分別選擇進(jìn)風(fēng)管方向的右、中、左3個(gè)方位布點(diǎn)采樣求平均值。

實(shí)驗(yàn)室廢氣經(jīng)過(guò)納米半導(dǎo)體光催化裂解，分解產(chǎn)物大部分為CO2、H2O，另有極少量的氮氧化物、臭氧，經(jīng)過(guò)后端的噴淋吸收，臭氧加速分解，少量氮氧化物溶解在噴淋液里，當(dāng)達(dá)到飽和吸收下限時(shí)，排出噴淋液，補(bǔ)充中水。因此，一體擾流噴淋設(shè)備廢水無(wú)需特殊處理即可達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。一體擾流噴淋設(shè)備出水口水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

4 高層實(shí)驗(yàn)室屋面處理裝置的布置

相對(duì)于普通多層實(shí)驗(yàn)室，該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室面積巨大，其中理化實(shí)驗(yàn)室面積共2萬(wàn)m2，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室面積共1.6萬(wàn)m2，排風(fēng)量共計(jì)60萬(wàn)m3/h。共設(shè)置20套動(dòng)物房廢氣治理系統(tǒng)及12套理化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括一體擾流噴淋設(shè)備、低噪聲離心風(fēng)機(jī)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)。為了最大程度地提高空間利用率，合理布置排風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中將排風(fēng)機(jī)集中放置于94.5 m高的屋面層，并預(yù)留檢修通道，一體擾流噴淋設(shè)備放置于99 m的鋼平臺(tái)層，排風(fēng)經(jīng)過(guò)一體擾流噴淋設(shè)備處理達(dá)標(biāo)后排至大氣。屋面排風(fēng)設(shè)備布置如圖3所示。由于屋面空間有限，設(shè)備布置復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)使用了BIM技術(shù)，通過(guò)三維模型直觀地表達(dá)管道與設(shè)備的空間關(guān)系，有效避免了管道、設(shè)備間的碰撞，減少了工程施工過(guò)程中因碰撞產(chǎn)生的變更與返工，提高了工作效率，節(jié)省了施工成本。屋面BIM模型見(jiàn)圖4。

表7 一體擾流噴淋設(shè)備出水口水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

圖3 屋面排風(fēng)設(shè)備布置

圖4 屋面排風(fēng)設(shè)備BIM模型圖

5 廢氣處理設(shè)備經(jīng)濟(jì)性分析

該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性分析見(jiàn)表8。

表8 廢氣處理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

6 結(jié)論及后續(xù)技術(shù)改進(jìn)分析

由于大型高層實(shí)驗(yàn)室具有類(lèi)型的多樣性和功能的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮不同實(shí)驗(yàn)室廢氣污染物的種類(lèi)和排放特點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)家和地方相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，最終確定適合的廢氣處理工藝。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目物理、化學(xué)、生物及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室廢氣排放特點(diǎn)的分析，確定了其主要污染物種類(lèi)及排放強(qiáng)度。在對(duì)比各類(lèi)廢氣處理方案優(yōu)勢(shì)和不足的基礎(chǔ)上，確定了一體擾流噴淋設(shè)備作為主要廢氣處理裝置。該技術(shù)工藝可以有效處理該項(xiàng)目理化實(shí)驗(yàn)室、生物實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室排放的廢氣，在達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，還能有效避免產(chǎn)生臭氧、廢水等二次污染物，是一種可靠的實(shí)驗(yàn)室廢氣處理手段。

高層建筑綜合實(shí)驗(yàn)室廢氣處理面臨很多難題，該項(xiàng)目采用了納米半導(dǎo)體光催化與氣液擾流相結(jié)合的處理工藝，初步解決了既要廢氣排放達(dá)標(biāo)、又要適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件的問(wèn)題。隨著高層實(shí)驗(yàn)室的加速建造，還需要在廢氣處理效果、工藝、布置等方面進(jìn)行持續(xù)觀察和優(yōu)化。比如，該項(xiàng)目排放的氣態(tài)污染物濃度并不高，對(duì)于排放濃度高、風(fēng)量大的高層實(shí)驗(yàn)室，氣液擾流工藝產(chǎn)生的廢水能否達(dá)標(biāo)？本文研究只是針對(duì)深圳地區(qū)氣候環(huán)境，在全國(guó)其他地區(qū)的不同氣候條件下，是否會(huì)影響一體擾流噴淋除臭工藝的凈化效率？本文研究只檢測(cè)了設(shè)備出風(fēng)口的臭氧濃度，光催化過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生不溶于水的新的氣態(tài)污染物，從而產(chǎn)生再生污染？對(duì)這些問(wèn)題的深入研究將進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室廢氣處理技術(shù)、工藝、設(shè)備的研發(fā)創(chuàng)新，為實(shí)驗(yàn)室工程行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供有利保障。