實驗室廢液全自動收集處理裝置的研制及應(yīng)用

郭永軍，隋志方*，王曹宇，胡自勝

(1.鶴壁市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南 鶴壁 458030； 2. 鄭州嘉禾儀器設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450001)

實驗分析是近代科技發(fā)展的最基本的創(chuàng)新手段與驗證方法，但是隨著現(xiàn)代實驗分析發(fā)展，不可避免地產(chǎn)生大量的有毒有害廢液[1]。這些廢液有如下特點：1)多樣性：無論是高校、科研院所和質(zhì)檢部門，還是企業(yè)的分析化驗室，實驗項目繁多，研究方向不同，所用試劑多種多樣，因此排放廢液組分多變，其成分非常復雜，導致回收和處理非常困難。2)分散性：實驗室廢液的排放與工廠企業(yè)的廢液排放有著本質(zhì)的不同，工廠企業(yè)的廢液排放均為集中排放，或者分在幾個工序進行排放。而每一個實驗室都是一個排放點，并且經(jīng)常會和實驗樓中的日常廢水混合排放，由此進一步加劇了廢液處理的難度[2]。這些廢液成分復雜，無害化處理工藝復雜，實驗室自行處理幾乎不可能。

目前實驗室廢液處理的方式是委托有資質(zhì)的廢液處理公司進行處理[3]。但該方法存在以下缺點或不足：1)回收廢液費用高。目前按國家規(guī)定的危險化學品廢液回收每公斤最高達到幾百元以上，還不包含運輸費用、實驗室回收儲存管理費等；一旦達成回收協(xié)議，年年都需支付相關(guān)費用。2)運輸風險高。實驗室廢液成分復雜，運輸過程中不確定因素多，危險系數(shù)高。3)處理不及時、不方便，存在儲存風險。危險化學品廢液只能用專用危險化學品車輛回收，而且要有相關(guān)資質(zhì)的運輸公司才能運輸。這種特殊車輛一般白天是不允許進入市區(qū)，所以上門回收都在夜晚進行；給實驗室配合回收工作人員造成很大困難。因此回收公司一般幾個月或半年才回收一次，這期間大量廢液儲存在實驗室中，有很大的安全隱患；而且根據(jù)《危險廢物貯存污染控制標準GB 18597-2001》規(guī)定，實驗室廢液在存放不相容的兩種以及以上的廢液時，不僅需要在不同的地方分別暫存，而且還要對劇毒類、易燃、易爆以及產(chǎn)生有毒氣體的廢液進行必要的預處理，才能暫存。這樣不僅占用大量實驗室空間、增加實驗人員的工作量，而且存在極大的安全風險。4)簽定的合同，不能有效執(zhí)行?？紤]到回收公司的特殊性，一般一個省有資質(zhì)的廢液回收公司極少，而實驗室的分散性以及單個實驗室廢液量較少決定了回收處理綜合成本極高，造成大部分實驗室無法有效執(zhí)行廢液相關(guān)回收處理協(xié)議或無法簽訂回收處理協(xié)議；一部分環(huán)保社會責任擔當?shù)娜笔?，不可控因素增多，增加了對環(huán)境二次污染的風險。

為了解決這一問題，科研工作者和實驗室管理人員已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作。王曉琴等[4]設(shè)計開發(fā)了三段式無極廢液處理裝置，使得無機廢液經(jīng)初步過濾后，依次進入鐵屑反應(yīng)器和FeS反應(yīng)器，中和過濾后，所得濾液接近中性且無色透明，達到重金屬廢液排放要求。周建鐘等[5]將電加熱套、套式三頸瓶、分餾柱、冷凝管等組合在同一裝置內(nèi)綜合設(shè)計了一種新型實驗室有機溶劑回收利用裝置，可及時回收處理實驗室內(nèi)產(chǎn)生的2～5 L體量的有機廢液。同時還有科研工作者對環(huán)境檢測實驗室、化纖實驗室、預防醫(yī)學實驗室、食品檢驗實驗室、冶金及機械行業(yè)實驗室、高校實驗室等不同行業(yè)實驗室[6-14]產(chǎn)生的廢液提出針對性的解決方案。然而，對實驗室的廢液而言，既方便徹底又適用于多行業(yè)實驗室，既經(jīng)濟又安全處理方法還沒有。所以，開發(fā)價廉、快捷、安全、徹底的無害化處理方法和手段顯得尤為迫切。

1 實驗室廢液全自動收集處理裝置結(jié)構(gòu)及設(shè)計

1.1 裝置主要結(jié)構(gòu)及流程

實驗室廢液全自動收集處理裝置如圖1所示，該裝置主要包括四個不同廢液回收桶和廢液收集處理裝置兩部分，其中廢液處理裝置又分為有機廢液處理裝置、無機廢液處理裝置和廢酸處理裝置三部分。全自動廢液收集處理流程如下：將自動收集桶按類別(有機廢液、重金屬廢液、廢酸等)放入儀器廢液收集處或理化室器皿清洗池旁，將儀器產(chǎn)生的廢液、清洗器皿時器皿的廢液，按照分類依次倒入自動廢液收集桶中，廢液收集桶自動將廢液抽吸到廢液處理裝置的廢液桶中，桶中有自動識別傳感器，到一定廢液量后廢液處理裝置自動啟動，直至廢液自動處理完成，儀器自動停機，整個過程無人值守，全部自動完成。

圖1 實驗室廢液收集處理裝置主體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Laboratory waste liquid collection and treatment device diagram

實驗室廢液全自動收集處理裝置中使用了進口高性能陰陽離子樹脂，重金屬吸附徹底，吸附量大，效率高達99.9%，吸附后的廢液中重金屬濃度達到零點幾個ppm，遠超國家對城市污水的重金屬排放標準；超大不銹鋼燃燒爐，適合各種濃度的有機廢液的處理；燃燒后的廢氣通過廢氣凈化裝置進一步處理，確保有機廢液100%處理。設(shè)備雙重泄漏報警保護，熄火自動斷氣保護，儀器安全性很高；廢液瓶采用密閉封存，防止了廢液泄漏造成二次污染，可有效保護實驗室工作人員安全。

實驗室廢液全自動收集處理裝置中使用了進口高性能陰陽離子樹脂，對重金屬吸附效率高，再將吸附樹脂中的重金屬洗脫、提純、再利用，工藝簡單，成本低廉。各種重金屬回收后，離開污染的水、土壤、空氣變成重要的金屬原材料，其經(jīng)濟價值很高，為國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮重要作用。

1.2 廢液處理

廢液處理前，要知道廢液信息并對其進行分類，主要將其分為有機類、無機(重金屬)類以及廢酸類等，同時要堅持物質(zhì)不相容原則和包裝不容器原則，避免出現(xiàn)安全事故。因此需要實驗人員具備良好的廢液回收意識和訓練。

1.2.1 有機廢液處理

1)處理原理

可處理有機廢液主要包括：有機溶劑、石油類、油脂類物質(zhì)、糖類、蛋白質(zhì)、多環(huán)芳烴、甲苯、苯酚、烷烴、烯烴、酮、醚、酚、醛、有機酸等。經(jīng)分析，上述有機廢液基本化學結(jié)構(gòu)是由C、H組成，通過高溫燃燒生成H2O和CO2，部分含有N等其他元素的有機物通過高溫燃燒后產(chǎn)生氮氧化合物等其他氧化物，通過吸附裝置中的活性炭、堿性吸附液進行多級吸附，可實現(xiàn)有機廢液的徹底分解。

其燃燒化學反應(yīng)式：

CxHyOz+(x+y/4-z/2)O2→xCO2+y/2H2O

CxHy+(x+y/4)O2→xCO2+y/2H2O

2C2H3ON+(4+x)O2→4CO2+3H2O+2NOx

H2O、CO2和NOx→多級吸附

2)處理裝置

如圖2所示，為便于充分燃燒，有機廢液經(jīng)高壓泵和空氣泵共同作用吸入氣化室發(fā)生氣化，然后通過燃燒室高溫分解后，進入冷卻罐冷卻處理，經(jīng)過水汽分離，液體進行中和，而氣體則進入通風吸附裝置進行多級吸附，經(jīng)尾氣檢測系統(tǒng)檢測合格后排入大氣中。該裝置設(shè)計有機廢液處理速度為1～3 L/h，有機廢液處理效率為99.9%。

圖2 有機廢液處置示意圖Fig.2 Schematic diagram of organic waste liquid disposal

1.2.2 無機(重金屬)廢液處理

重金屬廢液主要包括鎘、鉻、鉛、錳、銀、鎳、鋅、銅、鋁、砷等金屬陽離子以及處于化合態(tài)的重金屬離子團(Cr2O7)2-、(CuCN)-、(AuCN)-、(PtCl6)2-等，如圖3所示，采用高效吸附樹脂組件進行吸附。樹脂組件作為耗材，吸附飽和后可以更換，通過集中回收處理，可以重復使用。樹脂組件的重金屬吸附率為99.9%，其排放濃度遠遠低于國家對重金屬排放要求。

如圖3所示，重金屬廢水和堿液一同抽入中和罐中，經(jīng)過碳酸鈉中和，隨即進入吸附系統(tǒng)，經(jīng)過樹脂多次循環(huán)吸附后，進一步進行微生物、有機物消殺分解，經(jīng)檢測達標后排放。該裝置設(shè)計重金屬廢液處理速度為20 L/h，重金屬廢液處理率為99.9%。

1.2.2 廢酸處理

硝酸、鹽酸、硫酸、高氯酸等酸性廢物用碳酸鈉溶液進行中和，當pH達到7時自動排放。氫氟酸用堿中和后,再用專用樹脂吸附氟離子再排放。

其化學反應(yīng)式如下：

AH+Na2CO3→NaA+H2O+CO2↑

需要特別指出的是氫氟酸中的F-屬于第二類污染物，在中和后要對氟離子吸附再處理。該裝置設(shè)計廢酸處理速度為200 L/h，廢酸處理效率為100%。

圖3 無機廢液(重金屬)處置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the disposal of inorganic waste liquid (heavy metals)

2 裝置性能測試

2.1 裝置處理模擬廢液產(chǎn)生廢氣測試

根據(jù)HJ/T 194環(huán)境空氣質(zhì)量手工檢測技術(shù)規(guī)范要求，對實驗室廢液全自動收集處理裝置處理模擬廢液的所在室內(nèi)環(huán)境進行采樣檢測，測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明，二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氨、臭氧、甲醛、苯、二甲苯、苯并芘、PM10、TVOC的濃度值均符合GB/T 18883-2002中室內(nèi)空氣質(zhì)量標準中相應(yīng)的標準限值的要求，硫化氫、苯乙烯的濃度值均符合《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標準TJ 36-79》中居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度要求。

表1 室內(nèi)環(huán)境空氣檢測報告

2.2 裝置處理模擬廢液產(chǎn)生廢水測試

根據(jù)HJ/T 91地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求，對實驗室廢液全自動收集處理裝置處理模擬廢液的廢水進行采樣檢測，測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，廢水中總鈹(Be)、總鎳(Ni)、總鉛(Pb)、總鎘(Cd)、總銀(Ag)、總砷(As)、六價鉻、總汞(Hg)和烷基汞排放濃度值均符合國家標準GB 1883中第一類污染物最高允許排放濃度的相應(yīng)標準限制，總銅(Cu)、總鋅(Zn)、總錳(Mn)、總硒(Se)排放濃度值均符合GB 1883中第二類污染物最高允許排放濃度中一級標準的相應(yīng)標準限值要求。這說明經(jīng)過實驗室廢液全自動收集處理裝置排放到室內(nèi)的空氣質(zhì)量均能滿足標準要求。

表2 室內(nèi)環(huán)境空氣檢測報告

3 結(jié)論

實驗室廢液全自動收集處理裝置將直接對各種實驗室廢液進行有效的處理，大大降低實驗室廢液對環(huán)境造成的危害，實驗室廢液全自動收集處理裝置作為可移動的實驗室廢液無害化、減量化處置平臺，基于實驗室廢液品種多、毒性大、分散性強、區(qū)域偏遠，是最理想、最徹底、最切實可行的處置方案。同時實驗室廢液全自動處理裝置的普及將會幫助實驗室工作人員及學員樹立正確的環(huán)保意識和環(huán)保觀念，因此實驗室廢液全自動收集處理裝置普及項目具有極大的社會效益。

雖然國家對實驗室廢液處理有嚴格要求，但現(xiàn)實是監(jiān)督不是很到位，隨意亂倒現(xiàn)象很多。并且實驗室廢液處理相關(guān)國家標準缺失，造成處理設(shè)施裝置無標準可循，無權(quán)威部門出具的鑒定證書，市場認可有待提高。創(chuàng)新的實驗室廢液全自動收集處理裝置還處于起步階段，市場認可度、自身完善度等仍需進一步提高。