北京市实验室VOCs 排放水平及控制对策

薛亦峰，张秋月，聂 磊，曾景海，庄子威，高喜超，艾德生，张世豪,4，许康利

（1. 北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037；2. 北京市生态环境局，北京 100048；3. 清华大学 实验室管理处，北京 100084；4. 首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048）

挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）是PM2.5和O3的前体物，其排放已成为制约空气质量改善的关键因素[1-4]。VOCs 的来源广泛，既有天然源如植物排放，又有人为源，包括工艺过程源、工业和居民溶剂使用源、移动源、油品储运源[5-9]等。随着《大气污染防治行动计划》《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》以及相关排放标准的发布实施，重点VOCs 排放源如石化、印刷、工业涂装等行业得到一定的控制，VOCs 治理水平逐步提高。随着重点行业污染防治的不断推进，未来VOCs 减排空间将更多地聚焦于非重点VOCs 排放源的控制上。目前对VOCs 的排放控制要求多集中于工业固定源[10-11]和机动车尾气排放源[12-13]等，而对实验室VOCs 排放关注度不够。

北京市现有175 个高等教育单位[14]，约有1 250家研究院所，213 家社会化检测机构和众多的工业企业研发实验室，这些实验室均涉及大量的有机溶剂使用，废气排放口多且密集分布，产生大量的VOCs 排放，是大气污染源的重要组成部分，需要引起足够的重视[15]。根据初步的调研结果，2016 年前多数的实验室的有机废气为直接排放，仅有少数的实验室安装了有机废气净化装置。而根据《北京市大气污染防治条例》规定：向大气排放粉尘、有毒有害气体或恶臭气体的单位，应当安装净化装置或者采取其他措施，防止污染周边环境。实验室有机废气多直排的现状与当前管理要求不符，影响了环境空气质量的改善、不利于实验室人员及周边人群的身体健康[16-18]。

为掌握和了解北京市实验室VOCs 排放状况，对不同类型、典型的实验室进行现场调研和问卷调查，获取实验室有机溶剂使用情况和规律，基于物料衡算初步确定不同类型实验室VOCs 排放因子；开展了实验室VOCs 排放现场监测，初步识别了实验室VOCs 排放水平；基于当前实验室有机废气的产生环节和状况，有针对性地提出VOCs 污染控制技术对策，为环境主管部门制定相关控制对策提供参考和支撑。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究以使用有机溶剂的实验室作为研究对象，包括化学实验室、生物实验室和医学实验室等，分布在各个高校、科研院所、监测检测机构和工业企业当中，实验室的空间分布情况如图1 所示。可以看出，北京市实验室分布较广，在城6 区（东城、西城、朝阳、海淀、丰台和石景山）较为密集。

图1 北京市实验室空间分布情况

实验室VOCs 排放主要来自各种有机溶剂在实验操作过程的挥发产生，通常涉及有机溶剂的操作应在微负压的通风柜中进行，通过引风机从排气筒进行废气排放，一个通风柜可以对应一个排气筒，或几个通风柜集合通过一个排气筒排放，在高校涉及实验较多的学院，如化学学院，有组织排气筒数量非常多，产生大量的有机废气排放。实验室还存在无组织排放的情况，包括直接在实验台上进行涉及有机溶剂的操作或以有机溶剂作为进样的仪器，未通过通风柜等废气收集装置，通过开放空间从门窗逸散到大气环境中。可见实验室VOCs 排放既包括有组织排放，也包括无组织排放。

1.2 有机溶剂使用调查

定量实验室有机废气产生量，关键是要掌握实验室有机溶剂使用规模和规律，再利用物料衡算进行核算[19-22]，但目前相关统计部门并没有将实验室有机溶剂的使用或购置的情况纳入，实验室所在单位通常仅对危险化学品如易燃易制爆化学品进行统计，对于常规的有机溶剂登记和使用记录要求不多，从而导致实验室有机溶剂使用的活动水平数据获取较为困难。

通过调查问卷的形式，向20 家实验室所在单位（6 家科研院所、5 家高等院校、4 家工业企业、3 家检测机构、2 家行政事业单位）的安全和环保管理部门进行调查，发放了实验室有机溶剂使用情况及有机废气治理调查表（包括每种有机溶剂的使用量、实验室有机废气收集装置和烟气净化装置情况等），获取典型实验室所在单位有机溶剂使用的活动水平，结合其废气收集装置情况和有机废气治理技术的情况，采用物料衡算核算其VOCs 产生量和排放量，经过加和平均得到高校、科研机构、工业企业、行政事业和检测机构的VOCs 排放强度。

1.3 核算方法

不同类别实验室VOCs 平均排放强度和北京市实验室VOCs 排放量核算公式，如公式（1）和公式（2）所示：

E 为实验室VOCs 排放量，t；EFi为不同单位类型（高等院校、科研院所、工业企业、行政事业和检测机构）VOCs 排放强度，t/家；Aj,n为同一单位类型不同样本实验室不同有机溶剂使用量；η回收为有机溶剂回收量，视同为有机溶剂进入废液（或危废）比例；n 为调查的样本。

2 结果与讨论

2.1 实验室VOCs 排放环节与特点

实验室VOCs 来自有机溶剂的挥发或有机溶剂混合发生化学反应所产生的，如果不进行收集，将通过无组织的方式排放。通风柜是最常见的废气收集装置，包括有管道和无管道的通风柜，无管道的通风柜通常集成了废气的净化装置。通过废气收集装置，实验所产生的VOCs 可有效地通过排气筒排入大气，即为有组织排放，减少了对实验室人员的危害[23-24]。但对于环境来讲，如果仅收集而不净化，排入大气环境中的VOCs 排放量是不变的，同样造成环境影响。因此对于VOCs 污染治理的总体思路是加强对无组织排放有机废气的收集，化无组织为有组织，再通过有效的有机废气净化装置[25-26]，减少其VOCs 的排放量；实验室VOCs 排放特征如图2 所示。

图2 实验室VOCs 排放特征

由于使用有机溶剂的实验种类很多，包括生物、化学、医学等，每种实验的有机溶剂种类和用量也不尽相同，实验室有机溶剂使用规律不明显，反映在排放上，体现出来间歇性、瞬时性和波动性的特点。

2.2 实验室VOCs 排放水平

2.2.1 实验室VOCs 实际监测

对典型化学实验室进行了VOCs 排放的离线监测，实验人员在通风柜内进行涉及有机溶剂的化学实验。分别对实验室内（离通风柜约1 m 处）和通风柜连接的排气筒进行VOCs 平行3 次采样（固定污染源废气—挥发性有机物的采样—气袋法—HJ 732），将VOCs 样品运回实验室采用气相色谱–质谱法进行非甲烷总烃和苯系物的测定，结果见表1。

表1 典型实验室有机废气排放水平

由表1 可以看出，该实验室有组织非甲烷总烃排放浓度为30.67 mg/m3，未超过排放限值（50 mg/m3），但由于现场监测时涉及仪器的使用，对实验人员的正常操作产生一定的干扰，多数的操作未得到很好的延续和执行，与实际的操作环境可能会有一定的差异。但监测结果显示实验室有机废气无组织排放浓度相当大（29.07 mg/m3），与有组织排放浓度相当接近，说明了实验室有机废气的收集效果和通风效果较差，有机废气的无组织逸散较为严重。

苯系物浓度呈现出相近的特点，甲苯的排放浓度最高，物质的浓度与其使用的有机溶剂种类最为相关。虽总体排放浓度不高，但有组织排放浓度与无组织排放浓度差异不明显，同样说明了有机废气收集缺失，污染排放对于实验室人员的健康影响风险增大。

2.2.2 实验室VOCs 在线监测

为更准确识别实验室VOCs 排放水平，于2019年3 月18—22 日，对某高校化工系2 个典型实验室开展了连续5 天的VOCs 浓度连续监测，每10 s 取一个数据（PID minirate3000）。实验室VOCs 日平均浓度和最大浓度如图3 所示。可以看到，由于实验的不连续和间歇性，实验室VOCs 浓度表现出较强的波动性和瞬间排放的特点，最大值与平均值差异较大。由于通风柜处于无操作的时间较多，因此观测期间平均浓度较低，2 个实验室平均浓度分别为1.6 mg/m3和1.3 mg/m3。在涉及有机溶剂较多的实验状态下，实验室VOCs 浓度迅速增加，平均浓度可分别达53.2 mg/m3和60.6 mg/m3，日最大浓度值可达140.7 mg/m3和231.0 mg/m3。可见实验室VOCs 整体平均浓度虽然不高，但实验高峰期VOCs 浓度可以高达100～240 mg/m3，超过《北京市大气污染物综合排放标准》中规定的VOCs 排放限值（50 mg/m3），需要引起足够的重视。

图3 典型实验室VOCs 浓度

2.3 实验室VOCs 排放强度

根据1.2 节方法进行的实验室有机溶剂使用情况调查，对20 家实验室所在单位反馈回来的有机溶剂使用情况进行整理和汇总，结合各个实验室有机废气的收集和治理技术状况，根据公式（1）和（2）计算得到不同实验室类型VOCs 平均排放强度（见图4）。高等院校、工业企业、行政事业、检测机构、科研院所实验室VOCs 排放强度分别为2.78、3.06、1.39、3.34、2.98 t/家。可以看到，检测机构VOCs 排放强度较大，主要与其业务量和有机溶剂使用量较大有关。行政事业单位实验室VOCs 排放强度较小，约为检测机构的47 %，也主要受有机溶剂使用情况影响。

结合不同实验室类型的数量，初步估算了2016年北京市实验室VOCs 排放总量，约为4 567 t，约占北京市VOCs 排放总量的1.59 %，超过了汽修、医院等VOCs 排放源，甚至超过了电子、医药等工业源[27]。

相对于其他VOCs 污染源，已开展了源头溶剂替代、废气收集、末端治理等防治工作，涉及有机溶剂使用的实验室量大面广，有机废气多为直排，污染控制程度较低，未来具有较大的减排潜力和空间。

图4 不同类型实验室VOCs 排放强度

实验室VOCs 排放空间分布情况如图5 所示，可以看到实验室 VOCs 排放主要集中于东城、西城、海淀和朝阳，其中海淀区实验室VOCs 排放量最高，占全市的36.84 %，主要与其教育资源较多有关，有机溶剂使用量大，是核心区东城和西城的3 倍多。朝阳仅次于海淀，占全市的16.14 %，同样与其实验室数量较多有关。

图5 各区实验室VOCs 排放量

2.4 实验室VOCs 控制对策

结合实验室VOCs 排放环节和特点，其来源主要来自有机溶剂在实验过程的挥发产生，但由于实验室有机溶剂的源头替代可操作性较差，因此实验室有机废气主要从两个方面进行控制，一是加强实验过程控制，如实验操作的规范及加强废气收集等；另一方面就是装备高效的有机废气净化系统，提高末端治理控制水平，从而降低实验室VOCs 排放[28-29]。

建议尽快出台相应的实验室VOCs 防治技术规范来指导和促使实验室所在单位加强对有机溶剂的使用和管理，化无组织为有组织排放，不断提高有机废气的收集效率，通过装备高效的有机废气净化系统降低实验室VOCs 排放水平。

3 结语

实验室由于有机溶剂的使用及物质间反应产生VOCs，是一类被忽视的污染源，基本未纳入排放清单、环境执法和监管中。针对当前的现状，本研究通过实验室有机溶剂使用调查、典型实验室VOCs 排放水平的监测，初步了解了实验室VOCs 排放状况，得到了不同实验室类型VOCs 排放强度，初步核算了2016 年北京市实验室VOCs 排放量。基于实验室VOCs 排放特点，提出实验室VOCs 污染控制对策，主要结论如下：

（1）由于实验的间歇性和灵活性，使得实验室VOCs 排放具有明显的波动性和不稳定性，与实验所涉及的有机溶剂的使用种类、使用量密切相关。在实验高峰时段，实验室的VOCs 排放浓度容易超过综合排放标准中规定的限值要求。

（2）根据问卷调查结果，汇总分析得到了不同实验室类型VOCs 排放强度，高等院校、工业企业、行政事业、检测机构、科研院所实验室VOCs 排放强度分别为2.78、3.06、1.39、3.34、2.98 t/家。在此基础上，核算得到2016 年北京市实验室VOCs 排放总量，约为4 567 t，由于实验室有机废气多为直排，污染控制程度较低，在治理上具有较大的减排潜力。

（3）实验室有机废气主要从两个方面进行控制，即实验过程控制，如实验操作的规范及加强废气收集等，并装备高效的有机废气净化系统，提高末端治理控制水平，从而降低实验室VOCs 排放。