实验室废液全自动收集处理装置的研制及应用

郭永军，隋志方*，王曹宇，胡自胜

(1.鹤壁市质量技术监督检验测试中心，河南 鹤壁 458030； 2. 郑州嘉禾仪器设备有限公司，河南 郑州 450001)

实验分析是近代科技发展的最基本的创新手段与验证方法，但是随着现代实验分析发展，不可避免地产生大量的有毒有害废液[1]。这些废液有如下特点：1)多样性：无论是高校、科研院所和质检部门，还是企业的分析化验室，实验项目繁多，研究方向不同，所用试剂多种多样，因此排放废液组分多变，其成分非常复杂，导致回收和处理非常困难。2)分散性：实验室废液的排放与工厂企业的废液排放有着本质的不同，工厂企业的废液排放均为集中排放，或者分在几个工序进行排放。而每一个实验室都是一个排放点，并且经常会和实验楼中的日常废水混合排放，由此进一步加剧了废液处理的难度[2]。这些废液成分复杂，无害化处理工艺复杂，实验室自行处理几乎不可能。

目前实验室废液处理的方式是委托有资质的废液处理公司进行处理[3]。但该方法存在以下缺点或不足：1)回收废液费用高。目前按国家规定的危险化学品废液回收每公斤最高达到几百元以上，还不包含运输费用、实验室回收储存管理费等；一旦达成回收协议，年年都需支付相关费用。2)运输风险高。实验室废液成分复杂，运输过程中不确定因素多，危险系数高。3)处理不及时、不方便，存在储存风险。危险化学品废液只能用专用危险化学品车辆回收，而且要有相关资质的运输公司才能运输。这种特殊车辆一般白天是不允许进入市区，所以上门回收都在夜晚进行；给实验室配合回收工作人员造成很大困难。因此回收公司一般几个月或半年才回收一次，这期间大量废液储存在实验室中，有很大的安全隐患；而且根据《危险废物贮存污染控制标准GB 18597-2001》规定，实验室废液在存放不相容的两种以及以上的废液时，不仅需要在不同的地方分别暂存，而且还要对剧毒类、易燃、易爆以及产生有毒气体的废液进行必要的预处理，才能暂存。这样不仅占用大量实验室空间、增加实验人员的工作量，而且存在极大的安全风险。4)签定的合同，不能有效执行。考虑到回收公司的特殊性，一般一个省有资质的废液回收公司极少，而实验室的分散性以及单个实验室废液量较少决定了回收处理综合成本极高，造成大部分实验室无法有效执行废液相关回收处理协议或无法签订回收处理协议；一部分环保社会责任担当的缺失，不可控因素增多，增加了对环境二次污染的风险。

为了解决这一问题，科研工作者和实验室管理人员已经开展了相关的研究工作。王晓琴等[4]设计开发了三段式无极废液处理装置，使得无机废液经初步过滤后，依次进入铁屑反应器和FeS反应器，中和过滤后，所得滤液接近中性且无色透明，达到重金属废液排放要求。周建钟等[5]将电加热套、套式三颈瓶、分馏柱、冷凝管等组合在同一装置内综合设计了一种新型实验室有机溶剂回收利用装置，可及时回收处理实验室内产生的2～5 L体量的有机废液。同时还有科研工作者对环境检测实验室、化纤实验室、预防医学实验室、食品检验实验室、冶金及机械行业实验室、高校实验室等不同行业实验室[6-14]产生的废液提出针对性的解决方案。然而，对实验室的废液而言，既方便彻底又适用于多行业实验室，既经济又安全处理方法还没有。所以，开发价廉、快捷、安全、彻底的无害化处理方法和手段显得尤为迫切。

1 实验室废液全自动收集处理装置结构及设计

1.1 装置主要结构及流程

实验室废液全自动收集处理装置如图1所示，该装置主要包括四个不同废液回收桶和废液收集处理装置两部分，其中废液处理装置又分为有机废液处理装置、无机废液处理装置和废酸处理装置三部分。全自动废液收集处理流程如下：将自动收集桶按类别(有机废液、重金属废液、废酸等)放入仪器废液收集处或理化室器皿清洗池旁，将仪器产生的废液、清洗器皿时器皿的废液，按照分类依次倒入自动废液收集桶中，废液收集桶自动将废液抽吸到废液处理装置的废液桶中，桶中有自动识别传感器，到一定废液量后废液处理装置自动启动，直至废液自动处理完成，仪器自动停机，整个过程无人值守，全部自动完成。

图1 实验室废液收集处理装置主体结构图Fig.1 Laboratory waste liquid collection and treatment device diagram

实验室废液全自动收集处理装置中使用了进口高性能阴阳离子树脂，重金属吸附彻底，吸附量大，效率高达99.9%，吸附后的废液中重金属浓度达到零点几个ppm，远超国家对城市污水的重金属排放标准；超大不锈钢燃烧炉，适合各种浓度的有机废液的处理；燃烧后的废气通过废气净化装置进一步处理，确保有机废液100%处理。设备双重泄漏报警保护，熄火自动断气保护，仪器安全性很高；废液瓶采用密闭封存，防止了废液泄漏造成二次污染，可有效保护实验室工作人员安全。

实验室废液全自动收集处理装置中使用了进口高性能阴阳离子树脂，对重金属吸附效率高，再将吸附树脂中的重金属洗脱、提纯、再利用，工艺简单，成本低廉。各种重金属回收后，离开污染的水、土壤、空气变成重要的金属原材料，其经济价值很高，为国民经济建设发挥重要作用。

1.2 废液处理

废液处理前，要知道废液信息并对其进行分类，主要将其分为有机类、无机(重金属)类以及废酸类等，同时要坚持物质不相容原则和包装不容器原则，避免出现安全事故。因此需要实验人员具备良好的废液回收意识和训练。

1.2.1 有机废液处理

1)处理原理

可处理有机废液主要包括：有机溶剂、石油类、油脂类物质、糖类、蛋白质、多环芳烃、甲苯、苯酚、烷烃、烯烃、酮、醚、酚、醛、有机酸等。经分析，上述有机废液基本化学结构是由C、H组成，通过高温燃烧生成H2O和CO2，部分含有N等其他元素的有机物通过高温燃烧后产生氮氧化合物等其他氧化物，通过吸附装置中的活性炭、碱性吸附液进行多级吸附，可实现有机废液的彻底分解。

其燃烧化学反应式：

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→多级吸附

2)处理装置

如图2所示，为便于充分燃烧，有机废液经高压泵和空气泵共同作用吸入气化室发生气化，然后通过燃烧室高温分解后，进入冷却罐冷却处理，经过水汽分离，液体进行中和，而气体则进入通风吸附装置进行多级吸附，经尾气检测系统检测合格后排入大气中。该装置设计有机废液处理速度为1～3 L/h，有机废液处理效率为99.9%。

图2 有机废液处置示意图Fig.2 Schematic diagram of organic waste liquid disposal

1.2.2 无机(重金属)废液处理

重金属废液主要包括镉、铬、铅、锰、银、镍、锌、铜、铝、砷等金属阳离子以及处于化合态的重金属离子团(Cr2O7)2-、(CuCN)-、(AuCN)-、(PtCl6)2-等，如图3所示，采用高效吸附树脂组件进行吸附。树脂组件作为耗材，吸附饱和后可以更换，通过集中回收处理，可以重复使用。树脂组件的重金属吸附率为99.9%，其排放浓度远远低于国家对重金属排放要求。

如图3所示，重金属废水和碱液一同抽入中和罐中，经过碳酸钠中和，随即进入吸附系统，经过树脂多次循环吸附后，进一步进行微生物、有机物消杀分解，经检测达标后排放。该装置设计重金属废液处理速度为20 L/h，重金属废液处理率为99.9%。

1.2.2 废酸处理

硝酸、盐酸、硫酸、高氯酸等酸性废物用碳酸钠溶液进行中和，当pH达到7时自动排放。氢氟酸用碱中和后,再用专用树脂吸附氟离子再排放。

其化学反应式如下：

AH+Na2CO3→NaA+H2O+CO2↑

需要特别指出的是氢氟酸中的F-属于第二类污染物，在中和后要对氟离子吸附再处理。该装置设计废酸处理速度为200 L/h，废酸处理效率为100%。

图3 无机废液(重金属)处置示意图Fig.3 Schematic diagram of the disposal of inorganic waste liquid (heavy metals)

2 装置性能测试

2.1 装置处理模拟废液产生废气测试

根据HJ/T 194环境空气质量手工检测技术规范要求，对实验室废液全自动收集处理装置处理模拟废液的所在室内环境进行采样检测，测试结果见表1。结果表明，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的浓度值均符合GB/T 18883-2002中室内空气质量标准中相应的标准限值的要求，硫化氢、苯乙烯的浓度值均符合《工业企业设计卫生标准TJ 36-79》中居住区大气中有害物质的最高容许浓度要求。

表1 室内环境空气检测报告

2.2 装置处理模拟废液产生废水测试

根据HJ/T 91地表水和污水监测技术规范要求，对实验室废液全自动收集处理装置处理模拟废液的废水进行采样检测，测试结果见表2。结果表明，废水中总铍(Be)、总镍(Ni)、总铅(Pb)、总镉(Cd)、总银(Ag)、总砷(As)、六价铬、总汞(Hg)和烷基汞排放浓度值均符合国家标准GB 1883中第一类污染物最高允许排放浓度的相应标准限制，总铜(Cu)、总锌(Zn)、总锰(Mn)、总硒(Se)排放浓度值均符合GB 1883中第二类污染物最高允许排放浓度中一级标准的相应标准限值要求。这说明经过实验室废液全自动收集处理装置排放到室内的空气质量均能满足标准要求。

表2 室内环境空气检测报告

3 结论

实验室废液全自动收集处理装置将直接对各种实验室废液进行有效的处理，大大降低实验室废液对环境造成的危害，实验室废液全自动收集处理装置作为可移动的实验室废液无害化、减量化处置平台，基于实验室废液品种多、毒性大、分散性强、区域偏远，是最理想、最彻底、最切实可行的处置方案。同时实验室废液全自动处理装置的普及将会帮助实验室工作人员及学员树立正确的环保意识和环保观念，因此实验室废液全自动收集处理装置普及项目具有极大的社会效益。

虽然国家对实验室废液处理有严格要求，但现实是监督不是很到位，随意乱倒现象很多。并且实验室废液处理相关国家标准缺失，造成处理设施装置无标准可循，无权威部门出具的鉴定证书，市场认可有待提高。创新的实验室废液全自动收集处理装置还处于起步阶段，市场认可度、自身完善度等仍需进一步提高。