北京市實驗室VOCs 排放水平及控制對策

薛亦峰，張秋月，聶 磊，曾景海，莊子威，高喜超，艾德生，張世豪,4，許康利

（1. 北京市環境保護科學研究院，國家城市環境污染控制工程技術研究中心，北京 100037；2. 北京市生態環境局，北京 100048；3. 清華大學 實驗室管理處，北京 100084；4. 首都師范大學 資源環境與旅游學院，北京 100048）

揮發性有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）是PM2.5和O3的前體物，其排放已成為制約空氣質量改善的關鍵因素[1-4]。VOCs 的來源廣泛，既有天然源如植物排放，又有人為源，包括工藝過程源、工業和居民溶劑使用源、移動源、油品儲運源[5-9]等。隨著《大氣污染防治行動計劃》《“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》以及相關排放標準的發布實施，重點VOCs 排放源如石化、印刷、工業涂裝等行業得到一定的控制，VOCs 治理水平逐步提高。隨著重點行業污染防治的不斷推進，未來VOCs 減排空間將更多地聚焦于非重點VOCs 排放源的控制上。目前對VOCs 的排放控制要求多集中于工業固定源[10-11]和機動車尾氣排放源[12-13]等，而對實驗室VOCs 排放關注度不夠。

北京市現有175 個高等教育單位[14]，約有1 250家研究院所，213 家社會化檢測機構和眾多的工業企業研發實驗室，這些實驗室均涉及大量的有機溶劑使用，廢氣排放口多且密集分布，產生大量的VOCs 排放，是大氣污染源的重要組成部分，需要引起足夠的重視[15]。根據初步的調研結果，2016 年前多數的實驗室的有機廢氣為直接排放，僅有少數的實驗室安裝了有機廢氣凈化裝置。而根據《北京市大氣污染防治條例》規定：向大氣排放粉塵、有毒有害氣體或惡臭氣體的單位，應當安裝凈化裝置或者采取其他措施，防止污染周邊環境。實驗室有機廢氣多直排的現狀與當前管理要求不符，影響了環境空氣質量的改善、不利于實驗室人員及周邊人群的身體健康[16-18]。

為掌握和了解北京市實驗室VOCs 排放狀況，對不同類型、典型的實驗室進行現場調研和問卷調查，獲取實驗室有機溶劑使用情況和規律，基于物料衡算初步確定不同類型實驗室VOCs 排放因子；開展了實驗室VOCs 排放現場監測，初步識別了實驗室VOCs 排放水平；基于當前實驗室有機廢氣的產生環節和狀況，有針對性地提出VOCs 污染控制技術對策，為環境主管部門制定相關控制對策提供參考和支撐。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究以使用有機溶劑的實驗室作為研究對象，包括化學實驗室、生物實驗室和醫學實驗室等，分布在各個高校、科研院所、監測檢測機構和工業企業當中，實驗室的空間分布情況如圖1 所示。可以看出，北京市實驗室分布較廣，在城6 區（東城、西城、朝陽、海淀、豐臺和石景山）較為密集。

圖1 北京市實驗室空間分布情況

實驗室VOCs 排放主要來自各種有機溶劑在實驗操作過程的揮發產生，通常涉及有機溶劑的操作應在微負壓的通風柜中進行，通過引風機從排氣筒進行廢氣排放，一個通風柜可以對應一個排氣筒，或幾個通風柜集合通過一個排氣筒排放，在高校涉及實驗較多的學院，如化學學院，有組織排氣筒數量非常多，產生大量的有機廢氣排放。實驗室還存在無組織排放的情況，包括直接在實驗臺上進行涉及有機溶劑的操作或以有機溶劑作為進樣的儀器，未通過通風柜等廢氣收集裝置，通過開放空間從門窗逸散到大氣環境中。可見實驗室VOCs 排放既包括有組織排放，也包括無組織排放。

1.2 有機溶劑使用調查

定量實驗室有機廢氣產生量，關鍵是要掌握實驗室有機溶劑使用規模和規律，再利用物料衡算進行核算[19-22]，但目前相關統計部門并沒有將實驗室有機溶劑的使用或購置的情況納入，實驗室所在單位通常僅對危險化學品如易燃易制爆化學品進行統計，對于常規的有機溶劑登記和使用記錄要求不多，從而導致實驗室有機溶劑使用的活動水平數據獲取較為困難。

通過調查問卷的形式，向20 家實驗室所在單位（6 家科研院所、5 家高等院校、4 家工業企業、3 家檢測機構、2 家行政事業單位）的安全和環保管理部門進行調查，發放了實驗室有機溶劑使用情況及有機廢氣治理調查表（包括每種有機溶劑的使用量、實驗室有機廢氣收集裝置和煙氣凈化裝置情況等），獲取典型實驗室所在單位有機溶劑使用的活動水平，結合其廢氣收集裝置情況和有機廢氣治理技術的情況，采用物料衡算核算其VOCs 產生量和排放量，經過加和平均得到高校、科研機構、工業企業、行政事業和檢測機構的VOCs 排放強度。

1.3 核算方法

不同類別實驗室VOCs 平均排放強度和北京市實驗室VOCs 排放量核算公式，如公式（1）和公式（2）所示：

E 為實驗室VOCs 排放量，t；EFi為不同單位類型（高等院校、科研院所、工業企業、行政事業和檢測機構）VOCs 排放強度，t/家；Aj,n為同一單位類型不同樣本實驗室不同有機溶劑使用量；η回收為有機溶劑回收量，視同為有機溶劑進入廢液（或危廢）比例；n 為調查的樣本。

2 結果與討論

2.1 實驗室VOCs 排放環節與特點

實驗室VOCs 來自有機溶劑的揮發或有機溶劑混合發生化學反應所產生的，如果不進行收集，將通過無組織的方式排放。通風柜是最常見的廢氣收集裝置，包括有管道和無管道的通風柜，無管道的通風柜通常集成了廢氣的凈化裝置。通過廢氣收集裝置，實驗所產生的VOCs 可有效地通過排氣筒排入大氣，即為有組織排放，減少了對實驗室人員的危害[23-24]。但對于環境來講，如果僅收集而不凈化，排入大氣環境中的VOCs 排放量是不變的，同樣造成環境影響。因此對于VOCs 污染治理的總體思路是加強對無組織排放有機廢氣的收集，化無組織為有組織，再通過有效的有機廢氣凈化裝置[25-26]，減少其VOCs 的排放量；實驗室VOCs 排放特征如圖2 所示。

圖2 實驗室VOCs 排放特征

由于使用有機溶劑的實驗種類很多，包括生物、化學、醫學等，每種實驗的有機溶劑種類和用量也不盡相同，實驗室有機溶劑使用規律不明顯，反映在排放上，體現出來間歇性、瞬時性和波動性的特點。

2.2 實驗室VOCs 排放水平

2.2.1 實驗室VOCs 實際監測

對典型化學實驗室進行了VOCs 排放的離線監測，實驗人員在通風柜內進行涉及有機溶劑的化學實驗。分別對實驗室內（離通風柜約1 m 處）和通風柜連接的排氣筒進行VOCs 平行3 次采樣（固定污染源廢氣—揮發性有機物的采樣—氣袋法—HJ 732），將VOCs 樣品運回實驗室采用氣相色譜–質譜法進行非甲烷總烴和苯系物的測定，結果見表1。

表1 典型實驗室有機廢氣排放水平

由表1 可以看出，該實驗室有組織非甲烷總烴排放濃度為30.67 mg/m3，未超過排放限值（50 mg/m3），但由于現場監測時涉及儀器的使用，對實驗人員的正常操作產生一定的干擾，多數的操作未得到很好的延續和執行，與實際的操作環境可能會有一定的差異。但監測結果顯示實驗室有機廢氣無組織排放濃度相當大（29.07 mg/m3），與有組織排放濃度相當接近，說明了實驗室有機廢氣的收集效果和通風效果較差，有機廢氣的無組織逸散較為嚴重。

苯系物濃度呈現出相近的特點，甲苯的排放濃度最高，物質的濃度與其使用的有機溶劑種類最為相關。雖總體排放濃度不高，但有組織排放濃度與無組織排放濃度差異不明顯，同樣說明了有機廢氣收集缺失，污染排放對于實驗室人員的健康影響風險增大。

2.2.2 實驗室VOCs 在線監測

為更準確識別實驗室VOCs 排放水平，于2019年3 月18—22 日，對某高校化工系2 個典型實驗室開展了連續5 天的VOCs 濃度連續監測，每10 s 取一個數據（PID minirate3000）。實驗室VOCs 日平均濃度和最大濃度如圖3 所示。可以看到，由于實驗的不連續和間歇性，實驗室VOCs 濃度表現出較強的波動性和瞬間排放的特點，最大值與平均值差異較大。由于通風柜處于無操作的時間較多，因此觀測期間平均濃度較低，2 個實驗室平均濃度分別為1.6 mg/m3和1.3 mg/m3。在涉及有機溶劑較多的實驗狀態下，實驗室VOCs 濃度迅速增加，平均濃度可分別達53.2 mg/m3和60.6 mg/m3，日最大濃度值可達140.7 mg/m3和231.0 mg/m3。可見實驗室VOCs 整體平均濃度雖然不高，但實驗高峰期VOCs 濃度可以高達100～240 mg/m3，超過《北京市大氣污染物綜合排放標準》中規定的VOCs 排放限值（50 mg/m3），需要引起足夠的重視。

圖3 典型實驗室VOCs 濃度

2.3 實驗室VOCs 排放強度

根據1.2 節方法進行的實驗室有機溶劑使用情況調查，對20 家實驗室所在單位反饋回來的有機溶劑使用情況進行整理和匯總，結合各個實驗室有機廢氣的收集和治理技術狀況，根據公式（1）和（2）計算得到不同實驗室類型VOCs 平均排放強度（見圖4）。高等院校、工業企業、行政事業、檢測機構、科研院所實驗室VOCs 排放強度分別為2.78、3.06、1.39、3.34、2.98 t/家。可以看到，檢測機構VOCs 排放強度較大，主要與其業務量和有機溶劑使用量較大有關。行政事業單位實驗室VOCs 排放強度較小，約為檢測機構的47 %，也主要受有機溶劑使用情況影響。

結合不同實驗室類型的數量，初步估算了2016年北京市實驗室VOCs 排放總量，約為4 567 t，約占北京市VOCs 排放總量的1.59 %，超過了汽修、醫院等VOCs 排放源，甚至超過了電子、醫藥等工業源[27]。

相對于其他VOCs 污染源，已開展了源頭溶劑替代、廢氣收集、末端治理等防治工作，涉及有機溶劑使用的實驗室量大面廣，有機廢氣多為直排，污染控制程度較低，未來具有較大的減排潛力和空間。

圖4 不同類型實驗室VOCs 排放強度

實驗室VOCs 排放空間分布情況如圖5 所示，可以看到實驗室 VOCs 排放主要集中于東城、西城、海淀和朝陽，其中海淀區實驗室VOCs 排放量最高，占全市的36.84 %，主要與其教育資源較多有關，有機溶劑使用量大，是核心區東城和西城的3 倍多。朝陽僅次于海淀，占全市的16.14 %，同樣與其實驗室數量較多有關。

圖5 各區實驗室VOCs 排放量

2.4 實驗室VOCs 控制對策

結合實驗室VOCs 排放環節和特點，其來源主要來自有機溶劑在實驗過程的揮發產生，但由于實驗室有機溶劑的源頭替代可操作性較差，因此實驗室有機廢氣主要從兩個方面進行控制，一是加強實驗過程控制，如實驗操作的規范及加強廢氣收集等；另一方面就是裝備高效的有機廢氣凈化系統，提高末端治理控制水平，從而降低實驗室VOCs 排放[28-29]。

建議盡快出臺相應的實驗室VOCs 防治技術規范來指導和促使實驗室所在單位加強對有機溶劑的使用和管理，化無組織為有組織排放，不斷提高有機廢氣的收集效率，通過裝備高效的有機廢氣凈化系統降低實驗室VOCs 排放水平。

3 結語

實驗室由于有機溶劑的使用及物質間反應產生VOCs，是一類被忽視的污染源，基本未納入排放清單、環境執法和監管中。針對當前的現狀，本研究通過實驗室有機溶劑使用調查、典型實驗室VOCs 排放水平的監測，初步了解了實驗室VOCs 排放狀況，得到了不同實驗室類型VOCs 排放強度，初步核算了2016 年北京市實驗室VOCs 排放量。基于實驗室VOCs 排放特點，提出實驗室VOCs 污染控制對策，主要結論如下：

（1）由于實驗的間歇性和靈活性，使得實驗室VOCs 排放具有明顯的波動性和不穩定性，與實驗所涉及的有機溶劑的使用種類、使用量密切相關。在實驗高峰時段，實驗室的VOCs 排放濃度容易超過綜合排放標準中規定的限值要求。

（2）根據問卷調查結果，匯總分析得到了不同實驗室類型VOCs 排放強度，高等院校、工業企業、行政事業、檢測機構、科研院所實驗室VOCs 排放強度分別為2.78、3.06、1.39、3.34、2.98 t/家。在此基礎上，核算得到2016 年北京市實驗室VOCs 排放總量，約為4 567 t，由于實驗室有機廢氣多為直排，污染控制程度較低，在治理上具有較大的減排潛力。

（3）實驗室有機廢氣主要從兩個方面進行控制，即實驗過程控制，如實驗操作的規范及加強廢氣收集等，并裝備高效的有機廢氣凈化系統，提高末端治理控制水平，從而降低實驗室VOCs 排放。