某高校化工學(xué)院酸霧吸收塔供水技改實例分析

張科杰，冒麗娜 （.上海水石建筑規(guī)劃設(shè)計股份有限公司，上海 0004；.南京大學(xué)，江蘇 南京 0000）

0 引言

隨著我國教育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高校興建的化學(xué)、物理實驗樓越來越多。理化類實驗室在正常教學(xué)和研究活動中會使用大量化學(xué)藥劑，化學(xué)藥劑多數(shù)具有一定的揮發(fā)性，部分藥劑具有強揮發(fā)性，部分揮發(fā)出來的氣體不利于人體健康，因此必須將做實驗產(chǎn)生的污染廢氣通過排風(fēng)機引至樓頂排放。外排實驗室廢氣含有酸霧和有機物，如果廢氣直排，一方面有可能危害周圍人員健康，另一方面將面臨環(huán)保處罰，因此有必要設(shè)置廢氣處理設(shè)備進(jìn)行無害化處理。目前應(yīng)用最為廣泛的有機廢氣治理技術(shù)有冷凝法、吸收法、光催化、吸附法、燃燒法等，其中吸收法是化工廢氣治理方法中一種重要的、常用的方法，而酸霧吸收塔是吸收法中重要的設(shè)備。

1 技改原因

某高校一校區(qū)化學(xué)化工學(xué)院屋頂設(shè)置120 臺酸霧吸收塔，用于處理實驗室排放的廢氣。酸霧吸收塔按2 臺或4 臺進(jìn)行分組，共分成35 個供水分區(qū)，由生活飲用水管網(wǎng)向酸霧吸收塔循環(huán)水箱供水。屋頂酸霧吸收塔平面圖（局部）詳見圖1。

圖1 屋頂酸霧吸收塔平面圖（局部）

2019年，該高校3#供水泵房臨時停泵，恰好化學(xué)化工學(xué)院某個酸霧吸收塔循環(huán)水箱的液位閥損壞，造成化學(xué)化工學(xué)院屋面酸霧吸收塔堿性吸收液虹吸回流至供水管網(wǎng)，發(fā)生實驗室供水水質(zhì)污染的事故。

2 酸霧吸收塔構(gòu)造及工作原理

實驗室排放的酸霧廢氣具有水溶性較好、氣量大、濃度低的特點。吸收法工藝是目前應(yīng)用最廣的實驗室酸霧廢氣處理方法，吸收法主要針對廢氣中溶解性組分，即酸霧。

酸霧吸收塔的構(gòu)造原理圖及實景圖分別見圖2、圖3。

圖2 酸霧吸收塔構(gòu)造原理圖

圖3 酸霧吸收塔實景圖

收集的實驗室廢氣首先進(jìn)入酸霧吸收塔入口，氣流從入口自下而上進(jìn)入，循環(huán)液自上而下噴灑，形成逆流接觸。在氣液界面上，污染物組分由氣相轉(zhuǎn)移至液相，與循環(huán)液中的堿液發(fā)生中和反應(yīng)，實現(xiàn)廢氣的吸收處理。為保持較好的酸霧洗滌效果，需定期添加堿液至循環(huán)水箱中，維持循環(huán)水箱中循環(huán)液的pH＞9。

循環(huán)液循環(huán)一定時間后，由于污染物、鹽分等雜質(zhì)累積，氣液界面上的傳質(zhì)推動力降低，宏觀表現(xiàn)為循環(huán)液對污染物的吸收率降低，導(dǎo)致去除效率下降，無法滿足工藝要求，必須進(jìn)行更換，以保持循環(huán)液新鮮。

酸霧吸收塔補水依靠塔內(nèi)設(shè)置的浮球使循環(huán)水箱內(nèi)液位始終保持在一定范圍，水質(zhì)要求清潔、無雜，并且需要穩(wěn)定持續(xù)供給，當(dāng)液位超過一定值時，會從溢流口流出。定期排放的吸收液，需接入污水站處理。

3 事故原因

為避免今后發(fā)生類似事故，校方組織技術(shù)專家對事故原因進(jìn)行了梳理分析，發(fā)現(xiàn)存在兩個設(shè)計缺陷，并提出相應(yīng)的整改方案。

①《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015-2019）第3.3.4 條規(guī)定，“衛(wèi)生器具和用水設(shè)備等的生活水管配件出水口應(yīng)符合下列規(guī)定：出水口不得被任何液體或雜質(zhì)所淹沒；出水口高出承接用水容器溢流邊緣的最小空氣間隙，不得小于出水口直徑的2.5倍”。

原設(shè)計中，酸霧吸收塔循環(huán)水箱進(jìn)水口與溢流口在同一水平高度，沒有預(yù)留足夠高度的空氣間隙，導(dǎo)致溢流口出流時，循環(huán)水箱內(nèi)堿性溶液與進(jìn)水口互相接觸。

②《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015-2019）第3.3.9 條規(guī)定，“生活飲用水管道系統(tǒng)上連接下列含有有害建筑物質(zhì)等有毒有害場所或設(shè)備時，必須設(shè)置倒流防止設(shè)施：貯存池（罐）、裝置、設(shè)備的連接管上；化工劑罐區(qū)、化工車間、三級及三級以上的生物安全實驗室除按本條第1 款設(shè)置外，還應(yīng)在其引入管上設(shè)置有空氣間隙的水箱，設(shè)置位置應(yīng)在防護(hù)區(qū)外[1]”。

酸霧吸收塔循環(huán)水箱貯存的堿性溶液，屬于有毒有害物質(zhì)。原設(shè)計中，循環(huán)水箱補水管上未按規(guī)范要求設(shè)置倒流防止器。

4 技改方案

4.1 方案一

原設(shè)計中，酸霧吸收塔循環(huán)水箱進(jìn)水口與溢流口在同一水平高度，沒有預(yù)留一定的空氣間隙，導(dǎo)致溢流口出流時，循環(huán)水箱內(nèi)堿性溶液與進(jìn)水口互相接觸。因此第一個技改措施擬將原進(jìn)水口接管De25 抬高，使進(jìn)水口高于溢流口150 mm（ΔH≥150mm，同時滿足大于2.5 倍給水管路直徑的要求），以確保循環(huán)水箱液位偏高或浮球閥損壞時，酸霧吸收塔循環(huán)液回流的概率降低。

為了確保循環(huán)水箱的有效容積不變，保持循環(huán)液原有更換周期，在酸霧吸收塔循環(huán)水箱頂部增設(shè)FRP 補水水箱，水箱材質(zhì)與原水箱保持一致，總體尺寸為200 mm×100 mm×150 mm。原給水口永久封堵，不再使用。溢流口、排液口等其它工藝接管管口保持現(xiàn)有尺寸與位置不變。

新增的補水水箱在原給水口以上垂直高度150 mm 處設(shè)置新的給水口，尺寸De25。酸霧吸收塔進(jìn)水口抬高方案詳見圖4。

圖4 酸霧吸收塔進(jìn)水口抬高方案（單位：mm）

酸霧吸收塔循環(huán)水箱貯存的堿性溶液，屬于有毒有害物質(zhì)，一旦進(jìn)入供水管網(wǎng)，就會污染飲用水水質(zhì)，造成飲用水安全事故。原設(shè)計中，循環(huán)水箱補水管上未按規(guī)范要求設(shè)置倒流防止器。為防止酸霧吸收塔循環(huán)水箱內(nèi)的堿性溶液進(jìn)入供水管網(wǎng)，第二個技改措施擬在循環(huán)水箱補水管上增加減壓型倒流防止器，一旦發(fā)生虹吸回流現(xiàn)象，倒流防止器就可以及時阻斷水流。

具體方案：屋面酸霧吸收塔共計120 臺，每臺均有De25 供水管，將該供水管截斷，在手動截止閥后端位置增加DN20 減壓型倒流防止器，合計增加減壓型倒流防止器120個。

4.2 方案二

第一個技改措施同技改方案一。

第二個技改措施擬將35 個供水分區(qū)大幅度縮減合并，整合成3 個供水分區(qū)，各分區(qū)分別對應(yīng)40 臺酸霧吸收塔。每個供水分區(qū)設(shè)置一個有效容積為10 m3的轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱，同時配備2 臺轉(zhuǎn)輸泵，一用一備，單臺泵參數(shù)為Q=12.5 m3/h、H=20 m、N=3 kw。每個轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，水箱底部高出屋面2 m，而酸霧吸收塔循環(huán)水箱頂部僅高出屋面0.8 m，其目的是通過設(shè)置轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱，將技改方案一中供水管道與酸霧吸收塔循環(huán)水箱之間的直接連接改為間接連接，即在供水管道和酸霧吸水塔循環(huán)水箱之間建立緩沖區(qū)域。另外，轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱底部遠(yuǎn)高于酸霧吸收塔循環(huán)水箱頂部，消除了循環(huán)水箱內(nèi)的堿性液體虹吸回流至轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱的可能性。為了進(jìn)一步保障供水管網(wǎng)的水質(zhì)安全，在轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水管上設(shè)置減壓型倒流防止器，同時確保進(jìn)水管管口與溢流口之間的距離為150 mm，具體詳見圖5。

圖5 設(shè)置轉(zhuǎn)輸水箱的改造方案

4.3 對比分析

①技改方案一、二的主要設(shè)備材料見表1。從表1 中可以看出，雖然技改方案二采用的減壓型倒流防止器的個數(shù)遠(yuǎn)少于技改方案一，但是由于技改方案二增加了3 個有效容積10 m3轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱、6 臺補水水泵，另外考慮到需設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，因此技改方案二的整體造價高于技改方案一的整體造價。

表1 各方案主要設(shè)備材料對比

②技改方案一增設(shè)了大量倒流防止器，倒流防止器如果長期不用或長期保持在同一狀態(tài)，就容易導(dǎo)致止水功能失效，因此物業(yè)維護(hù)人員需定期對所有倒流防止器進(jìn)行檢查、檢修及更換，加大物業(yè)維護(hù)人員的工作強度。方案二增設(shè)了轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱，切斷了供水管網(wǎng)直接向酸霧吸收塔補水的途徑，另外轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱底部高于酸霧吸收塔循環(huán)水箱頂部，這樣就不會發(fā)生循環(huán)水箱堿性溶液發(fā)生虹吸回流至轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

①從造價方面比較，技改方案二雖然采用的減壓型倒流防止器較少，但因增設(shè)轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱及補水水泵，并且考慮鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，整體造價高于技改方案一，因此技改方案一有優(yōu)勢。

②從技術(shù)方面比較，技改方案二增設(shè)轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱，給水管網(wǎng)先供至轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱，再由轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)水箱加壓供至酸霧吸收塔的循環(huán)水箱，這樣就徹底切斷了給水管網(wǎng)與循環(huán)水箱之間的聯(lián)系，消除了酸霧吸收塔的循環(huán)水箱內(nèi)堿性溶液虹吸回流至給水管網(wǎng)的隱患，建立了一道供水安全屏障，因此采用技改方案二的話，水質(zhì)安全性更有保障。

③從日常維護(hù)管理的角度看，技改方案一設(shè)置了較多倒流防止器，因此物業(yè)維護(hù)人員需定期對所有倒流防止器進(jìn)行檢查、檢修及更換。這就要求物業(yè)維護(hù)人員必須掌握倒流防止器的相關(guān)構(gòu)造、原理，能夠及時判斷倒流防止器的狀態(tài)，定期檢查、維護(hù)，運營維護(hù)人力成本高。

綜上所述，技改方案二盡管造價稍高些，但供水安全性及日常維護(hù)管理優(yōu)于技改方案一，綜合考慮，校方最終采用技改方案二，進(jìn)行了相應(yīng)改造，取得了預(yù)期的效果。