环境科学实验室污染防控分析

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1各功能实验室存在的污染及危害

1.1废液

实验室产生的废液包括多余的污水样品、标准曲线及样品分析残液、失效的贮藏液和洗液、大量洗涤水等[2]。几乎所有的常规实验项目都不同程度存在着废液污染问题。这些废液的成分十分复杂,有强酸、强碱废液、废标准溶液、有机物、重金属离子和有害微生物等等,其中包括汞、铬、砷等第一类污染物。

(1)第一类污染物。实验室排放的污染物中包括六价铬、砷、汞等第一类污染物。六价铬主要来自“蚕豆根尖微核监测技术”实验,采用1mol/L的三氧化铬浸泡蚕豆根尖1h,将产生500mL左右的三氧化铬废液;“废水中铬的测定”实验,产生少量的铬标准溶液;“化学需氧量实验”也产生少量的重铬酸钾废液。砷废液主要来自“土壤中砷的测定实验”,采用砷吸收液吸收砷化氢气体,比色后剩余含砷废液近200mL。“化学需氧量实验”中,为消除氯离子的影响,加入一定量的硫酸汞络合,产生少量硫酸汞废液;“废水中汞的测定”实验,产生少量的汞标准溶液;压力计、温度计等含汞仪器操作不慎打碎,也会产生汞的污染。第一类污染物能在环境或动植物体内蓄积,对人体健康产生长远不良影响。

(2)酸碱废液。实验室用到大量的酸碱,包括硫酸、硝酸、磷酸、盐酸、高氯酸、氢氧化钠、碳酸钙。如在“土壤中汞的测定”实验中,因玻璃对汞有吸附作用,所用的玻璃器皿需用10%硝酸溶液浸泡,实验结束将产生50L左右的硝酸废液;在“农作物秸秆制备活性炭”实验中,秸秆首先需用40%的磷酸溶液浸泡24~40h,因而将产生30L左右的磷酸废液;在“碱液吸收气体中的二氧化硫”实验中,需用5%氢氧化钠或碳酸钙溶液吸收二氧化硫,实验结束也将产生至少250L的碱性废液。根据污水综合排放标准,当pH大于9或小于6时,水中的生物生长受到抑制,致使水体自净能力下降,影响渔业和农业生产。

(3)其他废标准溶液。测定物质的浓度时,需要配置其标准溶液并将产生相应的废标准溶液。如“废水中酚的测定”和“苯酚降解菌的分离及降解性测定”2个实验均产生废苯酚标准溶液。“活性炭吸附有机废气实验”产生废甲醛标准溶液。“水中氮、磷浓度的测定”实验产生氮、磷标准溶液。这些废液的排放对水体将产生不同程度的影响,最新研究表明,甲醛已经成为第一类致癌物质,苯酚对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用,氮、磷等营养盐则是发生富营养化的必要条件。

(4)有机溶剂废液。实验室产生的有机溶剂废液种类繁多,如“土壤中砷的测定”实验所用的砷吸收液即以氯仿为母液,吸收过程中吸收液减少时,还需添加氯仿,实验产生大量氯仿废液。另外还产生四氯化碳、苯系物等有机溶剂,这些有毒物质通过消化系统传入血液,然后传入肝和肾,诱发慢性肝病和肾病,甚至造成肝肾功能衰竭。

1.2废气

实验过程产生的废气包括塑料热解产生的废气、大气实验中未被处理的气体、试剂和样品的挥发物、分析过程的中间产物、泄漏的标气、载气等。包括苯系物、二氧化硫、甲醛、砷化氢、氯仿、四氯化碳、氮氮化物、酚、汞蒸气及各种酸雾等。如果将其直接释放到大气中如果将其直接释放到大气中,废气中的苯、甲苯对神经系统有毒害作用,严重时会昏迷以致失去知觉,停止呼吸;吸入较高浓度砷化氢可发生急性肾功能衰竭;二氧化硫、氮氧化物在空气中会形成酸雨;甲醛有致癌性;酚对各种细胞有直接损害,对皮肤和粘膜有强烈的腐蚀作用;汞蒸气会引起人体消化道、口腔、肾、肝脏等损害,导致人中毒死亡等。

1.3固体废物

环境科学与工程实验室产生的固体废物包括“有害废物固化处理”实验产生的固化含铬废渣,“混凝沉淀”实验产生的沉淀残渣,分析未用完的多余固体样品(如含汞土样、含砷土样),残留或失效的药品试剂,消耗或破损的实验用品(如玻璃器皿、纱布)等。这些固体废物成分复杂,涵盖各类化学、生物污染物。若随意丢弃在垃圾堆中,其中的有害组分很容易经过雨雪淋溶、地表径流的侵蚀,渗入土壤,导致土壤和地下水污染。还会随天然降水,进入水体,使地表水污染。然后通过农作物、地表水或地下水对人体产生危害。

1.4噪声

实验室的噪声污染主要来自大气污染控制和水污染控制实验过程中各种设备如水泵、风机等运行时产生的噪声,可长时间持续85dB以上,如大气污染控制实验通常是连续8h启动。长期工作在高噪声环境下而又没有采取有效的防护措施,必将导致永久性的无可挽回的听力损失,甚至导致严重的职业性耳聋。

2实验室环境污染特点

2.1污染物种类多,数量少,累积排放量大

环境科学与工程实验室共开设32个项目的实验以及创新实验、大学生创新项目SRF等,实验过程中产生的污染物种类繁多。根据存在形态,污染物可分为液态、气态、固体物质及噪声。根据种类,污染物可分为有机物,如氯仿、甲醛、乙酰丙酮等;无机物,如各种酸碱、汞、铬、砷等重金属以及氮磷等营养元素。生物类,如各种细菌、病毒。相对于工业企业而言,实验室所产生的污染物排放量并不大,但是长期累积排放量依然会对环境造成重大影响。如“土壤中砷的测定”实验采用氯仿作为吸收剂的母液吸收砷化氢气体,每个样品测定大约产生3mL含砷废液,2个班学生即产生约200mL的含砷废液,长期累积将产生大量废液。

2.2污染物危害大,治理少

环境科学与工程实验室涉及水污染控制工程实验室、大气污染控制工程实验室、固体废弃物实验室和环境监测等4个功能实验室,污染种类齐全,虽然多数项目产生的污染物数量较小,但仍有部分实验项目污染物数量大、环境危害严重,产生国家严格控制排放量的第一类污染物。以水质分析中最常见的CODcr分析为例,一个20mL的水样首先加入10mL即0.1226g重铬酸钾标准溶液作为氧化剂,再从冷凝管上口加入30mL硫酸-硫酸银溶液(0.3g硫酸银),若氯离子含量高于30mg/L,还需添加0.4g硫酸汞,即此项目产生总铬、总银、总汞3项第一类污染物,另外此项目还产生一定量的硫酸污染。

3实验室环境污染的控制

3.1健全管理制度与规范

国家环保总局《关于加强实验室类污染环境监管的通知》规定对各类实验室污染进行监管,要求实验室废液必须经无害化处理后方可排放[4]。作为高校环境科学与工程实验室,环保和教育主管部门应认真研究环境类实验室的污染特点和防治措施,建立实验室污染物管理制度,根据具体情况,因地制宜的制定具体而便于操作的技术规范和奖励、惩罚制度。如我校制定了“华中农业大学报废化学试剂、有害废液和动物实验废物集中处理暂行办法”,由专人负责,将污染物监管工作纳入日常的管理工作中,以促进教学、科研和生活等各项工作的正常开展,做到有据可依。

3.2废物集中管理与处理

实验室污染物种类繁多,但量不大,若每个实验室对每次实验产生的污染物都分别处理,在人力、物力、时间等方面可能存在困难,主管部门应根据污染物的特点分类收集、集中处理。国资设备处对全校废物污染防治工作实施统一的监督管理,并负责集中收集、贮存和处置等工作,各院系教学科研单位负责本单位的废物污染防治和处置工作。要求有害废液用封闭式容器包装,并附有化学实验和主要成分的标记。产生报废化学试剂的单位要书面报告报废化学试剂的品名、种类、数量。报废化学试剂要木箱包装。对有毒、易爆、麻醉品要单独包装和标记。学校采用定期上门和电话预约方式收集报废化学试剂和有害废液。

3.3提高实验老师和学生的环境意识

长期以来,实验人员环境意识不高,致使在实验过程和实验完成后废弃物不能及时收集、分类和集中处理[5]。另外,广大的师生员工也缺乏相应的环保意识。这些都直接影响着实验室的污染程度。因此,在师生中深入开展环境保护教育,树立绿色实验理念,是保护环境、减少进而消除实验室污染的前提和基础。

3.4建立“清洁”实验室

环境科学与工程实验室要按照ISO14001环境管理体系的理念和要求,全面考察实验分析的各个方面,制定相应的程序文件,规范实验室环境行为,充分贯彻ISO14001一贯强调的污染预防和持续改进的基本要求,建立“清洁”实验室[6]。在具体实践中,①可选择低污染的实验方法,一般来说,采用传感器、色谱仪等现代仪器分析常比经典方法污染产生量少,如“甲醛测定”实验时采用甲醛测定仪,污染要少得多,效率却没有降低。②对于可缩小规模的实验项目,科学选择微型实验,用尽可能少的药品和试剂获得有效的实验信息,如在污水COD测定时,所用试剂量按标准方法的一半加入,也可达到满意的教学效果。③对常规实验或演示实验,采用多媒体进行仿真模拟。④成立试剂调度网络,对于危害大、用量少、易失效的试剂实行实验室之间的资源共享,以避免试剂失效[7]。

3.5增加环保资金投入

实验室是进行科学研究和实验教学的重要场所,除必需的仪器设备、实验材料、实验方法和高素质的实验人员、研究人员外,还必须具备良好的实验环境和必要的安全设施,以确保实验结果的质量和实验室的安全,这些问题的解决都需要一定的经费投入。因此,高校要加大对实验室环境保护的资金投入,用来购买、维护及检修实验室常用的环保设备,如通风橱柜、废物收集设施等。在制定实验室建设经费和科研经费使用计划时,要预留对污染物治理设施的建设资金和治污经费或成立专门的实验室环保工作专项基金[6],为实验室污染的有效控制提供资金支撑。

3.6仪器设备、试剂的重复利用

仪器设备、试剂的重复利用是一项双赢的举措,在大量减少环境污染的同时可节省实验室的费用支出[7]。对某些一次性的仪器设备或者在实验过程中不直接参与化学反应的试剂,应该采取积极措施,加以回收利用。如“叶绿素测定”实验经常用到的5mL一次性离心管,要求学生做完实验后洗净控干以便重复使用,可减少塑料制品的固废污染。“蚕豆根尖微核监测技术”实验采用1mol/L的三氧化铬浸泡蚕豆根尖1h来观察其“三致效应”,产生的三氧化铬废液经过沉淀、过滤程序后可回收利用,作为下次该实验蚕豆的浸泡溶液,此项措施可大大减少铬废液的排放量。

3.7实验室污染物防治措施对于实验室污染物的防治,一般处理原则为:分类收集、存放,分别集中处理。尽可能采用废物回收及固化、焚烧处理等方式,减少废物产生量,提高实验室污染治理率。

(1)废液的防治。常见废液的处理方法包括:①实验室排放的六价铬、砷、汞等第一类污染物由学校负责集中收集、贮存和处置等工作。②含其他重金属离子的废液较少,可混合在一起处理,加碱或硫化物使重金属离子转化为难溶性的请氢氧化物或硫化物而沉淀。③对于实验过程中产生的酸碱废液分类回收、集中存放,将酸碱中和,使其pH值在6.5~8.5范围时达标排放。④实验产生的酚、甲醛废标准溶液,可加入次氯酸钠或漂白粉等氧化剂,使其转化成CO2和H2O后排放。⑤实验用过的有机溶剂可采用洗涤、蒸馏、脱水等方式回收,因有机溶剂具有毒性和挥发性,回收操作需在通风橱中进行。如处理四氯化碳时,将其置于分液漏斗中,用纯水洗涤两次,再经过无水氯化钙干燥、过滤蒸馏操作,收集76~78℃的馏分[8]。⑥剩余的氮、磷废标准溶液可回收用来配制植物营养液,以用于“植物抗逆性的鉴定”实验中菠菜等植物的培养。

(2)废气的防治。产生少量有毒有害或有异味气体的实验应在通风橱内进行,通过排风设备将其排到室外,排出管必须高于附近屋顶3m,产生大量有毒有害气体的实验需配备相应的物理吸附、化学吸收、气体燃烧等处理装置[9],如二氧化硫等酸性气体可通过碳酸钙、氢氧化钠等碱性溶液进行吸收,而甲醛等有机气体则通过活性炭等固体吸附剂进行吸附净化。同时设置废气监测仪器,废气浓度达到国家允许的排放标准时,方可排放。

(3)固体废弃物的防治。实验产生的固体废弃物在处理时首先考虑能否回收利用,不能回收时则根据废物是否有毒分别加以处理。对于无毒废物如碎玻璃仪器、废纸等可集中收集,倒入指定地点后由环卫工人统一运走。有毒有害废物根据其特性分别加以处理,如生物类废物根据其病源特性,分类收集后进行消毒、烧毁处理[10],其中无法自行处置的,则交由校国资设备部门集中收集后定期交由环境保护行政主管部门认可的具有经营许可证的相关单位处置。

(4)噪声的防治。噪声污染不同于其它类型的污染,其防治方式包括3种。①降低声源噪音,可以选用低噪音的生产设备和改进生产工艺,或者用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动[11]改变噪音源的运动方式。②降低噪音,控制噪音的传播,改变声源已经发出的噪音传播途径。在声源和传播途径上无法采取措施,或采取的声学措施仍不能达到预期效果时,就需要对受害者采取防护措施,如戴耳塞、耳罩或头盔等护耳器。③因实验教学与办公处于同一楼层,实验课尽量安排在周末开设,以减少受影响人群。

4结语

环境科学与工程实验室污染控制是高校实验室管理工作中的一项重要内容,学校首先应健全管理制度与规范,同时加强教育,提高实验老师和学生的环境意识,学校相关部门应成立专门的实验室环保工作专项基金,对废弃物进行妥善处理,能回收利用的部分尽可能回收利用,能实验室自行处理的部分根据其特性加以处理,不能处理的部分则交由学校相关部门集中收集后统一处理。最终消除或减少污染物对周围环境的污染,以建立“清洁”实验室。