李成未

(河南財(cái)政金融學(xué)院 環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

環(huán)境科學(xué)專業(yè)開設(shè)有化學(xué)類和專業(yè)類等多門實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容多，化學(xué)試劑和檢測(cè)水樣消耗量大，給廢液的處理造成一定的難度，也是各高校亟待解決的問題之一。隨著我國各行各業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)也愈發(fā)重視，國家對(duì)高校及科研院所的資金投入不斷增加，對(duì)實(shí)驗(yàn)室廢液的監(jiān)管力度也在不斷加強(qiáng)[1-3]。由于這些廢液毒性高、腐蝕性強(qiáng)，部分還有易燃、易爆、易揮發(fā)特性，若不經(jīng)處理直接排放，勢(shì)必對(duì)江、河、湖、水庫或海洋等水資源以及土壤等造成污染[4-8]。

許多高校、科研院所開始重視實(shí)驗(yàn)室的廢物排放問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢氣、廢固、廢液制定了相關(guān)處理方法[9]。近幾年，教育部也出臺(tái)了一系列文件，要求加強(qiáng)管理高校實(shí)驗(yàn)室“三廢”、噪聲、輻射等污染的防治工作。由此可見，實(shí)驗(yàn)室廢物管理已逐漸成為實(shí)驗(yàn)室管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其在實(shí)驗(yàn)室管理中所占比重將越來越大，如何做好這項(xiàng)管理工作，已成為各個(gè)高校必須考慮的一部分內(nèi)容[10]。本文從環(huán)境實(shí)驗(yàn)課程實(shí)際出發(fā)，分析實(shí)驗(yàn)廢液處置現(xiàn)狀，探討實(shí)驗(yàn)廢液管理與處置的方法、常用的廢液綠色處理技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目綠色化的途徑，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

1 廢液處置現(xiàn)狀

1.1 廢液成分復(fù)雜多樣化

環(huán)境科學(xué)是在自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)課程如基礎(chǔ)無機(jī)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)、物化實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)、固體廢棄物實(shí)驗(yàn)等占比較大，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多，廢液產(chǎn)生量大，含有多種化學(xué)物質(zhì)。廢液是一種含有多種成分的復(fù)雜的混合物，因此其處理難度較大。按其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)生廢液成分分類，可分為有機(jī)類、無機(jī)類和生物類廢液[11]。

1.2 廢液來源

實(shí)驗(yàn)室廢液的主要來源有5個(gè)方面：一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，有無機(jī)、有機(jī)類等廢液，種類較多；二是殘留標(biāo)準(zhǔn)溶液和過期的試劑，例如分光度法、原子熒光法等一些儀器分析方法，具有毒性的標(biāo)液配置需用高濃度母液，這些母液超出所需后的殘留即屬于實(shí)驗(yàn)室廢液范疇；三是對(duì)工業(yè)企業(yè)排放的各種廢水、醫(yī)院排放廢水和生活污水等的采樣檢測(cè)后剩余的廢水水樣，可能含有有毒物質(zhì)，亦為實(shí)驗(yàn)廢液；四是環(huán)境監(jiān)測(cè)樣品分析過程中樣品處理前、中、后有可能產(chǎn)生待處理的廢液；五是實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)使用的儀器設(shè)備清洗產(chǎn)生的廢水，若是殘留較多的有害物質(zhì)亦屬實(shí)驗(yàn)廢水。

1.3 廢液處理現(xiàn)狀

環(huán)境類專業(yè)實(shí)驗(yàn)及環(huán)境監(jiān)測(cè)涉及化學(xué)、化工、農(nóng)業(yè)、生物、食品、園藝等相關(guān)專業(yè)，內(nèi)容覆蓋范圍廣，實(shí)驗(yàn)所需試劑量大，實(shí)驗(yàn)規(guī)模小，種類多，廢液成分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的污染物也逐年增多。由于多數(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)廢液管理缺乏足夠的重視，造成廢液處理技術(shù)缺乏。廢液處置制度和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不力，缺少相關(guān)法律法規(guī)的約束，制度執(zhí)行大打折扣，并且受場地、資金等條件的限制，治理措施較少，缺少實(shí)驗(yàn)室廢水處理設(shè)備，導(dǎo)致廢液未進(jìn)行處置直接排放，進(jìn)而破壞生態(tài)環(huán)境[8,12]。因此，實(shí)現(xiàn)高校環(huán)境類實(shí)驗(yàn)廢液的綠色化處置，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綠色化，降低環(huán)境污染，提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，具有重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)廢液管理與處置

2.1 廢液的收集

由于環(huán)境實(shí)驗(yàn)室廢液具有成分復(fù)雜、種類多、濃度不穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目廢水單獨(dú)收集和處置有較大困難，為便于廢液的處理和回收，應(yīng)進(jìn)行分類收集、按類存放。對(duì)于新建或改造的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)加設(shè)廢水處理裝置。廢水收集常采用分類收集法，即根據(jù)廢液性質(zhì)和用途進(jìn)行分類收集，如酸堿性、有機(jī)類、無機(jī)類、是否含重金屬等；有時(shí)也把性質(zhì)相似或者處理方法相同的廢液進(jìn)行分類收集[1]。

2.2 廢液的貯存

實(shí)驗(yàn)室廢液要獨(dú)立存放，遠(yuǎn)離熱源，避免高溫，防日曬和雨淋，貯存地點(diǎn)氣體流通，應(yīng)有排液和防滲設(shè)施。貯存容器應(yīng)選擇合適的材料，避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成泄漏或燃燒和爆炸，并在容器明顯位置標(biāo)注廢物的類型和性質(zhì)。收集的廢液應(yīng)由專人定期管理和進(jìn)行登記，及時(shí)檢查廢液貯存量，超出可容納量的2/3時(shí)，要立即處理，避免發(fā)生嚴(yán)重危害。

2.3 廢液的處置和回收

根據(jù)廢水種類，可以分批次在實(shí)驗(yàn)室廢水處理設(shè)施中進(jìn)行處置，檢測(cè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)后排放。實(shí)驗(yàn)室無廢水處理設(shè)施的，應(yīng)在進(jìn)行分類收集后，按國家規(guī)定程序可轉(zhuǎn)移給有資質(zhì)的專業(yè)處置公司進(jìn)行處置。新建環(huán)境實(shí)驗(yàn)室或是有條件改造的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)廢液的種類和特點(diǎn)，配套建設(shè)廢水處理設(shè)施。無論是自行處理還是轉(zhuǎn)移處理，都應(yīng)在收集、轉(zhuǎn)移的過程中妥善管理廢液，避免二次污染的產(chǎn)生[13]。

對(duì)廢試劑、濃度較高的種類較為單一的廢液進(jìn)行回收利用，不僅可以減少廢液總量，節(jié)約處置費(fèi)用，還可提高物質(zhì)利用率。廢液回收可作為實(shí)驗(yàn)人員的科研項(xiàng)目進(jìn)行研究，對(duì)于較為成熟的廢液的回收，也可作為學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一進(jìn)行安排。試劑的回收利用應(yīng)盡量采用蒸餾、萃取、吸附等方法，避免或減少加入其他藥品，防止新污染物產(chǎn)生。回收的試劑經(jīng)檢測(cè)合格后可再次使用。另外，高?？筛鶕?jù)實(shí)際開設(shè)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，大學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目，或者本科畢業(yè)論文課題等處理各種廢液，以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力。

3 常見廢液處理的有效方法

3.1 酸、堿廢液處理

酸、堿廢液是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生較多的廢棄物之一。對(duì)于處理無機(jī)廢酸、廢堿最基本、最有效的方法就是中和反應(yīng)，生成水和無機(jī)鹽后，稀釋排放。例如處理無機(jī)廢酸時(shí)，可用Na2CO3、Ca(OH)2或NaOH中和；處理無機(jī)廢堿時(shí)，用鹽酸或稀硫酸中和，之后用大量水沖洗。假如廢酸和廢堿混合后反應(yīng)不劇烈，可以邊攪拌變混合，充分反應(yīng)后稀釋排放[1]。

3.2 有毒重金屬廢液處理

處理重金屬廢液的途徑有兩種：一是將離子態(tài)的重金屬通過氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變成難溶的化合物或單質(zhì)，通過沉淀法或上浮法將其除去；二是通過物理方法對(duì)其濃縮和分離?；瘜W(xué)沉淀法就是向含有重金屬廢液中加入強(qiáng)堿或硫化物，使其與重金屬離子反應(yīng)，生成難溶的氫氧化物或硫化物沉淀后分離，從而達(dá)到凈化效果，缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)存在二次污染問題。采用生物吸附劑的低成本吸附方法已被確定為代替活性炭處理低濃度重金屬廢水的有效且經(jīng)濟(jì)的方法[3]。除此之外，還有凝膠和絮凝法、電化學(xué)處理法、離子交換法、膜分離法等。

3.3 含硫等廢液處理

實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的大部分含硫廢液(包括含有硫化物、硫酸、亞硫酸、單質(zhì)硫、硫化氫)可以用H2O2氧化生成硫酸鹽，根據(jù)濃度大小采用濃縮再利用。也可采用硫酸亞鐵和氫氧化鈉沉淀法處理廢液，將二者加入廢液后，調(diào)至微堿性(pH=8～9)，過濾硫化鐵沉淀即可排放。吸附法是處理含汞廢液的常用方法之一，一般采用過量的活性炭作為吸附劑，加入至pH值約為6、汞濃度稀釋至1 mg/L以下的廢液中，加入氯化鈉，恒溫震蕩數(shù)小時(shí)，過濾活性炭即可除去廢液中有機(jī)汞。

3.4 含氰廢液的處理

對(duì)于含氰廢液，可在強(qiáng)堿條件(可加氫氧化鈉溶液調(diào)至pH>10)下，根據(jù)氰濃度大小選擇適當(dāng)強(qiáng)氧化劑(如高錳酸鉀、次氯酸鈉、漂白粉等)，即可使氰分解，達(dá)標(biāo)后排放。

3.5 有機(jī)廢液處理

有機(jī)溶劑的種類繁多，產(chǎn)生的廢液成分較為復(fù)雜，對(duì)一些用量大、濃度高的有機(jī)溶劑可回收利用。焚燒法是處理多種類型濃度較高的有機(jī)廢液的有效方法；除此方法之外，對(duì)于含低濃度有機(jī)磷的廢液，可經(jīng)水解后吸附處理；若有機(jī)廢液中含有氧化劑、還原劑、酸、堿、無機(jī)鹽類，先中和至中性，對(duì)水層進(jìn)行氧化分解或吸附或萃取進(jìn)行處理，有機(jī)層可焚燒；氧化分解、吸附、萃取等處理含酚類、石油、油脂的廢液有效。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目綠色化探索

4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入“綠色化學(xué)”理念

“綠色化學(xué)”以原子經(jīng)濟(jì)性和“5R”(reduction，reuse，recycling，regeneration，rejection)為核心，充分利用反應(yīng)物中的各個(gè)原子，不產(chǎn)生副產(chǎn)物和廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”。高校在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，將“綠色化學(xué)”理念融入實(shí)驗(yàn)課程，精心組織編排教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡可能采用無毒無害的原料代替有毒有害原料，通過精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，使原子經(jīng)濟(jì)性最大化，從源頭消除污染。

4.2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

把原子經(jīng)濟(jì)性和“5R”理念融入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程。盡可能用最少的化學(xué)試劑和最短的反應(yīng)時(shí)間達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器、裝置，使實(shí)驗(yàn)廢物排放量較大的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樯傥廴净驘o污染，從而達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。例如，對(duì)于乙酸乙酯的制備實(shí)驗(yàn)，可以采用分子篩催化劑或者無機(jī)及固體酸來替代濃硫酸催化劑，以提高反應(yīng)收率，并且可降低催化劑的分離和提純難度，且在反應(yīng)的過程中不會(huì)造成環(huán)境污染，所以符合“綠色化學(xué)”理念。盡可能利用高效液相、氣相、各種類型的分光度計(jì)等儀器分析技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)，有效減少廢液的產(chǎn)生。

4.3 推行實(shí)驗(yàn)小型化

小型化實(shí)驗(yàn)是指投入較少的試劑以完成實(shí)驗(yàn)既定目標(biāo)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)渴望值的實(shí)驗(yàn)方法，它符合“綠色化學(xué)”理念。具有節(jié)省化學(xué)試劑、反應(yīng)時(shí)間短、能耗低、廢物排放少，并能改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境防止環(huán)境污染的特點(diǎn)。這種小型實(shí)驗(yàn)方式也是當(dāng)前很多高校中較為流行的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，也是實(shí)驗(yàn)改革的核心之一[14]。

4.4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目序列化

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目序列化的核心是多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原料和產(chǎn)品順序銜接、實(shí)驗(yàn)連續(xù)化設(shè)計(jì)。在環(huán)境科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，特別是基礎(chǔ)類化學(xué)實(shí)驗(yàn)，大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，一般是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間互不關(guān)聯(lián)，雖然學(xué)生驗(yàn)證了理論課上學(xué)到的合成原理和方法，但由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)之間缺乏連續(xù)性，造成學(xué)生綜合分析和解決問題的能力得不到有效提高，并且每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束得到的產(chǎn)物往往都被作為廢液而收集到容器中等待處置，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品得不到有效的利用，實(shí)驗(yàn)廢液污染環(huán)境，帶來安全隱患。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目序列化可把孤立的實(shí)驗(yàn)串聯(lián)起來，將實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品循環(huán)利用，避免大量化學(xué)試劑的消耗和廢液回收處置帶來的污染和資金消耗，實(shí)驗(yàn)的綠色化程度也將極大提高。

4.5 盡可能采用儀器分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)與儀器設(shè)備的不斷發(fā)展，儀器分析技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于許多領(lǐng)域內(nèi)的科研、教學(xué)、物質(zhì)檢測(cè)等。例如，具有試劑用量少、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)的超聲波技術(shù)和微波技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生能真正感受到新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，盡可能采用儀器分析技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如高效液相、氣相、各種類型的分光度計(jì)等，是實(shí)驗(yàn)“綠色化”的有效手段之一[14-16]。

4.6 開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)、化工、環(huán)境、食品、建筑等多學(xué)科得到廣泛使用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤?shí)驗(yàn)覆蓋的范圍、人員的感受、實(shí)驗(yàn)的效果以及實(shí)驗(yàn)的安全性都得到極大提高。它不僅能展現(xiàn)抽象的概念形象化，危險(xiǎn)、復(fù)雜、難控制實(shí)驗(yàn)過程安全化，而且可直觀展示不可逆的實(shí)驗(yàn)過程，以及宏觀和微觀的實(shí)驗(yàn)變化過程。通過課堂實(shí)驗(yàn)演示，可以安全、直觀地展示出來，而且實(shí)驗(yàn)種類豐富，無器材、試劑損耗，安全可靠，綠色環(huán)保[17-18]。

4.7 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合化

在實(shí)驗(yàn)課程中，適當(dāng)增加設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可鍛煉學(xué)生查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)控制指標(biāo)、評(píng)估方案優(yōu)劣、治理污染的能力。將“綠色化學(xué)”和環(huán)境保護(hù)理念融入這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，合理利用和回收實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢棄物，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綠色化。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室廢液種類多、成分復(fù)雜、有毒有害，未經(jīng)處理排放，嚴(yán)重影響水體和土壤環(huán)境，造成環(huán)境污染、危害人類健康。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)廢液合理分類、安全回收、適當(dāng)處置，采取有效方法處理常見廢液，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中積極推行廢液處理綠色技術(shù)，新建實(shí)驗(yàn)室應(yīng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)廢液處理系統(tǒng)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生廢液的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求，結(jié)合自身實(shí)際，挖掘潛力，全方位多手段完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綠色化、保護(hù)環(huán)境的目的。實(shí)現(xiàn)廢液回收利用及實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)改革，積極倡導(dǎo)“綠色化學(xué)”和環(huán)保理念，大力推行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目小型化和序列化，以及不斷強(qiáng)化儀器分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，投入較多資金建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室等，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和環(huán)保意識(shí)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。