方書(shū)起,崔俊樂(lè),白凈,常春,3,李攀,3
(1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001;3.河南省杰出外籍科學(xué)家工作室,河南 鄭州 450001)
隨著我國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和就醫(yī)人次的增加,不可避免地產(chǎn)生越來(lái)越多的醫(yī)療廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì),2013年我國(guó)240余個(gè)大、中型城市醫(yī)療廢棄物的產(chǎn)生量為54.8萬(wàn)t,到2016年已增長(zhǎng)到了72.1萬(wàn)t[1]。而由于醫(yī)療廢棄物具有不同于普通生活垃圾的傳染性、致病性等危害,在處理過(guò)程中消滅病菌病毒,避免其致病性的同時(shí),如何利用其中大量的有機(jī)成分,最大限度地回收資源能源將是一塊重大的研究領(lǐng)域。
本文對(duì)與醫(yī)療廢物相關(guān)的法律法規(guī)和幾種醫(yī)療固體廢棄物處理技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)介,對(duì)其研究現(xiàn)狀和處理過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法進(jìn)行了系統(tǒng)地綜述和分析,指出了現(xiàn)行前景最好的處理技術(shù)及其在研究過(guò)程中存在的不足之處。
美國(guó)《醫(yī)療廢物追蹤法》中將醫(yī)療廢物定義為在人類(lèi)和動(dòng)物的診療或免疫中,以及相關(guān)醫(yī)學(xué)研究和生物實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的廢棄物。到目前為止,國(guó)際上并沒(méi)有對(duì)醫(yī)療廢棄物形成統(tǒng)一的定義,也就導(dǎo)致了各個(gè)國(guó)家對(duì)其的管理流程和處理設(shè)備不盡相同[2]。
在我國(guó)推行的《醫(yī)療廢物管理?xiàng)l例中》指出,醫(yī)療廢棄物是醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)在相關(guān)診療活動(dòng)中產(chǎn)生的具有感染性或其他危害性的廢物。世界衛(wèi)生組織也做出了大量的統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為醫(yī)療廢棄物中有20%左右都具有潛在的感染性或其他危害性,對(duì)社會(huì)環(huán)境的安全和人們的日常生活都構(gòu)成了較大的潛在威脅。在世界范圍內(nèi),由于早期對(duì)醫(yī)療廢棄物的處理方式較為簡(jiǎn)單,也引發(fā)了多起傳染性疾病,因此,世界各國(guó)對(duì)其的合理處置也越來(lái)越重視。
早在1989年就已經(jīng)有了關(guān)于醫(yī)療廢棄物管理的相關(guān)法規(guī),多個(gè)國(guó)家共同簽署了《控制危險(xiǎn)廢物越境轉(zhuǎn)移及其處置的巴塞爾公約》,我國(guó)也在1991年加入其中。當(dāng)時(shí),發(fā)達(dá)國(guó)家就已建立了比較完善的醫(yī)療廢棄物管理體系,美國(guó)實(shí)施的相關(guān)法案是《醫(yī)療廢物追蹤法》,旨在監(jiān)督醫(yī)療固廢的處理過(guò)程,防止滅菌不徹底對(duì)社會(huì)造成潛在威脅。
當(dāng)時(shí)對(duì)廢棄物的處理多以焚燒為主,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。在1997年,美國(guó)率先頒布相關(guān)條例,規(guī)定了廢棄物經(jīng)焚燒處理后產(chǎn)生的煙氣中污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟國(guó)家依據(jù)《歐洲廢物目錄》對(duì)醫(yī)療廢棄物進(jìn)行分類(lèi),在2000年也制定了相關(guān)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。由于環(huán)境意識(shí)和科技水平的落后,在當(dāng)時(shí),大多發(fā)展中國(guó)家并沒(méi)有對(duì)感染性廢物有嚴(yán)格的監(jiān)管體系和法案[4]。
我國(guó)于1998年在《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中指出了醫(yī)療廢物的嚴(yán)重危害性,將其列為高危害性廢棄物,隨后國(guó)務(wù)院又在2003年6月頒布了《醫(yī)療廢物管理?xiàng)l例》。當(dāng)時(shí)對(duì)廢棄物的處理方式主要是填埋和焚燒,考慮到醫(yī)療廢棄物進(jìn)入填埋場(chǎng)后,可能會(huì)有感染性物質(zhì)滲出,從而對(duì)周?chē)h(huán)境和水體構(gòu)成威脅。我國(guó)又在《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)醫(yī)療廢物及其焚燒后剩余殘?jiān)娜雸?chǎng)都做出了嚴(yán)格要求[5]。同時(shí)還規(guī)定醫(yī)療廢物及其焚燒殘?jiān)夹鑶为?dú)分區(qū)填埋。除此之外,在我國(guó)的《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》、《環(huán)境保護(hù)法》、《大氣污染防治法》、《水污染防治法》以及《刑法》中都對(duì)不按要求處理廢棄物的行為責(zé)令禁止并加以適當(dāng)?shù)奶幜P。
從20世紀(jì)五六十年代起,對(duì)醫(yī)療廢物的處理已經(jīng)引起了世界各國(guó)的關(guān)注,但當(dāng)時(shí)的處理方式都是簡(jiǎn)單的消毒滅菌、衛(wèi)生填埋和焚燒。隨著人們環(huán)境及能源危機(jī)意識(shí)的提高和科技的進(jìn)步,為了更徹底、更高效、更安全地處理醫(yī)療固體廢棄物,熱解法、輻照滅菌法、等離子體法、電弧爐處理法、磁化裂解法、液態(tài)合金處理法等一系列處理方法逐漸出現(xiàn)。也有很多學(xué)者對(duì)這些處理技術(shù)進(jìn)行了研究,旨在減少能耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)組分的資源能源回收。但目前這些新型處理技術(shù)并不成熟,前期投資加大,處理成本高,并沒(méi)有普遍應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域。高溫蒸汽滅菌和焚燒法仍是主要的處置方式,占總處置量的90%以上[6]。
醫(yī)療固體廢棄物由于其潛在的致病性,對(duì)社會(huì)的安全和人們的身體健康都有很大威脅,因此,首先考慮的就是對(duì)其進(jìn)行徹底的消毒滅菌,現(xiàn)有的消毒技術(shù)主要有化學(xué)消毒法、高溫高壓蒸汽滅菌法和輻照滅菌技術(shù)。
化學(xué)消毒法處理工藝較為簡(jiǎn)單,最初是用于對(duì)液體廢物和醫(yī)療器械等進(jìn)行消毒處理,后來(lái)也逐步用于處理固體醫(yī)療廢物,需向預(yù)先破碎的醫(yī)療廢物中加入化學(xué)消毒劑,使廢物中的病菌被殺滅或使之失去活性的方法。
高溫高壓蒸汽滅菌法在聯(lián)合國(guó)《控制危險(xiǎn)廢物越境轉(zhuǎn)移及其處置的巴塞爾公約》中被列為處理醫(yī)療廢棄物的首選方法。普遍認(rèn)為該方法的主要機(jī)理是利用高溫蒸汽的潛熱使病原微生物和病菌蛋白質(zhì)凝固變性,以達(dá)到滅菌的目的。學(xué)者們也普遍認(rèn)為該方法是使病菌病毒失活的最好方法,可以徹底地殺死致病細(xì)菌[7]。但在處理過(guò)程中,需要提供大量的熱來(lái)產(chǎn)生蒸汽,整個(gè)流程中的能耗較高,有研究者對(duì)此做出了研究和改進(jìn)。Holtman等[8]在蒸汽滅菌系統(tǒng)中加入了蒸汽回收系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)可以回收43%的水和30%的能量,大大降低了蒸汽滅菌過(guò)程中的能量消耗,也降低了蒸汽處理工藝的成本。
輻射滅菌法是一種比較新型的滅菌技術(shù),處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單,但是前期投資較大。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署認(rèn)為這是一種對(duì)傳染性廢物進(jìn)行消毒滅菌的新興技術(shù)[9]。學(xué)者們研究了其滅菌機(jī)理,普遍認(rèn)為廢棄物表面的水受到輻射后會(huì)分解產(chǎn)生活性很強(qiáng)的自由基,這些自由基會(huì)與細(xì)菌和病原體等有機(jī)復(fù)合物發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致其降解,從而使病原體失活[10]。
現(xiàn)有的醫(yī)療固體廢棄物消毒滅菌技術(shù)已經(jīng)十分成熟,對(duì)于應(yīng)用最普遍的蒸汽滅菌技術(shù),可以對(duì)處理過(guò)程中的能耗進(jìn)一步研究,盡可能地降低成本,到目前為止這仍是最主要的滅菌技術(shù)之一。但任何一種消毒滅菌技術(shù)的初衷都只是為了殺死致病細(xì)菌,解決醫(yī)療固廢致病性的潛在威脅,沒(méi)有很好的減容減量效果。因此,實(shí)際應(yīng)用中滅菌技術(shù)往往只是處理醫(yī)療固體廢棄物的第一步,需與其他處理方法配合才能實(shí)現(xiàn)徹底的處理和資源能源回收。
衛(wèi)生填埋法是將經(jīng)消毒處理或焚燒后的醫(yī)療廢棄物或殘?jiān)腿胩盥駡?chǎng)進(jìn)行填埋處理,常作為廢棄物的最終處理方法。由于醫(yī)療廢物的特殊性,用此種方法處理時(shí)要求填埋場(chǎng)具有嚴(yán)密的防滲措施,以保證廢物中的各種有害物質(zhì)(如滲濾液)不會(huì)隨雨水滲入土壤、水體中。
由于醫(yī)療固體廢棄物的潛在危害性,人們更關(guān)心的是填埋場(chǎng)對(duì)附近土壤及水體的環(huán)境影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了許多相關(guān)的研究。Kapelewska等[11]對(duì)固體廢棄物填埋場(chǎng)滲濾液中的典型有機(jī)污染物濃度進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)其濃度等級(jí)均在μg/L,其中含量最高的分別是藥品(35%)、苯酚(32%)和殺蟲(chóng)劑(30%),對(duì)填埋場(chǎng)上游和下游的水體進(jìn)行取樣分析,發(fā)現(xiàn)下游水體中的污染物平均濃度比上游增加了1.25~4倍。Liu等[12]對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液及其周?chē)w和土壤進(jìn)行了取樣分析,發(fā)現(xiàn)填埋場(chǎng)附近區(qū)域地下水層污染較重,對(duì)地表水和地表土壤影響較小,并提出了污染物在地下的幾種遷移路徑。Kalmykova等[13]研究了濾砂器、泥炭過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液中有機(jī)污染物的吸附效果,發(fā)現(xiàn)滲濾液經(jīng)3種過(guò)濾器組合過(guò)濾后完全達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。
從以上調(diào)查研究結(jié)果中可以看出,盡管填埋場(chǎng)對(duì)周?chē)w會(huì)有一定的影響,但只要加以完善的監(jiān)測(cè)管理,及時(shí)進(jìn)行后續(xù)處理,對(duì)環(huán)境的影響可控制在法律法規(guī)允許范圍之內(nèi)。其他處理方式總會(huì)或多或少地產(chǎn)生一些殘?jiān)l(wèi)生填埋法依然是一種必須的處理方式,對(duì)其的后續(xù)研究仍然需集中于嚴(yán)密的防滲措施和更科學(xué)的監(jiān)管體系。
焚燒處理是目前城市固體廢棄物最主要的處理方式之一,處理過(guò)程中,廢棄物中的可燃組分在800~1 000 ℃高溫下燃燒,并釋放出大量的熱,剩余的殘?jiān)M(jìn)一步處理符合標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入填埋場(chǎng)。其在處理日益增多的固體廢棄物方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用,預(yù)計(jì)到2020年底,我國(guó)廢棄物焚燒處理仍將占無(wú)害化處理量的50%以上[14-15]。焚燒法消毒滅菌徹底,減容減量效果顯著,適用于各種固體廢棄物,還可以將回收產(chǎn)生的熱量用于產(chǎn)生蒸汽或發(fā)電[16-17]。但過(guò)程中容易造成環(huán)境污染,例如產(chǎn)生的粉塵、重金屬顆粒、一些有害氣體和二噁英等有毒物質(zhì),需要較高成本的尾氣處理裝置[18-19]。
在廢棄物焚燒產(chǎn)生的有害物質(zhì)中,二噁英類(lèi)物質(zhì)的處理難度較大,再加上其自身的危害性,其生成機(jī)理及處理方法引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究。目前,普遍認(rèn)為二噁英的形成機(jī)理主要是在金屬(Cu、Fe或其他過(guò)渡金屬)催化作用下,含Cl酸性氣體產(chǎn)生Cl2,從而與芳香族化合物的有機(jī)自由基反應(yīng),生成有毒的氯代芳烴類(lèi)化合物[20-21]。
研究發(fā)現(xiàn),碳酸鈣、碳酸氫鈉等化學(xué)品的加入可以很好地抑制過(guò)程中二噁英類(lèi)污染物的生成[17]。龍寶玉等[22]研究了碳酸氫鈉對(duì)400 ℃左右煙道氣中二噁英的抑制效果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳酸氫鈉噴入量達(dá)1.1 t/h時(shí),對(duì)二噁英的抑制率可高達(dá)90%。Shi等[23]研究表明,通過(guò)實(shí)施煙道氣的再循環(huán)技術(shù),不僅能使系統(tǒng)的能量回收率增加,還能減少20%~40%的氮氧化物排放,同時(shí)可抑制二噁英的產(chǎn)生。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),催化劑的使用對(duì)二噁英類(lèi)污染物的生成也有很好的抑制作用,使用一些氨基催化劑(V2O5-WO3/TiO2等)能使二噁英類(lèi)污染物的排放量降低到0.1 ng TEQ/m3以下,注射硫脲可使二噁英類(lèi)物質(zhì)的含量降低95%[24-25]。
總的來(lái)說(shuō),對(duì)固體廢棄物燃燒以后生成的粉塵、硫氮氧化物以及二噁英類(lèi)污染物的排放,世界各國(guó)都有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,經(jīng)過(guò)眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同努力,目前對(duì)這些污染物的處理手段也日益多樣化,處理效果也越來(lái)越好。固體廢棄物焚燒法依然是一種應(yīng)用領(lǐng)域很廣的處理技術(shù),同時(shí)也有不錯(cuò)的能量回收效率,值得進(jìn)一步地研究和推廣,日后對(duì)其研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注于焚燒過(guò)程中的余熱回收效率和更嚴(yán)格的污染物處理方法。
熱解技術(shù)是指有機(jī)物在無(wú)氧或缺氧條件下的高溫分解技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于煤的干餾,隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。20世紀(jì)70年代初期,由于世界性石油危機(jī)對(duì)工業(yè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的沖擊,人們逐漸意識(shí)到開(kāi)發(fā)可再生能源的重要性,熱解技術(shù)也逐漸開(kāi)始應(yīng)用于垃圾的資源化處理。
由于醫(yī)療固體廢棄物中大量的有機(jī)組分,有很好的能源資源回收潛力,其熱解過(guò)程也一直受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Deng等[26-27]選取了輸液管、醫(yī)用手套、醫(yī)用敷料等幾種典型的醫(yī)療固體廢棄物之間的共熱解行為,發(fā)現(xiàn)其它廢棄物的添加對(duì)輸液管的一級(jí)分解有促進(jìn)作用;又對(duì)醫(yī)用橡膠手套和導(dǎo)管的熱解過(guò)程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)橡膠手套的熱降解主要發(fā)生在250~485 ℃,導(dǎo)管的熱降解主要發(fā)生在240~510 ℃,并建立了一種針對(duì)橡膠組分的熱解反應(yīng)模型。Zhu等[28]研究了脫脂棉、醫(yī)用口罩和竹簽這3種典型醫(yī)療廢棄物的熱解過(guò)程,定性分析了熱解過(guò)程中氣體的產(chǎn)生和演變過(guò)程,對(duì)這3種典型組分熱解模型的建立具有重要意義。Qin等[29]研究了醫(yī)用塑料瓶和輸液袋的熱降解,發(fā)現(xiàn)物料在300 ℃左右開(kāi)始降解,400 ℃左右達(dá)到最大降解速率。Abhishek等研究了廢舊醫(yī)用注射器在400~550 ℃下的熱降解過(guò)程,在450 ℃時(shí)得到最大的液體產(chǎn)物產(chǎn)率為83%。蔣旭光等[30]研究了醫(yī)用脫脂棉、竹子和聚丙烯在熱解過(guò)程中氣體產(chǎn)物的析出過(guò)程和分布特性,3種物料的熱降解開(kāi)始溫度分別為145,175,536 ℃。馬洪亭等[31]研究了醫(yī)療廢棄物種類(lèi)、熱解溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)醫(yī)療固體廢棄物熱解過(guò)程的影響。嚴(yán)建華等[32-34]針對(duì)幾種典型醫(yī)療固體廢棄物的熱解,分別建立了不同的熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。
總的來(lái)說(shuō),醫(yī)療固體廢棄物熱解是一種很好的處理手段,在缺氧環(huán)境中的熱降解保證了產(chǎn)物具有充分的資源能源回收價(jià)值,降低環(huán)境污染的同時(shí)也能最大化地對(duì)其進(jìn)行資源化利用。而國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都是選取了一種或幾種典型的醫(yī)療固體廢棄物進(jìn)行熱解試驗(yàn),對(duì)各典型組分的主要熱解反應(yīng)溫度段都有了詳細(xì)的研究,也系統(tǒng)地研究了熱解條件對(duì)產(chǎn)物分布的影響,但對(duì)混合醫(yī)療固體廢棄物熱解的研究較少,對(duì)熱解后生成產(chǎn)物的資源化利用也少有系統(tǒng)的分析。
近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,等離子體法、電弧爐處理法、磁化裂解法、液態(tài)合金處理法這幾種新興技術(shù)也逐漸開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)療固體廢棄物的處理領(lǐng)域。
等離子體技術(shù)主要用于對(duì)固體廢棄物進(jìn)行等離子體熱解氣化以生成燃料或用于發(fā)電領(lǐng)域[35-37]。對(duì)廢棄物的處理包括高溫?zé)峤?、燃燒和高? 400 ℃的熔融等過(guò)程,能夠有效地處理許多特殊廢棄物,并可以抑制廢棄物降解過(guò)程中二噁英類(lèi)物質(zhì)的產(chǎn)生[38]。最終可以最大限度地實(shí)現(xiàn)醫(yī)療固體廢棄物減容減量、重金屬穩(wěn)定化以及玻璃體無(wú)害化[39]。目前在美國(guó)、法國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)家都已經(jīng)建成了一些基于等離子體技術(shù)的處理裝置,并已有工業(yè)化運(yùn)行[38]。
電弧爐處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于煉鋼領(lǐng)域,但由于現(xiàn)在普遍存在的醫(yī)療固體廢棄物分類(lèi)不明確的現(xiàn)象,再加上考慮到廢棄物中存在的針頭等金屬物,近年來(lái)也有學(xué)者提出用這種技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理。Cai等[40]進(jìn)行了電弧技術(shù)處理醫(yī)療廢棄物的半工業(yè)試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn),并做出了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益分析。Ghodrat等[41]用廢棄的一次性注射器代替部分電弧爐煉鋼過(guò)程中的電爐焦炭,發(fā)現(xiàn)加入部分一次性注射器后,煉鋼過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響有比較顯著的降低。
磁化裂解技術(shù)是在普通的裂解反應(yīng)中加入磁場(chǎng),通過(guò)磁場(chǎng)使醫(yī)療固體廢棄物的裂解溫度降低,在更低的溫度下使其中的有機(jī)物分解并產(chǎn)生對(duì)環(huán)境無(wú)害的小分子量有機(jī)物或無(wú)機(jī)物,而這個(gè)溫度低于二噁英類(lèi)物質(zhì)可能產(chǎn)生的溫度,從而達(dá)到抑制二噁英類(lèi)物質(zhì)生成的目的[42]。
液態(tài)合金處理法是將Sn、Bi等特殊的低熔點(diǎn)合金加熱到400 ℃左右,使合金成為液態(tài),然后將醫(yī)療固體廢棄物投入其中,殺死致病細(xì)菌的同時(shí)使醫(yī)療廢棄物發(fā)生熱降解[43]。
這幾種新興的醫(yī)療廢棄物處理技術(shù)都存在投資大、成本高、經(jīng)濟(jì)效益低的缺點(diǎn),因此,雖然可以最大限度地使廢棄物減容減量、滅菌消毒,但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中并不多見(jiàn)。
醫(yī)療固體廢棄物具有很大的能源資源回收價(jià)值,傳統(tǒng)的滅菌后填埋雖然可以比較方便徹底的對(duì)其進(jìn)行處理,但這種處理過(guò)程基本沒(méi)有能源回收再利用,需占用大量土地資源,處理不當(dāng)還會(huì)造成比較嚴(yán)重的環(huán)境污染?,F(xiàn)行最普遍的焚燒技術(shù)雖然有比較不錯(cuò)的能源回收效率,但焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多環(huán)境污染物,需要對(duì)產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行妥善的處理。幾種新興的處理技術(shù)雖然效率很高,也有很好的效果,但投資太大,在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中還不太現(xiàn)實(shí)。
因此,熱解處理仍然是最好的處理方式,前期投資不大,可以充分的對(duì)廢棄物中的有機(jī)成分進(jìn)行資源能源回收,同時(shí)產(chǎn)生的污染物較少,也大大減輕了對(duì)環(huán)境的污染,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廢棄物中典型組分的熱解過(guò)程進(jìn)行了大量的研究,但仍需進(jìn)一步研究混合廢棄物的熱解過(guò)程以及熱解產(chǎn)物的充分資源化利用方法。