張偉，柴森友，劉心悅，左其亭

（1.鄭州大學生態(tài)與環(huán)境學院，河南鄭州 450001;2.鄭州大學水利科學與工程學院，河南鄭州 450001）

根據(jù)2005年國務(wù)院頒布的《醫(yī)療廢物管理條例》規(guī)定，醫(yī)療廢物是指醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)在醫(yī)療、預防、保健以及其他相關(guān)活動中產(chǎn)生的具有直接或者間接感染性、毒性以及其他危害性的廢物。醫(yī)療廢物中含有大量病原微生物和有害化學物質(zhì)，甚至會有放射性和損傷性物質(zhì)。對醫(yī)療廢物若處理不當，會給人民群眾身體健康和環(huán)境安全帶來較大隱患[1]。醫(yī)療廢物處理工藝主要有高溫蒸煮、化學消毒、微波消毒和熱解焚燒等，其中熱解焚燒處理因具有快速減容、減量和減毒能力，是世界范圍內(nèi)處理醫(yī)療廢物優(yōu)先推薦的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療廢物[2]。

自2020年年初以來，醫(yī)療廢物產(chǎn)生量和處理量均驟增，且醫(yī)療廢物成分和比例也發(fā)生相應(yīng)變化，如表1所示：

表1 某市新冠疫情前后醫(yī)療廢物成分和性質(zhì)對比[3]

在當前的全球形勢下，醫(yī)療廢物的無害化處理成為研究熱點和關(guān)鍵技術(shù)突破瓶頸。在環(huán)境類專業(yè)課程教學中，針對醫(yī)療廢物的熱解焚燒處理相關(guān)理論課及實驗教學的普及迫在眉睫。但由于醫(yī)療廢物本身危險性極大，限制了實地進行實驗操作的可行性，廣大環(huán)境類學子無法深入了解和掌握醫(yī)療廢物熱解焚燒處理的基本原理及過程，而虛擬仿真實驗的設(shè)計和構(gòu)建可有效彌補此缺陷和關(guān)鍵制約。通過設(shè)置醫(yī)療廢物熱解焚燒處理虛擬仿真實驗，可完全避免與醫(yī)療廢物的直接接觸，基于可視化的實驗流程與人機互動實現(xiàn)實驗操作過程，強化培養(yǎng)學生的實踐能力與創(chuàng)新思維。

一、醫(yī)療廢物熱解虛擬仿真實驗設(shè)計及組成

本虛擬仿真實驗平臺主要由全程教學、交互操作、模型調(diào)控和在線評價四大模塊組成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗基本組成及框架

（一）全程教學

該平臺重點模擬使用熱解焚燒的方法實現(xiàn)醫(yī)療廢物的無害化處理，對醫(yī)療廢物的種類、化學組成、熱解焚燒處理的工藝選擇及設(shè)計理念、實習操作等進行詳細解說和視頻介紹，加深學生對醫(yī)療廢物結(jié)構(gòu)及化學組成的認識，同時使學生深入了解熱解處理工藝各工序構(gòu)筑物的內(nèi)部構(gòu)造及處理原理。

（二）交互操作

該平臺交互操作主要分為虛擬實驗和仿真操作兩個層次。

虛擬實驗主要包括基礎(chǔ)知識和虛擬實驗兩個模塊?；A(chǔ)知識部分主要對整個課程進行系統(tǒng)講解，包括醫(yī)療廢物的處理原則、醫(yī)療廢物的篩選分類、焚燒爐常用爐型，以及醫(yī)療廢渣、廢氣及廢水的處理，對相關(guān)的醫(yī)療廢物處理標準進行介紹。學生在完成相關(guān)基礎(chǔ)知識學習后，通過基礎(chǔ)知識檢測評分來反饋學習成果。在虛擬實驗部分，通過場景搭建實現(xiàn)醫(yī)療廢物快速焚燒實驗的平臺操作，同學們研究醫(yī)療廢物在加熱－保溫條件下的焚燒規(guī)律，分析醫(yī)療廢物揮發(fā)、擴散、混合及焚燒過程及機理，加深對焚燒爐內(nèi)物質(zhì)反應(yīng)的認識，掌握醫(yī)療廢物焚燒設(shè)備的運行及其他污染物的控制過程?；谌S虛擬實驗平臺，讓同學們能夠體驗實驗現(xiàn)場，深入體會操作基本過程，提高學生實際操作能力。

仿真操作則主要包括工藝流程和點火單元兩個要點，工藝流程如圖2所示。學生在進入實驗場景后，可首先開啟自由漫游模式，自行觀察焚燒爐各單元（醫(yī)療廢物卸料和分選系統(tǒng)、進料系統(tǒng)、焚燒爐系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、灰渣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、余熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)等）的構(gòu)造、主要器件及關(guān)鍵組件。在點火單元操作過程，學生可通過中控室和現(xiàn)場開關(guān)來完成設(shè)備開停及參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)工況的調(diào)控，并能獲取在點火及參數(shù)調(diào)整過程中相應(yīng)的產(chǎn)物改變。

圖2 熱解焚燒系統(tǒng)工藝流程[4]

（三）模型調(diào)控

以Unity為設(shè)計平臺，進一步借助3DsMax和Solidworks等軟件進行3D建模，通過相應(yīng)參數(shù)的調(diào)整，構(gòu)建相對精確的可視化交互醫(yī)療廢物熱解虛擬仿真模擬平臺，呈現(xiàn)出貼合實際的實驗操作效果。

（四）在線評價

學生在完成虛擬仿真實驗各項操作后，可在系統(tǒng)內(nèi)對實驗操作過程進行在線評價，也可就實驗操作過程遇到的各類問題與老師進行線上或線下交流。授課教師可通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄學生的課堂出勤、學生操作及數(shù)據(jù)分析能力，以便及時糾錯。通過在線布置作業(yè)，讓學生能夠更加熟練地操作虛擬仿真實驗，加深對實驗過程的記憶和理解。

二、醫(yī)療廢物熱解虛擬仿真實驗的設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)

醫(yī)療廢物熱解虛擬仿真平臺的交互操作是整個平臺的核心，而熱解參數(shù)的選取和調(diào)控則是實踐過程中極為重要的一環(huán)。醫(yī)療廢物熱解焚燒的主要影響因素有醫(yī)療廢物組成、含水率、熱解溫度、反應(yīng)停留時間、加熱速率以及熱解焚燒爐類型等。

（一）新冠醫(yī)療廢物的組成

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的分類，醫(yī)療廢物可以分為8類：感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物、化學性廢物、細胞毒性廢物、放射性廢物、藥物性廢物和一般廢物。新冠疫情中產(chǎn)生的醫(yī)療廢物各成分組成及含量不同，H.A.Abu-Qdais等學者研究表明新冠疫情下醫(yī)療廢物的組成主要為PCR試劑盒、一次性手套、口罩和防護服等。不同類型的醫(yī)療廢物，其熱解產(chǎn)物也存在明顯差異，需在實驗設(shè)計過程中對其類型進行確定。

（二）新冠醫(yī)療廢物的含水率

醫(yī)療廢物的含水率會影響最終熱解焚燒過程的能量平衡及產(chǎn)物組成，因此，含水率調(diào)控也至關(guān)重要。通過含水率的調(diào)整，使同學們直觀觀察熱解焚燒爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的變化及能量平衡，加深對含水率影響熱解焚燒過程的認識。

（三）熱解焚燒溫度

通常醫(yī)療廢物熱解焚燒溫度是指廢物中的有害成分在高溫下氧化分解直至破壞需要達到的溫度[5]。熱解焚燒溫度是模擬平臺設(shè)計的關(guān)鍵因素，較高的溫度有利于醫(yī)療廢物結(jié)構(gòu)的破壞，但也會相應(yīng)增加能量損耗及二次污染物的揮發(fā)。焚燒溫度的選擇主要通過文獻閱讀和實際實驗操作來測定。通過改變醫(yī)療廢物的焚燒溫度，來觀察虛擬平臺中熱解焚燒產(chǎn)物、能源消耗等變化。

（四）停留時間

停留時間有兩方面的含義：一是生活垃圾在焚燒爐內(nèi)的停留時間，它是指生活垃圾從進爐開始到焚燒結(jié)束，爐渣從爐中排出所需的時間；二是生活垃圾焚燒煙氣在爐中的停留時間，它是指生活垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣從生活垃圾中逸出到排出二燃室所需的時間[5]。對于機械爐排焚燒爐，為了讓垃圾在爐內(nèi)得到充分干燥，垃圾在第一級爐排上的停留時間應(yīng)在100～110秒之間比較合適，為了讓垃圾在爐內(nèi)充分焚燒，第二、三級爐排停留時間一般應(yīng)在80～100秒之間比較合適，為使垃圾完全燒透，第四級爐排的停留時間應(yīng)在180～200秒之間比較合適。影響煙氣停留時間的主要因素有焚燒爐體積及其長高比，送、引風機間功率的匹配和爐膛負壓。經(jīng)測試，為保證廢物和煙氣完全分解，煙氣在二燃室停留時間2s以上，此后絕大部分有毒有害氣體會被徹底破壞，分解為二氧化碳和其他的酸性氣體。

（五）過剩空氣率

為了盡可能使醫(yī)療廢物燃燒、反應(yīng)充分，需要提供過量的氧氣，即提高空氣含量，多供給的這部分空氣量稱為過剩空氣量[5]。在熱解室產(chǎn)生的煙氣需要在過氧的條件下進行充分燃燒，來減少煙氣量，防止惡臭的產(chǎn)生。燃燒爐的空氣過剩率宜為1.3～1.5。

三、結(jié)論

醫(yī)療廢物熱解焚燒虛擬仿真實驗將全程教學、交互操作、模型調(diào)控和在線評價四個組成部分作為開展學習的主要載體，基于人機互動實現(xiàn)學習與實踐協(xié)同推進。結(jié)合新冠醫(yī)療廢物的組成、含水率、熱解焚燒溫度、停留時間和過?？諝饴实汝P(guān)鍵參數(shù)調(diào)控，使學生充分理解和掌握熱解過程不同參數(shù)對熱解的影響。