醫(yī)療固體廢棄物處理技術綜述

方書起，崔俊樂，白凈，常春，3，李攀，3

(1.鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001；2.生物質煉制技術與裝備河南省工程實驗室，河南 鄭州 450001；3.河南省杰出外籍科學家工作室，河南 鄭州 450001)

隨著我國醫(yī)療機構和就醫(yī)人次的增加，不可避免地產生越來越多的醫(yī)療廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，2013年我國240余個大、中型城市醫(yī)療廢棄物的產生量為54.8萬t，到2016年已增長到了72.1萬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，在處理過程中消滅病菌病毒，避免其致病性的同時，如何利用其中大量的有機成分，最大限度地回收資源能源將是一塊重大的研究領域。

本文對與醫(yī)療廢物相關的法律法規(guī)和幾種醫(yī)療固體廢棄物處理技術進行了簡介，對其研究現(xiàn)狀和處理過程中出現(xiàn)的問題及解決方法進行了系統(tǒng)地綜述和分析，指出了現(xiàn)行前景最好的處理技術及其在研究過程中存在的不足之處。

1 醫(yī)療廢物及相關法律法規(guī)概述

1.1 醫(yī)療廢物概述

美國《醫(yī)療廢物追蹤法》中將醫(yī)療廢物定義為在人類和動物的診療或免疫中，以及相關醫(yī)學研究和生物實驗中產生的廢棄物。到目前為止，國際上并沒有對醫(yī)療廢棄物形成統(tǒng)一的定義，也就導致了各個國家對其的管理流程和處理設備不盡相同[2]。

在我國推行的《醫(yī)療廢物管理條例中》指出，醫(yī)療廢棄物是醫(yī)療衛(wèi)生機構在相關診療活動中產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)計分析，認為醫(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，對社會環(huán)境的安全和人們的日常生活都構成了較大的潛在威脅。在世界范圍內，由于早期對醫(yī)療廢棄物的處理方式較為簡單，也引發(fā)了多起傳染性疾病，因此，世界各國對其的合理處置也越來越重視。

1.2 相關法律法規(guī)概述

早在1989年就已經有了關于醫(yī)療廢棄物管理的相關法規(guī)，多個國家共同簽署了《控制危險廢物越境轉移及其處置的巴塞爾公約》，我國也在1991年加入其中。當時，發(fā)達國家就已建立了比較完善的醫(yī)療廢棄物管理體系，美國實施的相關法案是《醫(yī)療廢物追蹤法》，旨在監(jiān)督醫(yī)療固廢的處理過程，防止滅菌不徹底對社會造成潛在威脅。

當時對廢棄物的處理多以焚燒為主，造成了嚴重的環(huán)境污染。在1997年，美國率先頒布相關條例，規(guī)定了廢棄物經焚燒處理后產生的煙氣中污染物的排放標準。歐盟國家依據(jù)《歐洲廢物目錄》對醫(yī)療廢棄物進行分類，在2000年也制定了相關的污染物排放標準[3]。由于環(huán)境意識和科技水平的落后，在當時，大多發(fā)展中國家并沒有對感染性廢物有嚴格的監(jiān)管體系和法案[4]。

我國于1998年在《國家危險廢物名錄》中指出了醫(yī)療廢物的嚴重危害性，將其列為高危害性廢棄物，隨后國務院又在2003年6月頒布了《醫(yī)療廢物管理條例》。當時對廢棄物的處理方式主要是填埋和焚燒，考慮到醫(yī)療廢棄物進入填埋場后，可能會有感染性物質滲出，從而對周圍環(huán)境和水體構成威脅。我國又在《生活垃圾填埋場污染控制標準》對醫(yī)療廢物及其焚燒后剩余殘渣的入場都做出了嚴格要求[5]。同時還規(guī)定醫(yī)療廢物及其焚燒殘渣都需單獨分區(qū)填埋。除此之外，在我國的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》、《環(huán)境保護法》、《大氣污染防治法》、《水污染防治法》以及《刑法》中都對不按要求處理廢棄物的行為責令禁止并加以適當?shù)奶幜P。

2 醫(yī)療廢物處置技術概述

從20世紀五六十年代起，對醫(yī)療廢物的處理已經引起了世界各國的關注，但當時的處理方式都是簡單的消毒滅菌、衛(wèi)生填埋和焚燒。隨著人們環(huán)境及能源危機意識的提高和科技的進步，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)。也有很多學者對這些處理技術進行了研究，旨在減少能耗的同時實現(xiàn)有機組分的資源能源回收。但目前這些新型處理技術并不成熟，前期投資加大，處理成本高，并沒有普遍應用于實際工業(yè)領域。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]。

2.1 消毒滅菌技術

醫(yī)療固體廢棄物由于其潛在的致病性，對社會的安全和人們的身體健康都有很大威脅，因此，首先考慮的就是對其進行徹底的消毒滅菌，現(xiàn)有的消毒技術主要有化學消毒法、高溫高壓蒸汽滅菌法和輻照滅菌技術。

化學消毒法處理工藝較為簡單，最初是用于對液體廢物和醫(yī)療器械等進行消毒處理，后來也逐步用于處理固體醫(yī)療廢物，需向預先破碎的醫(yī)療廢物中加入化學消毒劑，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《控制危險廢物越境轉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。普遍認為該方法的主要機理是利用高溫蒸汽的潛熱使病原微生物和病菌蛋白質凝固變性，以達到滅菌的目的。學者們也普遍認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菌[7]。但在處理過程中，需要提供大量的熱來產生蒸汽，整個流程中的能耗較高，有研究者對此做出了研究和改進。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，處理過程比較簡單，但是前期投資較大。美國環(huán)境保護署認為這是一種對傳染性廢物進行消毒滅菌的新興技術[9]。學者們研究了其滅菌機理，普遍認為廢棄物表面的水受到輻射后會分解產生活性很強的自由基，這些自由基會與細菌和病原體等有機復合物發(fā)生反應，導致其降解，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已經十分成熟，對于應用最普遍的蒸汽滅菌技術，可以對處理過程中的能耗進一步研究，盡可能地降低成本，到目前為止這仍是最主要的滅菌技術之一。但任何一種消毒滅菌技術的初衷都只是為了殺死致病細菌，解決醫(yī)療固廢致病性的潛在威脅，沒有很好的減容減量效果。因此，實際應用中滅菌技術往往只是處理醫(yī)療固體廢棄物的第一步，需與其他處理方法配合才能實現(xiàn)徹底的處理和資源能源回收。

2.2 衛(wèi)生填埋法

衛(wèi)生填埋法是將經消毒處理或焚燒后的醫(yī)療廢棄物或殘渣送入填埋場進行填埋處理，常作為廢棄物的最終處理方法。由于醫(yī)療廢物的特殊性，用此種方法處理時要求填埋場具有嚴密的防滲措施，以保證廢物中的各種有害物質(如滲濾液)不會隨雨水滲入土壤、水體中。

由于醫(yī)療固體廢棄物的潛在危害性，人們更關心的是填埋場對附近土壤及水體的環(huán)境影響，國內外學者也做了許多相關的研究。Kapelewska等[11]對固體廢棄物填埋場滲濾液中的典型有機污染物濃度進行了分析，發(fā)現(xiàn)其濃度等級均在μg/L，其中含量最高的分別是藥品(35%)、苯酚(32%)和殺蟲劑(30%)，對填埋場上游和下游的水體進行取樣分析，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]對填埋場滲濾液及其周圍水體和土壤進行了取樣分析，發(fā)現(xiàn)填埋場附近區(qū)域地下水層污染較重，對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、泥炭過濾器和活性炭過濾器對填埋場滲濾液中有機污染物的吸附效果，發(fā)現(xiàn)滲濾液經3種過濾器組合過濾后完全達到了排放標準。

從以上調查研究結果中可以看出，盡管填埋場對周圍水體會有一定的影響，但只要加以完善的監(jiān)測管理，及時進行后續(xù)處理，對環(huán)境的影響可控制在法律法規(guī)允許范圍之內。其他處理方式總會或多或少地產生一些殘渣，衛(wèi)生填埋法依然是一種必須的處理方式，對其的后續(xù)研究仍然需集中于嚴密的防滲措施和更科學的監(jiān)管體系。

2.3 焚燒法

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，剩余的殘渣進一步處理符合標準后進入填埋場。其在處理日益增多的固體廢棄物方面發(fā)揮著關鍵的作用，預計到2020年底，我國廢棄物焚燒處理仍將占無害化處理量的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，還可以將回收產生的熱量用于產生蒸汽或發(fā)電[16-17]。但過程中容易造成環(huán)境污染，例如產生的粉塵、重金屬顆粒、一些有害氣體和二噁英等有毒物質，需要較高成本的尾氣處理裝置[18-19]。

在廢棄物焚燒產生的有害物質中，二噁英類物質的處理難度較大，再加上其自身的危害性，其生成機理及處理方法引起了國內外眾多學者的研究。目前，普遍認為二噁英的形成機理主要是在金屬(Cu、Fe或其他過渡金屬)催化作用下，含Cl酸性氣體產生Cl2，從而與芳香族化合物的有機自由基反應，生成有毒的氯代芳烴類化合物[20-21]。

研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣、碳酸氫鈉等化學品的加入可以很好地抑制過程中二噁英類污染物的生成[17]。龍寶玉等[22]研究了碳酸氫鈉對400 ℃左右煙道氣中二噁英的抑制效果，發(fā)現(xiàn)當碳酸氫鈉噴入量達1.1 t/h時，對二噁英的抑制率可高達90%。Shi等[23]研究表明，通過實施煙道氣的再循環(huán)技術，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，同時可抑制二噁英的產生。也有學者研究發(fā)現(xiàn)，催化劑的使用對二噁英類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物質的含量降低95%[24-25]。

總的來說，對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污染物的排放，世界各國都有著嚴格的標準規(guī)范，經過眾多國內外學者的共同努力，目前對這些污染物的處理手段也日益多樣化，處理效果也越來越好。固體廢棄物焚燒法依然是一種應用領域很廣的處理技術，同時也有不錯的能量回收效率，值得進一步地研究和推廣，日后對其研究應重點關注于焚燒過程中的余熱回收效率和更嚴格的污染物處理方法。

2.4 熱解法

熱解技術是指有機物在無氧或缺氧條件下的高溫分解技術。該技術最早應用于煤的干餾，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，其應用范圍逐漸擴大。20世紀70年代初期，由于世界性石油危機對工業(yè)國家經濟的沖擊，人們逐漸意識到開發(fā)可再生能源的重要性，熱解技術也逐漸開始應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組分，有很好的能源資源回收潛力，其熱解過程也一直受到了國內外學者的廣泛關注。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輸液管的一級分解有促進作用；又對醫(yī)用橡膠手套和導管的熱解過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)橡膠手套的熱降解主要發(fā)生在250～485 ℃，導管的熱降解主要發(fā)生在240～510 ℃，并建立了一種針對橡膠組分的熱解反應模型。Zhu等[28]研究了脫脂棉、醫(yī)用口罩和竹簽這3種典型醫(yī)療廢棄物的熱解過程，定性分析了熱解過程中氣體的產生和演變過程，對這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 ℃左右開始降解，400 ℃左右達到最大降解速率。Abhishek等研究了廢舊醫(yī)用注射器在400～550 ℃下的熱降解過程，在450 ℃時得到最大的液體產物產率為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程中氣體產物的析出過程和分布特性，3種物料的熱降解開始溫度分別為145，175，536 ℃。馬洪亭等[31]研究了醫(yī)療廢棄物種類、熱解溫度、反應時間等條件對醫(yī)療固體廢棄物熱解過程的影響。嚴建華等[32-34]針對幾種典型醫(yī)療固體廢棄物的熱解，分別建立了不同的熱解反應動力學模型。

總的來說，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物具有充分的資源能源回收價值，降低環(huán)境污染的同時也能最大化地對其進行資源化利用。而國內外學者大都是選取了一種或幾種典型的醫(yī)療固體廢棄物進行熱解試驗，對各典型組分的主要熱解反應溫度段都有了詳細的研究，也系統(tǒng)地研究了熱解條件對產物分布的影響，但對混合醫(yī)療固體廢棄物熱解的研究較少，對熱解后生成產物的資源化利用也少有系統(tǒng)的分析。

2.5 新興醫(yī)療固廢處理技術

近年來，隨著科學技術的進一步發(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也逐漸開始應用于醫(yī)療固體廢棄物的處理領域。

等離子體技術主要用于對固體廢棄物進行等離子體熱解氣化以生成燃料或用于發(fā)電領域[35-37]。對廢棄物的處理包括高溫熱解、燃燒和高于1 400 ℃的熔融等過程，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程中二噁英類物質的產生[38]。最終可以最大限度地實現(xiàn)醫(yī)療固體廢棄物減容減量、重金屬穩(wěn)定化以及玻璃體無害化[39]。目前在美國、法國、日本和中國等國家都已經建成了一些基于等離子體技術的處理裝置，并已有工業(yè)化運行[38]。

電弧爐處理技術廣泛應用于煉鋼領域，但由于現(xiàn)在普遍存在的醫(yī)療固體廢棄物分類不明確的現(xiàn)象，再加上考慮到廢棄物中存在的針頭等金屬物，近年來也有學者提出用這種技術對其進行處理。Cai等[40]進行了電弧技術處理醫(yī)療廢棄物的半工業(yè)試驗和工業(yè)試驗，并做出了經濟效益和環(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，煉鋼過程中對環(huán)境的影響有比較顯著的降低。

磁化裂解技術是在普通的裂解反應中加入磁場，通過磁場使醫(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物分解并產生對環(huán)境無害的小分子量有機物或無機物，而這個溫度低于二噁英類物質可能產生的溫度，從而達到抑制二噁英類物質生成的目的[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，殺死致病細菌的同時使醫(yī)療廢棄物發(fā)生熱降解[43]。

這幾種新興的醫(yī)療廢棄物處理技術都存在投資大、成本高、經濟效益低的缺點，因此，雖然可以最大限度地使廢棄物減容減量、滅菌消毒，但在實際工業(yè)應用中并不多見。

3 結論及建議

醫(yī)療固體廢棄物具有很大的能源資源回收價值，傳統(tǒng)的滅菌后填埋雖然可以比較方便徹底的對其進行處理，但這種處理過程基本沒有能源回收再利用，需占用大量土地資源，處理不當還會造成比較嚴重的環(huán)境污染。現(xiàn)行最普遍的焚燒技術雖然有比較不錯的能源回收效率，但焚燒過程中會產生很多環(huán)境污染物，需要對產生的尾氣進行妥善的處理。幾種新興的處理技術雖然效率很高，也有很好的效果，但投資太大，在實際工業(yè)應用中還不太現(xiàn)實。

因此，熱解處理仍然是最好的處理方式，前期投資不大，可以充分的對廢棄物中的有機成分進行資源能源回收，同時產生的污染物較少，也大大減輕了對環(huán)境的污染，具有很好的經濟效益。國內外學者對廢棄物中典型組分的熱解過程進行了大量的研究，但仍需進一步研究混合廢棄物的熱解過程以及熱解產物的充分資源化利用方法。