醫(yī)療廢物熱解焚燒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置及組成研究

張偉，柴森友，劉心悅，左其亭

（1.鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001;2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)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?xiàng)l例》規(guī)定，醫(yī)療廢物是指醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)在醫(yī)療、預(yù)防、保健以及其他相關(guān)活動(dòng)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(xué)物質(zhì)，甚至?xí)蟹派湫院蛽p傷性物質(zhì)。對醫(yī)療廢物若處理不當(dāng)，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(xué)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(dāng)前的全球形勢下，醫(yī)療廢物的無害化處理成為研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)突破瓶頸。在環(huán)境類專業(yè)課程教學(xué)中，針對醫(yī)療廢物的熱解焚燒處理相關(guān)理論課及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的普及迫在眉睫。但由于醫(yī)療廢物本身危險(xiǎn)性極大，限制了實(shí)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的可行性，廣大環(huán)境類學(xué)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建可有效彌補(bǔ)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(shí)驗(yàn)，可完全避免與醫(yī)療廢物的直接接觸，基于可視化的實(shí)驗(yàn)流程與人機(jī)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作過程，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維。

一、醫(yī)療廢物熱解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及組成

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

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基本組成及框架

（一）全程教學(xué)

該平臺重點(diǎn)模擬使用熱解焚燒的方法實(shí)現(xiàn)醫(yī)療廢物的無害化處理，對醫(yī)療廢物的種類、化學(xué)組成、熱解焚燒處理的工藝選擇及設(shè)計(jì)理念、實(shí)習(xí)操作等進(jìn)行詳細(xì)解說和視頻介紹，加深學(xué)生對醫(yī)療廢物結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的認(rèn)識，同時(shí)使學(xué)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(shí)驗(yàn)和仿真操作兩個(gè)層次。

虛擬實(shí)驗(yàn)主要包括基礎(chǔ)知識和虛擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)模塊?；A(chǔ)知識部分主要對整個(gè)課程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹。學(xué)生在完成相關(guān)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)后，通過基礎(chǔ)知識檢測評分來反饋學(xué)習(xí)成果。在虛擬實(shí)驗(yàn)部分，通過場景搭建實(shí)現(xiàn)醫(yī)療廢物快速焚燒實(shí)驗(yàn)的平臺操作，同學(xué)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(kuò)散、混合及焚燒過程及機(jī)理，加深對焚燒爐內(nèi)物質(zhì)反應(yīng)的認(rèn)識，掌握醫(yī)療廢物焚燒設(shè)備的運(yùn)行及其他污染物的控制過程。基于三維虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，讓同學(xué)們能夠體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，深入體會操作基本過程，提高學(xué)生實(shí)際操作能力。

仿真操作則主要包括工藝流程和點(diǎn)火單元兩個(gè)要點(diǎn)，工藝流程如圖2所示。學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(dòng)化控制系統(tǒng)等）的構(gòu)造、主要器件及關(guān)鍵組件。在點(diǎn)火單元操作過程，學(xué)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(shí)現(xiàn)工況的調(diào)控，并能獲取在點(diǎn)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(jì)平臺，進(jìn)一步借助3DsMax和Solidworks等軟件進(jìn)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作效果。

（四）在線評價(jià)

學(xué)生在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)操作后，可在系統(tǒng)內(nèi)對實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行在線評價(jià)，也可就實(shí)驗(yàn)操作過程遇到的各類問題與老師進(jìn)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(xué)生的課堂出勤、學(xué)生操作及數(shù)據(jù)分析能力，以便及時(shí)糾錯(cuò)。通過在線布置作業(yè)，讓學(xué)生能夠更加熟練地操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加深對實(shí)驗(yàn)過程的記憶和理解。

二、醫(yī)療廢物熱解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(gè)平臺的核心，而熱解參數(shù)的選取和調(diào)控則是實(shí)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(shí)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(xué)性廢物、細(xì)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(xué)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(hù)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中對其類型進(jìn)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(xué)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(rèn)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(dá)到的溫度[5]。熱解焚燒溫度是模擬平臺設(shè)計(jì)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(xiàn)閱讀和實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)間

停留時(shí)間有兩方面的含義：一是生活垃圾在焚燒爐內(nèi)的停留時(shí)間，它是指生活垃圾從進(jìn)爐開始到焚燒結(jié)束，爐渣從爐中排出所需的時(shí)間；二是生活垃圾焚燒煙氣在爐中的停留時(shí)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(shí)間[5]。對于機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)間應(yīng)在180～200秒之間比較合適。影響煙氣停留時(shí)間的主要因素有焚燒爐體積及其長高比，送、引風(fēng)機(jī)間功率的匹配和爐膛負(fù)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(shí)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?？諝饴?/h3>

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(jìn)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(shí)驗(yàn)將全程教學(xué)、交互操作、模型調(diào)控和在線評價(jià)四個(gè)組成部分作為開展學(xué)習(xí)的主要載體，基于人機(jī)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與實(shí)踐協(xié)同推進(jìn)。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(shí)間和過?？諝饴实汝P(guān)鍵參數(shù)調(diào)控，使學(xué)生充分理解和掌握熱解過程不同參數(shù)對熱解的影響。