兩種醫(yī)療廢物應(yīng)急協(xié)同處置技術(shù)的生命周期評價＊

趙宇軒，魏國俠，劉漢橋，趙海龍，3，李 通，龔永月，喬浩宇

（1. 天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2. 天津城建大學(xué)理學(xué)院，天津 300384；3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

1 引言

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）是一種高度傳染性的呼吸道傳染病，主要經(jīng)呼吸道飛沫和接觸傳播［1］。COVID-19 病毒可以在材料表面存活長達(dá)9 d［2］，其傳染風(fēng)險比普通醫(yī)療廢物更大。疫情期間，醫(yī)務(wù)人員和患者消耗了大量的個人防護(hù)用品（如手套、面罩、護(hù)目鏡和工作服等），據(jù)估計全球每月使用1 290 億個口罩和650 億只手套［3-4］。醫(yī)療服務(wù)需求的爆炸式增長和個人防護(hù)設(shè)備的大量消耗導(dǎo)致醫(yī)療廢物產(chǎn)生量激增。疫情期間的醫(yī)療廢物可分為涉疫生活垃圾和醫(yī)院醫(yī)療廢物兩大類，后者主要包括隔離點(diǎn)生活垃圾、方艙生活垃圾、定點(diǎn)醫(yī)院垃圾和一般醫(yī)院的醫(yī)療廢物。2020 年2 月25 日，疫情期間武漢市醫(yī)療廢物產(chǎn)生量峰值超過240 t/d［1，4］，遠(yuǎn)超過其已有處置能力（50.0 t/d）。2022 年4 月上海醫(yī)療廢物產(chǎn)生量隨疫情蔓延急劇上升，在4 月28 日超過1 400 t/d，醫(yī)療廢物總產(chǎn)生量約為處置能力極限的3倍。2022 年7 月，北京、仙桃、丹東、十堰等城市每100 萬人約產(chǎn)生5 t 醫(yī)療廢物［5］。在中國，醫(yī)療廢物必須通過集中處置設(shè)施進(jìn)行處置，但疫情期間醫(yī)療廢物的數(shù)量往往超過已有處置能力［6-7］，其處置成為防止疫情蔓延的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為提高醫(yī)療廢物應(yīng)急處置能力，2020 年我國發(fā)布《新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)療廢物應(yīng)急處置管理與技術(shù)指南（試行）》，疫情期間允許采用移動式處置設(shè)施（如移動式焚燒設(shè)備、移動式蒸汽滅菌艙設(shè)備），以及與危險廢物或生活垃圾協(xié)同焚燒等應(yīng)急處置技術(shù)。大多數(shù)移動式處置設(shè)施規(guī)模較小，處置能力不足5 t/d，2020 年3 月21日，武漢移動設(shè)施的總處置能力僅為75.6 t/d，而通過生活垃圾焚燒設(shè)施協(xié)同處置了5 806.4 t［1］，相較而言，協(xié)同處置設(shè)施的處置能力大得多。2022年上海通過生活垃圾焚燒設(shè)施協(xié)同應(yīng)急處置醫(yī)療廢物的能力超過1 000 t/d。對于國內(nèi)外疫情嚴(yán)重的地區(qū)，在缺乏移動式處置設(shè)施或處置能力不足的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用危險廢物焚燒設(shè)施和生活垃圾焚燒設(shè)施進(jìn)行醫(yī)療廢物處置。

生命周期評價（Life Cycle Assessment， LCA）是評價產(chǎn)品、過程或者服務(wù)所產(chǎn)生環(huán)境影響的一種全面、科學(xué)、量化方法［8］。該評價貫穿產(chǎn)品、工藝或活動的整個生命周期，包括原材料的獲取和加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和維護(hù)以及最終處置［9］。目前LCA 已被國內(nèi)外學(xué)者用于評估醫(yī)療廢物焚燒及消毒殺菌等處置技術(shù)［10］。2015 年，Koo等［11］比較了韓國醫(yī)療廢物處置的4 種技術(shù)（即焚燒、熱回收焚燒、蒸汽滅菌和微波消毒），結(jié)果顯示熱回收焚燒是最佳處置情景，但只討論了4 個類別的指標(biāo)，即全球變暖、光化學(xué)氧化、酸化和人類毒性。2019 年，Ahmad 等［12］評估了巴基斯坦4 種醫(yī)療廢物管理做法（焚燒、填埋、熱解和化學(xué)消毒）的環(huán)境影響，結(jié)果顯示焚燒對環(huán)境的影響最大，化學(xué)消毒對環(huán)境的影響最小。

本研究首先比較分析醫(yī)療廢物與危險廢物或生活垃圾協(xié)同焚燒兩種應(yīng)急處置技術(shù)的特點(diǎn)、環(huán)境風(fēng)險和技術(shù)適應(yīng)性，提出應(yīng)急管理的措施建議；然后構(gòu)建兩種應(yīng)急協(xié)同處置技術(shù)的生命周期清單，用LCA 量化比較兩種醫(yī)療廢物應(yīng)急協(xié)同處置技術(shù)的環(huán)境影響，并進(jìn)一步通過場景分析探究醫(yī)療廢物與危險廢物協(xié)同焚燒技術(shù)的能量回收和環(huán)境效益的改進(jìn)潛力，為疫情期間我國醫(yī)療廢物應(yīng)急處置和管理提供重要參考。

2 材料與方法

2.1 醫(yī)療廢物與危險廢物協(xié)同焚燒

危險廢物焚燒設(shè)施的運(yùn)行和管理要求與醫(yī)療廢物焚燒設(shè)施相似，可以作為醫(yī)療廢物處置的首選替代設(shè)施。危險廢物焚燒設(shè)施的一般處置能力為2～60 t/d［13］。危險廢物焚燒系統(tǒng)如圖1 所示，包括預(yù)處置、進(jìn)料、焚燒、余熱利用、煙氣凈化等輔助系統(tǒng)。桶裝醫(yī)療廢物和桶裝危險廢物由窯頭提升機(jī)送至爐進(jìn)料斗，然后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焚燒。非桶裝醫(yī)療廢物由周轉(zhuǎn)箱包裝，通過提升機(jī)直接進(jìn)入焚燒系統(tǒng)焚燒處理。非桶裝危險廢物經(jīng)破碎機(jī)破碎后在料坑內(nèi)混合攪拌，由起重機(jī)送至爐進(jìn)料斗。危險廢物中含有多種有害成分，因此混合廢物配伍是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要根據(jù)垃圾的成分和熱值進(jìn)行匹配，保證窯爐的穩(wěn)定運(yùn)行，同時避免有害成分集中焚燒，并控制酸性污染物的含量。

圖1 危險廢物焚燒協(xié)同處置醫(yī)療廢物工藝Figure 1 The co-disposal process of medical waste and hazardous waste incineration

2.2 醫(yī)療廢物與生活垃圾協(xié)同焚燒

生活垃圾焚燒爐的溫度應(yīng)在850 ℃以上，垃圾在爐內(nèi)的停留時間一般為1.0～1.5 h，可使新型冠狀病毒完全失活［14］。因此，適當(dāng)控制摻燒比例，垃圾焚燒設(shè)施處置涉疫醫(yī)療廢物技術(shù)上是可行的，并且可以通過發(fā)電回收能量。

生活垃圾焚燒設(shè)施已在國內(nèi)外成功應(yīng)用于醫(yī)療廢物應(yīng)急處置［15］。進(jìn)行破碎毀形和消毒處理并滿足消毒效果檢驗(yàn)指標(biāo)的感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物可與生活垃圾一起處置。同時，由于醫(yī)療廢物中的高塑料含量，可導(dǎo)致煙氣中氯化氫和二英類的含量增加，故醫(yī)療廢物必須低于混合廢物總質(zhì)量的5%［16］。我國單個垃圾焚燒廠的焚燒能力一般為600～2 000 t/d，按此計算，醫(yī)療廢物的協(xié)同處置能力通常為30～100 t/d［17］。挪威奧斯陸市克拉梅特斯魯（Klemetsrud）生活垃圾焚燒廠利用機(jī)械爐排式焚燒爐處置感染性醫(yī)療廢物，摻燒比也控制在5%以下［15］。

醫(yī)療廢物與生活垃圾協(xié)同處置流程見圖2，進(jìn)料系統(tǒng)是關(guān)鍵，醫(yī)療廢物和生活垃圾分別需要兩套儲存和進(jìn)料系統(tǒng)。為控制傳染風(fēng)險，醫(yī)療廢物應(yīng)通過加強(qiáng)包裝、改進(jìn)投加工藝（如設(shè)立單獨(dú)投加口）和減少在垃圾坑中的停留時間來降低醫(yī)療廢物包裝破損的概率［15］。同時，對垃圾坑嚴(yán)格實(shí)行“微負(fù)壓”環(huán)境，確保即使包裝破損也不會將感染性物質(zhì)釋放到環(huán)境中。此外，因生活垃圾焚燒爐無煙氣急冷措施，無法避免二英類物質(zhì)在180～550 ℃下二次合成，建議適當(dāng)降低醫(yī)療廢物比例或?qū)煔夂趿靠刂圃?%～12%，以確保煙氣中二英類物質(zhì)排放濃度達(dá)到GB 18485—2014 生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)中的要求（≤0.1 ng/m3）。在焚燒飛灰方面，因高氯的醫(yī)療廢物摻燒會導(dǎo)致飛灰中的氯含量增加，可能影響其后續(xù)處理。

圖2 生活垃圾焚燒協(xié)同處置醫(yī)療廢物工藝Figure 2 The co-disposal process of medical waste and municipal solid waste incineration

3 結(jié)果與討論

3.1 醫(yī)療廢物應(yīng)急協(xié)同處置技術(shù)的LCA

3.1.1 功能單位與系統(tǒng)邊界

技術(shù)1 為醫(yī)療廢物在回轉(zhuǎn)窯中與可燃危險廢物協(xié)同處置，醫(yī)療廢物和其他危險廢物的比例分別為24%和76%。功能單位為處置1 t 醫(yī)療廢物和3.17 t 危險廢物。技術(shù)2 為醫(yī)療廢物在生活垃圾爐排焚燒爐中協(xié)同焚燒，醫(yī)療廢物摻燒比占生活垃圾焚燒設(shè)施處理能力的5% 。功能單位為處置1 t醫(yī)療廢物和19 t 生活垃圾。

由于技術(shù)1 和技術(shù)2 均為協(xié)同處置技術(shù)，無法直接單獨(dú)進(jìn)行醫(yī)療廢物處置環(huán)境影響比較評價，故提出兩個輔助技術(shù)，技術(shù)A 為純危險廢物在回轉(zhuǎn)窯中處置，技術(shù)B 為純生活垃圾在焚燒爐中處置。將技術(shù)1、技術(shù)2 處置情景分別減去技術(shù)A、技術(shù)B 兩個輔助情景，得到1A、2B 的兩個情景，功能單位均為處置1 t 醫(yī)療廢物。兩種應(yīng)急協(xié)同處置情景的系統(tǒng)邊界和物質(zhì)流分析見圖3。

圖3 兩種應(yīng)急處置技術(shù)的系統(tǒng)邊界和物質(zhì)流（單位：kg）Figure 3 System boundary and material flow of two emergency disposal technologies （unit：kg）

3.1.2 技術(shù)優(yōu)化的情景分析

對于情景1A，蒸汽在冷卻塔中被直接冷卻，沒有熱能回收。為探索降低環(huán)境影響的潛力，提出優(yōu)化情景1A：即情景1A 中產(chǎn)生的所有蒸汽都進(jìn)行回收，用于附近工廠建筑物、員工日常生活供暖及外部供暖。

3.1.3 生命周期清單

生命周期清單如表1 所示。技術(shù)1 和技術(shù)2的實(shí)景數(shù)據(jù)分別來自《麗水市醫(yī)療廢物處置中心二期危險廢物綜合焚燒擴(kuò)建工程環(huán)境影響報告書》和《莆田市生活垃圾焚燒發(fā)電廠三期擴(kuò)建項(xiàng)目竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測報告》。輔助技術(shù)A 和輔助技術(shù)B 的實(shí)景數(shù)據(jù)分別來自《江蘇弘成環(huán)?？萍加邢薰?0 t/d 危險廢物焚燒處置擴(kuò)建項(xiàng)目環(huán)境影響報告書》和《仙游縣垃圾處理（焚燒發(fā)電）廠項(xiàng)目環(huán)境影響報告書》。背景數(shù)據(jù)來自eFootprint 平臺中CLCD 數(shù)據(jù)庫和Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫［18］。

表1 兩種應(yīng)急處置技術(shù)、輔助技術(shù)和兩個情景的生命周期清單Table 1 Life cycle inventory of two emergency disposal technologies，assistive technologies and two scenarios

3.2 能量回收分析

情景1A 及其優(yōu)化情景1A 的能量平衡和能量回收效率分析結(jié)果見圖4。情景1A 的焚燒爐出口煙氣溫度約為1 100 ℃。優(yōu)化情景1A 余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收后，產(chǎn)生4 720 kg 水蒸氣（1.6 MPa，204 ℃），其出口煙氣溫度變?yōu)?50 ℃。因?yàn)闊煔獗仨氝M(jìn)行急冷以防在180～550 ℃下產(chǎn)生二英類物質(zhì)，因此該溫度范圍內(nèi)的熱量不能進(jìn)行余熱利用。情景1A 余熱回收后，其能源回收效率提高了63.6%。

圖4 情景1A 和優(yōu)化情景1A 的能量平衡分析Figure 4 Energy balance analysis on scenarios 1A and the optimized scenarios 1A

3.3 特征化分析

選擇了19 個影響類別進(jìn)行特征化分析，情景1A 和情景2B 的特征化結(jié)果見表2。

表2 情景1A 和情景2B 的特征化結(jié)果Table 2 Characterization results of scenarios 1A and 2B

與情景2B 相比，情景1A 消耗大量柴油，因?yàn)榕c危險廢物協(xié)同焚燒需要消耗柴油作為燃料。柴油對大多數(shù)類別都有重大影響，因此情景1A對環(huán)境的影響較高，其中，非生物資源消耗潛值高，且焚燒過程中產(chǎn)生酸性氣體，酸化值較高，另外直接排放、電力、氫氧化鈉和柴油是該情景中光化學(xué)臭氧合成的主要貢獻(xiàn)者。情景2B 是與生活垃圾協(xié)同焚燒，由于發(fā)電而具有顯著的環(huán)境效益。

3.4 歸一化分析和節(jié)能減排（ECER）指標(biāo)值評估

情景1A、情景2B 及優(yōu)化情景1A 的歸一化結(jié)果見圖5。情景1A、情景2B 的ECER 結(jié)果分別為4.02×10-9和-2.60×10-9。情景1A 的環(huán)境影響遠(yuǎn)高于情景2B，其中，情景1A 的氮氧化物值比情景2B高，直接排放、電力對氮氧化物有顯著影響；情景2B 中醫(yī)療廢物焚燒發(fā)電對二氧化硫和二氧化碳有顯著的正面影響。

圖5 情景1A、情景2B 及優(yōu)化情景1A 中所有類別的歸一化結(jié)果Figure 5 Normalized results of all the categories in scenarios1A，2B and optimized scenarios 1A

由于優(yōu)化情景1A 中的能量回收，優(yōu)化情景1A對初級能源消耗和二氧化碳的影響比情景1A 低，氨氮的值沒有明顯變化。優(yōu)化情景1A 的ECER 指標(biāo)比情景1A 低21.9%，優(yōu)化后環(huán)境效益更好。

4 結(jié)論

1）選擇危險廢物焚燒設(shè)施進(jìn)行醫(yī)療廢物處置，因其急冷裝置可以有效避免二英類物質(zhì)二次合成。然而，在我國目前的實(shí)踐中，危廢焚燒設(shè)施不足以應(yīng)對疫情期間的大量醫(yī)療廢物，可通過原料配伍來提高醫(yī)療廢物進(jìn)料比及應(yīng)急處置能力。與生活垃圾協(xié)同焚燒雖具有巨大的應(yīng)急醫(yī)療廢物處置潛力，但因沒有急冷裝置，僅適用于短期應(yīng)急處置。

2）兩種醫(yī)療廢物協(xié)同處置技術(shù)的LCA 結(jié)果表明，與生活垃圾協(xié)同焚燒的環(huán)境影響比與危險廢物協(xié)同焚燒小，且前者非生物資源消耗潛值、酸化、光化學(xué)臭氧合成、生態(tài)毒性、工業(yè)用水量、化學(xué)需氧量及氨氮都較低，這是由于其高燃油消耗和缺乏能量回收。后者對煙氣余熱能量回收優(yōu)化情景表明，不僅能源回收效率提高了63.6%，而且節(jié)能減排指標(biāo)降低了21.9%。