医疗废物回转窑二噁英生成及控制对策

史昕龙（上海市固体废物处置中心，上海 200235 )

二噁英既是指多氯二苯并二噁英（PCDDs），又是多氯二苯并二噁英与多氯二苯并呋喃的总称。二噁英属于 POPs有机污染物，具有强烈的致癌、致畸、致突变的毒性，且在环境中极难降解。因此，固体废物焚烧过程中的二噁英排放问题已逐渐成为人们关注的热点。

文献资料显示[1-2]，医疗废物焚烧过程中含氯一次性PVC 医疗塑料制品较多，二噁英源头产生浓度较高，平均浓度为毒性当量（TEQ）0.4～3 ng/m3。经余热利用、急冷、管道等设施 2 次合成后，二噁英浓度会大幅增加，波动范围在 15～30 ng/m3之间，远高于生活垃圾焚烧的 10 ng/m3二噁英源头浓度。因此，二噁英国家和行业的高排放标准，对二噁英减排和控制技术的稳定性、可靠性提出了较高的要求。

1 二噁英产生机理

废物焚烧产生二噁英的机理十分复杂，目前国际研究公认的焚烧垃圾产生二噁英的机理有4种方式[3]：① 废物中本身含有二噁英物质, 在高温焚烧过程中释放出来；② 废物在燃烧过程中形成二噁英前驱体；③ 含苯环等高分子物质通过聚合等反应形成多环烃化合物 (PAH), 这些化合物再与 Cl反应形成二噁英；④ 在一定温度范围(250～450 ℃)内， 二噁英前驱体在 Cu 等金属催化剂的作用下二次合成二噁英。

从反应机理来看，二噁英的生成与处置废物的理化特性、燃烧过程、温度控制、催化剂等因子息息相关。

2 二噁英控制对策及技术

目前，废物焚烧领域中，二噁英的控制对策及技术主要包括炉内控制和排放抑制两个方面。

2.1 炉内控制技术

炉内二噁英控制是从产生源头上控制二噁英。目前国内在医疗废物焚烧炉中使用较多的控制技术主要有以下几种。

2.1.1 3T 技术

3T指温度、时间和湍流度。保证在废物燃烧过程中在温度＞ 850 ℃ ，停留时间 ＞2 s，同时控制好废物进料量与供风量的配比和均匀的混合效果，保证废物燃烧完全，从源头上控制好二噁英的产生浓度。文献[1]显示，医疗废物尽管含氯量高，极易产生二噁英，但由于二燃室出口温度高（一般＞ 850 ℃）且有一定的燃烧停留和反应时间，所以医疗废物焚烧炉二燃室出口二噁英相对还是比较低的，基本浓度范围稳定在 1～2 ng/m3。

2.1.2 炉内投加抑制剂技术

国内外有些研究表明[4]，向炉内投加硫、石灰石、氢氧化钙等抑制剂可大大缓解二噁英的生成，可以在一定程度上抑制 PCDD/Fs 的形成和排放。

2.2 排放抑制技术

由于医疗废物含有易生成二噁英的含氯等物质, 而且燃烧过程中不可避免需要通过易生成二噁英的危险温度（二噁英的最佳生成温度是 300～500 ℃）区间，所以要在焚烧炉内将二噁英的生成控制为零是极其困难的。因此，可以通过烟气排放抑制策略减少焚烧产生的烟气中二噁英的排放。目前医疗废物回转窑焚烧炉中使用的二噁英排放抑制技术主要有以下几种。

2.2.1 活性炭投加吸附+单布袋除尘器协同处置技术

目前国内医疗废物焚烧厂、国内生活垃圾焚烧厂及危险废物焚烧厂均广泛使用“活性炭投加吸附+单布袋除尘器”协同处置技术，选用优质进口或国产高效活性炭，再配以单级高效布袋除尘器，吸附烟气中的二噁英。该协同处置技术对二噁英的去除具有良好的效果，去除效率基本在 83%～99% 之间[5-6]。

研究结果表明，由于二噁英类物质（二噁英和呋喃）是小于 1 nm 的分子，所以在运行中，选用的活性炭吸附材料的吸附能力与比表面积、孔径分布、碘值、运行温度等密切相关。

活性炭投加吸附设施的形式主要有以下 3 种。

（1）携流式：是目前最常用的活性炭投加在烟气净化系统内的使用方式。将活性炭喷射至管道或者塔体内，与布袋除尘器联用去除二噁英。但携流式的活性炭投加设施经常会出现架桥、堵塞、计量不精确等故障，造成二噁英脱除效率不稳定、活性炭利用效率低等情况发生。在保障二噁英稳定达标的前提下，此投加方式对活性炭连续投加的稳定性、可靠性及精准性要求较高。

（2）固定床式：是指将活性炭置于多层吸附床层内，烟气通过活性炭床层与活性炭充分接触，达到一定停留时间后完成二噁英净化效果。当活性炭达到吸附饱和容量后可定期更换活性炭，可确保活性炭的吸附效率。但此方式因需定期更换活性炭，运行成本相对较高。

（3）流动床式：是指将活性炭置于床层内，以活性炭再生或者提高活性炭使用寿命为目的，活性炭通过在流化床层内循环使用进行二噁英吸附的控制技术。目前此项技术在钢厂脱硫脱硝控制中有一定的使用，生活垃圾、医疗废物和危险废物焚烧行业中应用于二噁英控制技术较少。

2.2.2 活性炭喷射+双布袋除尘器协同处置技术

目前，废物焚烧处置厂也应用了活性炭喷射+双布袋技术，对控制二噁英取得了一定的效果。双布袋技术可将二噁英排放浓度降低至毒性当量（TEQ）0.05 ng/m3。 二噁英的去除效率比常规的单布袋技术有所提升，可达到 94.9%，且活性炭投加量也减少了 50% 以上，活性炭的消耗量可从540 mg/m3降低至 215 mg/m3。

国内有些试验结果表明，通过活性炭投加配以双布袋技术，焚烧尾气中二噁英的浓度能控制在毒性当量（TEQ）0.07 ng/m3以内。相比单布袋，二噁英去除率提高约11 %，活性炭消耗量也会小幅下降。

但相对单级布袋技术而言，双布袋技术投资费用较高。双布袋技术需要定期更换 2 个除尘器滤袋，而滤袋属于易耗品，需定期更换，且每次更换费用不菲。由于相对运行成本较高，双布袋技术在国内工程应用案例较少。

2.2.3 活性焦吸附技术

活性焦吸附技术由德国 BF 公司于上世纪 70 年代开发，最早用于脱硫脱硝技术。活性焦因结构上中孔发达，能吸附大分子、长链有机物，生产成本不到活性炭的 50%。活性焦既具有活性炭的特点，同时又克服了活性炭单价高、强度低、易碎等缺点，因此活性焦成为高性价比的二噁英吸附材料。活性焦吸附床一般放在活性炭喷射＋布袋除尘器后面进一步脱除二噁英，并采用流化床式提高活性焦再生能力。

活性焦吸附技术目前国内外应用于脱硫脱硝技术较多，但设施加工和运营比较复杂，国内应用于去除二噁英的设施较少。

2.2.4 催化剂技术

二噁英的催化剂最初来源于 SCR 选择性催化还原技术的催化剂。催化剂最早使用于 NOX的排放控制，上世纪末被开发用于处理焚烧厂烟气中的二噁英。催化剂用于去除 PCDD/Fs 的机理是：在 170～300 ℃ 之间，当二噁英通过催化剂活性床，在氧化存在情况下，由催化剂表面与二噁英进行接触性氧化反应。催化剂对 PCDD/Fs 的去除率在21%～ 97%之间，去除率多少重点取决于操作温度和选择哪种催化剂。表1 为各类催化剂去除 PCDD/Fs 的性能。

表1 各类催化剂去除 PCDD/Fs 的性能

2.2.5 催化滤袋技术

催化滤袋技术实际上是将催化过滤技术与表面过滤技术集成于一体。高精度薄膜既可去除吸附二噁英，又可去除比表面积大的亚微粉尘，粉尘去除效率可达 100%，远高于普通滤袋粉尘过滤精度。这种新的高科技材料在美国、日本均已成熟。

这种技术涵盖了催化过滤技术和表面过滤技术。系统由薄膜与催化底布组成，底布采用针刺结构，纤维是由膨体聚四氟乙烯复合催化剂组成。覆膜材料能够将 PCDD/F 在低温条件下（180～260 ℃）通过催化反应来摧毁二噁英，同时在催化剂介质表面将二噁英分解成 CO2、H2O 和 HCl。其反应原理如图1 所示。

图1 催化滤袋反应原理

相比传统滤袋而言，催化滤袋的投资成本较高。目前在国内的医疗废物焚烧厂、危险废物焚烧厂、生活垃圾焚烧厂已经有了一定的应用业绩和案例。

2.2.6 其他控制技术

除以上 5 种技术外，还有紫外光解与光催化氧化、等离子处置技术，但因为技术成熟度不高，且投资和运行成本不明确，目前在国内焚烧厂应用较少。

3 应用案例

上海市医疗废物焚烧集中处置基地针对医疗废物理化特性，特别是二噁英的产生现状，在二噁英处置技术上采用了“活性炭投加＋催化滤袋＋活性性固定床”的组合净化工艺，二噁英排放浓度远低于欧盟 2000 排放标准，对我国医疗废物焚烧烟气二噁英处置领域产生了良好的示范作用。

4 结 语

综上所述, 根据医疗废物的物理化学特性和具有高度传染性的特点及其在焚烧中二噁英产生的机理, 焚烧医疗废物中控制和防冶二噁英的关键因素可以归纳为以下几点。

（1）炉内二噁英控制。通过 3 T技术从源头控制二噁英的产生，也可向炉内投加抑制剂，进一步减少二噁英生成。

（2）二噁英排放抑制控制。通过烟气处理工艺净化二噁英。根据医疗废物的二噁英浓度情况，建议采用多种组合工艺，选用性能比最优的处置工艺。