医疗固体废弃物处理技术综述

方书起，崔俊乐，白净，常春，3，李攀，3

(1.郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001；2.生物质炼制技术与装备河南省工程实验室，河南 郑州 450001；3.河南省杰出外籍科学家工作室，河南 郑州 450001)

随着我国医疗机构和就医人次的增加，不可避免地产生越来越多的医疗废弃物。据统计，2013年我国240余个大、中型城市医疗废弃物的产生量为54.8万t，到2016年已增长到了72.1万t[1]。而由于医疗废弃物具有不同于普通生活垃圾的传染性、致病性等危害，在处理过程中消灭病菌病毒，避免其致病性的同时，如何利用其中大量的有机成分，最大限度地回收资源能源将是一块重大的研究领域。

本文对与医疗废物相关的法律法规和几种医疗固体废弃物处理技术进行了简介，对其研究现状和处理过程中出现的问题及解决方法进行了系统地综述和分析，指出了现行前景最好的处理技术及其在研究过程中存在的不足之处。

1 医疗废物及相关法律法规概述

1.1 医疗废物概述

美国《医疗废物追踪法》中将医疗废物定义为在人类和动物的诊疗或免疫中，以及相关医学研究和生物实验中产生的废弃物。到目前为止，国际上并没有对医疗废弃物形成统一的定义，也就导致了各个国家对其的管理流程和处理设备不尽相同[2]。

在我国推行的《医疗废物管理条例中》指出，医疗废弃物是医疗卫生机构在相关诊疗活动中产生的具有感染性或其他危害性的废物。世界卫生组织也做出了大量的统计分析，认为医疗废弃物中有20%左右都具有潜在的感染性或其他危害性，对社会环境的安全和人们的日常生活都构成了较大的潜在威胁。在世界范围内，由于早期对医疗废弃物的处理方式较为简单，也引发了多起传染性疾病，因此，世界各国对其的合理处置也越来越重视。

1.2 相关法律法规概述

早在1989年就已经有了关于医疗废弃物管理的相关法规，多个国家共同签署了《控制危险废物越境转移及其处置的巴塞尔公约》，我国也在1991年加入其中。当时，发达国家就已建立了比较完善的医疗废弃物管理体系，美国实施的相关法案是《医疗废物追踪法》，旨在监督医疗固废的处理过程，防止灭菌不彻底对社会造成潜在威胁。

当时对废弃物的处理多以焚烧为主，造成了严重的环境污染。在1997年，美国率先颁布相关条例，规定了废弃物经焚烧处理后产生的烟气中污染物的排放标准。欧盟国家依据《欧洲废物目录》对医疗废弃物进行分类，在2000年也制定了相关的污染物排放标准[3]。由于环境意识和科技水平的落后，在当时，大多发展中国家并没有对感染性废物有严格的监管体系和法案[4]。

我国于1998年在《国家危险废物名录》中指出了医疗废物的严重危害性，将其列为高危害性废弃物，随后国务院又在2003年6月颁布了《医疗废物管理条例》。当时对废弃物的处理方式主要是填埋和焚烧，考虑到医疗废弃物进入填埋场后，可能会有感染性物质渗出，从而对周围环境和水体构成威胁。我国又在《生活垃圾填埋场污染控制标准》对医疗废物及其焚烧后剩余残渣的入场都做出了严格要求[5]。同时还规定医疗废物及其焚烧残渣都需单独分区填埋。除此之外，在我国的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》、《环境保护法》、《大气污染防治法》、《水污染防治法》以及《刑法》中都对不按要求处理废弃物的行为责令禁止并加以适当的处罚。

2 医疗废物处置技术概述

从20世纪五六十年代起，对医疗废物的处理已经引起了世界各国的关注，但当时的处理方式都是简单的消毒灭菌、卫生填埋和焚烧。随着人们环境及能源危机意识的提高和科技的进步，为了更彻底、更高效、更安全地处理医疗固体废弃物，热解法、辐照灭菌法、等离子体法、电弧炉处理法、磁化裂解法、液态合金处理法等一系列处理方法逐渐出现。也有很多学者对这些处理技术进行了研究，旨在减少能耗的同时实现有机组分的资源能源回收。但目前这些新型处理技术并不成熟，前期投资加大，处理成本高，并没有普遍应用于实际工业领域。高温蒸汽灭菌和焚烧法仍是主要的处置方式，占总处置量的90%以上[6]。

2.1 消毒灭菌技术

医疗固体废弃物由于其潜在的致病性，对社会的安全和人们的身体健康都有很大威胁，因此，首先考虑的就是对其进行彻底的消毒灭菌，现有的消毒技术主要有化学消毒法、高温高压蒸汽灭菌法和辐照灭菌技术。

化学消毒法处理工艺较为简单，最初是用于对液体废物和医疗器械等进行消毒处理，后来也逐步用于处理固体医疗废物，需向预先破碎的医疗废物中加入化学消毒剂，使废物中的病菌被杀灭或使之失去活性的方法。

高温高压蒸汽灭菌法在联合国《控制危险废物越境转移及其处置的巴塞尔公约》中被列为处理医疗废弃物的首选方法。普遍认为该方法的主要机理是利用高温蒸汽的潜热使病原微生物和病菌蛋白质凝固变性，以达到灭菌的目的。学者们也普遍认为该方法是使病菌病毒失活的最好方法，可以彻底地杀死致病细菌[7]。但在处理过程中，需要提供大量的热来产生蒸汽，整个流程中的能耗较高，有研究者对此做出了研究和改进。Holtman等[8]在蒸汽灭菌系统中加入了蒸汽回收系统，发现可以回收43%的水和30%的能量，大大降低了蒸汽灭菌过程中的能量消耗，也降低了蒸汽处理工艺的成本。

辐射灭菌法是一种比较新型的灭菌技术，处理过程比较简单，但是前期投资较大。美国环境保护署认为这是一种对传染性废物进行消毒灭菌的新兴技术[9]。学者们研究了其灭菌机理，普遍认为废弃物表面的水受到辐射后会分解产生活性很强的自由基，这些自由基会与细菌和病原体等有机复合物发生反应，导致其降解，从而使病原体失活[10]。

现有的医疗固体废弃物消毒灭菌技术已经十分成熟，对于应用最普遍的蒸汽灭菌技术，可以对处理过程中的能耗进一步研究，尽可能地降低成本，到目前为止这仍是最主要的灭菌技术之一。但任何一种消毒灭菌技术的初衷都只是为了杀死致病细菌，解决医疗固废致病性的潜在威胁，没有很好的减容减量效果。因此，实际应用中灭菌技术往往只是处理医疗固体废弃物的第一步，需与其他处理方法配合才能实现彻底的处理和资源能源回收。

2.2 卫生填埋法

卫生填埋法是将经消毒处理或焚烧后的医疗废弃物或残渣送入填埋场进行填埋处理，常作为废弃物的最终处理方法。由于医疗废物的特殊性，用此种方法处理时要求填埋场具有严密的防渗措施，以保证废物中的各种有害物质(如渗滤液)不会随雨水渗入土壤、水体中。

由于医疗固体废弃物的潜在危害性，人们更关心的是填埋场对附近土壤及水体的环境影响，国内外学者也做了许多相关的研究。Kapelewska等[11]对固体废弃物填埋场渗滤液中的典型有机污染物浓度进行了分析，发现其浓度等级均在μg/L，其中含量最高的分别是药品(35%)、苯酚(32%)和杀虫剂(30%)，对填埋场上游和下游的水体进行取样分析，发现下游水体中的污染物平均浓度比上游增加了1.25～4倍。Liu等[12]对填埋场渗滤液及其周围水体和土壤进行了取样分析，发现填埋场附近区域地下水层污染较重，对地表水和地表土壤影响较小，并提出了污染物在地下的几种迁移路径。Kalmykova等[13]研究了滤砂器、泥炭过滤器和活性炭过滤器对填埋场渗滤液中有机污染物的吸附效果，发现渗滤液经3种过滤器组合过滤后完全达到了排放标准。

从以上调查研究结果中可以看出，尽管填埋场对周围水体会有一定的影响，但只要加以完善的监测管理，及时进行后续处理，对环境的影响可控制在法律法规允许范围之内。其他处理方式总会或多或少地产生一些残渣，卫生填埋法依然是一种必须的处理方式，对其的后续研究仍然需集中于严密的防渗措施和更科学的监管体系。

2.3 焚烧法

焚烧处理是目前城市固体废弃物最主要的处理方式之一，处理过程中，废弃物中的可燃组分在800～1 000 ℃高温下燃烧，并释放出大量的热，剩余的残渣进一步处理符合标准后进入填埋场。其在处理日益增多的固体废弃物方面发挥着关键的作用，预计到2020年底，我国废弃物焚烧处理仍将占无害化处理量的50%以上[14-15]。焚烧法消毒灭菌彻底，减容减量效果显著，适用于各种固体废弃物，还可以将回收产生的热量用于产生蒸汽或发电[16-17]。但过程中容易造成环境污染，例如产生的粉尘、重金属颗粒、一些有害气体和二噁英等有毒物质，需要较高成本的尾气处理装置[18-19]。

在废弃物焚烧产生的有害物质中，二噁英类物质的处理难度较大，再加上其自身的危害性，其生成机理及处理方法引起了国内外众多学者的研究。目前，普遍认为二噁英的形成机理主要是在金属(Cu、Fe或其他过渡金属)催化作用下，含Cl酸性气体产生Cl2，从而与芳香族化合物的有机自由基反应，生成有毒的氯代芳烃类化合物[20-21]。

研究发现，碳酸钙、碳酸氢钠等化学品的加入可以很好地抑制过程中二噁英类污染物的生成[17]。龙宝玉等[22]研究了碳酸氢钠对400 ℃左右烟道气中二噁英的抑制效果，发现当碳酸氢钠喷入量达1.1 t/h时，对二噁英的抑制率可高达90%。Shi等[23]研究表明，通过实施烟道气的再循环技术，不仅能使系统的能量回收率增加，还能减少20%～40%的氮氧化物排放，同时可抑制二噁英的产生。也有学者研究发现，催化剂的使用对二噁英类污染物的生成也有很好的抑制作用，使用一些氨基催化剂(V2O5-WO3/TiO2等)能使二噁英类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类物质的含量降低95%[24-25]。

总的来说，对固体废弃物燃烧以后生成的粉尘、硫氮氧化物以及二噁英类污染物的排放，世界各国都有着严格的标准规范，经过众多国内外学者的共同努力，目前对这些污染物的处理手段也日益多样化，处理效果也越来越好。固体废弃物焚烧法依然是一种应用领域很广的处理技术，同时也有不错的能量回收效率，值得进一步地研究和推广，日后对其研究应重点关注于焚烧过程中的余热回收效率和更严格的污染物处理方法。

2.4 热解法

热解技术是指有机物在无氧或缺氧条件下的高温分解技术。该技术最早应用于煤的干馏，随着现代工业的发展，其应用范围逐渐扩大。20世纪70年代初期，由于世界性石油危机对工业国家经济的冲击，人们逐渐意识到开发可再生能源的重要性，热解技术也逐渐开始应用于垃圾的资源化处理。

由于医疗固体废弃物中大量的有机组分，有很好的能源资源回收潜力，其热解过程也一直受到了国内外学者的广泛关注。Deng等[26-27]选取了输液管、医用手套、医用敷料等几种典型的医疗固体废弃物之间的共热解行为，发现其它废弃物的添加对输液管的一级分解有促进作用；又对医用橡胶手套和导管的热解过程进行了研究，发现橡胶手套的热降解主要发生在250～485 ℃，导管的热降解主要发生在240～510 ℃，并建立了一种针对橡胶组分的热解反应模型。Zhu等[28]研究了脱脂棉、医用口罩和竹签这3种典型医疗废弃物的热解过程，定性分析了热解过程中气体的产生和演变过程，对这3种典型组分热解模型的建立具有重要意义。Qin等[29]研究了医用塑料瓶和输液袋的热降解，发现物料在300 ℃左右开始降解，400 ℃左右达到最大降解速率。Abhishek等研究了废旧医用注射器在400～550 ℃下的热降解过程，在450 ℃时得到最大的液体产物产率为83%。蒋旭光等[30]研究了医用脱脂棉、竹子和聚丙烯在热解过程中气体产物的析出过程和分布特性，3种物料的热降解开始温度分别为145，175，536 ℃。马洪亭等[31]研究了医疗废弃物种类、热解温度、反应时间等条件对医疗固体废弃物热解过程的影响。严建华等[32-34]针对几种典型医疗固体废弃物的热解，分别建立了不同的热解反应动力学模型。

总的来说，医疗固体废弃物热解是一种很好的处理手段，在缺氧环境中的热降解保证了产物具有充分的资源能源回收价值，降低环境污染的同时也能最大化地对其进行资源化利用。而国内外学者大都是选取了一种或几种典型的医疗固体废弃物进行热解试验，对各典型组分的主要热解反应温度段都有了详细的研究，也系统地研究了热解条件对产物分布的影响，但对混合医疗固体废弃物热解的研究较少，对热解后生成产物的资源化利用也少有系统的分析。

2.5 新兴医疗固废处理技术

近年来，随着科学技术的进一步发展，等离子体法、电弧炉处理法、磁化裂解法、液态合金处理法这几种新兴技术也逐渐开始应用于医疗固体废弃物的处理领域。

等离子体技术主要用于对固体废弃物进行等离子体热解气化以生成燃料或用于发电领域[35-37]。对废弃物的处理包括高温热解、燃烧和高于1 400 ℃的熔融等过程，能够有效地处理许多特殊废弃物，并可以抑制废弃物降解过程中二噁英类物质的产生[38]。最终可以最大限度地实现医疗固体废弃物减容减量、重金属稳定化以及玻璃体无害化[39]。目前在美国、法国、日本和中国等国家都已经建成了一些基于等离子体技术的处理装置，并已有工业化运行[38]。

电弧炉处理技术广泛应用于炼钢领域，但由于现在普遍存在的医疗固体废弃物分类不明确的现象，再加上考虑到废弃物中存在的针头等金属物，近年来也有学者提出用这种技术对其进行处理。Cai等[40]进行了电弧技术处理医疗废弃物的半工业试验和工业试验，并做出了经济效益和环境效益分析。Ghodrat等[41]用废弃的一次性注射器代替部分电弧炉炼钢过程中的电炉焦炭，发现加入部分一次性注射器后，炼钢过程中对环境的影响有比较显著的降低。

磁化裂解技术是在普通的裂解反应中加入磁场，通过磁场使医疗固体废弃物的裂解温度降低，在更低的温度下使其中的有机物分解并产生对环境无害的小分子量有机物或无机物，而这个温度低于二噁英类物质可能产生的温度，从而达到抑制二噁英类物质生成的目的[42]。

液态合金处理法是将Sn、Bi等特殊的低熔点合金加热到400 ℃左右，使合金成为液态，然后将医疗固体废弃物投入其中，杀死致病细菌的同时使医疗废弃物发生热降解[43]。

这几种新兴的医疗废弃物处理技术都存在投资大、成本高、经济效益低的缺点，因此，虽然可以最大限度地使废弃物减容减量、灭菌消毒，但在实际工业应用中并不多见。

3 结论及建议

医疗固体废弃物具有很大的能源资源回收价值，传统的灭菌后填埋虽然可以比较方便彻底的对其进行处理，但这种处理过程基本没有能源回收再利用，需占用大量土地资源，处理不当还会造成比较严重的环境污染。现行最普遍的焚烧技术虽然有比较不错的能源回收效率，但焚烧过程中会产生很多环境污染物，需要对产生的尾气进行妥善的处理。几种新兴的处理技术虽然效率很高，也有很好的效果，但投资太大，在实际工业应用中还不太现实。

因此，热解处理仍然是最好的处理方式，前期投资不大，可以充分的对废弃物中的有机成分进行资源能源回收，同时产生的污染物较少，也大大减轻了对环境的污染，具有很好的经济效益。国内外学者对废弃物中典型组分的热解过程进行了大量的研究，但仍需进一步研究混合废弃物的热解过程以及热解产物的充分资源化利用方法。