生活垃圾焚烧炉应急处置医疗废物对炉渣和烟气排放影响研究＊

王 荔，钟日钢，陈德珍，刘广鹏

(1.深圳市能源环保有限公司，广东 深圳 518046；2.同济大学热能与环境工程研究所，上海 200092）

1 引言

近年来我国的医疗废物管理越来越规范、设施建设发展迅速，但目前医疗废物处置设施的能力仍有不足，尤其是在疫情暴发等特殊情况下，需要应急处置设施来满足激增的医疗废物处置需求［1-2］。2003年非典后发布的《医疗废物集中处置技术规范》（环发〔2003〕206号）是我国第1个关于医疗废物应急处置的法规，规定重大传染病疫情期间，当医疗废物集中处置单位的处置能力无法满足疫情期间医疗废物处置要求时，经环保部门批准，可采用其他应急医疗废物处置设施增加临时医疗废物处理能力。利用现有的生活垃圾焚烧设施、其他危险废物焚烧设施以及水泥窑协同处置医疗废物是医疗废物应急处置的可选模式［3］。新冠疫情暴发后，生态环境部于2020年1月28日印发《新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗废物应急处置管理与技术指南（试行）》，再次确认了生活垃圾焚烧设施可以作为医疗废物应急处置设施。世卫组织（WHO）医疗废物安全管理手册（第2版）提出感染性医疗废物和少量的药物性废物可以由生活垃圾焚烧炉处置［4］，这是因为生活垃圾焚烧炉炉膛内温度≥850℃、停留时间不少于2 s，并且生活垃圾焚烧炉执行严格的污染物排放标准，烟气污染物排放的控制要求高于医疗废物焚烧炉。医疗废物经焚烧处置后产生的炉渣属于一般工业固体废物，应送生活垃圾填埋场填埋［5］，实质上与生活垃圾焚烧炉渣属于同一类固体废物类别。

最早研究将医疗废物在生活垃圾焚烧设施中掺烧的是意大利［6］，在Padua城市的1座150 t/d的生活垃圾焚烧炉中（试用期实际焚烧量90 t/d），处置了15 t/d的医疗垃圾及5 t/d的过期药品，研究报道了Cl、Hg、Cd、Pb和Cu在烟囱排烟、底渣、飞灰、废水和废水处理产生的污泥中的分布，发现Cl主要存在于飞灰和废水中；Hg主要从烟囱排放；Cd主要存在于飞灰中；Pb和Cu主要存在于底渣中。研究还报道医疗废物及过期药品中Cl的含量是垃圾含量的5.5 倍，但是该研究却没有将生活垃圾及医疗废物中重金属的分布分开讨论，医疗废物掺烧对重金属总量及分布的影响尚未进行前后对比性研究。此外尚未有研究报道实际掺入焚烧炉的医疗废物比例对焚烧炉渣重金属浸出及烟气达标排放的影响。而目前的相关规范并没有给出具体掺烧比例以指导实际操作，急需从实际操作中获得医疗废物掺烧对垃圾焚烧灰渣及烟气排放影响的真实数据来确定合理的掺入比例。

为了确定合适的应急操作掺烧比例，本研究在深圳某垃圾焚烧发电厂进行医疗废物进入焚烧炉与生活垃圾掺烧处理的现场试验，掺烧比例控制在医疗废物量为0～4%（wt）的生活垃圾焚烧量，考察了掺烧对生活垃圾焚烧炉的温度、烟气排放以及炉渣中重金属浸出的变化，为医疗废物的焚烧炉应急处置的具体操作提供支撑与指导。

2 研究方法

2.1 医疗废物和生活垃圾的组成分析

生活垃圾的采样均按照CJ/T 313—2009生活垃圾采样和分析方法进行，取样点在垃圾池。医疗废物主要来自社康医院垃圾池中一固定区域，在与生活垃圾混合前取样，因试验在新冠疫情期间进行，为安全起见，所取的医疗废物样品先称质量后，再通过高压蒸汽灭菌，然后再进行分析。表1和表2给出了试验期间某次取样得到的医疗废物和生活垃圾的组成与性质。

表1 生活垃圾及医疗废物的组分和热值（收到基）Table 1 Composition and heat value of municipal solid waste and medical waste（as received basis）

表2 生活垃圾及医疗废物的工业分析和元素分析结果Table2 Proximate analysis and elemental analysis results of municipal solid waste and medical waste

2.2 试验平台

本研究在深圳某垃圾焚烧发电厂进行试验，该焚烧厂采用深能环保—SEGHERS往复炉排炉，单台容量225 t/d，共2台。余热锅炉额定蒸发量为18 t/h，额定蒸汽参数4.0 MPa/400℃,配备1台6.5 MW汽轮发电机组。烟气净化处理工艺采用SN⁃CR+半干式反应塔+干法脱酸+活性炭喷射+布袋除尘系统+SCR脱硝工艺,满足比欧盟标准更为严格的深圳地方标准SZDB/Z 233—2017深圳市生活垃圾处理设施运营规范。掺烧试验在其中2#炉上进行。

2.3 掺烧试验

参考疫情期间生活垃圾焚烧处理的有关报道［7］，医疗废物掺烧时直送焚烧厂并通过专用进料门卸料，卸料后在垃圾池的一个固定区域，根据设定的比例取相应量的生活垃圾，用称量抓斗将医疗废物和生活垃圾充分搅拌混合，此时医疗废物仍未破袋，然后投入垃圾焚烧炉的料斗，通过本方式保证试验期间掺烧比例为设定值。试验在焚烧炉额定条件下进行，设置3个医疗废物掺烧比例，即医疗废物占生活垃圾的2%、3%和4%（wt），每个试验工况持续至少2 d，保证所取的底渣样是该应急处置工况的渣样。在试验期间保证锅炉出力不变，因而炉子的热负荷也基本不变,根据生活垃圾测试的热值和两种垃圾的进料量，可计算出医疗垃圾的热值。

2.4 样品采集与分析方法

为保证所取渣样是焚烧医疗废物掺烧后的渣样，炉渣的取样在混合垃圾入炉4 h之后再在出渣机上取样，取样按照CJ/T 531—2018生活垃圾焚烧灰渣取样制样与检测进行。每个掺烧比例所取炉渣样品为8个，运行中间隔4 h取样，4个比例（含0比例）共32个炉渣样品。随后炉渣样品按照HJ/T 299—2007固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法进行毒性浸出测试。炉渣热灼减率测定按照HJ 1024—2019固体废物热灼减率的测定重量法进行。烟气排放数据逐时记录，取小时平均值。利用单因素方差分析（one-way ANOVA）即F检验，分析医废掺烧量对炉渣重金属浸出浓度是否有显著性影响，关注多重比较表中显著性水平P，P≤0.01 表示具有极显著性差异，P在0.0 1 ～0.05 表示数据具有显著性差异，P≥0.0 5 表示数据之间没有显著差异。烟气排放的数据为试验时段排放的平均值，同样进行显著性分析。

3 结果与讨论

3.1 医疗废物掺烧量对焚烧炉运行工况的影响

这里主要关注医疗废物掺烧对焚烧炉炉膛温度和焚烧处理量的影响。图1给出每个掺烧比例前后的炉膛温度和脱硝剂用量的逐时变化。其中掺烧比例为2%和3%（wt）时，前12 h为日常运行情况，后12 h为掺烧后的代表性工况；掺烧比例为4%（wt）时，前8 h为日常运行情况，后8 h为掺烧后的代表性工况。将上述逐时温度按照不同医疗废物添加量工况取平均值，结果见图2，图2同时给出了实际的入炉垃圾焚烧量。可见，日常运行炉膛内温度较高，平均可达982.72 ℃，在掺烧医疗废物后炉膛温度略有降低，这可能是由于供风量随着医疗废物掺烧比例的增加而增大引起的变化，但是不同掺烧比例下运行温度变化不大，无显著性差异，总体上运行温度在正常波动范围内，并高于850℃。

图1 炉膛运行温度和脱硝剂用量在掺烧医疗废物前、后的逐时变化Figure 1 Hourly change of temperature in the furnace and consumption of De-NO x agent before and after mixing medical wastes by different ratios

图2 不同医废掺烧比例下的炉膛运行温度和处理量Figure 2 Operation temperature in the furnace and treatment capacity with different mixing ratios of medical wastes

由图2还可以看出，日常运行入炉焚烧量较高，平均可达8.772 5 t/h，掺烧医疗废物后入炉焚烧量略有降低，这是因为运行中保持锅炉出力不变，因而热负荷基本不变，而医疗废物的热值高（表1），因此掺烧后机械负荷有所降低。2%掺烧比例条件下焚烧量变化不大，仅降低1.4%；掺入3%、4%医疗废物后，入炉焚烧量分别降低6.6%、6.7%。显著性分析表明，掺烧条件下，处理量变化的显著性P＜0.05 ，说明掺入医疗废物对入炉焚烧量有一定的影响，即掺入3%和4%的医疗废物时，垃圾的焚烧量有所下降，以保证热负荷不变。因为机械负荷降低，炉排阻力有所降低，因此通风量有所提升，造成温度有所下降。

3.2 对焚烧底渣热灼减率的影响

表3给出了不同医疗废物掺烧比例的炉渣平均热灼减率。

表3 不同医疗废物掺烧比例的炉渣平均热灼减率Table3 The average ignition loss of incineration bottom ash with different mixing ratios of medical wastes

如表3所示，日常焚烧生活垃圾炉渣平均热灼减率为2.5 6%，而掺烧医疗废物的炉渣范围是2.1 8%～2.4 3%，较原炉渣略有下降，这是因为医疗废物热值较高，可促进炉渣中的碳燃尽。

3.3 掺烧对炉渣重金属浸出特性的影响

图3（a）表示了不同比例掺杂医疗废物炉渣含量较多的重金属浸出情况，可见医疗废物的掺入对Cu和Ba的浸出影响较为明显，随着医疗废物掺入比例的增加，Cu的浸出量明显降低，从1.6 mg/L降低到0.33 mg/L。Ba浸出量降低的趋势更加明显，从12.82 mg/L降低到0.64 ～0.89 mg/L，这是由于生活垃圾成分复杂，分类不够彻底时，部分灰土、玻璃、砖瓦陶瓷、金属类垃圾等成分会严重影响炉渣中的Ba元素含量［8］，但是医疗废物中并不存在这些组分［9］，因此Ba的浸出浓度降低明显。掺烧医疗废物后炉渣中Zn的含量与原炉渣比也有所降低，但不同医废掺烧比例下的Zn含量变化不大，在0.1 ～0.2 mg/L范围波动。Long等［10］研究了中国城市垃圾中重金属的分布，指出厨余、灰渣、塑料以及纸张占垃圾总量的55.1%～99.5%，并且这几种垃圾组分中的Cu及Zn含量分别占垃圾总量的76.3%和82.3%。医疗废物这些组分相对较少，所以Cu和Zn的含量略有降低。掺入医疗废物混烧后，其他重金属浸出浓度相对较少，并无明显变化。炉渣中含量较多的重金属，含量高低依次为：Ba＞Zn＞Cu。但是其浸出浓度远远低于GB 5085.3 —2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别的限值。

图3 不同医疗废物掺烧比例下炉渣浸出液中重金属含量Figure3 Leaching quantity of heavy metals with different mixing ratios of medical wastes

图3（b）显示了炉渣中浸出浓度较少的6种重金属，未检出的重金属含量在统计时按检出限的1/2进行处理，除了Cr6+之外，生活垃圾掺入医疗废物掺烧后炉渣重金属含量少且变化基本不大，部分尚未达到检出限。根据医疗废物焚烧处理的要求，一般将医疗废物分为含氯塑料、非含氯塑料、橡胶、织物、纸类、棉竹、玻璃、金属及其他9类。塑料可以使医疗废物具有较高的热值，便于焚烧炉的焚烧处理。医疗废物掺入比例较少时Cr6+含量基本不变，随着医疗废物掺入比例的增加，Cr6+的浸出浓度有所提高，这一方面是因为Cr6+可能由医疗废物带入，另一方面医疗废物的高热值有利于促进焚烧完全进行，同时3.1 节所述的通风量上升引起氧化性气氛加强，在氧气供应充足的条件下促进了Cr的氧化，炉渣中Cr6+浓度可能有所增加。

生活垃圾焚烧炉渣中重金属的含量波动很大［11］，关于医疗废物单独焚烧炉渣中重金属的零星研究［12］显示，医疗废物焚烧炉渣的重金属含量在垃圾焚烧底渣的含量范围之内。图3和表4显示医疗废物掺烧后炉渣的重金属浸出浓度处于其他焚烧厂仅焚烧生活垃圾获得的炉渣重金属浸出浓度范围内［13-14］。显著性分析表明：不同比例的医疗废物掺烧后主要对于生活垃圾焚烧炉渣中重金属Cu、Zn、Pb、Ba、Cr6+和As的浸出浓度有影响，对于其他重金属的浸出并无明显影响；而且除Cr6+外其他重金属浸出浓度反而下降。对于Cr6+，掺烧比为2%时与未掺烧无显著性差异，掺烧比增加到3%和4%时，Cr6+的浸出浓度虽然上升，但是也远远低于限值5mg/L。故掺烧医疗废物对生活垃圾焚烧炉渣重金属浸出特性总体上没有显著的影响。

表4 炉渣的重金属浸出浓度Table 4 Heavy metal leaching concentration of incineration bottom ash

炉渣主要用于建筑材料［13］，掺烧4%及以下的医疗废物，从重金属的浸出来看基本上不影响其用途。因此巴塞尔公约也推荐医疗废物可在生活垃圾焚烧炉中应急处置［15］。

3.4 掺烧对烟气污染物排放的影响

3.4.1 CO的变化

不同医疗废物掺烧比例下CO排放情况见图4。

图4 不同医疗废物掺烧比例下的CO排放情况（O2=11%）Figure 4 CO emission in different mixing ratios of medical wastes（O2=11%）

由图4可以看出，生活垃圾日常运行热处理焚烧烟气中CO本身含量较低，平均为1.72 mg/m3，远低于排放标准的限值。掺烧医疗废物后烟气中CO含量显著升高，当掺烧比例为3%时，CO平均含量达13.78 mg/m3，是日常运行工况下的8倍，但是仍然远低于标准值，其上偏差虽然有7.33 mg/m3，但是仍低于排放限值。2%和4%的掺烧比例下，烟气中CO的含量增加，分别是日常运行条件下的3.8 倍和2.2 倍，但是明显低于掺烧比例为3%的工况。显著性分析发现P＜0.05 ，说明掺烧医疗废物对焚烧烟气中CO含量有明显影响，且呈现增加的趋势。这是因为医疗废物的热值偏高，即使在供风相应地调整前提下，可能会因为局部热负荷高、在高温区停留时间缩短而引起CO升高。

3.4.2 HCl和SO2的变化

医疗废物的Cl典型含量为1.1%～2.1%，而生活垃圾在0.2%～0.8%的水平［16］。但是表2中数据显示医疗废物的Cl含量虽然偏高，但是未达到文献［16］报道的水平，这可能与医疗废物的来源及取样有关。由图5可以看出，日常运行焚烧烟气中HCl平均含量为3.32 mg/m3，在生活垃圾中掺烧医疗废物后烟气中HCl含量略有降低，这可能是因为进料波动引起的。在2%掺烧比例下烟气中HCl含量变化不大，仅为3.30 mg/m3，基本与日常运行条件下的含量持平，但是石灰投加量有所增加，如图6所示。掺烧比例为3%和4%时，HCl浓度反而降低明显，对应地石灰的消耗量也有所降低，这可能与生活垃圾的组分波动有关，因为掺烧试验时间长达8 d，生活垃圾组分和医疗废物组分均可能出现变化，也说明垃圾组分本身的波动可能掩盖小比例的医疗废物掺烧的影响。

图5 不同医疗废物掺烧比例下的HCl和SO2排放情况（O2=11%）Figure 5 HCl and SO2 emissions in different mixing ratios of medical wastes（O2=11%）

图6 不同医疗废物掺烧比例下的药剂耗量Figure6 Chemical consumptions in different mixing ratios of medical wastes

图5显示，日常运行生活垃圾焚烧烟气中SO2浓度本身有所波动，但是水平很低，平均含量为5.27 mg/m3，远低于排放限值。掺烧医疗废物后，与HCl相比，尽管变化规律不完全一致，但是也呈现降低趋势，作为酸性气体，其变化原因与HCl类似。

3.4.3 NOx的变化

图7显示日常运行焚烧烟气中NOx排放量为60.18 mg/m3，完全满足排放标准。在掺烧医疗废物后NOx的含量总体上有微幅降低。其中2

图7 不同医疗废物掺烧比例下的NO x排放情况（O2=11%）Figure7 NO x emissions in different mixing ratios of medical wastes（O2=11%）

%掺烧比例降低明显，为55.18 mg/m3，降低了8.3%，这主要因为此时系统的脱硝剂用量最大，见图6。显著性分析显示，医疗废物的掺烧对NOx排放影响不大，数据无显著性差异，这是因为NOx的浓度与脱硝药剂消耗量及温度有对应关系，一方面图2显示掺烧后炉膛温度有微弱下降，另一方面图6显示烟气脱硝剂的消耗量有所增加，最终使得NOx排放水平基本稳定。

4 结论

为了指导生活垃圾焚烧炉应急处理医疗废物的运行操作，本研究展开了在生活垃圾焚烧炉中掺烧医疗废物的试验研究，在掺烧比例不超过4%（wt）及维持余热锅炉蒸发量不变的条件下主要考察了对焚烧温度、炉渣重金属浸出量和烟气排放的影响。得到了以下主要结论：

1）掺烧比例不超过4%时，炉膛温度略有下降，但是总体平稳。

2）掺烧比例不超过4%的情况下，焚烧炉渣重金属浸出特性总体有所改善；但是掺烧比例为3%和4%的情况下，炉渣中Cr6+浸出浓度升高，但其总体浸出水平仍很低，单独Cr6+的浸出上升不影响其最终处置途径，可结合其他炉渣浸出毒性指标对炉渣的用途进一步定性。

3）掺烧医疗废物后，CO排放有所增加但是仍然达标。酸性气体HCl/SO2的排放浓度有所下降，NOx排放水平基本保持稳定。