医疗废物辐照消毒处理工程设计与经济分析＊

朱焕铮，张 涛，陆洁平，陈 海，何仕均，2

（1. 中广核达胜加速器技术有限公司，江苏 苏州 215214；2. 清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084）

1 工程背景概述

1.1 医疗废物的来源与危害

医疗废物是医疗卫生机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或间接感染性、毒性以及其他危害性的废物［1］。医疗废物一般分为感染性、病理性、损伤性、药物性和化学性五大类［2］。医疗废物中含有大量的病原微生物，甚至传染病毒。如果不进行有效处理，极易造成环境污染，进而危害人类健康，因此医疗废物已被列入《国家危险废物名录》（2021 年版）［3］。据统计［4］，2018 年我国200 个大中城市医疗废物产生量达8.17×105t。2019 年底，新型冠状病毒肺炎（COVID-19，以下简称“新冠”）暴发并在全球范围内快速蔓延，导致医疗废物产生量大幅增加［5］，2020 年2 月24 日，全国收集医疗废物共计2 719.1 t，较平时增加6～10倍［6］。在全国人民的共同努力下，新冠疫情在我国范围内被有效遏制，但仍未完全清除，未来将持续产生大量的医疗废物，如何安全有效地处理医疗废物成为一个亟需解决的问题。

1.2 医疗废物的处理现状

目前，医疗废物的处理技术基本可以分为焚烧技术和非焚烧技术两大类［7］。焚烧技术包括高温焚烧［8-9］、高温热解［10-12］等；非焚烧技术包括高温蒸汽消毒［13-15］、化学消毒［16-18］、微波消毒［19-21］等。根据《医疗废物处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）》《医疗废物微波消毒集中处理工程技术规范》《医疗废物化学消毒集中处理工程技术规范》《医疗废物高温蒸汽消毒集中处理工程技术规范》等相关文件，对现有医疗废物处理技术的适用范围、应用现状、技术优缺点以及投资和运行成本等进行整理，具体如表1 所示。

表1 医疗废物处理技术的特点Table 1 Characteristics of medical waste treatment technologies

1.3 电离辐照消毒技术的原理与应用现状

电离辐照消毒是一种利用波长极短的射线杀灭物体表面或内部各种微生物或病毒的技术，其主要作用机理是高能射线的能量直接沉积在生物大分子上，破坏微生物的DNA 分子或核酸、蛋白质和酶等具有生命功能的物质结构，同时还会激发和电离水分子产生活性粒子与微生物体内的生理性活性物质发生氧化还原作用，使微生物的功能、代谢与结构发生变化，从而将微生物灭活，达到消毒灭菌的目的［31］。

目前，常用的射线装置和射线类型包括电子加速器（0.2～10.0 MeV）产生的电子束（β 射线）、电子束经X 转靶产生的X 射线和放射性同位素（如137Cs 和60Co）产生的γ 射线。近年来，利用高能电子加速器产生的电子束照射X 转换靶的技术，因不使用放射性同位素，不需要定期开展复杂的放射源退役操作，且产生的X 射线方向集中、效率高、设备启停迅速，安全性高，而成为一项安全可靠、处理效果稳定、成本低廉的消毒灭菌技术工艺，并在医疗器械、制药、食品及海关检验医用材料等领域广泛应用［32］。

本研究以某处理规模20 t/d 的医疗废物电子束+X 转靶辐照处理示范工程为例，对电子束+X 转靶辐照消毒处理医疗废物的工艺设计、调试运行效果和投资运行成本进行分析。

2 工艺流程与设计参数

根据医疗废物的特点与处理要求，参考医疗废物处理指南与现行技术规范，并结合辐照消毒的技术特点，确定辐照消毒处理医疗废物的工艺流程，如图1 所示。医疗废物使用设计尺寸为1 200 mm×500 mm×600 mm 的全密闭铝合金箱体运输与辐照，实现全密闭状态下的消毒处理，基本杜绝对环境和操作人员的潜在危害。

图1 辐照消毒处理医疗废物工艺流程示意Figure 1 Process flow schematic of medical waste treatment by irradiation disinfection

2.1 称量计量单元

医疗废物通过转运车运送进厂后，通过电子称+条形码称量计量，然后建立完善的医疗废物申报企业档案及医疗废物收集储存档案数据库，数据保存5 a 以上，其记录系统设备及参数见表2。

表2 称量计量系统设备参数Table 2 Equipment parameters of weighing measurement system

2.2 全自动进料单元

装有医疗废物的周转箱经称量计量后进入自动进料单元，通过全自动机械手将周转箱放置于双链循环的小车上，小车将周转箱传输至束下进行辐照处理。机械手可以通过6 个控制轴完成周转箱的装卸、换层与翻面，同时能够根据实际载荷对加减速进行优化，尽可能缩短操作时间。在辐照室内，束下环线链速为0.40～0.65 m/min，出辐照室进入主环链后以0.8～1.3 m/min 的速度传输行走，同时通过增加不同的传感器，并与加速器控制系统进行联锁，可实现异常数据实时报警与加速器系统的自动启停，便于操作人员及时处理与整体系统控制。

医疗废物若不能立即处置，则暂时贮存于冷库中。医疗废物贮存库房具有冷藏低温功能。贮存冷库未启动制冷设备时，可用作暂时贮存库，此时医疗废物暂时贮存时间不得超过24 h；当启动制冷设备，医疗废物贮存温度＜4 ℃，贮存时间也不得超过72 h。

2.3 辐照消毒单元

2.3.1 高频高压电子加速器

设计上采用5 MeV 高频高压型（地那米）电子辐照加速器，高频高压型电子加速器的主要参数如表3 所示。

表3 5 MeV 高频高压电子加速器性能参数Table 3 Performance parameters of 5 MeV high frequency andhigh voltage electron accelerator

2.3.2 屏蔽厂房设计

屏蔽厂房是用来屏蔽电子加速器运行时产生的辐射，保证工作环境和工作人员安全的设施。项目设计按照HJ 979—2018 电子加速器辐照装置辐射安全和防护的设计计算公式得出屏蔽厂房各屏蔽墙的设计厚度，如表4 所示。

表4 屏蔽厂房的屏蔽材料与厚度Table 4 Shielding material and thickness ofshielding workshop

2.3.3 安全联锁设计

电子加速器运行时会产生一定的辐射，为保证工作人员的安全，避免人员因误入而被伤害，电子加速器辐照装置对控制区的出入口门、加速器的开停机和束下装置等进行有效联锁、监控及严格的开机前巡检。电子加速器开机前必须的巡检流程为：拔下主控台钥匙→触控防护门外巡检按钮→蜂鸣器报警及语音提示→触控巡检方向巡检按钮→触控防护门外关门按钮→防护门关闭后取下钥匙→钥匙打开主控台开关→开启电子加速器。

2.4 废气和废水处理单元

2.4.1 废气处理

卸料间、冷库中的医疗废物可能会产生少量恶臭气体，而且电子加速器在工作时辐照厅中空气电离后会产生少量臭氧。项目设计了排风机和吸风口将臭氧和恶臭气体收集后通过离子除臭系统集中处理，处理风量为3 000 m3/h。

2.4.2 废水处理

厂区排水采用雨污分流制，室内采用合流制。项目污水与医院污水有相似之处，因此处理工艺设计采用化粪池+调节池+一体化MBR 装置+消毒池，处理出水按照GB 18466—2005 医疗机构水污染物排放标准执行。表5 为污水、废水来源及相应水量，图2 为污水处理工艺流程，表6 为污水处理设备与构筑物设计参数。

表5 污水、废水来源及水量Table 5 Sources and amount of sewage and wastewater

表6 污水处理设备与构筑物设计参数Table 6 Design parameters of wastewater treatment equipments and structures

图2 污水处理工艺流程示意Figure 2 Flow schematic of wastewater treatment process

3 测试指标与分析方法

3.1 微生物指示菌片的布放

用棉球、纱布、手术服、输液管、注射器、卫生纸、丁腈手套和玻璃器皿等医疗废物模拟物将辐照箱填充完全，使辐照箱内医疗废物模拟物的平均最大密度为0.32 g/cm3。将芽孢含量为1×106～5×106Spores/unit 的萎缩芽孢杆菌ATCC9372（原枯草芽孢杆菌黑色变种）指示菌片［33-34］分别放在周转箱的上、中、下层，每层3 个平行样，如图3 所示。

图3 周转箱内微生物指示菌片布置示意Figure 3 Layout schematic of microbial indicator sheets in rotary box

3.2 辐照过程周转箱位置变化方式

考虑到X 射线的穿透情况，为使得距离远端较弱的射线能量被充分利用，设计上利用机械手对周转箱进行翻面并换层，如图4 所示。实验组按该方式分别开展1 轮（4 圈）和2 轮（8 圈）辐照处理，电子加速器参数能量为8 MeV，束流为30 mA，束下传输速度为0.65 m/min；阳性对照组微生物指示菌片布置方式与上述一致，但是电子加速器在不开机的情况下进行传输，束下传输速度为0.65 m/min。阴性对照组微生物指示菌片布置方式与上述一致，开展8 轮（32 圈）辐照处理，保证无菌。处理结束后，将菌片转移至培养基中30～35 ℃培养7 d，观察培养结果。

图4 辐照过程周转箱位置变化示意Figure 4 Schematic of position change of rotating box during irradiation

4 运行效果分析

由表7 可以看出，经过1 轮（4 圈）的辐照处理后，A、B 辐照箱内的微生物指示菌培养结果表明，仍有微生物指示菌存活。同样的运行条件下，经过2 轮（8 圈）辐照处理后，微生物培养后无菌存活，微生物指示菌杀灭对数值达到6，满足现有医疗废物常规处理的技术要求。

表7 微生物指示菌杀灭情况Table 7 Killing situation of microbial indicator bacteria

5 投资与运行成本分析

5.1 投资成本

5 MeV 电子加速器+X 转靶辐照处理医疗废物的总投资费用为2 200 万元，主要包括土建工程费800 万元、设备及安装工程费1 250 万元、工程建设其他费用150 万元。

5 MeV 电子加速器+X 转靶辐照处理医疗废物的投资成本约为110 万元/t，低于高温焚烧、与高温热解基本接近、高于非焚烧消毒技术。投资成本较高与辐射安全防护所需的屏蔽体建设费用和我国现有5 MeV 电子加速器的设备成本较高有关。未来，随着加速器制造技术的不断发展，辐照处理医疗废物的投资成本有望进一步下降。

5.2 运行成本

5 MeV 电子加速器+X 转靶辐照处理医疗废物的运行成本主要是电费，设备总功率为450 kW；项目配置20 名工作人员，平均工资8 000 元/月；生活用水定额50 L/（人·d），生产用水累计约9 t/d；设备维修费80 000 元/月，运行成本如表8 所示。

表8 运行成本Table 8 Running costs

按照处理规模20 t/d，一年工作330 d 计算，每年的处理量为20×330=6 600 t，则每吨的运行成本为：5 226 300/6 600=791.86 元，运行成本低于现有非焚烧技术，具有良好的经济效益。

6 医疗废物辐照消毒处理工程风险分析及防治措施

采用5 MeV 电子加速器产生的电子束+X 转靶辐照处理医疗废物，能够实现医疗废物的无害化。但项目存在环境辐射剂量超标、操作运行时发生辐射事故、产生的臭氧尾气污染大气等工程风险。为避免上述工程风险的发生，在工程项目建设和运行中应采取如下防治措施：电子加速器应严格遵守GB/T 25306—2010 辐射加工用电子加速器工程通用规范和GB 50752—2012 电子辐射工程技术规范的要求对加速器、屏蔽体和臭氧尾气收集处理装置进行设计；电子加速器辐照装置应按照HJ 979—2018 电子加速器辐照装置辐射安全和防护以及GB 18871—2002 电离辐射防护与辐射源安全基本标准的要求设置安全联锁系统；辐射剂量测量应按照GB/T 16841—2008 能量为300 keV～25 MeV 电子束辐射加工装置剂量学导则要求布置多个剂量监测计，并联入安全联锁系统；运营单位应按照GB/T 40590—2021 辐射加工用电子加速器装置运行维护管理通用规范要求取得辐射安全许可证，并接受监管部门的监督检查、设立安全管理机构或安全防护人员，制定辐射防护应急预案；医疗废物处理过程中应严格按照《医疗废物集中处置技术规范（试行）》和《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）》等相关规范、指南的要求进行消毒处理。

7 结论与展望

项目设计的全密闭周转箱和全自动上料系统，降低了医疗废物在运输和处理过程中工作人员感染的风险。模拟调试结果表明，5MeV 电子加速器+X 转靶辐照处理医疗废物，可满足微生物指示菌杀灭6 个对数值的要求。项目正式投运后，辐照消毒后的医疗废物可参照其他非焚烧技术消毒后医疗废物的处置方式，送至生活垃圾处理厂进行焚烧或填埋。未来将开展资源回收利用的研究，并促成相关技术规范的制定、修订。

辐照技术作为一种新兴的医疗废物处理工艺，自动化程度高、消毒彻底、无二次污染，在未来医疗废物的消毒及综合处理中具有广阔的应用前景。