醫(yī)療廢物回轉窯二噁英生成及控制對策

史昕龍（上海市固體廢物處置中心，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與多氯二苯并呋喃的總稱。二噁英屬于 POPs有機污染物，具有強烈的致癌、致畸、致突變的毒性，且在環(huán)境中極難降解。因此，固體廢物焚燒過程中的二噁英排放問題已逐漸成為人們關注的熱點。

文獻資料顯示[1-2]，醫(yī)療廢物焚燒過程中含氯一次性PVC 醫(yī)療塑料制品較多，二噁英源頭產(chǎn)生濃度較高，平均濃度為毒性當量（TEQ）0.4～3 ng/m3。經(jīng)余熱利用、急冷、管道等設施 2 次合成后，二噁英濃度會大幅增加，波動范圍在 15～30 ng/m3之間，遠高于生活垃圾焚燒的 10 ng/m3二噁英源頭濃度。因此，二噁英國家和行業(yè)的高排放標準，對二噁英減排和控制技術的穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求。

1 二噁英產(chǎn)生機理

廢物焚燒產(chǎn)生二噁英的機理十分復雜，目前國際研究公認的焚燒垃圾產(chǎn)生二噁英的機理有4種方式[3]：① 廢物中本身含有二噁英物質, 在高溫焚燒過程中釋放出來；② 廢物在燃燒過程中形成二噁英前驅體；③ 含苯環(huán)等高分子物質通過聚合等反應形成多環(huán)烴化合物 (PAH), 這些化合物再與 Cl反應形成二噁英；④ 在一定溫度范圍(250～450 ℃)內(nèi)， 二噁英前驅體在 Cu 等金屬催化劑的作用下二次合成二噁英。

從反應機理來看，二噁英的生成與處置廢物的理化特性、燃燒過程、溫度控制、催化劑等因子息息相關。

2 二噁英控制對策及技術

目前，廢物焚燒領域中，二噁英的控制對策及技術主要包括爐內(nèi)控制和排放抑制兩個方面。

2.1 爐內(nèi)控制技術

爐內(nèi)二噁英控制是從產(chǎn)生源頭上控制二噁英。目前國內(nèi)在醫(yī)療廢物焚燒爐中使用較多的控制技術主要有以下幾種。

2.1.1 3T 技術

3T指溫度、時間和湍流度。保證在廢物燃燒過程中在溫度＞ 850 ℃ ，停留時間 ＞2 s，同時控制好廢物進料量與供風量的配比和均勻的混合效果，保證廢物燃燒完全，從源頭上控制好二噁英的產(chǎn)生濃度。文獻[1]顯示，醫(yī)療廢物盡管含氯量高，極易產(chǎn)生二噁英，但由于二燃室出口溫度高（一般＞ 850 ℃）且有一定的燃燒停留和反應時間，所以醫(yī)療廢物焚燒爐二燃室出口二噁英相對還是比較低的，基本濃度范圍穩(wěn)定在 1～2 ng/m3。

2.1.2 爐內(nèi)投加抑制劑技術

國內(nèi)外有些研究表明[4]，向爐內(nèi)投加硫、石灰石、氫氧化鈣等抑制劑可大大緩解二噁英的生成，可以在一定程度上抑制 PCDD/Fs 的形成和排放。

2.2 排放抑制技術

由于醫(yī)療廢物含有易生成二噁英的含氯等物質, 而且燃燒過程中不可避免需要通過易生成二噁英的危險溫度（二噁英的最佳生成溫度是 300～500 ℃）區(qū)間，所以要在焚燒爐內(nèi)將二噁英的生成控制為零是極其困難的。因此，可以通過煙氣排放抑制策略減少焚燒產(chǎn)生的煙氣中二噁英的排放。目前醫(yī)療廢物回轉窯焚燒爐中使用的二噁英排放抑制技術主要有以下幾種。

2.2.1 活性炭投加吸附+單布袋除塵器協(xié)同處置技術

目前國內(nèi)醫(yī)療廢物焚燒廠、國內(nèi)生活垃圾焚燒廠及危險廢物焚燒廠均廣泛使用“活性炭投加吸附+單布袋除塵器”協(xié)同處置技術，選用優(yōu)質進口或國產(chǎn)高效活性炭，再配以單級高效布袋除塵器，吸附煙氣中的二噁英。該協(xié)同處置技術對二噁英的去除具有良好的效果，去除效率基本在 83%～99% 之間[5-6]。

研究結果表明，由于二噁英類物質（二噁英和呋喃）是小于 1 nm 的分子，所以在運行中，選用的活性炭吸附材料的吸附能力與比表面積、孔徑分布、碘值、運行溫度等密切相關。

活性炭投加吸附設施的形式主要有以下 3 種。

（1）攜流式：是目前最常用的活性炭投加在煙氣凈化系統(tǒng)內(nèi)的使用方式。將活性炭噴射至管道或者塔體內(nèi)，與布袋除塵器聯(lián)用去除二噁英。但攜流式的活性炭投加設施經(jīng)常會出現(xiàn)架橋、堵塞、計量不精確等故障，造成二噁英脫除效率不穩(wěn)定、活性炭利用效率低等情況發(fā)生。在保障二噁英穩(wěn)定達標的前提下，此投加方式對活性炭連續(xù)投加的穩(wěn)定性、可靠性及精準性要求較高。

（2）固定床式：是指將活性炭置于多層吸附床層內(nèi)，煙氣通過活性炭床層與活性炭充分接觸，達到一定停留時間后完成二噁英凈化效果。當活性炭達到吸附飽和容量后可定期更換活性炭，可確保活性炭的吸附效率。但此方式因需定期更換活性炭，運行成本相對較高。

（3）流動床式：是指將活性炭置于床層內(nèi)，以活性炭再生或者提高活性炭使用壽命為目的，活性炭通過在流化床層內(nèi)循環(huán)使用進行二噁英吸附的控制技術。目前此項技術在鋼廠脫硫脫硝控制中有一定的使用，生活垃圾、醫(yī)療廢物和危險廢物焚燒行業(yè)中應用于二噁英控制技術較少。

2.2.2 活性炭噴射+雙布袋除塵器協(xié)同處置技術

目前，廢物焚燒處置廠也應用了活性炭噴射+雙布袋技術，對控制二噁英取得了一定的效果。雙布袋技術可將二噁英排放濃度降低至毒性當量（TEQ）0.05 ng/m3。 二噁英的去除效率比常規(guī)的單布袋技術有所提升，可達到 94.9%，且活性炭投加量也減少了 50% 以上，活性炭的消耗量可從540 mg/m3降低至 215 mg/m3。

國內(nèi)有些試驗結果表明，通過活性炭投加配以雙布袋技術，焚燒尾氣中二噁英的濃度能控制在毒性當量（TEQ）0.07 ng/m3以內(nèi)。相比單布袋，二噁英去除率提高約11 %，活性炭消耗量也會小幅下降。

但相對單級布袋技術而言，雙布袋技術投資費用較高。雙布袋技術需要定期更換 2 個除塵器濾袋，而濾袋屬于易耗品，需定期更換，且每次更換費用不菲。由于相對運行成本較高，雙布袋技術在國內(nèi)工程應用案例較少。

2.2.3 活性焦吸附技術

活性焦吸附技術由德國 BF 公司于上世紀 70 年代開發(fā)，最早用于脫硫脫硝技術。活性焦因結構上中孔發(fā)達，能吸附大分子、長鏈有機物，生產(chǎn)成本不到活性炭的 50%。活性焦既具有活性炭的特點，同時又克服了活性炭單價高、強度低、易碎等缺點，因此活性焦成為高性價比的二噁英吸附材料。活性焦吸附床一般放在活性炭噴射＋布袋除塵器后面進一步脫除二噁英，并采用流化床式提高活性焦再生能力。

活性焦吸附技術目前國內(nèi)外應用于脫硫脫硝技術較多，但設施加工和運營比較復雜，國內(nèi)應用于去除二噁英的設施較少。

2.2.4 催化劑技術

二噁英的催化劑最初來源于 SCR 選擇性催化還原技術的催化劑。催化劑最早使用于 NOX的排放控制，上世紀末被開發(fā)用于處理焚燒廠煙氣中的二噁英。催化劑用于去除 PCDD/Fs 的機理是：在 170～300 ℃ 之間，當二噁英通過催化劑活性床，在氧化存在情況下，由催化劑表面與二噁英進行接觸性氧化反應。催化劑對 PCDD/Fs 的去除率在21%～ 97%之間，去除率多少重點取決于操作溫度和選擇哪種催化劑。表1 為各類催化劑去除 PCDD/Fs 的性能。

表1 各類催化劑去除 PCDD/Fs 的性能

2.2.5 催化濾袋技術

催化濾袋技術實際上是將催化過濾技術與表面過濾技術集成于一體。高精度薄膜既可去除吸附二噁英，又可去除比表面積大的亞微粉塵，粉塵去除效率可達 100%，遠高于普通濾袋粉塵過濾精度。這種新的高科技材料在美國、日本均已成熟。

這種技術涵蓋了催化過濾技術和表面過濾技術。系統(tǒng)由薄膜與催化底布組成，底布采用針刺結構，纖維是由膨體聚四氟乙烯復合催化劑組成。覆膜材料能夠將 PCDD/F 在低溫條件下（180～260 ℃）通過催化反應來摧毀二噁英，同時在催化劑介質表面將二噁英分解成 CO2、H2O 和 HCl。其反應原理如圖1 所示。

圖1 催化濾袋反應原理

相比傳統(tǒng)濾袋而言，催化濾袋的投資成本較高。目前在國內(nèi)的醫(yī)療廢物焚燒廠、危險廢物焚燒廠、生活垃圾焚燒廠已經(jīng)有了一定的應用業(yè)績和案例。

2.2.6 其他控制技術

除以上 5 種技術外，還有紫外光解與光催化氧化、等離子處置技術，但因為技術成熟度不高，且投資和運行成本不明確，目前在國內(nèi)焚燒廠應用較少。

3 應用案例

上海市醫(yī)療廢物焚燒集中處置基地針對醫(yī)療廢物理化特性，特別是二噁英的產(chǎn)生現(xiàn)狀，在二噁英處置技術上采用了“活性炭投加＋催化濾袋＋活性性固定床”的組合凈化工藝，二噁英排放濃度遠低于歐盟 2000 排放標準，對我國醫(yī)療廢物焚燒煙氣二噁英處置領域產(chǎn)生了良好的示范作用。

4 結 語

綜上所述, 根據(jù)醫(yī)療廢物的物理化學特性和具有高度傳染性的特點及其在焚燒中二噁英產(chǎn)生的機理, 焚燒醫(yī)療廢物中控制和防冶二噁英的關鍵因素可以歸納為以下幾點。

（1）爐內(nèi)二噁英控制。通過 3 T技術從源頭控制二噁英的產(chǎn)生，也可向爐內(nèi)投加抑制劑，進一步減少二噁英生成。

（2）二噁英排放抑制控制。通過煙氣處理工藝凈化二噁英。根據(jù)醫(yī)療廢物的二噁英濃度情況，建議采用多種組合工藝，選用性能比最優(yōu)的處置工藝。