碳酸固化醫療廢物焚燒飛灰的實驗研究

沈兵兵(安徽國科檢測科技有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

醫療廢物是指醫療衛生機構在醫療、預防、保健及其他相關活動中產生的具有直接或降解感染性、毒性以及其他危害性的廢物[1]。因其感染性、損傷性、生物毒性和化學毒性等原因，一旦處理不當，醫療廢物中的多種病原體極易造成水體、空氣、土壤等環境問題，并傳播疾病危害人體健康。故醫療廢物被列入《國家危險廢物名錄》[2]。隨著科技進步和醫療水平提升，我國每年產生的醫療廢物也逐年增加。2019 年我國196 個大、中城市醫療廢物產生量為84.3 萬噸[3]，2020 年新冠肺炎的爆發讓人們更加意識到醫療廢物處理處置的急迫性。現階段，我國處理處置醫療廢物的主要方式有焚燒法和非焚燒法[4-5]。而焚燒法對于一些一次性醫療產品以及感染性和病理性等醫療廢物具有更好的處置效果。但是焚燒帶來的醫療廢物飛灰(MWIFA) 富含高濃度的氯鹽、重金屬和二噁英，依舊是我國《國家危險廢物名錄》中規定的危險廢物[6-7]。飛灰的處理技術主要有化學藥劑穩定法、水泥固化技術、高溫熱處理技術、水熱處理技術和浮選技術[8-11]。由于本實驗所選的樣品中含有大量的鈣，故MWIFA 選用碳酸鈣固化技術處理，即對象中通入二氧化碳，大部分有毒污染物及其氧化物會與二氧化碳反應生成碳酸固化物，從而使污染物質穩定，浸出率下降。碳酸固化將危險廢物穩定化同時，又可以對溫室氣體二氧化碳進行吸附和固定，具有很好的應用前景。

1 材料及方法

1.1 實驗材料及設備

1.1.1 驗材料

飛灰樣品：來自合肥某醫療焚燒處理廠，經過1 000 ℃以上高溫焚燒所得，由于該廠在處理的醫療用品在生產過程中添加了滑石粉，經焚燒后CaCO3分解為CaO，含有大量CaO 的焚燒飛灰非常有利于進行碳酸固定化處理。經過XRF 分析其主要成分如表1 所示。其主要成分為CaO 和PbO，約占總量的78.34%，并且測得該樣品含水率低僅為0.99%，故本實驗以考察不同條件下碳酸固化焚燒飛灰對Ca2+和Pb2+浸出影響。

表1 飛灰主要元素組成

實驗藥劑：鹽酸、0.1% 酚酞指示劑、0.1% 甲基橙指示劑、氫氧化鉀、鈣黃綠素、氯化鉀、0.05 mol/L EDTA 溶液。

1.1.2 器及設備

上海越平科學儀器有限公司pH 計(pHs-3CB) 和分析天平(ABY-120)，天津市泰斯特儀器有限公司電爐(DK-98-11)，上海姚氏儀器設備廠鼓風干燥箱(DXC-92438)，天津啟星動力科技有限公司循環水式真空泵(SHZ-D( Ⅲ))，上海仁器儀器恒溫振蕩器(DS-52)，南京上元工業氣體有限公司二氧化碳(99.99%)，德國耶拿分析儀器股份公司原子吸收光譜儀(ZEEnit)。

1.2 實驗步驟

實驗裝置如圖1 所示，將二氧化碳連接上質量流量計，再通過軟管通入三通瓶內液面以下。放入恒溫水浴鍋進行實驗。當達到設定的反應時間后，關閉氣體，待樣品冷卻至室溫后，將樣品近過濾取濾渣放入鼓風干燥箱中，在105 ℃干燥至恒重。

圖1 實驗裝置圖

通過該實驗裝置，將10 g 飛灰樣品加入過量20% 鹽酸溶解(加酸后剩余固體比為0.9%)，分別考察不同固液比、反應時間、反應溫度、震蕩速度和CO2空氣流量比對碳酸固化的影響，以Pb2+和Ca2+浸出濃度來反應最終處置效果。

1.3 實驗方法

將上面得到的樣品進行震蕩法實驗，取上述樣品和干飛灰樣品10 g(作空白樣) 于錐形瓶中，添加液固比(L∶S)=10∶1(mL∶g)的蒸餾水(100 mL)，加塞后固定于恒溫水浴振蕩器上，調節振蕩頻率為110±10 次/min，在室溫下振蕩8 h 后取下錐形瓶，靜置16 h 后進行過濾，將濾液裝入100 mL 容器中，滴3 滴硝酸放入4 ℃的冰箱中保存。

(1) 浸出液Pb2+含量標準曲線。用原子吸收法繪制Pb2+濃度-吸光度標準曲線，具體如圖2 所示。Y=0.034 5X+0.002 3,R2=0.999 4。其中Y為吸光度，X為Pb2+濃度。

圖2 Pb2+濃度-吸光度A標準曲線

(2) 浸出液Ca2+含量測定。鈣黃綠素酚酞混合指示劑的配置：稱取0.14 g酚酞、40 g氯化鉀、0.4 g鈣黃綠素進行研磨混勻，放置于廣口瓶中待用。用量筒量取50 mL 浸出液倒入250 mL錐形瓶中，向浸出液中滴入3 滴1+1 鹽酸，待完全混合后，置于電爐上加熱至沸騰，冷卻后加入少量鈣黃綠素酚酞指示劑，再加入5 mL 20% 氫氧化鉀溶液，震蕩混勻，用0.05 mol/L EDTA溶液滴定，當溶液由黃綠色變為紅色時則滴定結束，浸出液Ca2+含量測定如下式。

式中：Y為Ca2+濃度(以CaCO3計，mg/L)；V為消耗EDTA 溶液體積(mL)；M為EDTA 溶液濃度(mol/L)；V水為水樣體積(mL)。

2 結果與分析

2.1 固液比對碳酸固化的影響

固液比能明顯影響焚燒飛灰對二氧化碳的吸收，實驗將固液質量比定為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 和1∶10，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入相應體積的蒸餾水，通入純二氧化碳 5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應2 h，結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，隨著固液比增加，浸出液中Pb2+和Ca2+濃度逐漸減小，當固液比為1∶6 時達到最小值，Pb2+和Ca2+濃度分別為0.52 mg/L 和1 650 mg/L，其原因一是因為碳酸固化反應中需要適量水分使得CO2可以充分吸收，才能充分反應，二是因為達到反應平衡，部分重金屬等物質無法進一步被去除。

圖3 固液比對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

2.2 時間對碳酸固化的影響

實驗將反應時間定為1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h 和3.0 h，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應相應的時間，繪制曲線如圖4 所示。

圖4 反應時間對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

隨著反應時間的增加，浸出液中Pb2+和Ca2+濃度逐漸下降直至平緩。當反應時間到1.5 h 時反應浸出濃度急劇變化，直至2 h 時趨于穩定。

2.3 反應溫度對碳酸固化的影響

加速碳酸固化反應的溫度會影響焚燒飛灰對二氧化碳的吸收，實驗將反應溫度定為10 ℃、20 ℃、30 ℃、和40 ℃，取10 g干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、相應溫度的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應2 h。繪制溫度對Pb2+和Ca2+濃度的影響圖如圖5所示。

圖5 反應溫度對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

低溫條件下，浸出液離子濃度過高，但隨著溫度的升高，浸出液濃度逐漸下降。當溫度為20 ℃時，Pb2+濃度穩定在0.50 mg/L，Ca2+濃度為1 650 mg/L。

2.4 反應震蕩速率對碳酸固化的影響

在相同條件下反應時間可能會影響焚燒飛灰對二氧化碳的吸收，實驗將震蕩速率定為20 次/min、60 次/min、100 次/min、140 次/min 和180 次/min，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于相應的震蕩速度、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應2 h。

如圖6 所示，可以看出震蕩速率對Pb2+和Ca2+浸出濃度影響并不是很大，主要可能是二氧化碳通入樣品反應池使得反應更加均勻，但是在實際生產中由于樣品質量較大，還是需要一定的震蕩和攪拌以促進反應的進行。

圖6 震蕩速率對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

2.5 CO2 空氣流量比對碳酸固化的影響

實驗將CO2在CO2與空氣的混合氣體中的占比設為0、0.03%、20%、60%、80% 和100%，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，實驗前通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應2 h。

如圖7 所示，可以看出，CO2濃度對Pb2+和Ca2+浸出濃度影響非常明顯，隨著CO2流量比的增加，Pb2+和Ca2+浸出濃度顯著下降。以Pb2+濃度為例，即使CO2流量比達到60%，Pb2+濃度仍為4.65 mg/L，依舊不能達到國家的標準浸出濃度1 mg/L。只有當CO2流量比為100% 才能確保Pb2+浸出濃度達標。

圖7 CO2流量比對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

3 結語

通過對飛灰加速碳酸固化的各種影響因素的實驗，研究了對該飛灰的碳酸固化效果。實驗結果表明：

(1) 通過垃圾焚燒后產生的飛灰含水率極小為0.99%，加酸后幾乎能夠完全溶解，剩余固體比為0.9%，經過檢測后飛灰中的Ca 含量最高，以CaO 和CaCO3的形式存在。經過上述實驗得CaO 含量為37.6%，CaCO3含量為56%，飛灰的重金屬中Pb2+的含量最高。在重金屬浸出實驗中，經過原子吸收光譜法測得飛灰的重金屬中Pb 的含量達到了52.65 mg/L，已經遠遠超出了國家重金屬浸出標準中的1 mg/L。

(2) 通過對不同固液比、溫度、反應時間、震蕩速率和CO2空氣流量比單因素實驗可以得出，當固液比為1∶6，溫度為20 ℃左右，反應時間為2 h，通入純CO2，飛灰碳酸固化效果最明顯，本實驗中震蕩速率對實驗結果影響不大，主要原因是CO2通入使得少量樣品可以充分反應。另外在最優條件下Pb2+的含量由52.65 mg/L 降低到0.50 mg/L，去除率達到99%，基本可以認為對該飛灰進行加速碳酸固化降低重金屬浸出濃度的方案是可行的。

(3) 使用碳酸固化技術來固定焚燒飛灰中的重金屬是一種新型固化技術。從本實驗可以看出，碳酸固化后焚燒飛灰中重金屬的浸出率大幅下降，且在工程實踐中具有成本低廉、操作工藝簡單等特點，同時還可以利用垃圾焚燒時所產生的CO2對飛灰進行碳酸固化，既降低了成本又減少了溫室氣體的排放，具有相當大的發展潛力。