醫療廢物熱解焚燒虛擬仿真實驗平臺設置及組成研究

張偉，柴森友，劉心悅，左其亭

（1.鄭州大學生態與環境學院，河南鄭州 450001;2.鄭州大學水利科學與工程學院，河南鄭州 450001）

根據2005年國務院頒布的《醫療廢物管理條例》規定，醫療廢物是指醫療衛生機構在醫療、預防、保健以及其他相關活動中產生的具有直接或者間接感染性、毒性以及其他危害性的廢物。醫療廢物中含有大量病原微生物和有害化學物質，甚至會有放射性和損傷性物質。對醫療廢物若處理不當，會給人民群眾身體健康和環境安全帶來較大隱患[1]。醫療廢物處理工藝主要有高溫蒸煮、化學消毒、微波消毒和熱解焚燒等，其中熱解焚燒處理因具有快速減容、減量和減毒能力，是世界范圍內處理醫療廢物優先推薦的技術，廣泛應用于各種醫療廢物[2]。

自2020年年初以來，醫療廢物產生量和處理量均驟增，且醫療廢物成分和比例也發生相應變化，如表1所示：

表1 某市新冠疫情前后醫療廢物成分和性質對比[3]

在當前的全球形勢下，醫療廢物的無害化處理成為研究熱點和關鍵技術突破瓶頸。在環境類專業課程教學中，針對醫療廢物的熱解焚燒處理相關理論課及實驗教學的普及迫在眉睫。但由于醫療廢物本身危險性極大，限制了實地進行實驗操作的可行性，廣大環境類學子無法深入了解和掌握醫療廢物熱解焚燒處理的基本原理及過程，而虛擬仿真實驗的設計和構建可有效彌補此缺陷和關鍵制約。通過設置醫療廢物熱解焚燒處理虛擬仿真實驗，可完全避免與醫療廢物的直接接觸，基于可視化的實驗流程與人機互動實現實驗操作過程，強化培養學生的實踐能力與創新思維。

一、醫療廢物熱解虛擬仿真實驗設計及組成

本虛擬仿真實驗平臺主要由全程教學、交互操作、模型調控和在線評價四大模塊組成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗基本組成及框架

（一）全程教學

該平臺重點模擬使用熱解焚燒的方法實現醫療廢物的無害化處理，對醫療廢物的種類、化學組成、熱解焚燒處理的工藝選擇及設計理念、實習操作等進行詳細解說和視頻介紹，加深學生對醫療廢物結構及化學組成的認識，同時使學生深入了解熱解處理工藝各工序構筑物的內部構造及處理原理。

（二）交互操作

該平臺交互操作主要分為虛擬實驗和仿真操作兩個層次。

虛擬實驗主要包括基礎知識和虛擬實驗兩個模塊。基礎知識部分主要對整個課程進行系統講解，包括醫療廢物的處理原則、醫療廢物的篩選分類、焚燒爐常用爐型，以及醫療廢渣、廢氣及廢水的處理，對相關的醫療廢物處理標準進行介紹。學生在完成相關基礎知識學習后，通過基礎知識檢測評分來反饋學習成果。在虛擬實驗部分，通過場景搭建實現醫療廢物快速焚燒實驗的平臺操作，同學們研究醫療廢物在加熱－保溫條件下的焚燒規律，分析醫療廢物揮發、擴散、混合及焚燒過程及機理，加深對焚燒爐內物質反應的認識，掌握醫療廢物焚燒設備的運行及其他污染物的控制過程。基于三維虛擬實驗平臺，讓同學們能夠體驗實驗現場，深入體會操作基本過程，提高學生實際操作能力。

仿真操作則主要包括工藝流程和點火單元兩個要點，工藝流程如圖2所示。學生在進入實驗場景后，可首先開啟自由漫游模式，自行觀察焚燒爐各單元（醫療廢物卸料和分選系統、進料系統、焚燒爐系統、煙氣系統、灰渣系統、廢水處理系統、余熱系統、發電系統及自動化控制系統等）的構造、主要器件及關鍵組件。在點火單元操作過程，學生可通過中控室和現場開關來完成設備開停及參數調整，實現工況的調控，并能獲取在點火及參數調整過程中相應的產物改變。

圖2 熱解焚燒系統工藝流程[4]

（三）模型調控

以Unity為設計平臺，進一步借助3DsMax和Solidworks等軟件進行3D建模，通過相應參數的調整，構建相對精確的可視化交互醫療廢物熱解虛擬仿真模擬平臺，呈現出貼合實際的實驗操作效果。

（四）在線評價

學生在完成虛擬仿真實驗各項操作后，可在系統內對實驗操作過程進行在線評價，也可就實驗操作過程遇到的各類問題與老師進行線上或線下交流。授課教師可通過系統的數據記錄學生的課堂出勤、學生操作及數據分析能力，以便及時糾錯。通過在線布置作業，讓學生能夠更加熟練地操作虛擬仿真實驗，加深對實驗過程的記憶和理解。

二、醫療廢物熱解虛擬仿真實驗的設計關鍵參數

醫療廢物熱解虛擬仿真平臺的交互操作是整個平臺的核心，而熱解參數的選取和調控則是實踐過程中極為重要的一環。醫療廢物熱解焚燒的主要影響因素有醫療廢物組成、含水率、熱解溫度、反應停留時間、加熱速率以及熱解焚燒爐類型等。

（一）新冠醫療廢物的組成

根據世界衛生組織的分類，醫療廢物可以分為8類：感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物、化學性廢物、細胞毒性廢物、放射性廢物、藥物性廢物和一般廢物。新冠疫情中產生的醫療廢物各成分組成及含量不同，H.A.Abu-Qdais等學者研究表明新冠疫情下醫療廢物的組成主要為PCR試劑盒、一次性手套、口罩和防護服等。不同類型的醫療廢物，其熱解產物也存在明顯差異，需在實驗設計過程中對其類型進行確定。

（二）新冠醫療廢物的含水率

醫療廢物的含水率會影響最終熱解焚燒過程的能量平衡及產物組成，因此，含水率調控也至關重要。通過含水率的調整，使同學們直觀觀察熱解焚燒爐內反應產物的變化及能量平衡，加深對含水率影響熱解焚燒過程的認識。

（三）熱解焚燒溫度

通常醫療廢物熱解焚燒溫度是指廢物中的有害成分在高溫下氧化分解直至破壞需要達到的溫度[5]。熱解焚燒溫度是模擬平臺設計的關鍵因素，較高的溫度有利于醫療廢物結構的破壞，但也會相應增加能量損耗及二次污染物的揮發。焚燒溫度的選擇主要通過文獻閱讀和實際實驗操作來測定。通過改變醫療廢物的焚燒溫度，來觀察虛擬平臺中熱解焚燒產物、能源消耗等變化。

（四）停留時間

停留時間有兩方面的含義：一是生活垃圾在焚燒爐內的停留時間，它是指生活垃圾從進爐開始到焚燒結束，爐渣從爐中排出所需的時間；二是生活垃圾焚燒煙氣在爐中的停留時間，它是指生活垃圾焚燒產生的煙氣從生活垃圾中逸出到排出二燃室所需的時間[5]。對于機械爐排焚燒爐，為了讓垃圾在爐內得到充分干燥，垃圾在第一級爐排上的停留時間應在100～110秒之間比較合適，為了讓垃圾在爐內充分焚燒，第二、三級爐排停留時間一般應在80～100秒之間比較合適，為使垃圾完全燒透，第四級爐排的停留時間應在180～200秒之間比較合適。影響煙氣停留時間的主要因素有焚燒爐體積及其長高比，送、引風機間功率的匹配和爐膛負壓。經測試，為保證廢物和煙氣完全分解，煙氣在二燃室停留時間2s以上，此后絕大部分有毒有害氣體會被徹底破壞，分解為二氧化碳和其他的酸性氣體。

（五）過剩空氣率

為了盡可能使醫療廢物燃燒、反應充分，需要提供過量的氧氣，即提高空氣含量，多供給的這部分空氣量稱為過剩空氣量[5]。在熱解室產生的煙氣需要在過氧的條件下進行充分燃燒，來減少煙氣量，防止惡臭的產生。燃燒爐的空氣過剩率宜為1.3～1.5。

三、結論

醫療廢物熱解焚燒虛擬仿真實驗將全程教學、交互操作、模型調控和在線評價四個組成部分作為開展學習的主要載體，基于人機互動實現學習與實踐協同推進。結合新冠醫療廢物的組成、含水率、熱解焚燒溫度、停留時間和過剩空氣率等關鍵參數調控，使學生充分理解和掌握熱解過程不同參數對熱解的影響。