醫(yī)療廢物輻照消毒處理工程設(shè)計與經(jīng)濟分析＊

朱煥錚，張 濤，陸潔平，陳 海，何仕均，2

（1. 中廣核達勝加速器技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215214；2. 清華大學核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

1 工程背景概述

1.1 醫(yī)療廢物的來源與危害

醫(yī)療廢物是醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)在醫(yī)療、預(yù)防、保健以及其他相關(guān)活動中產(chǎn)生的具有直接或間接感染性、毒性以及其他危害性的廢物［1］。醫(yī)療廢物一般分為感染性、病理性、損傷性、藥物性和化學性五大類［2］。醫(yī)療廢物中含有大量的病原微生物，甚至傳染病毒。如果不進行有效處理，極易造成環(huán)境污染，進而危害人類健康，因此醫(yī)療廢物已被列入《國家危險廢物名錄》（2021 年版）［3］。據(jù)統(tǒng)計［4］，2018 年我國200 個大中城市醫(yī)療廢物產(chǎn)生量達8.17×105t。2019 年底，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19，以下簡稱“新冠”）暴發(fā)并在全球范圍內(nèi)快速蔓延，導致醫(yī)療廢物產(chǎn)生量大幅增加［5］，2020 年2 月24 日，全國收集醫(yī)療廢物共計2 719.1 t，較平時增加6～10倍［6］。在全國人民的共同努力下，新冠疫情在我國范圍內(nèi)被有效遏制，但仍未完全清除，未來將持續(xù)產(chǎn)生大量的醫(yī)療廢物，如何安全有效地處理醫(yī)療廢物成為一個亟需解決的問題。

1.2 醫(yī)療廢物的處理現(xiàn)狀

目前，醫(yī)療廢物的處理技術(shù)基本可以分為焚燒技術(shù)和非焚燒技術(shù)兩大類［7］。焚燒技術(shù)包括高溫焚燒［8-9］、高溫熱解［10-12］等；非焚燒技術(shù)包括高溫蒸汽消毒［13-15］、化學消毒［16-18］、微波消毒［19-21］等。根據(jù)《醫(yī)療廢物處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南（試行）》《醫(yī)療廢物微波消毒集中處理工程技術(shù)規(guī)范》《醫(yī)療廢物化學消毒集中處理工程技術(shù)規(guī)范》《醫(yī)療廢物高溫蒸汽消毒集中處理工程技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)文件，對現(xiàn)有醫(yī)療廢物處理技術(shù)的適用范圍、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)優(yōu)缺點以及投資和運行成本等進行整理，具體如表1 所示。

表1 醫(yī)療廢物處理技術(shù)的特點Table 1 Characteristics of medical waste treatment technologies

1.3 電離輻照消毒技術(shù)的原理與應(yīng)用現(xiàn)狀

電離輻照消毒是一種利用波長極短的射線殺滅物體表面或內(nèi)部各種微生物或病毒的技術(shù)，其主要作用機理是高能射線的能量直接沉積在生物大分子上，破壞微生物的DNA 分子或核酸、蛋白質(zhì)和酶等具有生命功能的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時還會激發(fā)和電離水分子產(chǎn)生活性粒子與微生物體內(nèi)的生理性活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原作用，使微生物的功能、代謝與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而將微生物滅活，達到消毒滅菌的目的［31］。

目前，常用的射線裝置和射線類型包括電子加速器（0.2～10.0 MeV）產(chǎn)生的電子束（β 射線）、電子束經(jīng)X 轉(zhuǎn)靶產(chǎn)生的X 射線和放射性同位素（如137Cs 和60Co）產(chǎn)生的γ 射線。近年來，利用高能電子加速器產(chǎn)生的電子束照射X 轉(zhuǎn)換靶的技術(shù)，因不使用放射性同位素，不需要定期開展復雜的放射源退役操作，且產(chǎn)生的X 射線方向集中、效率高、設(shè)備啟停迅速，安全性高，而成為一項安全可靠、處理效果穩(wěn)定、成本低廉的消毒滅菌技術(shù)工藝，并在醫(yī)療器械、制藥、食品及海關(guān)檢驗醫(yī)用材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［32］。

本研究以某處理規(guī)模20 t/d 的醫(yī)療廢物電子束+X 轉(zhuǎn)靶輻照處理示范工程為例，對電子束+X 轉(zhuǎn)靶輻照消毒處理醫(yī)療廢物的工藝設(shè)計、調(diào)試運行效果和投資運行成本進行分析。

2 工藝流程與設(shè)計參數(shù)

根據(jù)醫(yī)療廢物的特點與處理要求，參考醫(yī)療廢物處理指南與現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，并結(jié)合輻照消毒的技術(shù)特點，確定輻照消毒處理醫(yī)療廢物的工藝流程，如圖1 所示。醫(yī)療廢物使用設(shè)計尺寸為1 200 mm×500 mm×600 mm 的全密閉鋁合金箱體運輸與輻照，實現(xiàn)全密閉狀態(tài)下的消毒處理，基本杜絕對環(huán)境和操作人員的潛在危害。

圖1 輻照消毒處理醫(yī)療廢物工藝流程示意Figure 1 Process flow schematic of medical waste treatment by irradiation disinfection

2.1 稱量計量單元

醫(yī)療廢物通過轉(zhuǎn)運車運送進廠后，通過電子稱+條形碼稱量計量，然后建立完善的醫(yī)療廢物申報企業(yè)檔案及醫(yī)療廢物收集儲存檔案數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)保存5 a 以上，其記錄系統(tǒng)設(shè)備及參數(shù)見表2。

表2 稱量計量系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)Table 2 Equipment parameters of weighing measurement system

2.2 全自動進料單元

裝有醫(yī)療廢物的周轉(zhuǎn)箱經(jīng)稱量計量后進入自動進料單元，通過全自動機械手將周轉(zhuǎn)箱放置于雙鏈循環(huán)的小車上，小車將周轉(zhuǎn)箱傳輸至束下進行輻照處理。機械手可以通過6 個控制軸完成周轉(zhuǎn)箱的裝卸、換層與翻面，同時能夠根據(jù)實際載荷對加減速進行優(yōu)化，盡可能縮短操作時間。在輻照室內(nèi)，束下環(huán)線鏈速為0.40～0.65 m/min，出輻照室進入主環(huán)鏈后以0.8～1.3 m/min 的速度傳輸行走，同時通過增加不同的傳感器，并與加速器控制系統(tǒng)進行聯(lián)鎖，可實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)實時報警與加速器系統(tǒng)的自動啟停，便于操作人員及時處理與整體系統(tǒng)控制。

醫(yī)療廢物若不能立即處置，則暫時貯存于冷庫中。醫(yī)療廢物貯存庫房具有冷藏低溫功能。貯存冷庫未啟動制冷設(shè)備時，可用作暫時貯存庫，此時醫(yī)療廢物暫時貯存時間不得超過24 h；當啟動制冷設(shè)備，醫(yī)療廢物貯存溫度＜4 ℃，貯存時間也不得超過72 h。

2.3 輻照消毒單元

2.3.1 高頻高壓電子加速器

設(shè)計上采用5 MeV 高頻高壓型（地那米）電子輻照加速器，高頻高壓型電子加速器的主要參數(shù)如表3 所示。

表3 5 MeV 高頻高壓電子加速器性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of 5 MeV high frequency andhigh voltage electron accelerator

2.3.2 屏蔽廠房設(shè)計

屏蔽廠房是用來屏蔽電子加速器運行時產(chǎn)生的輻射，保證工作環(huán)境和工作人員安全的設(shè)施。項目設(shè)計按照HJ 979—2018 電子加速器輻照裝置輻射安全和防護的設(shè)計計算公式得出屏蔽廠房各屏蔽墻的設(shè)計厚度，如表4 所示。

表4 屏蔽廠房的屏蔽材料與厚度Table 4 Shielding material and thickness ofshielding workshop

2.3.3 安全聯(lián)鎖設(shè)計

電子加速器運行時會產(chǎn)生一定的輻射，為保證工作人員的安全，避免人員因誤入而被傷害，電子加速器輻照裝置對控制區(qū)的出入口門、加速器的開停機和束下裝置等進行有效聯(lián)鎖、監(jiān)控及嚴格的開機前巡檢。電子加速器開機前必須的巡檢流程為：拔下主控臺鑰匙→觸控防護門外巡檢按鈕→蜂鳴器報警及語音提示→觸控巡檢方向巡檢按鈕→觸控防護門外關(guān)門按鈕→防護門關(guān)閉后取下鑰匙→鑰匙打開主控臺開關(guān)→開啟電子加速器。

2.4 廢氣和廢水處理單元

2.4.1 廢氣處理

卸料間、冷庫中的醫(yī)療廢物可能會產(chǎn)生少量惡臭氣體，而且電子加速器在工作時輻照廳中空氣電離后會產(chǎn)生少量臭氧。項目設(shè)計了排風機和吸風口將臭氧和惡臭氣體收集后通過離子除臭系統(tǒng)集中處理，處理風量為3 000 m3/h。

2.4.2 廢水處理

廠區(qū)排水采用雨污分流制，室內(nèi)采用合流制。項目污水與醫(yī)院污水有相似之處，因此處理工藝設(shè)計采用化糞池+調(diào)節(jié)池+一體化MBR 裝置+消毒池，處理出水按照GB 18466—2005 醫(yī)療機構(gòu)水污染物排放標準執(zhí)行。表5 為污水、廢水來源及相應(yīng)水量，圖2 為污水處理工藝流程，表6 為污水處理設(shè)備與構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)。

表5 污水、廢水來源及水量Table 5 Sources and amount of sewage and wastewater

表6 污水處理設(shè)備與構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)Table 6 Design parameters of wastewater treatment equipments and structures

圖2 污水處理工藝流程示意Figure 2 Flow schematic of wastewater treatment process

3 測試指標與分析方法

3.1 微生物指示菌片的布放

用棉球、紗布、手術(shù)服、輸液管、注射器、衛(wèi)生紙、丁腈手套和玻璃器皿等醫(yī)療廢物模擬物將輻照箱填充完全，使輻照箱內(nèi)醫(yī)療廢物模擬物的平均最大密度為0.32 g/cm3。將芽孢含量為1×106～5×106Spores/unit 的萎縮芽孢桿菌ATCC9372（原枯草芽孢桿菌黑色變種）指示菌片［33-34］分別放在周轉(zhuǎn)箱的上、中、下層，每層3 個平行樣，如圖3 所示。

圖3 周轉(zhuǎn)箱內(nèi)微生物指示菌片布置示意Figure 3 Layout schematic of microbial indicator sheets in rotary box

3.2 輻照過程周轉(zhuǎn)箱位置變化方式

考慮到X 射線的穿透情況，為使得距離遠端較弱的射線能量被充分利用，設(shè)計上利用機械手對周轉(zhuǎn)箱進行翻面并換層，如圖4 所示。實驗組按該方式分別開展1 輪（4 圈）和2 輪（8 圈）輻照處理，電子加速器參數(shù)能量為8 MeV，束流為30 mA，束下傳輸速度為0.65 m/min；陽性對照組微生物指示菌片布置方式與上述一致，但是電子加速器在不開機的情況下進行傳輸，束下傳輸速度為0.65 m/min。陰性對照組微生物指示菌片布置方式與上述一致，開展8 輪（32 圈）輻照處理，保證無菌。處理結(jié)束后，將菌片轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)基中30～35 ℃培養(yǎng)7 d，觀察培養(yǎng)結(jié)果。

圖4 輻照過程周轉(zhuǎn)箱位置變化示意Figure 4 Schematic of position change of rotating box during irradiation

4 運行效果分析

由表7 可以看出，經(jīng)過1 輪（4 圈）的輻照處理后，A、B 輻照箱內(nèi)的微生物指示菌培養(yǎng)結(jié)果表明，仍有微生物指示菌存活。同樣的運行條件下，經(jīng)過2 輪（8 圈）輻照處理后，微生物培養(yǎng)后無菌存活，微生物指示菌殺滅對數(shù)值達到6，滿足現(xiàn)有醫(yī)療廢物常規(guī)處理的技術(shù)要求。

表7 微生物指示菌殺滅情況Table 7 Killing situation of microbial indicator bacteria

5 投資與運行成本分析

5.1 投資成本

5 MeV 電子加速器+X 轉(zhuǎn)靶輻照處理醫(yī)療廢物的總投資費用為2 200 萬元，主要包括土建工程費800 萬元、設(shè)備及安裝工程費1 250 萬元、工程建設(shè)其他費用150 萬元。

5 MeV 電子加速器+X 轉(zhuǎn)靶輻照處理醫(yī)療廢物的投資成本約為110 萬元/t，低于高溫焚燒、與高溫熱解基本接近、高于非焚燒消毒技術(shù)。投資成本較高與輻射安全防護所需的屏蔽體建設(shè)費用和我國現(xiàn)有5 MeV 電子加速器的設(shè)備成本較高有關(guān)。未來，隨著加速器制造技術(shù)的不斷發(fā)展，輻照處理醫(yī)療廢物的投資成本有望進一步下降。

5.2 運行成本

5 MeV 電子加速器+X 轉(zhuǎn)靶輻照處理醫(yī)療廢物的運行成本主要是電費，設(shè)備總功率為450 kW；項目配置20 名工作人員，平均工資8 000 元/月；生活用水定額50 L/（人·d），生產(chǎn)用水累計約9 t/d；設(shè)備維修費80 000 元/月，運行成本如表8 所示。

表8 運行成本Table 8 Running costs

按照處理規(guī)模20 t/d，一年工作330 d 計算，每年的處理量為20×330=6 600 t，則每噸的運行成本為：5 226 300/6 600=791.86 元，運行成本低于現(xiàn)有非焚燒技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟效益。

6 醫(yī)療廢物輻照消毒處理工程風險分析及防治措施

采用5 MeV 電子加速器產(chǎn)生的電子束+X 轉(zhuǎn)靶輻照處理醫(yī)療廢物，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療廢物的無害化。但項目存在環(huán)境輻射劑量超標、操作運行時發(fā)生輻射事故、產(chǎn)生的臭氧尾氣污染大氣等工程風險。為避免上述工程風險的發(fā)生，在工程項目建設(shè)和運行中應(yīng)采取如下防治措施：電子加速器應(yīng)嚴格遵守GB/T 25306—2010 輻射加工用電子加速器工程通用規(guī)范和GB 50752—2012 電子輻射工程技術(shù)規(guī)范的要求對加速器、屏蔽體和臭氧尾氣收集處理裝置進行設(shè)計；電子加速器輻照裝置應(yīng)按照HJ 979—2018 電子加速器輻照裝置輻射安全和防護以及GB 18871—2002 電離輻射防護與輻射源安全基本標準的要求設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)；輻射劑量測量應(yīng)按照GB/T 16841—2008 能量為300 keV～25 MeV 電子束輻射加工裝置劑量學導則要求布置多個劑量監(jiān)測計，并聯(lián)入安全聯(lián)鎖系統(tǒng)；運營單位應(yīng)按照GB/T 40590—2021 輻射加工用電子加速器裝置運行維護管理通用規(guī)范要求取得輻射安全許可證，并接受監(jiān)管部門的監(jiān)督檢查、設(shè)立安全管理機構(gòu)或安全防護人員，制定輻射防護應(yīng)急預(yù)案；醫(yī)療廢物處理過程中應(yīng)嚴格按照《醫(yī)療廢物集中處置技術(shù)規(guī)范（試行）》和《新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)療廢物應(yīng)急處置管理與技術(shù)指南（試行）》等相關(guān)規(guī)范、指南的要求進行消毒處理。

7 結(jié)論與展望

項目設(shè)計的全密閉周轉(zhuǎn)箱和全自動上料系統(tǒng)，降低了醫(yī)療廢物在運輸和處理過程中工作人員感染的風險。模擬調(diào)試結(jié)果表明，5MeV 電子加速器+X 轉(zhuǎn)靶輻照處理醫(yī)療廢物，可滿足微生物指示菌殺滅6 個對數(shù)值的要求。項目正式投運后，輻照消毒后的醫(yī)療廢物可參照其他非焚燒技術(shù)消毒后醫(yī)療廢物的處置方式，送至生活垃圾處理廠進行焚燒或填埋。未來將開展資源回收利用的研究，并促成相關(guān)技術(shù)規(guī)范的制定、修訂。

輻照技術(shù)作為一種新興的醫(yī)療廢物處理工藝，自動化程度高、消毒徹底、無二次污染，在未來醫(yī)療廢物的消毒及綜合處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。