兩種醫療廢物應急協同處置技術的生命周期評價＊

趙宇軒，魏國俠，劉漢橋，趙海龍，3，李 通，龔永月，喬浩宇

（1. 天津城建大學能源與安全工程學院，天津 300384；2. 天津城建大學理學院，天津 300384；3.清華大學環境學院，北京 100084）

1 引言

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）是一種高度傳染性的呼吸道傳染病，主要經呼吸道飛沫和接觸傳播［1］。COVID-19 病毒可以在材料表面存活長達9 d［2］，其傳染風險比普通醫療廢物更大。疫情期間，醫務人員和患者消耗了大量的個人防護用品（如手套、面罩、護目鏡和工作服等），據估計全球每月使用1 290 億個口罩和650 億只手套［3-4］。醫療服務需求的爆炸式增長和個人防護設備的大量消耗導致醫療廢物產生量激增。疫情期間的醫療廢物可分為涉疫生活垃圾和醫院醫療廢物兩大類，后者主要包括隔離點生活垃圾、方艙生活垃圾、定點醫院垃圾和一般醫院的醫療廢物。2020 年2 月25 日，疫情期間武漢市醫療廢物產生量峰值超過240 t/d［1，4］，遠超過其已有處置能力（50.0 t/d）。2022 年4 月上海醫療廢物產生量隨疫情蔓延急劇上升，在4 月28 日超過1 400 t/d，醫療廢物總產生量約為處置能力極限的3倍。2022 年7 月，北京、仙桃、丹東、十堰等城市每100 萬人約產生5 t 醫療廢物［5］。在中國，醫療廢物必須通過集中處置設施進行處置，但疫情期間醫療廢物的數量往往超過已有處置能力［6-7］，其處置成為防止疫情蔓延的關鍵環節。

為提高醫療廢物應急處置能力，2020 年我國發布《新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫療廢物應急處置管理與技術指南（試行）》，疫情期間允許采用移動式處置設施（如移動式焚燒設備、移動式蒸汽滅菌艙設備），以及與危險廢物或生活垃圾協同焚燒等應急處置技術。大多數移動式處置設施規模較小，處置能力不足5 t/d，2020 年3 月21日，武漢移動設施的總處置能力僅為75.6 t/d，而通過生活垃圾焚燒設施協同處置了5 806.4 t［1］，相較而言，協同處置設施的處置能力大得多。2022年上海通過生活垃圾焚燒設施協同應急處置醫療廢物的能力超過1 000 t/d。對于國內外疫情嚴重的地區，在缺乏移動式處置設施或處置能力不足的情況下，應優先考慮采用危險廢物焚燒設施和生活垃圾焚燒設施進行醫療廢物處置。

生命周期評價（Life Cycle Assessment， LCA）是評價產品、過程或者服務所產生環境影響的一種全面、科學、量化方法［8］。該評價貫穿產品、工藝或活動的整個生命周期，包括原材料的獲取和加工、生產、運輸、使用和維護以及最終處置［9］。目前LCA 已被國內外學者用于評估醫療廢物焚燒及消毒殺菌等處置技術［10］。2015 年，Koo等［11］比較了韓國醫療廢物處置的4 種技術（即焚燒、熱回收焚燒、蒸汽滅菌和微波消毒），結果顯示熱回收焚燒是最佳處置情景，但只討論了4 個類別的指標，即全球變暖、光化學氧化、酸化和人類毒性。2019 年，Ahmad 等［12］評估了巴基斯坦4 種醫療廢物管理做法（焚燒、填埋、熱解和化學消毒）的環境影響，結果顯示焚燒對環境的影響最大，化學消毒對環境的影響最小。

本研究首先比較分析醫療廢物與危險廢物或生活垃圾協同焚燒兩種應急處置技術的特點、環境風險和技術適應性，提出應急管理的措施建議；然后構建兩種應急協同處置技術的生命周期清單，用LCA 量化比較兩種醫療廢物應急協同處置技術的環境影響，并進一步通過場景分析探究醫療廢物與危險廢物協同焚燒技術的能量回收和環境效益的改進潛力，為疫情期間我國醫療廢物應急處置和管理提供重要參考。

2 材料與方法

2.1 醫療廢物與危險廢物協同焚燒

危險廢物焚燒設施的運行和管理要求與醫療廢物焚燒設施相似，可以作為醫療廢物處置的首選替代設施。危險廢物焚燒設施的一般處置能力為2～60 t/d［13］。危險廢物焚燒系統如圖1 所示，包括預處置、進料、焚燒、余熱利用、煙氣凈化等輔助系統。桶裝醫療廢物和桶裝危險廢物由窯頭提升機送至爐進料斗，然后進入回轉窯焚燒。非桶裝醫療廢物由周轉箱包裝，通過提升機直接進入焚燒系統焚燒處理。非桶裝危險廢物經破碎機破碎后在料坑內混合攪拌，由起重機送至爐進料斗。危險廢物中含有多種有害成分，因此混合廢物配伍是關鍵環節，要根據垃圾的成分和熱值進行匹配，保證窯爐的穩定運行，同時避免有害成分集中焚燒，并控制酸性污染物的含量。

圖1 危險廢物焚燒協同處置醫療廢物工藝Figure 1 The co-disposal process of medical waste and hazardous waste incineration

2.2 醫療廢物與生活垃圾協同焚燒

生活垃圾焚燒爐的溫度應在850 ℃以上，垃圾在爐內的停留時間一般為1.0～1.5 h，可使新型冠狀病毒完全失活［14］。因此，適當控制摻燒比例，垃圾焚燒設施處置涉疫醫療廢物技術上是可行的，并且可以通過發電回收能量。

生活垃圾焚燒設施已在國內外成功應用于醫療廢物應急處置［15］。進行破碎毀形和消毒處理并滿足消毒效果檢驗指標的感染性廢物、病理性廢物、損傷性廢物可與生活垃圾一起處置。同時，由于醫療廢物中的高塑料含量，可導致煙氣中氯化氫和二英類的含量增加，故醫療廢物必須低于混合廢物總質量的5%［16］。我國單個垃圾焚燒廠的焚燒能力一般為600～2 000 t/d，按此計算，醫療廢物的協同處置能力通常為30～100 t/d［17］。挪威奧斯陸市克拉梅特斯魯（Klemetsrud）生活垃圾焚燒廠利用機械爐排式焚燒爐處置感染性醫療廢物，摻燒比也控制在5%以下［15］。

醫療廢物與生活垃圾協同處置流程見圖2，進料系統是關鍵，醫療廢物和生活垃圾分別需要兩套儲存和進料系統。為控制傳染風險，醫療廢物應通過加強包裝、改進投加工藝（如設立單獨投加口）和減少在垃圾坑中的停留時間來降低醫療廢物包裝破損的概率［15］。同時，對垃圾坑嚴格實行“微負壓”環境，確保即使包裝破損也不會將感染性物質釋放到環境中。此外，因生活垃圾焚燒爐無煙氣急冷措施，無法避免二英類物質在180～550 ℃下二次合成，建議適當降低醫療廢物比例或將煙氣含氧量控制在6%～12%，以確保煙氣中二英類物質排放濃度達到GB 18485—2014 生活垃圾焚燒污染控制標準中的要求（≤0.1 ng/m3）。在焚燒飛灰方面，因高氯的醫療廢物摻燒會導致飛灰中的氯含量增加，可能影響其后續處理。

圖2 生活垃圾焚燒協同處置醫療廢物工藝Figure 2 The co-disposal process of medical waste and municipal solid waste incineration

3 結果與討論

3.1 醫療廢物應急協同處置技術的LCA

3.1.1 功能單位與系統邊界

技術1 為醫療廢物在回轉窯中與可燃危險廢物協同處置，醫療廢物和其他危險廢物的比例分別為24%和76%。功能單位為處置1 t 醫療廢物和3.17 t 危險廢物。技術2 為醫療廢物在生活垃圾爐排焚燒爐中協同焚燒，醫療廢物摻燒比占生活垃圾焚燒設施處理能力的5% 。功能單位為處置1 t醫療廢物和19 t 生活垃圾。

由于技術1 和技術2 均為協同處置技術，無法直接單獨進行醫療廢物處置環境影響比較評價，故提出兩個輔助技術，技術A 為純危險廢物在回轉窯中處置，技術B 為純生活垃圾在焚燒爐中處置。將技術1、技術2 處置情景分別減去技術A、技術B 兩個輔助情景，得到1A、2B 的兩個情景，功能單位均為處置1 t 醫療廢物。兩種應急協同處置情景的系統邊界和物質流分析見圖3。

圖3 兩種應急處置技術的系統邊界和物質流（單位：kg）Figure 3 System boundary and material flow of two emergency disposal technologies （unit：kg）

3.1.2 技術優化的情景分析

對于情景1A，蒸汽在冷卻塔中被直接冷卻，沒有熱能回收。為探索降低環境影響的潛力，提出優化情景1A：即情景1A 中產生的所有蒸汽都進行回收，用于附近工廠建筑物、員工日常生活供暖及外部供暖。

3.1.3 生命周期清單

生命周期清單如表1 所示。技術1 和技術2的實景數據分別來自《麗水市醫療廢物處置中心二期危險廢物綜合焚燒擴建工程環境影響報告書》和《莆田市生活垃圾焚燒發電廠三期擴建項目竣工環境保護驗收監測報告》。輔助技術A 和輔助技術B 的實景數據分別來自《江蘇弘成環保科技有限公司80 t/d 危險廢物焚燒處置擴建項目環境影響報告書》和《仙游縣垃圾處理（焚燒發電）廠項目環境影響報告書》。背景數據來自eFootprint 平臺中CLCD 數據庫和Ecoinvent 數據庫［18］。

表1 兩種應急處置技術、輔助技術和兩個情景的生命周期清單Table 1 Life cycle inventory of two emergency disposal technologies，assistive technologies and two scenarios

3.2 能量回收分析

情景1A 及其優化情景1A 的能量平衡和能量回收效率分析結果見圖4。情景1A 的焚燒爐出口煙氣溫度約為1 100 ℃。優化情景1A 余熱鍋爐進行余熱回收后，產生4 720 kg 水蒸氣（1.6 MPa，204 ℃），其出口煙氣溫度變為550 ℃。因為煙氣必須進行急冷以防在180～550 ℃下產生二英類物質，因此該溫度范圍內的熱量不能進行余熱利用。情景1A 余熱回收后，其能源回收效率提高了63.6%。

圖4 情景1A 和優化情景1A 的能量平衡分析Figure 4 Energy balance analysis on scenarios 1A and the optimized scenarios 1A

3.3 特征化分析

選擇了19 個影響類別進行特征化分析，情景1A 和情景2B 的特征化結果見表2。

表2 情景1A 和情景2B 的特征化結果Table 2 Characterization results of scenarios 1A and 2B

與情景2B 相比，情景1A 消耗大量柴油，因為與危險廢物協同焚燒需要消耗柴油作為燃料。柴油對大多數類別都有重大影響，因此情景1A對環境的影響較高，其中，非生物資源消耗潛值高，且焚燒過程中產生酸性氣體，酸化值較高，另外直接排放、電力、氫氧化鈉和柴油是該情景中光化學臭氧合成的主要貢獻者。情景2B 是與生活垃圾協同焚燒，由于發電而具有顯著的環境效益。

3.4 歸一化分析和節能減排（ECER）指標值評估

情景1A、情景2B 及優化情景1A 的歸一化結果見圖5。情景1A、情景2B 的ECER 結果分別為4.02×10-9和-2.60×10-9。情景1A 的環境影響遠高于情景2B，其中，情景1A 的氮氧化物值比情景2B高，直接排放、電力對氮氧化物有顯著影響；情景2B 中醫療廢物焚燒發電對二氧化硫和二氧化碳有顯著的正面影響。

圖5 情景1A、情景2B 及優化情景1A 中所有類別的歸一化結果Figure 5 Normalized results of all the categories in scenarios1A，2B and optimized scenarios 1A

由于優化情景1A 中的能量回收，優化情景1A對初級能源消耗和二氧化碳的影響比情景1A 低，氨氮的值沒有明顯變化。優化情景1A 的ECER 指標比情景1A 低21.9%，優化后環境效益更好。

4 結論

1）選擇危險廢物焚燒設施進行醫療廢物處置，因其急冷裝置可以有效避免二英類物質二次合成。然而，在我國目前的實踐中，危廢焚燒設施不足以應對疫情期間的大量醫療廢物，可通過原料配伍來提高醫療廢物進料比及應急處置能力。與生活垃圾協同焚燒雖具有巨大的應急醫療廢物處置潛力，但因沒有急冷裝置，僅適用于短期應急處置。

2）兩種醫療廢物協同處置技術的LCA 結果表明，與生活垃圾協同焚燒的環境影響比與危險廢物協同焚燒小，且前者非生物資源消耗潛值、酸化、光化學臭氧合成、生態毒性、工業用水量、化學需氧量及氨氮都較低，這是由于其高燃油消耗和缺乏能量回收。后者對煙氣余熱能量回收優化情景表明，不僅能源回收效率提高了63.6%，而且節能減排指標降低了21.9%。