两种医疗废物应急协同处置技术的生命周期评价＊

赵宇轩，魏国侠，刘汉桥，赵海龙，3，李 通，龚永月，乔浩宇

（1. 天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384；2. 天津城建大学理学院，天津 300384；3.清华大学环境学院，北京 100084）

1 引言

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）是一种高度传染性的呼吸道传染病，主要经呼吸道飞沫和接触传播［1］。COVID-19 病毒可以在材料表面存活长达9 d［2］，其传染风险比普通医疗废物更大。疫情期间，医务人员和患者消耗了大量的个人防护用品（如手套、面罩、护目镜和工作服等），据估计全球每月使用1 290 亿个口罩和650 亿只手套［3-4］。医疗服务需求的爆炸式增长和个人防护设备的大量消耗导致医疗废物产生量激增。疫情期间的医疗废物可分为涉疫生活垃圾和医院医疗废物两大类，后者主要包括隔离点生活垃圾、方舱生活垃圾、定点医院垃圾和一般医院的医疗废物。2020 年2 月25 日，疫情期间武汉市医疗废物产生量峰值超过240 t/d［1，4］，远超过其已有处置能力（50.0 t/d）。2022 年4 月上海医疗废物产生量随疫情蔓延急剧上升，在4 月28 日超过1 400 t/d，医疗废物总产生量约为处置能力极限的3倍。2022 年7 月，北京、仙桃、丹东、十堰等城市每100 万人约产生5 t 医疗废物［5］。在中国，医疗废物必须通过集中处置设施进行处置，但疫情期间医疗废物的数量往往超过已有处置能力［6-7］，其处置成为防止疫情蔓延的关键环节。

为提高医疗废物应急处置能力，2020 年我国发布《新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗废物应急处置管理与技术指南（试行）》，疫情期间允许采用移动式处置设施（如移动式焚烧设备、移动式蒸汽灭菌舱设备），以及与危险废物或生活垃圾协同焚烧等应急处置技术。大多数移动式处置设施规模较小，处置能力不足5 t/d，2020 年3 月21日，武汉移动设施的总处置能力仅为75.6 t/d，而通过生活垃圾焚烧设施协同处置了5 806.4 t［1］，相较而言，协同处置设施的处置能力大得多。2022年上海通过生活垃圾焚烧设施协同应急处置医疗废物的能力超过1 000 t/d。对于国内外疫情严重的地区，在缺乏移动式处置设施或处置能力不足的情况下，应优先考虑采用危险废物焚烧设施和生活垃圾焚烧设施进行医疗废物处置。

生命周期评价（Life Cycle Assessment， LCA）是评价产品、过程或者服务所产生环境影响的一种全面、科学、量化方法［8］。该评价贯穿产品、工艺或活动的整个生命周期，包括原材料的获取和加工、生产、运输、使用和维护以及最终处置［9］。目前LCA 已被国内外学者用于评估医疗废物焚烧及消毒杀菌等处置技术［10］。2015 年，Koo等［11］比较了韩国医疗废物处置的4 种技术（即焚烧、热回收焚烧、蒸汽灭菌和微波消毒），结果显示热回收焚烧是最佳处置情景，但只讨论了4 个类别的指标，即全球变暖、光化学氧化、酸化和人类毒性。2019 年，Ahmad 等［12］评估了巴基斯坦4 种医疗废物管理做法（焚烧、填埋、热解和化学消毒）的环境影响，结果显示焚烧对环境的影响最大，化学消毒对环境的影响最小。

本研究首先比较分析医疗废物与危险废物或生活垃圾协同焚烧两种应急处置技术的特点、环境风险和技术适应性，提出应急管理的措施建议；然后构建两种应急协同处置技术的生命周期清单，用LCA 量化比较两种医疗废物应急协同处置技术的环境影响，并进一步通过场景分析探究医疗废物与危险废物协同焚烧技术的能量回收和环境效益的改进潜力，为疫情期间我国医疗废物应急处置和管理提供重要参考。

2 材料与方法

2.1 医疗废物与危险废物协同焚烧

危险废物焚烧设施的运行和管理要求与医疗废物焚烧设施相似，可以作为医疗废物处置的首选替代设施。危险废物焚烧设施的一般处置能力为2～60 t/d［13］。危险废物焚烧系统如图1 所示，包括预处置、进料、焚烧、余热利用、烟气净化等辅助系统。桶装医疗废物和桶装危险废物由窑头提升机送至炉进料斗，然后进入回转窑焚烧。非桶装医疗废物由周转箱包装，通过提升机直接进入焚烧系统焚烧处理。非桶装危险废物经破碎机破碎后在料坑内混合搅拌，由起重机送至炉进料斗。危险废物中含有多种有害成分，因此混合废物配伍是关键环节，要根据垃圾的成分和热值进行匹配，保证窑炉的稳定运行，同时避免有害成分集中焚烧，并控制酸性污染物的含量。

图1 危险废物焚烧协同处置医疗废物工艺Figure 1 The co-disposal process of medical waste and hazardous waste incineration

2.2 医疗废物与生活垃圾协同焚烧

生活垃圾焚烧炉的温度应在850 ℃以上，垃圾在炉内的停留时间一般为1.0～1.5 h，可使新型冠状病毒完全失活［14］。因此，适当控制掺烧比例，垃圾焚烧设施处置涉疫医疗废物技术上是可行的，并且可以通过发电回收能量。

生活垃圾焚烧设施已在国内外成功应用于医疗废物应急处置［15］。进行破碎毁形和消毒处理并满足消毒效果检验指标的感染性废物、病理性废物、损伤性废物可与生活垃圾一起处置。同时，由于医疗废物中的高塑料含量，可导致烟气中氯化氢和二英类的含量增加，故医疗废物必须低于混合废物总质量的5%［16］。我国单个垃圾焚烧厂的焚烧能力一般为600～2 000 t/d，按此计算，医疗废物的协同处置能力通常为30～100 t/d［17］。挪威奥斯陆市克拉梅特斯鲁（Klemetsrud）生活垃圾焚烧厂利用机械炉排式焚烧炉处置感染性医疗废物，掺烧比也控制在5%以下［15］。

医疗废物与生活垃圾协同处置流程见图2，进料系统是关键，医疗废物和生活垃圾分别需要两套储存和进料系统。为控制传染风险，医疗废物应通过加强包装、改进投加工艺（如设立单独投加口）和减少在垃圾坑中的停留时间来降低医疗废物包装破损的概率［15］。同时，对垃圾坑严格实行“微负压”环境，确保即使包装破损也不会将感染性物质释放到环境中。此外，因生活垃圾焚烧炉无烟气急冷措施，无法避免二英类物质在180～550 ℃下二次合成，建议适当降低医疗废物比例或将烟气含氧量控制在6%～12%，以确保烟气中二英类物质排放浓度达到GB 18485—2014 生活垃圾焚烧污染控制标准中的要求（≤0.1 ng/m3）。在焚烧飞灰方面，因高氯的医疗废物掺烧会导致飞灰中的氯含量增加，可能影响其后续处理。

图2 生活垃圾焚烧协同处置医疗废物工艺Figure 2 The co-disposal process of medical waste and municipal solid waste incineration

3 结果与讨论

3.1 医疗废物应急协同处置技术的LCA

3.1.1 功能单位与系统边界

技术1 为医疗废物在回转窑中与可燃危险废物协同处置，医疗废物和其他危险废物的比例分别为24%和76%。功能单位为处置1 t 医疗废物和3.17 t 危险废物。技术2 为医疗废物在生活垃圾炉排焚烧炉中协同焚烧，医疗废物掺烧比占生活垃圾焚烧设施处理能力的5% 。功能单位为处置1 t医疗废物和19 t 生活垃圾。

由于技术1 和技术2 均为协同处置技术，无法直接单独进行医疗废物处置环境影响比较评价，故提出两个辅助技术，技术A 为纯危险废物在回转窑中处置，技术B 为纯生活垃圾在焚烧炉中处置。将技术1、技术2 处置情景分别减去技术A、技术B 两个辅助情景，得到1A、2B 的两个情景，功能单位均为处置1 t 医疗废物。两种应急协同处置情景的系统边界和物质流分析见图3。

图3 两种应急处置技术的系统边界和物质流（单位：kg）Figure 3 System boundary and material flow of two emergency disposal technologies （unit：kg）

3.1.2 技术优化的情景分析

对于情景1A，蒸汽在冷却塔中被直接冷却，没有热能回收。为探索降低环境影响的潜力，提出优化情景1A：即情景1A 中产生的所有蒸汽都进行回收，用于附近工厂建筑物、员工日常生活供暖及外部供暖。

3.1.3 生命周期清单

生命周期清单如表1 所示。技术1 和技术2的实景数据分别来自《丽水市医疗废物处置中心二期危险废物综合焚烧扩建工程环境影响报告书》和《莆田市生活垃圾焚烧发电厂三期扩建项目竣工环境保护验收监测报告》。辅助技术A 和辅助技术B 的实景数据分别来自《江苏弘成环保科技有限公司80 t/d 危险废物焚烧处置扩建项目环境影响报告书》和《仙游县垃圾处理（焚烧发电）厂项目环境影响报告书》。背景数据来自eFootprint 平台中CLCD 数据库和Ecoinvent 数据库［18］。

表1 两种应急处置技术、辅助技术和两个情景的生命周期清单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 及其优化情景1A 的能量平衡和能量回收效率分析结果见图4。情景1A 的焚烧炉出口烟气温度约为1 100 ℃。优化情景1A 余热锅炉进行余热回收后，产生4 720 kg 水蒸气（1.6 MPa，204 ℃），其出口烟气温度变为550 ℃。因为烟气必须进行急冷以防在180～550 ℃下产生二英类物质，因此该温度范围内的热量不能进行余热利用。情景1A 余热回收后，其能源回收效率提高了63.6%。

图4 情景1A 和优化情景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

选择了19 个影响类别进行特征化分析，情景1A 和情景2B 的特征化结果见表2。

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

与情景2B 相比，情景1A 消耗大量柴油，因为与危险废物协同焚烧需要消耗柴油作为燃料。柴油对大多数类别都有重大影响，因此情景1A对环境的影响较高，其中，非生物资源消耗潜值高，且焚烧过程中产生酸性气体，酸化值较高，另外直接排放、电力、氢氧化钠和柴油是该情景中光化学臭氧合成的主要贡献者。情景2B 是与生活垃圾协同焚烧，由于发电而具有显著的环境效益。

3.4 归一化分析和节能减排（ECER）指标值评估

情景1A、情景2B 及优化情景1A 的归一化结果见图5。情景1A、情景2B 的ECER 结果分别为4.02×10-9和-2.60×10-9。情景1A 的环境影响远高于情景2B，其中，情景1A 的氮氧化物值比情景2B高，直接排放、电力对氮氧化物有显著影响；情景2B 中医疗废物焚烧发电对二氧化硫和二氧化碳有显著的正面影响。

图5 情景1A、情景2B 及优化情景1A 中所有类别的归一化结果Figure 5 Normalized results of all the categories in scenarios1A，2B and optimized scenarios 1A

由于优化情景1A 中的能量回收，优化情景1A对初级能源消耗和二氧化碳的影响比情景1A 低，氨氮的值没有明显变化。优化情景1A 的ECER 指标比情景1A 低21.9%，优化后环境效益更好。

4 结论

1）选择危险废物焚烧设施进行医疗废物处置，因其急冷装置可以有效避免二英类物质二次合成。然而，在我国目前的实践中，危废焚烧设施不足以应对疫情期间的大量医疗废物，可通过原料配伍来提高医疗废物进料比及应急处置能力。与生活垃圾协同焚烧虽具有巨大的应急医疗废物处置潜力，但因没有急冷装置，仅适用于短期应急处置。

2）两种医疗废物协同处置技术的LCA 结果表明，与生活垃圾协同焚烧的环境影响比与危险废物协同焚烧小，且前者非生物资源消耗潜值、酸化、光化学臭氧合成、生态毒性、工业用水量、化学需氧量及氨氮都较低，这是由于其高燃油消耗和缺乏能量回收。后者对烟气余热能量回收优化情景表明，不仅能源回收效率提高了63.6%，而且节能减排指标降低了21.9%。