危险废物快速定性检测装置开发研究

尹翠仪，刘卓芳，李启祥，李仁义，梁艺泉

（1.江门市崖门新财富环保工业有限公司，广东 江门 529100；2.惠州市博晟智控技术有限公司，广东 惠州 516000）

随着世界各地工业化快速增长，工业生产过程排放的危险废物日益增多。据估计，全球每年危险废物产生量约为3.3亿吨。近年来国内危险废物处置行业和资源化经济循环产业高速发展，安全检测分析随着危险废物处置量的增加而逐渐被重视，但国家尚未出台危险废物检测分析标准，行业内检测方法基本参照国外危险废物标准——指纹分析，但传统指纹分析存在一定的局限性，危险废物分析对场地和人员专业性要求高，检测结果容易受外界环境和人为因素影响。

文章将参考各项目的反应原理，探究各指标间的对应性与关联性，将相关专业理化检测手段与企业端的现实需求相结合，成功开发出一套便携式的危废快速定性分析系统，多组合集成检测项目，具有智能化、信息化、数据化的运行系统，为建立信息化危废处置智能系统奠定基础。

1 危险废物指纹分析检测与应用

通过借鉴国外危险废物检测标准和石油行业检测标准，分析各项目的反应原理，形成下列国内通用的危险废物快速定性方法——指纹分析。指纹分析包括危险废物物理特性和水相容性、酸反应性、碱反应性、聚合性、可燃性、酸碱性、氧化性、硫化物、氰化物、氨、酚类化合物、放射性共13项反应性指标，一般可通过目视法、试纸法、明火测试法和放射性方法分析。

1.1 目视法

目视法是通过视觉和嗅觉等感官判断危险废物物理特性，其他反应性检测则是向危险废物样品中加入某些试剂，观察混合物物理形态变化、化学反应变化和温度变化，达到初步判断危险废物的基本特性，此类方法可运用于判断水相容性、酸反应性、碱反应性、聚合性、酚类化合物。

1.2 试纸法

试纸法是以市面上在售的快速定性试纸为检测介质，根据试纸检测要求对危险废物或试纸本体进行预处理，如加热、酸化、湿润等方式，取危险废物或其混合物滴加在试纸表面，观察试纸变化与否以判断其反应性，此类方法可运用于判断酸碱性、氧化性、硫化物、氰化物和氨。

1.3 明火测试

可燃性是通过明火燃烧废物样品，通过观察样品与明火距离或火焰大小可判断可燃性测试结果。检测人员通过明火测试现象不仅能确定危险废物的可燃性，更能初步判断危险废物的闪点范围。

1.4 放射性测试

放射性是利用放射性探测器应放置在远离样品表面25 mm处至少5 min，观察装置响应结果。放射性测试主要针对于核废料，其他危险废物一般不具备放射性。

2 危险废物检测装置现状与前景

对于危险废物关键指标定量检测，如热值、硫、氯等有的便携式设备，但危险废物定性分析未发现有多组合的便携式智能化、自动化检测设备。危废领域行业竞争激烈，如何快速安全收运、高效生产、精准检测和智能化数据统计已经成为占领市场份额的重要依据，未来智能焚烧成为危废处理处置发展的必然趋势。利用一台便携式的仪器同时完成多项危险废物定性指标的快速自动测定，对于增加企业的市场竞争力有绝对优势。

3 危险废物快速定性检测装置分析方法及结构

设计开发的便携式危险废物快速定性检测装置，其具备自动进样、自动加药、智能判断、数据记录、即时传输等功能，装置体积小巧轻便，并且内部具有独立电源，能携带至产废端辅助危险废物定性分析。通过调研危险废物管理过程的检测需求，按照检测原理归类、简化和合并，最终筛选出同时满足快速计价和安全收运基本的检测项目，主要是危险废物物理特性和10个快速分析指标，如酸碱性、可燃性、水相容性、酸反应性、碱反应性、氰化物、硫化物、氧化性、氨、聚合性。

本装置利用摄影机、复合电极、气体传感器、电弧放电器等小型设备搭建自动化检测模块，取代实验室传统人工指纹分析目视法、试纸法以及明火测试法。参考检测项目的反应原理及其关联性，装置共设置五个检测项目通道，分别为水通道、聚合通道、酸通道、碱通道和可燃性通道。

3.1 水通道

水通道主要分析危险废物酸碱性、氧化性以及水相容性，以去离子水为水通道反应试剂，在危险废物中以1∶10比例滴加去离子水，通过将pH电极和ORP电极组合的复合电极检测，综合温度传感器和内置摄影机三者反应数据，系统软件按照设定程序分析，最终输出其检测结果。

3.2 聚合通道

聚合通道主要分析危险废物聚合性，参考指纹分析中聚合性检测原理，采用三乙胺作为反应试剂。程序按照1∶1的比例加入危险废物和三乙胺，通过将温度传感器和内置摄影机的检测数据传送至系统，智能识别和输出改通道检测结果。

3.3 酸通道

酸通道主要分析危险废物酸反应性、硫化物和氰化物，本装置简化实验试剂，统一采用磷酸取代指纹分析中酸反应性、硫化物和氰化物检测试剂盐酸和硫酸。磷酸具备酸性，能酸化危险废物，使硫化物和氰化物反应生成硫化氢和氰化氢，已通过实验验证酸通道采用磷酸取代指纹分析中硫酸及盐酸的用法可行。酸反应通道硫化物及氰化物经磷酸酸化加热后生成硫化氢和氰化氢，利用泵传输气体至传感器测定混合气体气体组分，酸反应性通过内置摄影机拍摄，综合温度传感器和内置摄影机数据输出酸通道结果。

上述规则(以下称“连线式密码”)已广为运用。本文研究上述三条规则中的一条或多条加以改变对密码安全程度的优化情况。本文先研究一条规则改变的情况下安全性的变化情况。

3.4 碱通道

碱通道主要分析危险废物碱反应性和氨，延续指纹分析中碱反应性和氨使用的氢氧化钠溶液，氨反应加热催化，经过氨气体传感器测定其组分，碱反应性通过内置摄影机拍摄，综合温度传感器和内置摄影机反应数据输出碱通道结果。

3.5 可燃性通道

可燃性通道主要分析危险废物可燃性。以电极放电产热的方式取代传统指纹分析中明火加热，将危险废物置于小型坩埚中，由于正负电极电弧引燃放热，热量积聚于坩埚，可燃物受热燃烧，通过相机记录反应过程变化，输出可燃性结果。

3.6 组成机构及功能

危险废物快速检测装置主要分为设备组件和系统软件两个模块组成，基础设备模块包括运动机构、定位机构、检测机构、加药机构和辅助机构等，软件包括单片机程序、上位机软件和视觉分析系统等。多元化的单一结构组合成装置自动检测程序，利用编程分析传输运行数据，搭建数字化、智能化分析平台，形成企业或行业危险废物特性数据库，为实现智能焚烧提供基本依据。

（1）软件系统。软件系统由单片机程序、上位机和视觉分析等软件组成，危险废物快速定性检测装置通过单片机编制程序和上位机软件，共同控制装置内部各模块联动运作，系统按照既定的程序同时完成五个通道的快速定性检测，经过视觉分析智能判断危险废物反应性，并将数据汇总上传，从而实现装置的自动化智能化检测目标。

系统前期利用摄影机拍摄采集危险废物样品的视觉数据并分析，逐渐建立视觉分析的数学模型，并且系统具有学习功能，自动收集分析新现象。通过视觉分析，多样化的危废样品反应性均可直接被装置智能识别。

（2）运动系统。危险废物快速检测装置内部设置样品反应仓、试剂仓、振动器、蠕动泵和内置摄像头等单一运动模块，各运动模块安装相应的伺服驱动机构以控制其动作模式，实现各模块自动化机械动作，如反应仓进出动作、密封盖板动作、蠕动泵加药动作和振动器摇晃动作等。配置的定位系统辅助运动模块在特定位置执行任务，连贯各模块基本动作能初步搭建系统自动化运行模式，是实现检测自动化的基础。

（3）检测系统。采用复合电极检测其酸碱性（pH）与氧化性（ORP），把pH玻璃电极和ORP电极组合在一起，将化学成分参量转换成电信号，系统根据pH和ORP输出结果判断其酸碱性和氧化性两项指标。复合电极具有使用方便，体积小等优点。硫化物、氰化物、氨检测采用小型气体传感器检测，温度采用温度传感器完成检测。系统程序将各传感器电信号转换成数据，及时传递给处理器并依次自动输出并存储样品检测结果。

（5）辅助系统。辅助系统是指除搭建装置基本自动功能外的优化系统，如加热系统、清洗系统、尾气处理系统等，优化系统是不可或缺的次要系统，辅助系统的有效搭建能保障装置的正常运行，实现装置连续、安全、高效地完成检测工作。加热系统是采用加热片加热的方法，在各个反应通道四周设置加热片，按照程序设定温度快速均匀的加热，以达到装置对样品的加热要求。目前清洗系统包括管道清洗和电极清洗，管道清洗是通过在装置内部增加一台泵，抽取排空传感器管道及仓室内残余反应气体，从而达到保护和延长传感器使用寿命，减少相邻检测样品高低浓度的交叉污染，提高传感器的检测精度的目的。电极的清洗则是利用快接头安装方式组合电极，电极在使用后能快接拆除，收集清洗。尾气系统配置了抽风装置和排气装置，实现有毒有害气体的集中收集，统一吸收排放。

3.7 检测流程

危险废物快速定性检测装置使用前先开启操作面板，进入操作程序。打开检测软件后根据样品检测需求设置反应通道、试剂量和振动频率等参数，其中系统内置运行最优参数和默认所有通道检测，常规样品可直接跳过参数设定步骤。当试剂仓弹出后，按要求向五个通道中加入一定量危废样品，同时检查试剂仓剩余用量，确认无误后启动检测程序，系统设置五个通道同时进行检测工作，当检测完成后输出样品检测结果，现场出具打印检测报告，数据能上传至公共端，公司关联人员能立即查看，如图1所示。

图1 危险废物快速定性检测装置检测流程图

危险废物快速定性检测装置中五个通道同时检测，1#通道是水通道，主要分析危险废物酸碱性、氧化性以及水相容性，2#通道是聚合通道主要分析危险废物聚合性，3#通道酸通道主要分析危险废物酸反应性、硫化物和氰化物，4#通道碱通道主要分析危险废物碱反应性和氨，5#通道可燃性通道主要分析危险废物可燃性。

其中1#～4#通道检测流程大致相同，主要是先对危险废物原样拍照和测温，加入试剂后第二次拍照，试剂仓摇晃静置后进行第三次拍照和测温，3#～4#加热催化后启动泵将反应气体抽取至传感器检测，检测人员初步复核检测结果，确认后系统将整合复合电极、气体传感器、温度传感器和视觉分析等数据，综合判断并输出1#～4#通道的分析结果。5#通道检测流程同样是先对危险废物原样拍照，随后在启动电弧打火的同时拍照，根据系统设定时间连续多次拍照，检测人员初步复核检测图片，确认后系统智能化比对图片，判断并输出5#通道的分析结果。系统整合5个通道数据后输出检测报告，整个检测分析过程用时约5 min，大大缩减了单个样品检测时长。

4 危险废物快速检测装置应用

危险废物快速检测的市场调研表明，处置企业重视危险废物全流程管理，对高效快速的定性便携式危险废物检测装置有迫切的需求，研发人员将理论知识转化为实体，组合多样化运动机构，成功开发危险废物快速检测装置。处置企业内部各环节都依赖于指纹分析，为优化装置功能，提高其适用性，将装置投放处置企业各需求部门，各部门每月轮换使用，研发人员收集装置使用反馈信息。

第一代危险废物快速检测装置能正常运行，基本满足指纹分析检测需求，因其具有便携式的特点，经过简单培训的非专业人员，能方便携带至各环节完成检测任务。市场人员携带本装置到产废端检测，在产废单位现场快速完成危险废物指纹分析，当场出具危险特性结果，实现快速定价、立即收运的目标。工服人员在应急现场快速检测未知危险废物的特性，通过基本定性结果，提前制定安全合理的收运方案，降低危险废物在应急现场和收运过程中带来的安全风险。物控人员严格管控进出仓库的危险废物，检测大量危险废物的危险特性，使用本装置减少人为主观错误判断和操作失误，极大提高危险废物检测准确率和效率。工艺人员抽检异常危险废物，该装置能为不具备实验器材和场地的检测需求，提供快速有效的数据支持生产运营。单个样品检测时间控制在5 min，极大地提高了危险废物检测效率，满足日常大批量危废样品的检测需求，为企业快速提供准确有效的数据。

但目前第一代危险废物快速检测装置仍存在下列问题。装置试剂仓容积与检测数量不匹配，假设要求样品完成全部检测指标，试剂仓的容积应根据试剂量而定，制作不同比例大小的容器。装置具备独立电源能携带，但自重大，应重新评定电源、外壳及试剂仓等机构的最优比例。耗材是降低成本的关键因素，由于受前期装置应用场景和检测原理限制，装置内部耗材均为非标原件，市场无售卖，只能定制制造，造价成本高，需要重新调整结构，采用市面普通耗材，降低样品检测成本。装置部分软件功能未能实现，如无线传输、数据统筹和系统自查等，需进一步改善。

5 结束语

经过团队的多番努力，成功开发第一代危险废物快速定性检测装置，一台具备便携式自动检测功能危险废物特性的装置，其基本满足对危险废物检测需求，但在部分设备硬件和软件仍有改进空间。危险废物快速定性检测装置的成功投用，打通所有生产环节的数据壁垒，建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品，为未来多组合的集成或者智能化、信息化危险废物检测仪器研发奠定了基础，为实现智能焚烧提供基本依据。