综述：医疗废弃物热解增值技术：工艺、产物及挑战

《Journal of the Air & Waste Management Association》：Pyrolysis technologies for valorisation of healthcare waste: A review on processes, products, and challenges

　　

热解技术作为医疗废弃物（HCW）增值处理的重要途径日益受到关注。焚烧虽仍是当前医疗废弃物处置的主要方式，但其伴生的空气污染物排放、有限资源回收能力及其与循环经济（circular economy）目标的不兼容性促使研究人员积极探寻替代处理技术。在诸多热化学处理选项中，热解（pyrolysis）通过在缺氧条件下运行，能够将废弃物转化为高附加值产品，同时潜在减少受管制空气污染物的生成，展现出优于焚烧的技术优势。本综述系统审视了医疗废弃物热解增值的技术现状及其在可持续废物管理系统与循环经济框架中的潜在作用。文献计量分析表明，尽管热解研究传统上聚焦于生物质与市政固体废弃物，但针对医疗废弃物的研究近年来呈稳步增长态势。

本综述涵盖了不同类别的医疗相关废弃物，包括医院 residues 与医用塑料，以及适用的热解反应器技术。针对热解产物——包括合成气（syngas）、液体燃料、蜡类及化学原料——的性质与潜在用途，研究人员从环境表现与资源回收角度进行了深入讨论。关键挑战包括原料异质性、污染物管理、法规约束及工艺优化等。总体而言，热解作为一种补充性技术，能够支持医疗废弃物管理领域的循环经济目标。其意义在于：焚烧仍广泛应用于医疗废弃物处置，但关于排放、有限资源回收及循环经济兼容性的关切推动了热解技术的发展。本综述评估了医疗废弃物热解增值作为焚烧替代技术的可持续性与补充性，讨论了不同医疗废弃物流、反应器技术、操作条件及产物，并重点强调了原料异质性、污染物管理、法规限制和工艺优化等关键挑战。本质上，热解在循环经济框架下的医疗废弃物资源回收与可持续管理方面展现出显著潜力。

## 1 引言

医疗废弃物（HCW）的产生量近年来急剧增加，涵盖药品、医疗产品及其不理想的处置方式加剧了这一问题。不当处置对公共卫生和环境构成挑战，尤其是在次优条件下焚烧会释放有毒排放物，或当废弃物被倾倒、露天焚烧或排入污水系统时更为严重。除上述影响外，许多处置实践未能实现资源回收，限制了其与循环经济（circular economy）目标的一致性。

热解作为一种在缺氧条件下进行的热化学过程，为HCW管理提供了独特优势。与传统焚烧不同，热解可将异质且受污染的HCW转化为合成气（syngas）、生物油（bio-oil）、炭（char）及其他化学品等有价值产品，同时产生更少的受管制空气污染物。该过程提供了材料和能源回收的机会，使HCW管理实践能够支持循环经济原则，将废弃物转化为可再利用资源。与其他热化学方法相比，热解允许更灵活的工艺控制，并可适应混合原料——这在医疗废弃物流中十分典型。

文献计量分析表明，热解研究历史上聚焦于生物质和市政固体废弃物，为其在HCW中的应用探索奠定了基础。过去十年间，关于医疗和医药废弃物热解的研究稳步增加，反映出其作为可持续废弃物增值方法日益受到认可。尽管如此，由于医疗残留物的复杂性和异质性以及危险材料处理的法规限制，热解在HCW中的应用仍不如其他废弃物类型那样广泛探索。

热解在HCW中的成功实施取决于若干关键因素，包括原料准备、反应器配置、加热制度、操作参数和产品回收策略。废弃物组成、污染水平和聚合物含量的变异性影响工艺效率、产品产量和质量。主要产品包括用于能源的合成气、液体生物燃料、蜡类和炭，具有潜在的工业和社会应用价值，有助于能源回收、材料循环和环境保护。本综述综合了当前关于HCW热解增值的知识，重点关注可行性、产品生成及其在循环经济框架中的整合。

## 2 当前研究趋势

先前关于生物质、市政和塑料废弃物热解的研究已建立了强大的技术和科学基础，提供了可适应于HCW的方法论、反应器设计和工艺优化策略。另一方面，HCW的热解增值已针对广泛的材料进行了探索，包括外科手套、口罩、绷带、输液袋、导管、注射器、生理盐水瓶和药片。由聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）和其他聚合物组成的废弃泡罩包装可通过热分解回收金属并产生燃气、炭和油。对乙酰氨基酚和布洛芬等药片的热解研究表明活性药物成分（APIs）仍可回收，说明了资源回收的可行性。医用塑料（包括注射器、瓶子和输液管）的热解产生高热值液体（42–44 MJ·kg^?1），伴随有价值的炭，在某些情况下还产生氯化氢（HCl），可通过延长停留时间和催化处理予以最小化。

催化热解可增强产品产量和质量。例如，采用沸石基催化剂处理的外科口罩组分产生了高价值芳烃如BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）和对二甲苯，油产率高达80.7%，大孔催化剂的选择性转化效率显著提高。在500°C下，有机含量约70%的医疗固体废弃物在立式固定床炉中热解，主要产生气体（83.2%），以及富含烃类和脂质（C₆–C₂₈）的液体，热值约8973 kcal/kg。工艺参数如原料组成、反应器设计、温度和催化作用对产品分布和质量有关键影响。例如，注射器和生理盐水瓶在圆柱形固定床反应器中热解，在450°C时最大油产率为53.2–54.9%，而炭产率在较低温度（50°C）下达峰值72–73%。催化增强和优化加热制度可选择性增加富能烃类的形成并减少危险副产物，凸显了工艺控制对工业规模实施的重要性。

## 3 作为热解原料的医疗废弃物

HCW指来自医疗服务、药品使用和药品制造中不再适合使用的废弃材料。就热解增值而言，HCW可定义为非金属药用或医疗产品，包括过期、污染、未使用或多余的药物及相关物品如小瓶、安瓿、瓶、盒、手套、口罩、输液袋和注射器，这些物质保留有生物活性化合物或适合热化学转化的聚合物。HCW的这一子集因其高有机和聚合物含量而特别引人关注，使其适用于旨在能源回收、化学品回收或生物炭生产的热解过程。

HCW的异质性及其高碳氢含量、挥发分含量和富能聚合物，使其成为有前景的热解原料。塑料（包括PP、聚乙烯（PE）、PVC和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET））在注射器、输液器、包装和个人防护设备中常见，具有较高的热值，常超过30–40 MJ/kg。相比之下，病理废弃物和组织、血液、富含胶原的外科残留物以及药物残留物为热解增加了额外复杂性。这些原料富含氮和硫化合物，若管理不当可形成有毒气体如氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）和氰化氢（HCN）。生物活性药物化合物也可能部分存留于热降解过程中，需要更高温度或分阶段热解，可能还需催化剂，以确保完全分解。

HCW的物理化学特性（如高挥发分含量、富碳聚合物和异质有机残留物）使其成为热解增值的有价值候选原料。通过聚焦富含塑料、可燃的组分如手套、口罩、注射器、输液袋和包装，热解可高效回收能源、化学品和潜在的APIs，同时减少与传统处置相关的环境危害。

## 4 医疗废弃物处置方法比较

HCW管理对公共卫生和环境保护至关重要。传统处置方法如固化、化学销毁、焚烧、微波和高压灭菌长期以来被用于减少废弃物体积和消除病原体。由于医疗废弃物以多样化的药理和剂型存在，处置方法因类别而异，某些废物流适合返回供应链从而实现循环经济目标，而其他则需要专门处理。因此，分拣、安全储存和清晰标识在处置前仍是废物管理系统的基本先决条件。

在发达国家，处置前需进行特定测试。例如在美国，需进行浸出测试以分析固体废弃物中污染物的泄漏情况，从而确定所需的处置类型。一些重要的标准和改良测试，如毒性特征浸出程序（TCLP）、加州废弃物提取测试（CalWET）等，被广泛用于估算废弃物中污染物的浸出。TCLP用于将医疗废弃物分类为危险或非危险废弃物，这一表征对于选择处置方法至关重要。

## 5 热化学技术

焚烧是最广泛使用的热处理方法，作为与新兴热化学废弃物处置技术比较时的参照基准。焚烧能有效将有机HCW（包括解剖、感染性和药品废弃物）转化为灰分和废气，显著减少质量。然而，其能耗高且产生有害排放物，如二噁英、呋喃和酸性气体，需要复杂的烟气处理，造成环境污染。

相比之下，热解提供了一种热化学替代方案，其中HCW在缺氧或惰性条件下加热，将有机组分转化为生物油、合成气和生物炭，而非单纯依赖燃烧。该过程能够实现资源回收、能源生产和潜在的循环经济应用，通过回收塑料、包装甚至APIs等材料。热解在400–800°C范围内运行，产品产量受原料组成、反应器设计和操作条件影响。热解产生的生物炭可用作土壤改良肥料或吸附剂，而合成气可提供清洁能源。此外，热解特别适用于富含塑料、手套、口罩、输液袋和包装等HCW组分，这些材料碳和挥发分含量高，可产生大量可燃气体和液体燃料，在最小化残留危险废物的同时最大化能源回收。

尽管前景广阔，热解需要控制操作条件，包括温度、停留时间和原料准备，以确保产品质量并防止二次污染。当整合到现有HCW管理系统中时，热解可以补充或部分替代焚烧，提供一种可持续、循环的HCW增值途径。通过将重点从单纯的体积减量转向材料和能源回收，热解代表了一种与可持续性和资源效率目标一致的下一代处置策略。

## 6 热解技术

大多数评估热解作为废弃物增值技术的研究聚焦于生物质和市政塑料。有趣的是，近期工作已开始将其范围扩展到HCW，因其高聚合物含量和热值。热解技术可按加热速率、温度和停留时间等主要操作变量分类为慢速、中速、快速和闪速热解。替代方法如真空热解、催化热解、加氢热解、微波热解和太阳能热解也被开发出来，以优化效率、定制产品产量或减少能源需求。

慢速热解通常在300–500°C（煤炭可达800°C）运行，加热速率为0.1–2 °C/s，停留时间从数分钟到数小时。这些条件有利于炭生产，适用于需要回收活性炭或固体燃料的场合。中速热解弥合了慢速和快速之间的鸿沟，在100–500 °C/min运行，提供了根据工艺调整灵活瞄准液体、气体或炭产量的灵活性。快速uis快速热解采用非常高的加热速率（200–1000 °C/s）、中到高温（400–600 °C）和仅数秒的停留时间。快速淬冷蒸气可防止二次裂解，从而最大化液体产量。闪速热解是更极端的形式，特征为高温（700–1000°C）、极高加热速率（≥ 1000 °C/s）和短停留时间（≤ 0.5 s）。材料粒径必须减小到微米级以实现闪速热解条件。

## 7 影响热解的主要因素

影响HCW热解的主要因素包括原料组成和粒径分布、工艺可达温度、压力、加热速率、蒸气与固体停留时间，以及催化和反应器气氛。

原料组成方面，药品废弃物具有不同组成，原料中不同组分可影响热解过程的多个方面，尤其是反应进程和产物分布。粒径分布方面，原料粒径影响传热和传质现象。热解是高度依赖传热和传质的过程。粒径可定制以实现所需类型的热解过程，进而影响产品产量和质量。温度方面，热解作为热化学过程高度依赖温度，温度是主要驱动力。最高可达温度影响热解类型。加热速率是决定慢速、中速、快速或闪速热解的主要因素之一。停留时间方面，固体停留时间延长通常导致更完全的热解，将固体生物质更高程度地转化为液体、气体和炭产品。蒸气停留时间长倾向于因二次裂解增加气体产品产量，而短停留时间可能提高生物油产量。催化方面，催化剂在热解过程中很重要，因其提供多种优势来改善油的生产和质量，同时提高工艺效率。反应器气氛方面，热解反应器气氛影响形成产品的产量和质量，通常通过向反应器通入惰性气体保持中性气氛。

## 8 HCW增值的集成热解系统

HCW的集成热解系统可以是半闭环废物管理和能源回收系统。在该系统中，分拣后的医院废弃物如感染性材料、塑料和一次性医疗用品首先在分拣设施中进行预处理，通过分离、粉碎和控制干燥确保均匀的原料质量。然后废弃物在缺氧热解反应器中中到高温下进行热化学分解，防止燃烧并最小化二噁英和呋喃等有毒排放物的形成。该过程产生三种主要产品：合成气、生物油和生物炭。富含氢气和一氧化碳的合成气经净化后用于驱动燃气发动机或锅炉，为医院运营发电和提供热能，包括供暖、灭菌和热水供应。生物油可储存并用作补充燃料，而生物炭可在稳定后安全处置或重新利用。通过将废弃物处理与能源生产相结合，该系统降低了废弃物处置成本，减少了对外部能源的依赖，增强了环境可持续性，并提高了医院日常运营的韧性。

## 9 增值单元

增值单元由热解反应容器和辅助单元组成，是集成热解系统的核心。反应器容器分为批式或连续式。尽管最常见的操作模式是批式，但已有若干热解系统在商业层面得到研究和测试，包括基于固定床、鼓泡流化床、循环流化床、螺旋、回转、烧蚀、落管式和真空反应器的系统。

在大规模系统中，热解产生的合成气可用于加热目的，从而改善过程的经济性和热效率。此外，在大规模系统中，下游引入抽吸力产生负压，将气态产物推出反应器。反应器设计（包括取向、加热方式、下游产品分离和清洗容器）可能因具体应用和操作规模而异。

## 10 HCW的热解产物

常见HCW原料的热解通常产生三种形式的粗产品：合成气、炭和油，各具不同的增值潜力。富含塑料的HCW组分（包括注射器、手套、口罩和输液袋）产生高能量的产品，适用于能源生产和化学原料。

合成气由轻质的不可凝气体如CH₄、CO、H₂、乙烷和丙烷组成，具有高能量含量。可直接燃烧供热和发电，或加工成甲醇、氨或合成天然气等化学品。炭是热解的固体残留物，在慢速和中速热解中占主导，可用作土壤改良肥料、碳封存剂或吸附剂。生物油是含氧化合物、酚类和有机酸的复杂混合物，组成受原料和热解条件强烈影响。塑料为主的HCW产生富含饱和与不饱和烃的油，包括苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、癸烯和长链烯烃。这些油可精炼为交通燃料、特种化学品或塑料、树脂和润滑剂的原料。

## 11 对当前HCW管理系统的启示

将热解整合到现有HCW管理系统中需要仔细考虑基础设施、运营、经济和法规因素。大多数现有设施为传统处置方法（如填埋或焚烧）设计，主要关注体积减量和能源生产，资源回收有限。相比之下，热解允许回收富能合成气、生物油和炭，需要在反应器设计、温度控制、原料准备和排放监测方面进行升级，以优化产品产量并确保环境合规。

关键运营挑战是废弃物分拣和处理。热解效率取决于塑料、有机物和潜在危险药品的适当分离，这在现有HCW设施中通常不是标准操作。经济考虑是另一关键因素。医疗和富塑料废弃物热解系统的初始投资为每吨年产能300至800美元，运营成本为每吨50至150美元，取决于规模和工艺配置。规模化是另一实际考虑。实验室和中试研究展示了注射器、口罩、手套和药品包装的有前景的热解产量，但大规模运营需要优化反应器设计、原料 throughput、机械化和能源效率。

## 12 挑战与机遇

HCW（包括感染性材料、药品残留和实验室废弃物）是危险且日益增多的废弃物，在发展中国家尤为如此。热解提供了一种有前景的热化学途径，将HCW转化为合成气、生物油和炭，同时降低病原体负荷。然而，其部署面临必须解决的技术、法规和经济挑战。

HCW是高度异质的，包括塑料（如PVC、PET和PP）、锐器、纺织品、有机残留物、过期药品和其他污染物。这种多样性使工艺控制复杂化，导致产品产量和排放变化。热解前预处理医疗废弃物困难，因为废弃物非常混合、危险且不一致。一些关键挑战包括源头分类不良、存在危险和感染性污染物以及不可热解材料。

尽管存在这些挑战，热解相对于焚烧具有若干优势。在低氧条件下运行，最小化有毒烟气形成，同时允许以合成气和生物油形式回收能源。先进反应器（如带有集成消毒功能的回转窑或流化床）可在转化过程中灭菌HCW，提高安全性。HCW热解可分解复杂分子，减轻活性药物成分的环境释放，降低抗菌素耐药性风险。

## 13 结论

HCW是来自医院、制药工业和医疗设施的异质流，若管理不当会对公共卫生和环境造成严重风险。传统处置方法如焚烧、高压灭菌、固化和填埋在全球占主导地位，但资源回收有限且增加环境负担。热解作为一种可持续替代方案出现，提供将HCW增值为高价值产品如合成气、炭和生物油的途径。不同的热解模式（包括慢速、中速、快速和闪速）可根据原料组成和期望产出提供灵活性，而操作参数（即温度、加热速率、停留时间、粒径、催化和反应器气氛）对产量和产品质量有关键影响。

将热解整合到现有HCW管理系统中可以减少废弃物体积、回收能源并实现资源的循环使用，补充传统处置方法。然而，若干挑战仍然存在：与当前设施的技术整合、劳动力培训、传染性或药品废弃物的预处理，以及建立监测系统以最小化排放并确保法规合规。经济可行性取决于规模化、运营成本和热解衍生产品市场的发展。

关键差距存在于热解残留物的标准化指南、协调的排放限值以及大规模实施的技术经济数据方面。解决这些差距需要目标研究、中试规模验证和生命周期评估来验证环境和经济效益。政策支持、财务激励和产业-研究合作对促进采用至关重要，而公众参与可提高对热解技术的接受度和信任度。

最终，热解不仅是焚烧的替代品：它是可持续HCW管理的变革性方法，结合了能源回收、材料增值和病原体销毁。通过协调研究、法规协调和基础设施投资，热解可显著降低医疗系统的环境足迹并推进循环经济目标，在保障公共卫生的同时将废弃物转化为资源。