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医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素

靳登超, 方博垣, 刘新媛, 鲍振博, 李阳, 王莉. 医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217
引用本文: 靳登超, 方博垣, 刘新媛, 鲍振博, 李阳, 王莉. 医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217
JIN Dengchao, FANG Boyuan, LIU Xinyuan, BAO Zhenbo, LI Yang, WANG Li. Influential factors on heat-transfer time in medical waste steam sterilizing process[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217
Citation: JIN Dengchao, FANG Boyuan, LIU Xinyuan, BAO Zhenbo, LI Yang, WANG Li. Influential factors on heat-transfer time in medical waste steam sterilizing process[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217

医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素

    作者简介: 靳登超(1967—),男,博士,副教授。研究方向:医疗废物处理工艺及装备。E-mail:jindengchao@tjau.edu.cn
    通讯作者: 靳登超, E-mail: jindengchao@tjau.edu.cn
  • 中图分类号: X705

Influential factors on heat-transfer time in medical waste steam sterilizing process

    Corresponding author: JIN Dengchao, jindengchao@tjau.edu.cn
  • 摘要: 为解决难以通过理论计算来确定医疗废物高温蒸汽处理技术热穿透时间的问题,以实际的医疗废物为试样,利用灭菌室容积为6 m3的脉动真空灭菌器,考察了试样装填密度、试样体积、灭菌温度及灭菌室真空情况等工艺条件下对医疗废弃物热穿透时间的影响。结果表明,在无真空操作及压实状态下,需要的热穿透时间最长,而脉动真空操作和松散状态可以极大地缩短热穿透时间。小车开孔对缩短热穿透时间有促进作用,但作用效果受其他工艺条件的影响。根据实验结果提出了1种适用于脉动真空类设备的高温蒸汽安全处理条件:在松散填装的状态下,灭菌温度为134 ℃、空气排除率不低于83%,灭菌时间最低为13 min。上述实验结果验证了影响热穿透时间的主要因素及其影响规律,确定了不同条件下医疗废弃物的热穿透时间,对医疗废物高温蒸汽处理条件的选择具有指导意义。
  • 目前全球能源约90%来源于化石燃料[1]。据《BP世界能源展望(2019年版)》预测,2040年天然气需求量为4.62×109 t油当量,能源占比达26%,成为世界第2大能源[2]。截至2016年底,我国已建成沼气工程11.3万座(不含户用),其中大型沼气工程6 737座,超大型34座,沼气工程规模居世界首位[3]。然而,由于存在沼气净化提纯工艺复杂、成本高等问题,产生的沼气难以有效利用,造成能源浪费。H2S是沼气中的主要杂质之一,具有无色、易燃、高毒性的特点,会腐蚀管道,造成二次污染[4]。《GB/T 51063-2014大中型沼气工程技术规范》对沼气中H2S的浓度做出严格限定,要求民用集中供气H2S不超过20 mg·m−3,沼气发电H2S不超过200 mg·m−3。因此,沼气脱硫是沼气应用中亟待解决的问题。

    传统的沼气脱硫方法主要有物理-化学法、生物法及电化学法等。物理-化学法脱硫迅速、周期短,但易造成二次污染。生物法脱硫反应条件温和,但处理周期长,运行维护较为复杂。电化学法脱硫适应性强、环境兼容性好,但其能耗较大,维护成本偏高[5]。利用生物电化学法脱硫是将电化学技术与微生物作用相耦合[6],在阳极发生硫氧化反应,产生的电子和质子流向阴极参与还原反应,该工艺具有反应条件温和、脱硫效率高、能耗低等优势,已成为研究热点。李莉等[7]采用微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)研究了初始pH对S2−和偶氮染料的去除效果,最终得到最大S2−去除率为98.4%。GUO等[8]使用MFC开展了同步去除有机物、S2−和铵的研究,S2−去除率达到100%。CAI等[9]研究了MFC不同进水S/N比对S2−和硝酸盐去除的影响,最终S2−去除率均高于99.70%。NI等[10]使用双室MEC对比分析了阳极有无微生物对废水中S2−脱除的影响,发现生物阳极产生的最大电流密度是非生物阳极的17倍。目前,学者们主要围绕微生物电化学法在S2−脱除的可行性上开展了初步探索,然而在该工艺条件下S2−转化规律和电活性微生物脱硫机理研究方面还鲜有报道。

    基于上述背景,本研究构建了双室MEC脱硫反应体系,在MEC阳极施加正电压,构建氧化环境,在阳极富集具备胞外电子传递功能的硫氧化菌;在MEC阴极施加负电压,构建还原环境,在阴极富集具有电活性的产甲烷菌。MEC阳极的S2−在硫氧化菌和电极的协同作用下发生氧化反应形成高价态硫,产生的电子和质子流向阴极,在阴极发生CO2转化为甲烷的直接电子传递过程。通过脱硫MEC的启动、运行,开展了S2−去除和硫价态转化规律的研究,结合阳极微生物群落演替,探明了MEC生物阳极脱硫机理,以期为沼气脱硫新工艺的研发提供参考。

    实验所用的MEC为双室H型(图1),是由2个相同的圆柱体高硼玻璃构成,每室有效容积为200 mL,中间采用质子交换膜(Nafion 117,杜邦)隔开[11],质子交换膜直径为3.6 cm,阳极和阴极电极材料均为的石墨毡,电极尺寸为6 cm×2.8 cm,电极与钛丝连接,反应器上方通过注射器接100 mL金属嘴气袋。反应器采用直流电源(Keithley 2280S-32-6,KEITHLEY)提供外电压,使用数据采集器(Keithley DAQ6510,KEITHLEY)每隔10 min收集1次电压数据。

    图 1  双室MEC示意图
    Figure 1.  Schematic diagram of dual-compartment MEC

    MEC阳极室添加0.6 g·L−1 Na2S·9H2O,同时设置不加S2-的对照实验。实验温度为35 ℃。有研究[12]表明,30~35 ℃为微生物电化学系统中硫化物去除的最佳温度,且35 ℃更利于电活性产甲烷菌的生长[13]。因此,选择该温度可在保持硫化物得到有效去除的情况下便于与阴极产甲烷相耦合。当外加电压为0.8 V、阳极培养液pH为9、阴极培养液pH为7时,MEC两室均接种50 mL厌氧颗粒污泥和150 mL培养液。1 L培养液包括50 mmol·L−1磷酸缓冲溶液、0.31 g NH4Cl、0.13 g KCl、10 mL维生素、10 mL微量元素[14]。阳极室以0.68 g·L−1的CH3COONa·3H2O作为碳源[8,15-16],阴极室以0.84 g·L−1的NaHCO3作为碳源。反应器均采用间歇进料的方式,当监测到反应器外电路电压降至1 mV以下时更换培养液。当连续3个周期电压随时间规律变化、硫化物去除率相近、电流峰值达到1 mA且保持稳定时[17],视为反应器启动成功。启动后的反应器运行1个周期为75 h,其余实验条件与启动期一致。

    1) S2-浓度采用GB/T16489-1996《水质 硫化物的测定 亚甲基蓝分光光度法》测定。X-射线光电子能谱(XPS)分析:将反应器充分振摇使固体物质均匀分散于溶液中,然后取该悬浮液冻干后作XPS分析。分析仪器为Thermo Scientific K-AlpHa+型光电子能谱分析仪(ThermoFisher 厂家),采用单色化的AlKα射线(1 486.6 eV)作为激发源,分析室的真空度约为5×10−11 mPa。以表面污染C1s结合能284.8 eV作为标准对其他谱线校正。电流密度:利用直流电源(Keithley 2280S-32-6型号)在MEC两端外加电压为0.8 V,MEC阴极与电源负极之间连有外部电阻器(10 Ω),使用数据采集器(Keithley DAQ6510型号)每隔10 min采集1次外电路电阻上的电压。电路电流根据电阻电压通过欧姆定律计算得到,并根据式(1)换算成基于MEC阳极面积的电流密度。

    J=IA=URA (1)

    式中:J为电流密度,mA·m−2U为数据采集器监测到的电压,mV;R为外部电阻,Ω;A为电极面积,m2

    2)微生物群落分析。将石墨毡电极剪碎,反应器悬浮液经冷冻离心机12 000 r·min−1离心15min后在−80 ℃保存,后进行DNA抽提和PCR扩增,使用16S rRNA基因引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)来扩增细菌DNA[18]。每个样本3个重复。使用NEXTflexTM Rapid DNA-Seq Kit(Bioo Scientific,美国)进行建库,利用Illumina公司的Miseq PE300平台进行测序。使用UPARSE软件(http://drive5.com/uparse/,version 7.1),根据97%[19]的相似度对序列进行OTU聚类并剔除嵌合体。利用RDP classifier[20](http://rdp.cme.msu.edu/,version 2.2) 对每条序列进行物种分类注释,比对Silva 16S rRNA数据库(version 138),设置比对阈值为70%。

    3)生物量密度分析。取1 cm×1 cm样品置于6 mL 0.1 mol·L−1的NaOH溶液中,振荡1 h,以保证电极上的微生物被完全溶解。然后加入2 mL无菌超纯水,振荡清洗10 min,重复3次,共得到12 mL蛋白溶液;将所得蛋白溶液用BCA蛋白定量分析试剂盒测定阳极的生物量密度(Solarbio, Beijing),每组实验做3个平行。

    脱硫MEC反应器启动与运行过程的电流密度变化如图2所示。反应器在启动阶段最大电流密度呈逐渐上升趋势,当对照组最大电流密度增加到953 mA·m−2、脱硫组最大电流密度增加到581 mA·m−2后,趋于稳定。这可能与电活性微生物在电极上富集有关,此时电极生物膜基本形成,反应器启动成功。在启动阶段,对照组与脱硫组的电流密度随时间均呈周期性变化,反应器运行较为稳定(图2(b))。在脱硫组每次进料初始,有瞬时电流产生,后逐渐降低。这可能是因为S2–的加入使体系内发生了自发的电化学反应[21]。随着乙酸钠及和S2−的氧化,阳极产生的电子流向阴极,电流密度有所升高,由于阳极乙酸钠和S2−逐渐被消耗,电路中流通的电子减少,电流密度达到峰值后也逐渐降低。其中,脱硫组较对照组电流密度持续时间更长,是对照组的2倍左右。这可能是因为S2−的存在使得乙酸盐的消耗变慢。结合第2.2节中硫价态变化结果可知,在1个间歇周期内,硫价态先降低后升高。这说明,硫在MEC阳极先被还原后被氧化,还原过程得电子,氧化过程则释放电子到外电路。因此,外电路电流密度呈现先降后升的趋势,到达最大值后又有所下降。

    图 2  MEC启动期及运行阶段电流密度随时间的变化
    Figure 2.  Change of current density during MEC start-up and operation phases

    启动阶段S2−去除率如图3所示。稳定运行阶段,MEC阳极的S2−去除率均达到90%以上,并随着运行时间的延长逐渐提高。在第2、3周期,S2−去除率分别比第1周期分别提高了4.97%和8.83%,第3周期比第2周期提高了3.68%。在第3周期,当反应器运行96 h后,出水中已检测不到S2−

    图 3  MEC连续4个周期的S2–去除率
    Figure 3.  Removal rate of S2– in MEC during four consecutive cycles

    脱硫MEC阳极溶液中硫价态随时间变化的XPS图谱如图4所示。通过对硫元素进行分峰拟合,得到3组双峰。根据已有研究[22-23]及XPS结合能库,可将S2p3/2161.72 eV和S2p1/2162.98 eV归为S2−,可将S2p3/2166.42 eV和S2p1/2167.68 eV归为S4+价,可将S2p3/2168.58 eV和S2p1/2169.77 eV归为S6+

    图 4  阳极溶液在不同时间S2p的XPS谱图
    Figure 4.  XPS spectras of S2p in anolyte at different time

    XPS谱图中各价态硫的峰面积变化如图5所示。在0 h,S2− : S4+ : S6+为0.26 : 0.23 : 0.51;在6 h,S2− : S4+ : S6+为0.51 : 0.29 : 0.2;在96 h,S2−和S4+峰均为分出,S6+占比达到100%。S2−在6 h比0 h提高了96%,而在96 h时降低为0;S2−总体呈现先升高后降低趋势;而S6+则先降低后升高,其在6 h比0 h降低了61%,而在96 h比0 h增加了96%,比6 h增加了4倍。上述结果表明,反应初期S2−增加是由于阳极生物膜上富集的硫酸盐还原菌将接种污泥中少量SO42−还原为S2−,发生还原反应,此时电流密度呈现下降趋势;6 h之后,S2−呈下降趋势,而SO42−呈上升趋势,表明硫氧化菌的活性逐渐增强,从而将S2−氧化为SO42−,释放电子到外电路,此时电流密度也逐渐上升,随着反应的进行达到最大值后下降。在SUN等[24]构建的脱硫MFC反应结束时,S2p的相对峰面积分析结果也表明SO42−为主要的存在形态。

    图 5  XPS谱图中各价态硫的相对峰面积变化
    Figure 5.  Relative peak area variety of different valence sulfur in XPS spectra

    1)阳极微生物群落多样性。表1列举了接种污泥、阳极生物膜、阳极溶液的Alpha多样性分析统计数据。结果表明,接种厌氧颗粒污泥的多样性、丰富度最大,微生物经过驯化后,多样性、丰富度均有所降低。这会使菌群功能更专一[10],也表明脱硫MEC阳极的驯化过程对微生物群落结构有重要影响。

    表 1  污泥、阳极生物膜、阳极液微生物群落Alpha多样性比较
    Table 1.  Microbial community by Alpha diversity comparison of sludge, anode biofilm and anolyte
    样本ShannonSimpsonAceChao覆盖率/%
    接种污泥4.150.04693.0572099.759 9
    阳极生物膜3.590.06448.49449.0299.705 2
    阳极溶液2.870.1319.62302.9599.795 6
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    2)阳极微生物群落物种差异。对接种污泥、阳极电极、阴极电极、阳极溶液、阴极溶液进行了PCoA分析,以探索群落组成的差异性(图6)。结果表明,接种污泥、电极和溶液中的群落组成差异较明显。这表明当反应器接种厌氧颗粒污泥启动成功后,生物膜和溶液中细菌的群落组成发生了显著的演替变化。此外,电极与溶液的群落组成差异较为明显。这可能是由于石墨毡电极的特殊结构富集了与溶液中不同的微生物[25]

    图 6  污泥、生物膜及溶液细菌群落的主成分分析
    Figure 6.  The bacterial community principal component analysis of sludge, biofilm and solution

    3)阳极微生物群落演替。接种污泥、阳极生物膜和溶液细菌在门、属上的分布如图7图8所示。当反应器接种污泥启动后,阳极生物膜和溶液中细菌各种群的丰度发生了明显的变化。由图7可以看出,在门水平上,接种污泥的优势菌群是丰度为16.7%的Chloroflexi和丰度为16.4%的BacteroidotaSynergistotaCaldatribacteriotaFirmicutes的丰度也相对较高,分别为10.4%、9.4%和8%。这与YANG等[26]的研究结果一致。当反应器接种厌氧颗粒污泥启动成功后,阳极生物膜和溶液中细菌各种群的丰度发生了明显的变化。阳极溶液中的Proteobacteria菌群丰度(56.5%)占绝对优势,其次为Bacteroidota,丰度为19.8%;阳极生物膜上Desulfobacterota丰度最高,为32.7%,其次也为Bacteroidota,其丰度为13.2%。Desulfobacterota为脱硫杆菌门,属于硫还原功能菌群[27]。这也解释了前面提到的阳极出水中SO42-含量在前期上升的现象。

    图 7  门水平上污泥、阳极生物膜及阳极溶液的细菌群落分布
    Figure 7.  The bacterial community of sludge, anode biofilm and anolyte at the phylum level
    图 8  属水平上污泥、阳极生物膜及阳极溶液的细菌群落分布
    Figure 8.  The bacterial community of sludge, anode biofilm and anolyte at the genus level

    图8可见,在属水平上,群落分布差异更为显著。阳极生物膜丰度最大的是Trichlorobacter(16.2%),其次是Geobacter(11.3%),该菌属为电活性细菌,其在整个反应体系内起到了传递电子的作用[28],与电流密度的周期性变化关系密切。Pseudomonas在阳极生物膜上丰度排名第4,为7.6%;而该菌属在阳极溶液中丰度排名第2,为15.8%。Pseudomonas为硫氧化功能菌属,能够氧化阳极的S2–[22,29]。该菌属在阳极生物膜和溶液中的丰度分别比接种污泥提高了252倍和526倍。这表明该菌属能够很好地适应MEC体系,以S2–和有机物作为能源,在驯化的过程中迅速富集增加,可有效去除S2–,且最终阳极出水中SO42–上升。

    4)阳极生物量密度。采用BCA试剂盒对实验组及对照组阳极生物膜的生物量进行了分析。脱硫MEC阳极生物膜的生物量为(0.18±0.008) mg· cm−2。这说明经过驯化培养,在MEC阳极形成了成熟的生物膜[16]。未加硫的MEC阳极生物膜的生物量为(0.22±0.017) mg· cm−2,略高于脱硫MEC。这说明阳极在硫化钠底物的驯化下菌群功能更专一[10],能有效去除S2−

    1) 脱硫MEC反应器经启动和运行后,可在阳极形成稳定的具有高效脱硫功能的生物膜,阳极S2−去除率达90%以上,最大电流密度为658 mA·m−2;阳极硫价态由S2−经S4+最终氧化为S6+,SO42−为阳极S2−氧化的主要产物。

    2) Pseudomonas为参与阳极硫氧化的优势功能微生物。该微生物在阳极生物膜和溶液中的相对丰度分别为7.6%和15.8%,分别比接种污泥提高了252倍和526倍。

    3) 采用脱硫双室MEC工艺可实现S2−的有效脱除。由于产物以SO42–为主,不会造成电极单质硫沉积,可提高运行寿命,降低运维成本。

  • 图 1  GTMS-Ⅱ-6灭菌器

    Figure 1.  GTMS-Ⅱ-6-type sterilizer

    图 2  实验装置示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of experimental apparatus

    图 3  医疗废物试样承装容器

    Figure 3.  Medical waste container

    图 4  1 m3小车在灭菌温度为120 ℃时内试样温度变化

    Figure 4.  Temperature changes of sample in 1 m3 container at sterilizing temperature of 120 ℃

    图 5  0.5 m3小车在灭菌温度为120 ℃时内试样温度变化

    Figure 5.  Temperature changes of sample in 0.5 m3 container at sterilizing temperature of 120 ℃

    图 6  真空操作压实试样内温度变化

    Figure 6.  Temperature changes of compressed sample with vacuum operation

    图 7  真空操作松散试样内温度变化

    Figure 7.  Temperature changes of loose sample with vacuum operation

    图 8  灭菌温度134 ℃,1 m3灭菌车内压松散样的温度变化

    Figure 8.  Temperature changes of loose sample in 1 m3 container at sterilizing temperature of 134 ℃

    图 9  灭菌温度120 ℃,1 m3灭菌车内压实试样的温度变化

    Figure 9.  Temperature changes of loose sample in 1 m3 container at sterilizing temperature of 120 ℃

    表 1  医疗废物热穿透时间实验组合情况表

    Table 1.  Various experimental program in experiment of heat transfer time for medical waste

    实验分组容器情况操作参数式样1式样2式样3式样4
    温度/℃真空情况体积/m3填装状态体积/m3填装状态体积/m3填装状态体积/m3填装状态
    第1组侧面开孔120脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第2组侧面开孔120无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第3组侧面开孔134脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第4组侧面开孔134无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第5组侧面无孔120脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第6组侧面无孔120无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第7组侧面无孔134脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第8组侧面无孔134无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    实验分组容器情况操作参数式样1式样2式样3式样4
    温度/℃真空情况体积/m3填装状态体积/m3填装状态体积/m3填装状态体积/m3填装状态
    第1组侧面开孔120脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第2组侧面开孔120无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第3组侧面开孔134脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第4组侧面开孔134无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第5组侧面无孔120脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第6组侧面无孔120无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第7组侧面无孔134脉动真空1松散1压实0.5松散0.5压实
    第8组侧面无孔134无真空1松散1压实0.5松散0.5压实
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-24
  • 录用日期:  2020-12-31
  • 刊出日期:  2021-02-10
靳登超, 方博垣, 刘新媛, 鲍振博, 李阳, 王莉. 医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217
引用本文: 靳登超, 方博垣, 刘新媛, 鲍振博, 李阳, 王莉. 医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217
JIN Dengchao, FANG Boyuan, LIU Xinyuan, BAO Zhenbo, LI Yang, WANG Li. Influential factors on heat-transfer time in medical waste steam sterilizing process[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217
Citation: JIN Dengchao, FANG Boyuan, LIU Xinyuan, BAO Zhenbo, LI Yang, WANG Li. Influential factors on heat-transfer time in medical waste steam sterilizing process[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(2): 418-423. doi: 10.12030/j.cjee.202008217

医疗废物高温蒸汽处理工艺中热穿透时间的影响因素

    通讯作者: 靳登超, E-mail: jindengchao@tjau.edu.cn
    作者简介: 靳登超(1967—),男,博士,副教授。研究方向:医疗废物处理工艺及装备。E-mail:jindengchao@tjau.edu.cn
  • 天津农学院工程技术学院,天津 300384

摘要: 为解决难以通过理论计算来确定医疗废物高温蒸汽处理技术热穿透时间的问题,以实际的医疗废物为试样,利用灭菌室容积为6 m3的脉动真空灭菌器,考察了试样装填密度、试样体积、灭菌温度及灭菌室真空情况等工艺条件下对医疗废弃物热穿透时间的影响。结果表明,在无真空操作及压实状态下,需要的热穿透时间最长,而脉动真空操作和松散状态可以极大地缩短热穿透时间。小车开孔对缩短热穿透时间有促进作用,但作用效果受其他工艺条件的影响。根据实验结果提出了1种适用于脉动真空类设备的高温蒸汽安全处理条件:在松散填装的状态下,灭菌温度为134 ℃、空气排除率不低于83%,灭菌时间最低为13 min。上述实验结果验证了影响热穿透时间的主要因素及其影响规律,确定了不同条件下医疗废弃物的热穿透时间,对医疗废物高温蒸汽处理条件的选择具有指导意义。

English Abstract

  • 医疗废物高温蒸汽处理工艺是典型的非焚烧技术,在国内外得到了广泛应用[1-5]。灭菌效果是其首要指示指标。影响灭菌效果的关键因素是在一定灭菌温度下的灭菌时间[6]。灭菌时间包括微生物的热死亡时间和水蒸汽热量的热穿透时间。热死亡时间是生物指示剂嗜热型脂肪杆菌芽孢在湿热灭菌状态下的死亡时间[7];而热穿透时间是指灭菌室内的热量进入医疗废物内部,使各点都达到相同灭菌温度所需要的热传递时间。在某一灭菌温度下的热死亡时间是确定的,而且其数值相对很短(如132 ℃时,热死亡时间为0.5 min)[8]。因此,决定灭菌时间的重要因素之一是该灭菌温度下的热穿透时间。

    医疗废物高温蒸汽处理是一个复杂的热质传递过程。由于其所处理的物料具有成分复杂、状态不固定的特点,因此,难以用传统的热质传递理论对其进行数学模拟。有技术人员研究了影响热穿透时间的相关因素[9-10],但未能定量描述热穿透时间与其影响因素之间的关系。也有研究者[11]利用多孔物料的传递理论建立了该过程的热质传递模型,并以B-D试纸为实验用品对其进行了验证。鉴于废纸只是医疗废物的成分之一,该模型也不完全适用于实际医疗废物热穿透时间的理论计算。

    灭菌温度和灭菌时间是医疗废物处理标准中必须明确的工艺参数。由于热穿透时间难以用理论计算来确定,因此,不同标准中灭菌时间差别很大。世界卫生组织推荐,灭菌温度120 ℃时灭菌时间为30 min[12];我国的标准中规定的灭菌温度是134 ℃,灭菌时间45 min[13]

    本研究以实际医疗废物为样品,对热穿透时间进行实验,实验中综合考虑了试样装填密度、试样体积、灭菌温度及灭菌室真空情况等工艺条件对高温蒸汽处理工艺热穿透时间的影响。研究中使用的实验装置为脉动真空型医疗废物高温蒸汽灭菌器,该技术类型的灭菌器在医疗废物处理工程中普遍使用。本实验结果可为医疗废物高温蒸汽处理工艺工程实践提供有益的数据参考。

  • 经初步消毒后的医疗废物。其各成分的体积组成如下:纱布、废纸类物料占40%;塑料、橡胶类物品(输液管,塑料注射器,瓶盖等)占30%;玻璃类物品(小药瓶等)占20%;其他类物品(各类包装盒、食品垃圾等)占10%。

  • 研究中采用灭菌室容积为6 m3的脉动真空型灭菌器(GTMS-Ⅱ-6型,天津格林泰科环保科技有限公司,见图1)。该装置主要由灭菌室、真空泵、过滤器、温度与压力传感器、工艺管路和控制系统组成,可以根据实验要求改变工艺参数。根据本实验的实验要求,对GTMS -Ⅱ灭菌器进行了工艺改造,增加了测温热电阻和温度显示仪,用于测量和显示实验样品内部的温度变化。实验装置示意图见图2。试样的承装容器为实际工程中采用的灭菌车,容积分别为1 m3和0.5 m3。分侧面开孔(孔径φ10 mm)和不开孔2种,见图3

  • 实验按照不同的灭菌温度(120 ℃和134 ℃)、不同的灭菌条件(不抽真空和脉动真空)和不同类型的承装容器(侧面开孔和不开孔)3类情况分别进行,共有8种组合(见表1)。在每组实验中,同时测量并记录4个承装容器(容积分别是1 m3和0.5 m3,装填状态分别压实和松散)内试样中心的温度变化。

    实验中脉动真空工艺中的真空度设定值为75 kPa,共抽真空3次。通过喷入蒸汽破坏真空,喷入蒸汽2次,每次蒸汽喷入后达到的压力为50 kPa。松散装填时的样品密度为170 kg·m−3,压实装填时的密度为340 kg·m−3

    实验时,先通过夹套加热将灭菌室温度升到90 ℃。推进承装试样的灭菌车,关闭密封门后进行脉动真空操作(或不抽真空操作)。之后,向灭菌室喷入蒸汽迅速升温,当灭菌室内达到设定的灭菌温度时,开始记录各试样中部测温点处的温度及时间,继续维持灭菌室处于恒定的灭菌温度,直到试样测温点处达到设定的灭菌温度。

  • 图4图5分别是医疗废物置于1 m3和0.5 m3灭菌车,在相同灭菌温度下试样中心的温度变化情况。可以发现,脉动真空操作可以明显地缩短热穿透时间,该结果与相关研究中的结论一致[14]。灭菌器内原有空气的存在对热量传递的影响可能有2个方面:一是减弱了空气“冷岛”效应;二是减少了灭菌室内不凝气的量,使灭菌室内的气体更接近饱和水蒸气状态,当蒸汽冷凝后,形成局部负压[6],促进了水蒸气分子向医疗废物孔隙的扩散。

    灭菌器内原有的空气会改变灭菌器内混合气体的组成比例,也相应改变了灭菌室内压力和温度的关系。唐欣昀等[15]利用Antoine方程描述了在不同空气残留量下灭菌室内压力和温度的关系。依据其计算方法,在灭菌温度为120 ℃时,当第一次抽真空达到25 kPa(绝压)时,蒸汽通入后对应的压力为223.88 kPa(绝压),蒸汽喷入前后的压差为208.89 kPa;如果不抽真空,直接向灭菌室喷入蒸汽,灭菌室内的压力为324.97 kPa(绝压),与初始状态的压力差为223.64 kPa。结果表明,真空操作反而降低压差,理论上不利于水蒸汽向医疗废物空隙扩散。然而,本实验及部分研究[6-12]均得到了排除空气有利于热量传递的结论,这说明压差的消极影响可能小于前述2方面的积极影响,因此,抽真空操作仍然有利于热穿透。

    图4图5还可以发现,与松散状态相比,压实状态明显需要更长的热穿透时间。OLIVIA等[9]利用纸尿裤模拟医疗废物进行灭菌效果实验,亦发现将纸尿裤绑紧时生物指示剂难以杀灭。其可能的原因是,物料在压实状态造成的高密度增加了单位体积下加热医疗废物所需的热量,并且致密物料较小的孔隙阻碍了水蒸气分子的扩散,因此,物料压实延长了热穿透时间。

  • 图6图7分别为压实物料和松散物料在不同温度和体积下的热穿透时间变化情况。结果表明,灭菌温度越高,所需的热穿透时间就越短。在较高的灭菌温度下,温度梯度较大且有利于热量的传导。另外,温度高时灭菌室的压力也高,加快了水蒸气向医疗废物孔隙中的转移。

    灭菌车容积的大小对热穿透时间也有一定的影响[16]。对比不同的实验数据发现,车容积的影响趋势基本一致:灭菌车容积越大,热穿透时间越长。这是因为,灭菌车容积越大,填装的物料越多,需要的热量也越多;同时,体积越大,热量需要传递的路径就越长。

  • 在实际灭菌工程中,采用的灭菌车有开孔和不开孔2种。图8图9对比的是灭菌车开孔与否对热穿透时间的影响。可以发现,小车侧壁开孔对热穿透有一定的促进作用,该结果与相关文献报道结果[16]一致。这是因为,相比于不开孔小车,水蒸气除了可以从开孔小车上口进入灭菌车之外,还同时从小车的侧壁开孔处向医疗废物中进行扩散。同时,本研究中还发现,小车侧壁开孔的影响程度亦受其他工艺条件的影响。在松散装填、真空操作、灭菌温度134 ℃时,1 m3不开孔小车相比于1 m3开孔小车的热穿透时间只增加了1 min。相比之下,压实状态、不抽真空、灭菌温度120 ℃时,1 m3不开孔小车的热穿透时间达到64 min,比1 m3开孔小车延长了11 min。值得注意的是,该条件下的不开孔小车的灭菌时间超过了标准规定的灭菌时间。

    脉动真空操作可以极大地弥补小车不开孔的不足。这是因为,在3次真空后,水蒸气可以通过小车上口进入灭菌车,并在负压的作用下,迅速地扩散到松散的医疗废物内部,从而极大地降低了开孔与否的影响。在压实和未抽真空时,水蒸气只能靠扩散及不断冷凝的作用,慢慢地向医疗废物中渗透。因此,在无真空的情况下,开孔与否对热传递时间有着更为明显的影响。

    通过实验还发现,将松散的医疗废物体积压缩至50%时,已达到人工压实的极限。国内实际工程中配置的灭菌车的一般小于1 m3(多为0.8~0.9 m3),而且采用松散装填方式。从保证医疗废物安全处理的角度出发,针对脉动真空类型设备,建议以1 m3无孔小车、压实状态下的实验数据为参考来确定灭菌时间。此时,在灭菌温度为134 ℃、空气排除率不低于83%的灭菌条件下,热穿透时间为12 min,而该温度下的热死亡时间为0.5 min,因此,灭菌时间设定为13 min为宜。

  • 1)在实际灭菌工程中,为了确保灭菌效果,最佳处理条件是真空操作和松散填装。

    2)最难实现热穿透的情况是采用不开孔灭菌车、无真空操作及压实状态,在实际操作中应该避免这种情况出现。

    3)对于脉动真空型灭菌器,在灭菌温度为134 ℃,空气排除率不低于83%的灭菌条件下,灭菌时间最低为13 min,可作为该类型设备灭菌时间的参考。

参考文献 (16)

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