尹翠儀，劉卓芳，李啟祥，李仁義，梁藝泉

（1.江門市崖門新財(cái)富環(huán)保工業(yè)有限公司，廣東 江門 529100；2.惠州市博晟智控技術(shù)有限公司，廣東 惠州 516000）

隨著世界各地工業(yè)化快速增長(zhǎng)，工業(yè)生產(chǎn)過程排放的危險(xiǎn)廢物日益增多。據(jù)估計(jì)，全球每年危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量約為3.3億噸。近年來國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物處置行業(yè)和資源化經(jīng)濟(jì)循環(huán)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，安全檢測(cè)分析隨著危險(xiǎn)廢物處置量的增加而逐漸被重視，但國(guó)家尚未出臺(tái)危險(xiǎn)廢物檢測(cè)分析標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)檢測(cè)方法基本參照國(guó)外危險(xiǎn)廢物標(biāo)準(zhǔn)——指紋分析，但傳統(tǒng)指紋分析存在一定的局限性，危險(xiǎn)廢物分析對(duì)場(chǎng)地和人員專業(yè)性要求高，檢測(cè)結(jié)果容易受外界環(huán)境和人為因素影響。

文章將參考各項(xiàng)目的反應(yīng)原理，探究各指標(biāo)間的對(duì)應(yīng)性與關(guān)聯(lián)性，將相關(guān)專業(yè)理化檢測(cè)手段與企業(yè)端的現(xiàn)實(shí)需求相結(jié)合，成功開發(fā)出一套便攜式的危廢快速定性分析系統(tǒng)，多組合集成檢測(cè)項(xiàng)目，具有智能化、信息化、數(shù)據(jù)化的運(yùn)行系統(tǒng)，為建立信息化危廢處置智能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 危險(xiǎn)廢物指紋分析檢測(cè)與應(yīng)用

通過借鑒國(guó)外危險(xiǎn)廢物檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和石油行業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，分析各項(xiàng)目的反應(yīng)原理，形成下列國(guó)內(nèi)通用的危險(xiǎn)廢物快速定性方法——指紋分析。指紋分析包括危險(xiǎn)廢物物理特性和水相容性、酸反應(yīng)性、堿反應(yīng)性、聚合性、可燃性、酸堿性、氧化性、硫化物、氰化物、氨、酚類化合物、放射性共13項(xiàng)反應(yīng)性指標(biāo)，一般可通過目視法、試紙法、明火測(cè)試法和放射性方法分析。

1.1 目視法

目視法是通過視覺和嗅覺等感官判斷危險(xiǎn)廢物物理特性，其他反應(yīng)性檢測(cè)則是向危險(xiǎn)廢物樣品中加入某些試劑，觀察混合物物理形態(tài)變化、化學(xué)反應(yīng)變化和溫度變化，達(dá)到初步判斷危險(xiǎn)廢物的基本特性，此類方法可運(yùn)用于判斷水相容性、酸反應(yīng)性、堿反應(yīng)性、聚合性、酚類化合物。

1.2 試紙法

試紙法是以市面上在售的快速定性試紙為檢測(cè)介質(zhì)，根據(jù)試紙檢測(cè)要求對(duì)危險(xiǎn)廢物或試紙本體進(jìn)行預(yù)處理，如加熱、酸化、濕潤(rùn)等方式，取危險(xiǎn)廢物或其混合物滴加在試紙表面，觀察試紙變化與否以判斷其反應(yīng)性，此類方法可運(yùn)用于判斷酸堿性、氧化性、硫化物、氰化物和氨。

1.3 明火測(cè)試

可燃性是通過明火燃燒廢物樣品，通過觀察樣品與明火距離或火焰大小可判斷可燃性測(cè)試結(jié)果。檢測(cè)人員通過明火測(cè)試現(xiàn)象不僅能確定危險(xiǎn)廢物的可燃性，更能初步判斷危險(xiǎn)廢物的閃點(diǎn)范圍。

1.4 放射性測(cè)試

放射性是利用放射性探測(cè)器應(yīng)放置在遠(yuǎn)離樣品表面25 mm處至少5 min，觀察裝置響應(yīng)結(jié)果。放射性測(cè)試主要針對(duì)于核廢料，其他危險(xiǎn)廢物一般不具備放射性。

2 危險(xiǎn)廢物檢測(cè)裝置現(xiàn)狀與前景

對(duì)于危險(xiǎn)廢物關(guān)鍵指標(biāo)定量檢測(cè)，如熱值、硫、氯等有的便攜式設(shè)備，但危險(xiǎn)廢物定性分析未發(fā)現(xiàn)有多組合的便攜式智能化、自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。危廢領(lǐng)域行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，如何快速安全收運(yùn)、高效生產(chǎn)、精準(zhǔn)檢測(cè)和智能化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)成為占領(lǐng)市場(chǎng)份額的重要依據(jù)，未來智能焚燒成為危廢處理處置發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用一臺(tái)便攜式的儀器同時(shí)完成多項(xiàng)危險(xiǎn)廢物定性指標(biāo)的快速自動(dòng)測(cè)定，對(duì)于增加企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3 危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置分析方法及結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)開發(fā)的便攜式危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置，其具備自動(dòng)進(jìn)樣、自動(dòng)加藥、智能判斷、數(shù)據(jù)記錄、即時(shí)傳輸?shù)裙δ?，裝置體積小巧輕便，并且內(nèi)部具有獨(dú)立電源，能攜帶至產(chǎn)廢端輔助危險(xiǎn)廢物定性分析。通過調(diào)研危險(xiǎn)廢物管理過程的檢測(cè)需求，按照檢測(cè)原理歸類、簡(jiǎn)化和合并，最終篩選出同時(shí)滿足快速計(jì)價(jià)和安全收運(yùn)基本的檢測(cè)項(xiàng)目，主要是危險(xiǎn)廢物物理特性和10個(gè)快速分析指標(biāo)，如酸堿性、可燃性、水相容性、酸反應(yīng)性、堿反應(yīng)性、氰化物、硫化物、氧化性、氨、聚合性。

本裝置利用攝影機(jī)、復(fù)合電極、氣體傳感器、電弧放電器等小型設(shè)備搭建自動(dòng)化檢測(cè)模塊，取代實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)人工指紋分析目視法、試紙法以及明火測(cè)試法。參考檢測(cè)項(xiàng)目的反應(yīng)原理及其關(guān)聯(lián)性，裝置共設(shè)置五個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目通道，分別為水通道、聚合通道、酸通道、堿通道和可燃性通道。

3.1 水通道

水通道主要分析危險(xiǎn)廢物酸堿性、氧化性以及水相容性，以去離子水為水通道反應(yīng)試劑，在危險(xiǎn)廢物中以1∶10比例滴加去離子水，通過將pH電極和ORP電極組合的復(fù)合電極檢測(cè)，綜合溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)三者反應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件按照設(shè)定程序分析，最終輸出其檢測(cè)結(jié)果。

3.2 聚合通道

聚合通道主要分析危險(xiǎn)廢物聚合性，參考指紋分析中聚合性檢測(cè)原理，采用三乙胺作為反應(yīng)試劑。程序按照1∶1的比例加入危險(xiǎn)廢物和三乙胺，通過將溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)，智能識(shí)別和輸出改通道檢測(cè)結(jié)果。

3.3 酸通道

酸通道主要分析危險(xiǎn)廢物酸反應(yīng)性、硫化物和氰化物，本裝置簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)試劑，統(tǒng)一采用磷酸取代指紋分析中酸反應(yīng)性、硫化物和氰化物檢測(cè)試劑鹽酸和硫酸。磷酸具備酸性，能酸化危險(xiǎn)廢物，使硫化物和氰化物反應(yīng)生成硫化氫和氰化氫，已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證酸通道采用磷酸取代指紋分析中硫酸及鹽酸的用法可行。酸反應(yīng)通道硫化物及氰化物經(jīng)磷酸酸化加熱后生成硫化氫和氰化氫，利用泵傳輸氣體至傳感器測(cè)定混合氣體氣體組分，酸反應(yīng)性通過內(nèi)置攝影機(jī)拍攝，綜合溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)數(shù)據(jù)輸出酸通道結(jié)果。

上述規(guī)則(以下稱“連線式密碼”)已廣為運(yùn)用。本文研究上述三條規(guī)則中的一條或多條加以改變對(duì)密碼安全程度的優(yōu)化情況。本文先研究一條規(guī)則改變的情況下安全性的變化情況。

3.4 堿通道

堿通道主要分析危險(xiǎn)廢物堿反應(yīng)性和氨，延續(xù)指紋分析中堿反應(yīng)性和氨使用的氫氧化鈉溶液，氨反應(yīng)加熱催化，經(jīng)過氨氣體傳感器測(cè)定其組分，堿反應(yīng)性通過內(nèi)置攝影機(jī)拍攝，綜合溫度傳感器和內(nèi)置攝影機(jī)反應(yīng)數(shù)據(jù)輸出堿通道結(jié)果。

3.5 可燃性通道

可燃性通道主要分析危險(xiǎn)廢物可燃性。以電極放電產(chǎn)熱的方式取代傳統(tǒng)指紋分析中明火加熱，將危險(xiǎn)廢物置于小型坩堝中，由于正負(fù)電極電弧引燃放熱，熱量積聚于坩堝，可燃物受熱燃燒，通過相機(jī)記錄反應(yīng)過程變化，輸出可燃性結(jié)果。

3.6 組成機(jī)構(gòu)及功能

危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)裝置主要分為設(shè)備組件和系統(tǒng)軟件兩個(gè)模塊組成，基礎(chǔ)設(shè)備模塊包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、加藥機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等，軟件包括單片機(jī)程序、上位機(jī)軟件和視覺分析系統(tǒng)等。多元化的單一結(jié)構(gòu)組合成裝置自動(dòng)檢測(cè)程序，利用編程分析傳輸運(yùn)行數(shù)據(jù)，搭建數(shù)字化、智能化分析平臺(tái)，形成企業(yè)或行業(yè)危險(xiǎn)廢物特性數(shù)據(jù)庫，為實(shí)現(xiàn)智能焚燒提供基本依據(jù)。

（1）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)由單片機(jī)程序、上位機(jī)和視覺分析等軟件組成，危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置通過單片機(jī)編制程序和上位機(jī)軟件，共同控制裝置內(nèi)部各模塊聯(lián)動(dòng)運(yùn)作，系統(tǒng)按照既定的程序同時(shí)完成五個(gè)通道的快速定性檢測(cè)，經(jīng)過視覺分析智能判斷危險(xiǎn)廢物反應(yīng)性，并將數(shù)據(jù)匯總上傳，從而實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)化智能化檢測(cè)目標(biāo)。

系統(tǒng)前期利用攝影機(jī)拍攝采集危險(xiǎn)廢物樣品的視覺數(shù)據(jù)并分析，逐漸建立視覺分析的數(shù)學(xué)模型，并且系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)收集分析新現(xiàn)象。通過視覺分析，多樣化的危廢樣品反應(yīng)性均可直接被裝置智能識(shí)別。

（2）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)裝置內(nèi)部設(shè)置樣品反應(yīng)倉、試劑倉、振動(dòng)器、蠕動(dòng)泵和內(nèi)置攝像頭等單一運(yùn)動(dòng)模塊，各運(yùn)動(dòng)模塊安裝相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以控制其動(dòng)作模式，實(shí)現(xiàn)各模塊自動(dòng)化機(jī)械動(dòng)作，如反應(yīng)倉進(jìn)出動(dòng)作、密封蓋板動(dòng)作、蠕動(dòng)泵加藥動(dòng)作和振動(dòng)器搖晃動(dòng)作等。配置的定位系統(tǒng)輔助運(yùn)動(dòng)模塊在特定位置執(zhí)行任務(wù)，連貫各模塊基本動(dòng)作能初步搭建系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行模式，是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

（3）檢測(cè)系統(tǒng)。采用復(fù)合電極檢測(cè)其酸堿性（pH）與氧化性（ORP），把pH玻璃電極和ORP電極組合在一起，將化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)pH和ORP輸出結(jié)果判斷其酸堿性和氧化性兩項(xiàng)指標(biāo)。復(fù)合電極具有使用方便，體積小等優(yōu)點(diǎn)。硫化物、氰化物、氨檢測(cè)采用小型氣體傳感器檢測(cè)，溫度采用溫度傳感器完成檢測(cè)。系統(tǒng)程序?qū)⒏鱾鞲衅麟娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，及時(shí)傳遞給處理器并依次自動(dòng)輸出并存儲(chǔ)樣品檢測(cè)結(jié)果。

（5）輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)是指除搭建裝置基本自動(dòng)功能外的優(yōu)化系統(tǒng)，如加熱系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)等，優(yōu)化系統(tǒng)是不可或缺的次要系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)的有效搭建能保障裝置的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)裝置連續(xù)、安全、高效地完成檢測(cè)工作。加熱系統(tǒng)是采用加熱片加熱的方法，在各個(gè)反應(yīng)通道四周設(shè)置加熱片，按照程序設(shè)定溫度快速均勻的加熱，以達(dá)到裝置對(duì)樣品的加熱要求。目前清洗系統(tǒng)包括管道清洗和電極清洗，管道清洗是通過在裝置內(nèi)部增加一臺(tái)泵，抽取排空傳感器管道及倉室內(nèi)殘余反應(yīng)氣體，從而達(dá)到保護(hù)和延長(zhǎng)傳感器使用壽命，減少相鄰檢測(cè)樣品高低濃度的交叉污染，提高傳感器的檢測(cè)精度的目的。電極的清洗則是利用快接頭安裝方式組合電極，電極在使用后能快接拆除，收集清洗。尾氣系統(tǒng)配置了抽風(fēng)裝置和排氣裝置，實(shí)現(xiàn)有毒有害氣體的集中收集，統(tǒng)一吸收排放。

3.7 檢測(cè)流程

危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置使用前先開啟操作面板，進(jìn)入操作程序。打開檢測(cè)軟件后根據(jù)樣品檢測(cè)需求設(shè)置反應(yīng)通道、試劑量和振動(dòng)頻率等參數(shù)，其中系統(tǒng)內(nèi)置運(yùn)行最優(yōu)參數(shù)和默認(rèn)所有通道檢測(cè)，常規(guī)樣品可直接跳過參數(shù)設(shè)定步驟。當(dāng)試劑倉彈出后，按要求向五個(gè)通道中加入一定量危廢樣品，同時(shí)檢查試劑倉剩余用量，確認(rèn)無誤后啟動(dòng)檢測(cè)程序，系統(tǒng)設(shè)置五個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)工作，當(dāng)檢測(cè)完成后輸出樣品檢測(cè)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)出具打印檢測(cè)報(bào)告，數(shù)據(jù)能上傳至公共端，公司關(guān)聯(lián)人員能立即查看，如圖1所示。

圖1 危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置檢測(cè)流程圖

危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置中五個(gè)通道同時(shí)檢測(cè)，1#通道是水通道，主要分析危險(xiǎn)廢物酸堿性、氧化性以及水相容性，2#通道是聚合通道主要分析危險(xiǎn)廢物聚合性，3#通道酸通道主要分析危險(xiǎn)廢物酸反應(yīng)性、硫化物和氰化物，4#通道堿通道主要分析危險(xiǎn)廢物堿反應(yīng)性和氨，5#通道可燃性通道主要分析危險(xiǎn)廢物可燃性。

其中1#～4#通道檢測(cè)流程大致相同，主要是先對(duì)危險(xiǎn)廢物原樣拍照和測(cè)溫，加入試劑后第二次拍照，試劑倉搖晃靜置后進(jìn)行第三次拍照和測(cè)溫，3#～4#加熱催化后啟動(dòng)泵將反應(yīng)氣體抽取至傳感器檢測(cè)，檢測(cè)人員初步復(fù)核檢測(cè)結(jié)果，確認(rèn)后系統(tǒng)將整合復(fù)合電極、氣體傳感器、溫度傳感器和視覺分析等數(shù)據(jù)，綜合判斷并輸出1#～4#通道的分析結(jié)果。5#通道檢測(cè)流程同樣是先對(duì)危險(xiǎn)廢物原樣拍照，隨后在啟動(dòng)電弧打火的同時(shí)拍照，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間連續(xù)多次拍照，檢測(cè)人員初步復(fù)核檢測(cè)圖片，確認(rèn)后系統(tǒng)智能化比對(duì)圖片，判斷并輸出5#通道的分析結(jié)果。系統(tǒng)整合5個(gè)通道數(shù)據(jù)后輸出檢測(cè)報(bào)告，整個(gè)檢測(cè)分析過程用時(shí)約5 min，大大縮減了單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

4 危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)裝置應(yīng)用

危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)的市場(chǎng)調(diào)研表明，處置企業(yè)重視危險(xiǎn)廢物全流程管理，對(duì)高效快速的定性便攜式危險(xiǎn)廢物檢測(cè)裝置有迫切的需求，研發(fā)人員將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)體，組合多樣化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，成功開發(fā)危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)裝置。處置企業(yè)內(nèi)部各環(huán)節(jié)都依賴于指紋分析，為優(yōu)化裝置功能，提高其適用性，將裝置投放處置企業(yè)各需求部門，各部門每月輪換使用，研發(fā)人員收集裝置使用反饋信息。

第一代危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)裝置能正常運(yùn)行，基本滿足指紋分析檢測(cè)需求，因其具有便攜式的特點(diǎn)，經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)的非專業(yè)人員，能方便攜帶至各環(huán)節(jié)完成檢測(cè)任務(wù)。市場(chǎng)人員攜帶本裝置到產(chǎn)廢端檢測(cè)，在產(chǎn)廢單位現(xiàn)場(chǎng)快速完成危險(xiǎn)廢物指紋分析，當(dāng)場(chǎng)出具危險(xiǎn)特性結(jié)果，實(shí)現(xiàn)快速定價(jià)、立即收運(yùn)的目標(biāo)。工服人員在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)未知危險(xiǎn)廢物的特性，通過基本定性結(jié)果，提前制定安全合理的收運(yùn)方案，降低危險(xiǎn)廢物在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)和收運(yùn)過程中帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。物控人員嚴(yán)格管控進(jìn)出倉庫的危險(xiǎn)廢物，檢測(cè)大量危險(xiǎn)廢物的危險(xiǎn)特性，使用本裝置減少人為主觀錯(cuò)誤判斷和操作失誤，極大提高危險(xiǎn)廢物檢測(cè)準(zhǔn)確率和效率。工藝人員抽檢異常危險(xiǎn)廢物，該裝置能為不具備實(shí)驗(yàn)器材和場(chǎng)地的檢測(cè)需求，提供快速有效的數(shù)據(jù)支持生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間控制在5 min，極大地提高了危險(xiǎn)廢物檢測(cè)效率，滿足日常大批量危廢樣品的檢測(cè)需求，為企業(yè)快速提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。

但目前第一代危險(xiǎn)廢物快速檢測(cè)裝置仍存在下列問題。裝置試劑倉容積與檢測(cè)數(shù)量不匹配，假設(shè)要求樣品完成全部檢測(cè)指標(biāo)，試劑倉的容積應(yīng)根據(jù)試劑量而定，制作不同比例大小的容器。裝置具備獨(dú)立電源能攜帶，但自重大，應(yīng)重新評(píng)定電源、外殼及試劑倉等機(jī)構(gòu)的最優(yōu)比例。耗材是降低成本的關(guān)鍵因素，由于受前期裝置應(yīng)用場(chǎng)景和檢測(cè)原理限制，裝置內(nèi)部耗材均為非標(biāo)原件，市場(chǎng)無售賣，只能定制制造，造價(jià)成本高，需要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)，采用市面普通耗材，降低樣品檢測(cè)成本。裝置部分軟件功能未能實(shí)現(xiàn)，如無線傳輸、數(shù)據(jù)統(tǒng)籌和系統(tǒng)自查等，需進(jìn)一步改善。

5 結(jié)束語

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的多番努力，成功開發(fā)第一代危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置，一臺(tái)具備便攜式自動(dòng)檢測(cè)功能危險(xiǎn)廢物特性的裝置，其基本滿足對(duì)危險(xiǎn)廢物檢測(cè)需求，但在部分設(shè)備硬件和軟件仍有改進(jìn)空間。危險(xiǎn)廢物快速定性檢測(cè)裝置的成功投用，打通所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)壁壘，建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品，為未來多組合的集成或者智能化、信息化危險(xiǎn)廢物檢測(cè)儀器研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)智能焚燒提供基本依據(jù)。