基于柔性組合工藝的放射性廢液處理技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

孫圣權(quán)，章航洲，張勁松，李振臣，馬貞欽

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川省退役治理工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610213)

引 言

核能作為重要的清潔能源在我國的能源結(jié)構(gòu)中越來越重要，但是核能的應(yīng)用會產(chǎn)生各類放射性廢物，這些放射性廢物的處理一直是制約核能發(fā)展的關(guān)鍵因素。其中放射性廢液按照放射性活度濃度可分為低放廢液、中放廢液、高放廢液等，由于廢液貯存要求嚴(yán)格，產(chǎn)生量大，對環(huán)境影響潛在風(fēng)險(xiǎn)較高，處理難度大，因此很多科研機(jī)構(gòu)、研究院所針對各類放射性廢液的處理做了很多研究和實(shí)踐工作，如尉鳳珍、方向紅等人設(shè)計(jì)開發(fā)了真空蒸發(fā)濃縮專用裝置處理低放廢液，采用真空蒸發(fā)的方式提高了處理效率；劉建偉、杜美啟等人闡述了高純水制備技術(shù)裝置的應(yīng)用，為放射性廢液的處理提供了新的思路；杜志輝、賈銘椿等人利用復(fù)合反滲透膜技術(shù)對含鹽量較高的放射性廢液進(jìn)行處理，取得了較好的效果；侯立安、左菊等人對放射性污染廢水開展納濾膜分離技術(shù)研究，試驗(yàn)結(jié)果可靠性高，為工程應(yīng)用累積了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些研究取得了一些進(jìn)展和成果[1～4]，但技術(shù)本身應(yīng)用范圍特定，針對性較強(qiáng)。對于綜合放射性研發(fā)基地產(chǎn)生的具有復(fù)雜源項(xiàng)放射性廢液的相關(guān)處理技術(shù)研究鮮有報(bào)道。該綜合放射性研發(fā)基地?fù)碛卸嘧嗽O(shè)施以及技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，每年產(chǎn)生大量各類放射性廢液，廢液種類多樣，采用傳統(tǒng)的放射性廢液處理技術(shù)和方法，不能滿足復(fù)雜源項(xiàng)的處理要求，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于柔性組合工藝的放射性廢液處理技術(shù)，廢液經(jīng)處理后滿足國家關(guān)于放射性液態(tài)流出物的排放要求[5～7]，保障了放射性研發(fā)基地的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 廢物源項(xiàng)特點(diǎn)

基地產(chǎn)生的放射性廢液源項(xiàng)復(fù)雜，來源有反應(yīng)堆運(yùn)行、同位素生產(chǎn)、放化實(shí)驗(yàn)分析、材料性能檢驗(yàn)、核設(shè)施退役等，核素種類繁多；化學(xué)成分包含有同位素研發(fā)產(chǎn)生的草酸、檸檬酸氫二銨、高錳酸鉀、氫氧化鈉、硝酸、乙二胺四乙酸的放射性廢液，以及放化實(shí)驗(yàn)室開展試驗(yàn)產(chǎn)生的碘化鈉、氫氧化鈉、氯化鍶、氯化鈷、硝酸銫等[8-9]。含鹽量從100mg/L至100g/L，放射性活度濃度范圍廣，綜上所述，這些廢液來源、成分復(fù)雜，含鹽量范圍大，放射性活度濃度波動高，處理難度極高。當(dāng)前環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格，現(xiàn)有技術(shù)不能滿足處理多對象復(fù)雜源項(xiàng)的廢物處理要求，需要在現(xiàn)有廢物處理技術(shù)上優(yōu)化改進(jìn)，同時符合廢物最小化和輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，實(shí)現(xiàn)各類放射性廢液處理后達(dá)標(biāo)排放。

2 廢液分類收集研究與設(shè)計(jì)

產(chǎn)生這些復(fù)雜源項(xiàng)的放射性廢液，如果不能科學(xué)合理的分類收集，會導(dǎo)致后續(xù)處理系統(tǒng)交叉污染，降低處理凈化因子，從而不能滿足液態(tài)流出物排放標(biāo)準(zhǔn)。本文從放射性活度濃度、含鹽量、來源等多維度進(jìn)行分類收集，從而為后續(xù)放射性廢液的處理提供條件。

首先按照放射性活度濃度分類，將放射性廢液分為中放廢液和低放廢液；按照含鹽量分類，將放射性廢液分為去污廢液和化學(xué)廢液；按照廢液來源不同分為洗衣廢液、洗車廢液；同時需要考慮到在事故應(yīng)急情況下放射性廢液的收集和處理，需要單獨(dú)考慮應(yīng)急廢液的分類收集。綜上所述，將所有放射性廢液分為：低放廢液、中放廢液、化學(xué)廢液、去污廢液、洗衣廢液、洗車廢液、應(yīng)急廢液等7類。

根據(jù)各類廢液產(chǎn)生的數(shù)量和頻次，系統(tǒng)設(shè)置12個廢液接收貯存槽、9臺泵和相應(yīng)的閥門、管道，形成整個放射性廢液的接收貯存系統(tǒng)，主要設(shè)備工藝參數(shù)及其物項(xiàng)分級如表1所示。

表1 主要設(shè)備工藝參數(shù)表Tab.1 Main equipment process parameters table

3 柔性組合工藝研究和設(shè)計(jì)

3.1 柔性組合工藝

經(jīng)過這些年的發(fā)展，放射性廢液處理技術(shù)也得到了廣泛的重視和研究，但是每種廢液處理技術(shù)有其固有特點(diǎn)[10]，針對某種特定的廢液或者核素采用與之相適應(yīng)的處理方法會使得處理效果和凈化系統(tǒng)較高，但面對如此復(fù)雜的源項(xiàng)，需要采用多種不同處理工藝，進(jìn)行柔性組合，研究設(shè)計(jì)最優(yōu)處理工藝路線和方法，才能有效提高廢液處理效率，同時還需滿足在各種廢液處理過程中不能產(chǎn)生交叉污染，或降低后續(xù)處理系統(tǒng)效率的情況。

針對含有固體顆?；螂s質(zhì)較多的廢液，采用表面機(jī)械過濾效果較好，并且二次廢液產(chǎn)生量較少；針對含有微小膠體雜質(zhì)或有機(jī)溶劑的廢液，可以采用不同粒徑的活性炭深床過濾技術(shù)進(jìn)行處理；針對放射性活度濃度范圍較廣的廢液，采用自然循環(huán)蒸發(fā)和多層復(fù)合纖維膜凈化處理技術(shù)可以有效處理；針對放射性活度濃度較低，核素主要以離子形態(tài)存在的廢液，采用樹脂交換技術(shù)能夠取得較好的效果。各種廢液處理工藝對比詳見表2。

表2 廢液處理工藝對比表Tab.2 Comparison table of waste liquid treatment process

綜合以上分析和研究，本文主要采用機(jī)械過濾、活性炭過濾、自然循環(huán)蒸發(fā)[11-12]、多層復(fù)合纖維膜凈化、離子交換等工藝進(jìn)行處理。內(nèi)設(shè)1套機(jī)械表面過濾系統(tǒng)、2套深床過濾預(yù)處理系統(tǒng)、2套自然循環(huán)蒸發(fā)凈化處理系統(tǒng)、2套離子交換系統(tǒng)，以及1套中放廢液預(yù)處理系統(tǒng)等。廢液處理總體方案如圖1所示。核設(shè)施運(yùn)行、檢修和退役產(chǎn)生的各類低中放廢液由廢液收集與貯存系統(tǒng)進(jìn)行分類收集、貯存，經(jīng)取樣分析后，根據(jù)放射性活度濃度、含鹽量、電導(dǎo)等參數(shù)，選擇適宜的工藝進(jìn)行柔性組合，聯(lián)合處理，處理后廢液經(jīng)取樣分析，符合流出物排放限值后，系統(tǒng)復(fù)用或向環(huán)境排放。不同廢液最佳組合工藝詳見表3。

圖1 放射性廢液處理總體方案Fig.1 Overall scheme for the treatment of radioactive waste liquid

表3 不同廢液最佳組合工藝表Tab.3 Optimal combination process of different waste liquids

續(xù)表3

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

3.2.1 預(yù)處理系統(tǒng)低放廢液和洗滌廢液的處理能力為2m3/h；化學(xué)去污廢液和中放廢液的處理能力為0.5m3/h。

3.2.2 廢液處理設(shè)置兩套自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)，分別用于處理低放廢液及中放廢液，其處理能力均為2m3/h，自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)處理低、中放廢液凈化系數(shù)為103～105，濃縮倍數(shù)～100。

3.2.3 離子交換系統(tǒng)由兩套陽、陰、混合離子交換柱組成，分別用于處理來自自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝液和預(yù)處理系統(tǒng)來低放廢液，處理能力均為2m3/h。

3.2.4 液態(tài)流出物排放系統(tǒng)主要用于將經(jīng)廢液處理系統(tǒng)處理后放射性活度濃度低于30Bq/L的廢液排放至環(huán)境。

3.3 系統(tǒng)凈化系數(shù)

其中t為系統(tǒng)綜合凈化因子；

t1為機(jī)械表面過濾器凈化系數(shù)；

t2為活性炭深床過濾器凈化系數(shù)；

t3為自然循環(huán)蒸發(fā)裝置凈化器凈化系數(shù)；

t4為離子交換床凈化系數(shù)；

k1、k2、k3、k4分別離子機(jī)械表面過濾器、活性炭深床過濾器、自然循環(huán)蒸發(fā)裝置凈化器以及離子交換床的組合因子，取值0或1；

k0為該組合工藝的柔性凈化因子，且經(jīng)理論計(jì)算分析，其中t1、t2、t3、t4可分別取值為10、101-2、103-4、101-2，因此t=106-8。

4 驗(yàn)證與應(yīng)用

為了驗(yàn)證柔性組合工藝系統(tǒng)的處理效果和能力，本次試驗(yàn)共處理放射性廢液295.734m3。將該廢液分為兩組。分別采用不同系統(tǒng)以進(jìn)行處理，具體如下：1#自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)處理廢水147.24m3，排渣1.4m3，濃縮倍數(shù)達(dá)到105倍，系統(tǒng)平均處理能力2.04m3/h，平均凈化系數(shù)達(dá)到1.58×104，連續(xù)運(yùn)行72h，各參數(shù)指標(biāo)穩(wěn)定。2#自然循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)處理廢水148.49m3，排渣1.4m3，濃縮倍數(shù)達(dá)到106倍，系統(tǒng)平均處理能力2.06m3/h，平均凈化系數(shù)達(dá)到1.63×104，連續(xù)運(yùn)行72h，各參數(shù)指標(biāo)穩(wěn)定。兩套預(yù)處理系統(tǒng)和離子交換系統(tǒng)處理放射性廢液約400m3，結(jié)果表明低放廢液和洗滌廢液的處理能力達(dá)到2m3/h，中放廢液的處理能力達(dá)到0.5m3/h；1#離子交換系統(tǒng)對二次蒸汽冷凝液和2#離子交換系統(tǒng)對來自預(yù)處理系統(tǒng)低放廢液的處理能力達(dá)到2m3/h，凈化系數(shù)約為100。試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Test data

綜上所述，本文柔性組合工藝廢液處理系統(tǒng)，包括機(jī)械過濾、活性炭預(yù)處理、自然循環(huán)蒸發(fā)凈化、離子交換等，綜合凈化因子達(dá)到106-107。經(jīng)處理后的放射性液態(tài)流出物排放標(biāo)準(zhǔn)為37Bq/L，經(jīng)過本系統(tǒng)處理完成的廢液經(jīng)取樣分析，最低放射性活動濃度僅為1Bq/L，平均放射性活動濃度僅為3Bq/L，滿足液態(tài)流出物排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 論

區(qū)別于核電基地，其反應(yīng)堆堆型較為統(tǒng)一，產(chǎn)生放射性廢物源項(xiàng)清晰，來源單一，處理難度較低。面對產(chǎn)生的廢液源項(xiàng)復(fù)雜，針對該特點(diǎn)研發(fā)了基于綜合核實(shí)驗(yàn)基地復(fù)雜源項(xiàng)的柔性組合工藝的先進(jìn)廢液處理技術(shù)，該技術(shù)將活性炭前置過濾、自然循環(huán)蒸發(fā)、多層復(fù)合纖維膜凈化、離子交換等工藝進(jìn)行柔性組合。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用本文技術(shù)處理的放射性廢液能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，保護(hù)了周圍環(huán)境，踐行了廢物最小化原則，整個系統(tǒng)凈化因子高，且具有對復(fù)雜源項(xiàng)適應(yīng)能力強(qiáng)、范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，保障了該綜合放射性研發(fā)基地的長遠(yuǎn)發(fā)展，為我國具有類似特點(diǎn)的放射性廢液處理提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。