“華龍一號”核電機(jī)組廢液處理系統(tǒng)針對內(nèi)陸廠址的設(shè)計(jì)改進(jìn)

□楊夢倩 林佳逸

一、“華龍一號”核電機(jī)組放射性廢液處理方案

“華龍一號”核電機(jī)組廢液處理系統(tǒng)主要用于貯存、監(jiān)測和處理核電廠運(yùn)行產(chǎn)生的、需要進(jìn)行處理的三類放射性廢液。工藝排水是指放射性活度濃度較高且化學(xué)物質(zhì)含量低的放射性廢液；化學(xué)排水是指放射性活度濃度和化學(xué)物質(zhì)含量均較高的放射性廢液；地面排水通常是指化學(xué)成分不定的低放射性廢液。

目前“華龍一號”核電機(jī)組的廢液處理系統(tǒng)處理工藝如圖1所示，該系統(tǒng)采用了離子交換、蒸發(fā)和過濾三種處理工藝，分別對上述三類廢水進(jìn)行處理。離子交換處理單元設(shè)有一套絮凝注入處理裝置、一臺活性炭床和三臺離子交換床，對電廠內(nèi)產(chǎn)生的放射性較高且含鹽量適中的工藝排水進(jìn)行絮凝注入-離子交換聯(lián)用工藝進(jìn)行處理；蒸發(fā)單元設(shè)有一套自然循環(huán)蒸發(fā)裝置，可以采用加熱蒸汽對電廠內(nèi)放射性較高且含鹽量較高的化學(xué)排水進(jìn)行濃縮蒸發(fā)處理；對電廠內(nèi)放射性較低且雜質(zhì)含量較高的地面排水則采用過濾工藝進(jìn)行處理。電廠內(nèi)衛(wèi)生出入口和熱洗衣房產(chǎn)生的服務(wù)排水通常放射性活度濃度不超過控制值，可以直接進(jìn)行監(jiān)測排放。

圖1 “華龍一號”廢液處理系統(tǒng)現(xiàn)有處理工藝技術(shù)方案

二、“華龍一號”廢液處理系統(tǒng)方案用于內(nèi)陸廠址存在的問題

目前沿海核電廠址的逐漸飽和，核電廠建造向內(nèi)陸發(fā)展成為趨勢。由于內(nèi)陸核電廠的液態(tài)流出物是向內(nèi)陸地表水排放，為了更好地保護(hù)環(huán)境，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對其提出了比濱海核電廠更嚴(yán)格的排放濃度要求以及排放控制的設(shè)計(jì)要求和管理要求。

目前“華龍一號”采用廢液處理工藝成熟性高，可以滿足濱海廠址核電廠的實(shí)際運(yùn)行需求，但存在以下幾個(gè)問題。

(一)根據(jù)GB6249—2011《核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》的相關(guān)要求，濱海廠址的液態(tài)流出物除氚和碳14外其他放射性核素濃度不應(yīng)超過1000Bq/L，對于內(nèi)陸廠址則不應(yīng)超過100Bq/L。目前“華龍一號”首堆福清核電廠5、6號機(jī)組廢液處理系統(tǒng)處理后得到的液態(tài)流出物控制值控制為900Bq/L，這滿足了濱海廠址對液態(tài)流出物放射性活度濃度要求，但并不適用于內(nèi)陸廠址。

(二)目前“華龍一號”為沿海廠址核電廠，對于液態(tài)流出物中的硼不進(jìn)行監(jiān)測。參考目前核電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，各類廢水中硼濃度在0～2,500ppm之間，平均值在500～1,000ppm之間。內(nèi)陸廠址循環(huán)冷卻水的流量一般是3,600m3/h，若考慮液態(tài)流出物的排放流量控制在50m3/h以上，則循環(huán)冷卻水對液態(tài)流出物的稀釋倍數(shù)為72倍。參考遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)2ppm的硼濃度要求，則液態(tài)流出物中硼的濃度不應(yīng)超過144ppm，才能與循環(huán)冷卻水混排稀釋后滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，適用于內(nèi)陸核電廠的廢液處理系統(tǒng)需要對硼進(jìn)行處理，使處理后液態(tài)流出物中硼的濃度降低至100ppm以下。

(三)服務(wù)排水的放射性活度濃度通常較低，含有大量的COD等第二類污染物。目前“華龍一號”的服務(wù)排水在過濾和取樣后即進(jìn)行監(jiān)測排放。由于是將廢水排入大海，因此對于熱洗衣房廢水的常規(guī)指標(biāo)，如化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、表面活性劑(LAS)、懸浮物(SS)等都沒有進(jìn)行專門的監(jiān)測和處理。對于內(nèi)陸廠址，服務(wù)廢水需進(jìn)行處理，處理后的常規(guī)污染物指標(biāo)應(yīng)能滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

(四)按照目前工藝流程，一旦地面排水和液態(tài)流出物的放射性活度濃度超標(biāo)，廢液需返回前貯槽和蒸發(fā)或離子交換處理單元，該過程會(huì)影響其他批次的待處理放射性廢液的及時(shí)處理，對前貯槽貯存空間產(chǎn)生壓力。在海南昌江核電廠3、4號機(jī)組工程等需要與其他項(xiàng)目共用廢液處理設(shè)施的情況下，該問題會(huì)更加凸顯。

(五)目前的蒸發(fā)單元采用外加熱自然循環(huán)蒸發(fā)器，經(jīng)旋風(fēng)分離器和泡罩塔凈化后的高溫蒸汽進(jìn)入冷凝器后進(jìn)行冷卻，整個(gè)過程產(chǎn)生的大量潛熱沒有得到有效利用。傳統(tǒng)蒸發(fā)處理1t低放廢液，需要消耗1.2～1.5t的120℃蒸汽，折合能耗約760kWh/t，同時(shí)蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝冷卻需要消耗大量的冷卻水。設(shè)施運(yùn)行所使用的加熱蒸汽和設(shè)冷水在制備過程中均需耗能，系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行成本存在優(yōu)化的空間。

因此，在現(xiàn)有的“華龍一號”廢液處理系統(tǒng)方案上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，可以將“華龍一號”核電機(jī)組引入到受環(huán)境水體條件限制液態(tài)流出物排放的內(nèi)陸核電廠址，提高電廠的能源利用效率，降低運(yùn)行成本并提升電廠的環(huán)境友好性。

三、“華龍一號”廢液處理系統(tǒng)針對內(nèi)陸廠址的優(yōu)化方案

針對上述幾個(gè)問題，本文從以下幾個(gè)方面對“華龍一號”廢液處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(一)針對目前液態(tài)流出物的放射性活度濃度和硼濃度不滿足內(nèi)陸廠址要求的問題，對經(jīng)離子交換處理和蒸發(fā)單元處理后產(chǎn)生的低放廢液采用連續(xù)電除鹽工藝進(jìn)行凈化并除硼，提高液態(tài)流出物水質(zhì)，提升“華龍一號”在內(nèi)陸實(shí)施的可行性。

(二)針對目前服務(wù)廢水的各類有機(jī)物濃度不滿足內(nèi)陸廠址要求的問題，設(shè)置高級氧化處理單元，采用高級氧化技術(shù)對含有有機(jī)物的服務(wù)排水進(jìn)行處理，減輕前貯槽貯存壓力。

(三)在蒸發(fā)單元采用熱泵蒸發(fā)技術(shù)，提高蒸發(fā)單元的熱效率，降低運(yùn)行成本。

(四)將地面排水經(jīng)紫外光或臭氧處理后進(jìn)行過濾處理，進(jìn)一步提高地面排水處理后的水質(zhì)。

本優(yōu)化方案所采用的處理工藝如圖2所示，與原有方案不同處采用虛線框進(jìn)行標(biāo)識，現(xiàn)對本方案新增工藝的原理及其效果進(jìn)行分析。

圖2 “華龍一號”廢液處理系統(tǒng)針對內(nèi)陸廠址的改進(jìn)方案

(一)膜堆精處理單元處理含硼低放廢水技術(shù)方案。為了推進(jìn)“華龍一號”在內(nèi)陸核電廠址的推廣和落實(shí)，需要進(jìn)一步提高液態(tài)流出物中的放射性活度濃度和硼濃度以達(dá)到相關(guān)的環(huán)境排放要求，這就需要對現(xiàn)有的處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。

蒸發(fā)法對非揮發(fā)性放射性核素的去除效率很高，在壓水堆核電廠中，也被用于硼回收系統(tǒng)利用硼，有成熟的工程應(yīng)用實(shí)踐。但其蒸發(fā)的設(shè)備費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)成本高，同時(shí)要消耗大量的蒸發(fā)熱能。從經(jīng)濟(jì)適用性的角度出發(fā)，在核電廠除硼應(yīng)用上受到限制。而化學(xué)沉淀法和吸附法需增加大量的沉淀劑和吸附劑，產(chǎn)生大量二次廢物，同時(shí)，化學(xué)沉淀法需高pH值環(huán)境；吸附法對pH值要求較高，因此兩種方法也不適于工程化應(yīng)用。

離子交換樹脂法可在相對較小的能量消耗下獲得很低的產(chǎn)水硼濃度，在產(chǎn)水階段回收率可達(dá)到100%；但其缺點(diǎn)是樹脂特有的再生操作會(huì)耗費(fèi)大量的化學(xué)藥劑和產(chǎn)生二次污染廢液，以及產(chǎn)生大量的廢樹脂，增加了固體廢物處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

反滲透膜雖然可以高效除硼，但除硼效果受pH值影響顯著，除硼必須在強(qiáng)堿條件下進(jìn)行，這就需投加大量的NaOH以提高反滲透對硼的去除能力，這不僅大大增加了除硼的成本，也會(huì)增加二次廢物產(chǎn)生量。

電除鹽(Continuous Electro Deionization)是電滲析與離子交換樹脂除鹽有機(jī)結(jié)合形成的新型膜分離技術(shù)，是近20年來開發(fā)的最先進(jìn)高純水生產(chǎn)技術(shù)。連續(xù)電除鹽裝置可以有選擇性地分離硼和放射性核素，同時(shí)更加高效地除硼。

連續(xù)電除鹽工藝流程原理簡圖如圖3所示，在裝置運(yùn)行時(shí)，待處理的廢液(硼濃度500ppm)通過泵分別從陰室側(cè)和陽室側(cè)逆向送入膜堆中，其中大部分進(jìn)入陰室側(cè)進(jìn)行除鹽，小部分進(jìn)入陽室側(cè)作為濃水循環(huán)回路的補(bǔ)充水。陰室和陽室之間用陰離子交換膜隔開，兩個(gè)膜室內(nèi)按一定比例裝填有混床樹脂和惰性樹脂。陰室側(cè)出水作為產(chǎn)水排入產(chǎn)水槽中；陽室側(cè)出水作為濃水部分作為循環(huán)水循環(huán)，部分排入濃水槽中。每級膜堆之間設(shè)置有加壓泵，用于輸送淡水和濃水。

圖3 連續(xù)電除鹽工藝流程原理簡圖

經(jīng)連續(xù)電除鹽單元處理后的產(chǎn)水可達(dá)到內(nèi)陸排放標(biāo)準(zhǔn)，并且其水質(zhì)較“華龍一號”目前的液態(tài)流出物水質(zhì)有較大提升，可實(shí)現(xiàn)在內(nèi)陸廠址的排放，同時(shí)可以通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對廢液中硼的去除。

(二)高級氧化工藝處理服務(wù)排水技術(shù)方案。為了使“華龍一號”的服務(wù)排水在內(nèi)陸核電廠址達(dá)到排放要求，需將服務(wù)排水進(jìn)行處理。內(nèi)陸核電廠由于液態(tài)流出物受納水體的水容量較小，稀釋、彌散條件較差，因此國家標(biāo)準(zhǔn)對于內(nèi)陸廠址的液態(tài)流出物的排放要求比沿海廠址高。核電廠洗滌廢水具有較低的放射性水平，但有可能超過內(nèi)陸核電廠的排放限值，須通過離子交換降低放射性水平，因此要對洗滌廢水進(jìn)行預(yù)處理，使其中的化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、表面活性劑(LAS)、懸浮物(SS)等常規(guī)污染物指標(biāo)滿足離子交換床進(jìn)水水質(zhì)要求。

高級氧化技術(shù)是指利用氧化產(chǎn)生的羥基自由基氧化污染物，高級氧化是最終去除廢水污染物的有效方法之一。通過高級氧化，可以使廢水中的有機(jī)物和無機(jī)物氧化分解，從而降低廢水的BOD和COD值。

(三)熱泵蒸發(fā)工藝處理化學(xué)排水技術(shù)方案。目前廢液處理系統(tǒng)針對含鹽量和放射性活度濃度較高的化學(xué)廢液采用蒸發(fā)方法進(jìn)行處理。蒸發(fā)是放射性廢液處理常用的工藝之一，用于處理含有難揮發(fā)性放射性核素的廢液，具有成熟可靠、處理能力大、去污因子高(一般為103～106)和減容因子較大(約幾十至幾百倍)等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的自然循環(huán)蒸發(fā)也存在一些缺點(diǎn)，如能耗大、操作復(fù)雜、運(yùn)行成本較高等。

蒸發(fā)處理是借助于外加的熱量把廢水中的絕大部分水分轉(zhuǎn)化為二次蒸汽，二次蒸汽經(jīng)冷凝冷卻后監(jiān)測排放。在蒸發(fā)過程中絕大多數(shù)放射性核素保留在蒸殘液，很少量的核素由于霧沫夾帶進(jìn)入二次蒸汽冷凝液中。

熱泵蒸發(fā)(即機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā))技術(shù)將低品質(zhì)的二次蒸汽轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的二次蒸汽，從而作為蒸發(fā)的加熱熱源。熱泵屬于逆向卡諾循環(huán)，消耗電能做機(jī)械功將低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化為高溫?zé)嵩?，其原理圖如圖4所示。

圖4 熱泵蒸發(fā)處理工藝流程圖

正常運(yùn)行時(shí)，由進(jìn)料泵送入蒸發(fā)單元的廢液經(jīng)一級預(yù)熱器和凝氣冷卻器預(yù)熱，然后進(jìn)入再沸器的管側(cè)加熱，形成汽含率約為1.5%的汽液混合物進(jìn)入蒸發(fā)塔內(nèi)沸騰蒸發(fā)。蒸發(fā)塔內(nèi)產(chǎn)生的二次蒸汽攜帶霧滴，經(jīng)過折流板除沫器后進(jìn)入多層塔板逐漸凈化，再經(jīng)過一級高效絲網(wǎng)除沫器進(jìn)一步除霧，然后進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。

二次蒸汽經(jīng)壓縮后升溫升壓，再作為蒸發(fā)塔的加熱蒸汽送到再沸器的殼程里，去加熱管程里的料液使之繼續(xù)沸騰蒸發(fā)，而其本身部分釋放汽化潛熱后凝結(jié)為冷凝水(蒸餾液)。部分未凝結(jié)的蒸汽夾帶不凝氣通入凝氣冷卻器。在凝氣冷卻器里，蒸汽冷凝成水送往蒸餾液接收罐，不凝氣自然冷卻或者充氮冷卻后則被抽出界區(qū)。凝氣冷卻器的設(shè)置主要作用就是為了冷卻不凝氣的。

蒸發(fā)塔再沸器和凝氣冷卻器的二次蒸汽凝結(jié)水(蒸餾液)重力自流入蒸餾液接收罐。蒸餾液接收罐的蒸餾液用蒸餾液泵將其大部分都送往了一級預(yù)熱器預(yù)熱料液，其本身則被冷卻為50℃后的蒸餾液連續(xù)排放；另一小部分水送往壓縮機(jī)消除壓縮蒸汽的過熱，還有小部分送往蒸發(fā)塔頂部作為凈化二次蒸汽的噴淋水用。在蒸發(fā)塔內(nèi)，當(dāng)料液被濃縮至硼濃度達(dá)到出料濃度時(shí)，通過濃縮液泵將濃縮液從蒸發(fā)塔的加熱室底部定時(shí)排出界區(qū)。熱泵蒸發(fā)單元的去污因子約為104，節(jié)能效果達(dá)到87%～90%。

蒸發(fā)是廢液處理技術(shù)的重要工藝，采用熱泵蒸發(fā)技術(shù)可以提高蒸發(fā)單元的運(yùn)行效率，提升該單元運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，提高整個(gè)廢液處理系統(tǒng)的處理效率。

(四)臭氧預(yù)處理工藝處理地面排水技術(shù)方案。臭氧是三個(gè)氧原子的分子(O3)，臭氧不穩(wěn)定反應(yīng)性很強(qiáng)。臭氧快速反應(yīng)并產(chǎn)生少量不希望的副產(chǎn)品。臭氧一般與其它的物理、化學(xué)或生物處理方法聯(lián)合使用。由于臭氧具有很強(qiáng)的氧化性，因此采用注入臭氧的方法能夠處理復(fù)雜的廢水。臭氧可以氧化鐵和錳，增大懸浮粒子的尺寸，有助于提高過濾效率。因此，注入臭氧可以作為廢水過濾處理的預(yù)處理。

臭氧系統(tǒng)主要部件包括臭氧發(fā)生器、供氣準(zhǔn)備、臭氧接觸和臭氧排氣破壞等。如果在小流量和流速下與廢液處理系統(tǒng)聯(lián)合使用，這些部件可以合并安裝成一個(gè)裝置。若地面排水中含有微量的油脂或其它有機(jī)成分，臭氧預(yù)處理技術(shù)能對其進(jìn)行有效處理。

四、優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性提升分析

采用本方案所述的廢液處理方案，在經(jīng)濟(jì)性提升方面有以下優(yōu)勢。

(一)推動(dòng)“華龍一號”在內(nèi)陸廠址的實(shí)施。采用本方案的處理工藝和復(fù)用方案可以使“華龍一號”適用于內(nèi)陸廠址，大大提升了電廠的環(huán)境友好性和選址可行性，為“華龍一號”在受環(huán)境水體條件限制的內(nèi)陸核電廠址的推廣和落實(shí)提供基礎(chǔ)?！叭A龍一號”廠址適用范圍的擴(kuò)大，可以大大提高其在市場上的競爭力，對于拓展國內(nèi)和國際核電市場具有積極意義。

(二)提高廢液處理效率和設(shè)備利用率。目前廢液處理系統(tǒng)為兩機(jī)組共用，存在一定的處理能力裕量。采用連續(xù)電除鹽精處理單元和高級氧化單元對放射性活度濃度較低的廢液進(jìn)行更有針對性的處理，縮短廢液在系統(tǒng)內(nèi)處理所需的時(shí)間，降低系統(tǒng)運(yùn)行所需的人工時(shí)；進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的廢液處理效率，可以為后續(xù)同廠址更多機(jī)組共用廢液處理系統(tǒng)提供條件。

(三)系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低。采用熱泵蒸發(fā)技術(shù)可以大大降低飽和蒸汽使用量和設(shè)備冷卻水消耗量，從而減少了運(yùn)行成本，大大降低了整個(gè)廢液處理系統(tǒng)的能耗水平。傳統(tǒng)蒸發(fā)處理1t低放廢液，需要消耗1.2～1.5t的120℃蒸汽，折合能耗約760kWh/t，供熱的成本按20元/GJ考慮，而通過采用熱泵蒸發(fā)技術(shù)，從能耗角度來看，每年可節(jié)約上萬元運(yùn)行成本。

(四)減少離子交換樹脂使用量和廢樹脂的產(chǎn)生量。目前一立方的放射性廢物處理的成本在10萬～20萬。放射性固體廢物的處理和最終廢物包的最小化一直是放射性廢物管理的重點(diǎn)，放射性廢物的貯存和處置會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生壓力。目前一床離子交換樹脂的經(jīng)濟(jì)成本約為100萬元，采用連續(xù)電除鹽精處理工藝可以高效地對放射性活度濃度略微超標(biāo)的廢液進(jìn)行有針對性的處理，減少了樹脂的使用量，大大降低了電廠運(yùn)行的成本。

五、優(yōu)化方案的安全性、創(chuàng)新性提升效果

本方案闡述的各技術(shù)均具有較高的安全性：連續(xù)電除鹽精處理技術(shù)、高級氧化處理技術(shù)無高溫、高壓等運(yùn)行條件，運(yùn)行安全系數(shù)高；熱泵蒸發(fā)技術(shù)的安全性與原有的自然循環(huán)蒸發(fā)單元的安全性相當(dāng)，具備安全運(yùn)行的條件；臭氧預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較多，具備實(shí)施的可行性。

連續(xù)電除鹽技術(shù)自動(dòng)化程度高，且不需要酸堿再生，二次廢物產(chǎn)生量少，因此近些年得到快速發(fā)展。熱泵蒸發(fā)技術(shù)在國內(nèi)臺山核電站1、2號機(jī)組、三門核電站廠址廢物處理設(shè)施(SRTF)處理低放廢液已有應(yīng)用。地面排水的臭氧、過濾處理工藝已經(jīng)在國內(nèi)外的核電廠實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，可作為地面排水處理工藝的選擇，美國Palo Verde核電廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在乏燃料水池補(bǔ)水上的復(fù)用。以上技術(shù)在水處理領(lǐng)域或其它堆型上已有相關(guān)應(yīng)用，在“華龍一號”廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中尚未得到應(yīng)用。

六、結(jié)語

綜上，本文提出的采用連續(xù)電除鹽處理工藝、高級氧化工藝、熱泵蒸發(fā)工藝和臭氧預(yù)處理工藝的改進(jìn)方案可以對電廠內(nèi)產(chǎn)生的各類放射性廢液進(jìn)行更有針對性的處理。

上述廢液處理改進(jìn)技術(shù)在“華龍一號”上的應(yīng)用具備可實(shí)施性，可提高“華龍一號”放射性廢液的處理效率和熱利用率，降低放射性廢物產(chǎn)生量，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)為受環(huán)境水體條件限制的內(nèi)陸核電廠址的推廣和落實(shí)提供基礎(chǔ)，可以作為后續(xù)在“華龍一號”工程上改進(jìn)廢液處理系統(tǒng)的技術(shù)手段。同時(shí)，本方案將“華龍一號”的廠址由目前的濱海廠址擴(kuò)大到內(nèi)陸廠址，大大拓展了“華龍一號”的適用范圍，提高了市場的競爭力和潛在經(jīng)濟(jì)效益。