基于柔性组合工艺的放射性废液处理技术研究与设计

孙圣权，章航洲，张劲松，李振臣，马贞钦

(中国核动力研究设计院，四川省退役治理工程实验室，成都 610213)

引 言

核能作为重要的清洁能源在我国的能源结构中越来越重要，但是核能的应用会产生各类放射性废物，这些放射性废物的处理一直是制约核能发展的关键因素。其中放射性废液按照放射性活度浓度可分为低放废液、中放废液、高放废液等，由于废液贮存要求严格，产生量大，对环境影响潜在风险较高，处理难度大，因此很多科研机构、研究院所针对各类放射性废液的处理做了很多研究和实践工作，如尉凤珍、方向红等人设计开发了真空蒸发浓缩专用装置处理低放废液，采用真空蒸发的方式提高了处理效率；刘建伟、杜美启等人阐述了高纯水制备技术装置的应用，为放射性废液的处理提供了新的思路；杜志辉、贾铭椿等人利用复合反渗透膜技术对含盐量较高的放射性废液进行处理，取得了较好的效果；侯立安、左菊等人对放射性污染废水开展纳滤膜分离技术研究，试验结果可靠性高，为工程应用累积了经验数据，这些研究取得了一些进展和成果[1～4]，但技术本身应用范围特定，针对性较强。对于综合放射性研发基地产生的具有复杂源项放射性废液的相关处理技术研究鲜有报道。该综合放射性研发基地拥有多座核设施以及技术研究实验室，每年产生大量各类放射性废液，废液种类多样，采用传统的放射性废液处理技术和方法，不能满足复杂源项的处理要求，本文研究设计了一种基于柔性组合工艺的放射性废液处理技术，废液经处理后满足国家关于放射性液态流出物的排放要求[5～7]，保障了放射性研发基地的长远发展。

1 废物源项特点

基地产生的放射性废液源项复杂，来源有反应堆运行、同位素生产、放化实验分析、材料性能检验、核设施退役等，核素种类繁多；化学成分包含有同位素研发产生的草酸、柠檬酸氢二铵、高锰酸钾、氢氧化钠、硝酸、乙二胺四乙酸的放射性废液，以及放化实验室开展试验产生的碘化钠、氢氧化钠、氯化锶、氯化钴、硝酸铯等[8-9]。含盐量从100mg/L至100g/L，放射性活度浓度范围广，综上所述，这些废液来源、成分复杂，含盐量范围大，放射性活度浓度波动高，处理难度极高。当前环境保护要求严格，现有技术不能满足处理多对象复杂源项的废物处理要求，需要在现有废物处理技术上优化改进，同时符合废物最小化和辐射防护最优化原则，实现各类放射性废液处理后达标排放。

2 废液分类收集研究与设计

产生这些复杂源项的放射性废液，如果不能科学合理的分类收集，会导致后续处理系统交叉污染，降低处理净化因子，从而不能满足液态流出物排放标准。本文从放射性活度浓度、含盐量、来源等多维度进行分类收集，从而为后续放射性废液的处理提供条件。

首先按照放射性活度浓度分类，将放射性废液分为中放废液和低放废液；按照含盐量分类，将放射性废液分为去污废液和化学废液；按照废液来源不同分为洗衣废液、洗车废液；同时需要考虑到在事故应急情况下放射性废液的收集和处理，需要单独考虑应急废液的分类收集。综上所述，将所有放射性废液分为：低放废液、中放废液、化学废液、去污废液、洗衣废液、洗车废液、应急废液等7类。

根据各类废液产生的数量和频次，系统设置12个废液接收贮存槽、9台泵和相应的阀门、管道，形成整个放射性废液的接收贮存系统，主要设备工艺参数及其物项分级如表1所示。

表1 主要设备工艺参数表Tab.1 Main equipment process parameters table

3 柔性组合工艺研究和设计

3.1 柔性组合工艺

经过这些年的发展，放射性废液处理技术也得到了广泛的重视和研究，但是每种废液处理技术有其固有特点[10]，针对某种特定的废液或者核素采用与之相适应的处理方法会使得处理效果和净化系统较高，但面对如此复杂的源项，需要采用多种不同处理工艺，进行柔性组合，研究设计最优处理工艺路线和方法，才能有效提高废液处理效率，同时还需满足在各种废液处理过程中不能产生交叉污染，或降低后续处理系统效率的情况。

针对含有固体颗粒或杂质较多的废液，采用表面机械过滤效果较好，并且二次废液产生量较少；针对含有微小胶体杂质或有机溶剂的废液，可以采用不同粒径的活性炭深床过滤技术进行处理；针对放射性活度浓度范围较广的废液，采用自然循环蒸发和多层复合纤维膜净化处理技术可以有效处理；针对放射性活度浓度较低，核素主要以离子形态存在的废液，采用树脂交换技术能够取得较好的效果。各种废液处理工艺对比详见表2。

表2 废液处理工艺对比表Tab.2 Comparison table of waste liquid treatment process

综合以上分析和研究，本文主要采用机械过滤、活性炭过滤、自然循环蒸发[11-12]、多层复合纤维膜净化、离子交换等工艺进行处理。内设1套机械表面过滤系统、2套深床过滤预处理系统、2套自然循环蒸发净化处理系统、2套离子交换系统，以及1套中放废液预处理系统等。废液处理总体方案如图1所示。核设施运行、检修和退役产生的各类低中放废液由废液收集与贮存系统进行分类收集、贮存，经取样分析后，根据放射性活度浓度、含盐量、电导等参数，选择适宜的工艺进行柔性组合，联合处理，处理后废液经取样分析，符合流出物排放限值后，系统复用或向环境排放。不同废液最佳组合工艺详见表3。

图1 放射性废液处理总体方案Fig.1 Overall scheme for the treatment of radioactive waste liquid

表3 不同废液最佳组合工艺表Tab.3 Optimal combination process of different waste liquids

续表3

3.2 设计技术指标

3.2.1 预处理系统低放废液和洗涤废液的处理能力为2m3/h；化学去污废液和中放废液的处理能力为0.5m3/h。

3.2.2 废液处理设置两套自然循环蒸发系统，分别用于处理低放废液及中放废液，其处理能力均为2m3/h，自然循环蒸发系统处理低、中放废液净化系数为103～105，浓缩倍数～100。

3.2.3 离子交换系统由两套阳、阴、混合离子交换柱组成，分别用于处理来自自然循环蒸发系统产生的二次蒸汽冷凝液和预处理系统来低放废液，处理能力均为2m3/h。

3.2.4 液态流出物排放系统主要用于将经废液处理系统处理后放射性活度浓度低于30Bq/L的废液排放至环境。

3.3 系统净化系数

其中t为系统综合净化因子；

t1为机械表面过滤器净化系数；

t2为活性炭深床过滤器净化系数；

t3为自然循环蒸发装置净化器净化系数；

t4为离子交换床净化系数；

k1、k2、k3、k4分别离子机械表面过滤器、活性炭深床过滤器、自然循环蒸发装置净化器以及离子交换床的组合因子，取值0或1；

k0为该组合工艺的柔性净化因子，且经理论计算分析，其中t1、t2、t3、t4可分别取值为10、101-2、103-4、101-2，因此t=106-8。

4 验证与应用

为了验证柔性组合工艺系统的处理效果和能力，本次试验共处理放射性废液295.734m3。将该废液分为两组。分别采用不同系统以进行处理，具体如下：1#自然循环蒸发系统处理废水147.24m3，排渣1.4m3，浓缩倍数达到105倍，系统平均处理能力2.04m3/h，平均净化系数达到1.58×104，连续运行72h，各参数指标稳定。2#自然循环蒸发系统处理废水148.49m3，排渣1.4m3，浓缩倍数达到106倍，系统平均处理能力2.06m3/h，平均净化系数达到1.63×104，连续运行72h，各参数指标稳定。两套预处理系统和离子交换系统处理放射性废液约400m3，结果表明低放废液和洗涤废液的处理能力达到2m3/h，中放废液的处理能力达到0.5m3/h；1#离子交换系统对二次蒸汽冷凝液和2#离子交换系统对来自预处理系统低放废液的处理能力达到2m3/h，净化系数约为100。试验数据详见表4。

表4 试验数据Tab.4 Test data

综上所述，本文柔性组合工艺废液处理系统，包括机械过滤、活性炭预处理、自然循环蒸发净化、离子交换等，综合净化因子达到106-107。经处理后的放射性液态流出物排放标准为37Bq/L，经过本系统处理完成的废液经取样分析，最低放射性活动浓度仅为1Bq/L，平均放射性活动浓度仅为3Bq/L，满足液态流出物排放的标准要求。

5 结 论

区别于核电基地，其反应堆堆型较为统一，产生放射性废物源项清晰，来源单一，处理难度较低。面对产生的废液源项复杂，针对该特点研发了基于综合核实验基地复杂源项的柔性组合工艺的先进废液处理技术，该技术将活性炭前置过滤、自然循环蒸发、多层复合纤维膜净化、离子交换等工艺进行柔性组合。经过实验验证，采用本文技术处理的放射性废液能够满足国家标准的排放要求，保护了周围环境，践行了废物最小化原则，整个系统净化因子高，且具有对复杂源项适应能力强、范围广的优点，保障了该综合放射性研发基地的长远发展，为我国具有类似特点的放射性废液处理提供了可借鉴的经验。