低放射性廢水蒸發處理及反滲透處理比選分析

李冠華　張超　何廣昌

【摘 要】本文對低放射性廢水蒸發和高壓反滲透處理工藝進行論述，分析其運行特性及工程適用性，嘗試找出適用于我國核工業低放射性廢水處理的方法。

【關鍵詞】低放廢水處理；蒸發處理；反滲透處理

0 引言

隨著我國核能事業快速發展，國內核燃料元件廠生產能力也逐年提高，并在生產過程中產生大量低放射性廢水。現階段燃料元件廠廢水處理工藝僅能將水中鈾離子處理到0.05mg/L，且缺乏對水中大量酸、堿、重金屬離子等有毒有害物質的必要處理手段，排放后對環境及公眾安全造成長期而嚴重的危害。為滿足國家環保要求，亟需解決核工業低放廢水的有效處置和合理減排問題。由于目前國內尚無成熟的工程案例以供借鑒，本文選取國外較為先進的蒸發處理工藝和國內正在研發的高壓反滲透處理工藝，從其原理、性能、能耗、生產規模等方面出發加以比較，探討其在我國核工業生產中的適用性。

1 技術原理

1.1 蒸發處理工藝原理

蒸發處理工藝利用外加熱能將低放射性廢水加熱氣化，對蒸汽進行清洗去污后導出系統，作為蒸汽冷凝水回收或排放。蒸汽進入去污裝置后首先通過旋風分離器去除較大的懸浮液滴，然后通過多級淋洗去除蒸汽中的氣溶膠微粒，最后通過液封和鼓泡方式分離蒸汽中夾帶的可溶性放射性氣體，完成低放射性廢水的最終處理。

1.2 高壓反滲透處理工藝原理

高壓反滲透處理工藝利用外部壓力克服原水滲透壓，使滲透過程逆向進行，將低放射性廢水通過反滲透膜進行分離，其中水分子透過反滲透膜后被收集成為清相水，包含放射性核素在內的多種鹽分留在廢水中成為濃縮液。

2 工程規模及相關參數

2.1 工程規模及配套設施

蒸發工藝處理設備需要設計獨立的設備操作間，并配套設計送、排風系統。其中處理量0.5m3/h的典型廠房面積要求為15m×10m，最低高度需達到6.5m，建議總凈高度為10m。

高壓反滲透工藝處理設備占地面積很小，處理量0.5m3/h的設備尺寸僅為2100 mm×1500 mm×1877 mm，且無需其他輔助系統支持。

2.2 工藝及工程設計要求

根據目前所掌握的技術資料，蒸發處理工藝對操作環境溫、濕度具有較高要求，但尚未獲得準確的數據范圍。在我國北方環境隨季節變化較大的地區，對于維持設備穩定運行所需的室內環境設計存在不小的挑戰。此外，系統運行過程中允許溫度和壓力的波動范圍較小，對工藝系統的設計精度及自控儀表的靈敏度要求較高。

高壓反滲透處理工藝對操作環境要求較寬泛，在原水pH=2～11，供電系統波動<5%，接地電組≤4Ω，空氣最大相對濕度≤85%條件下即可正常工作。其中，設備的適宜運行溫度為23℃～30℃，但是當環境溫度低至10℃左右時仍能保持較好的水質處理效果[1]。

2.3 設備的經濟性及可操作性

目前，蒸發處理工藝在我國尚未開展工藝設計，相關科研院所也缺乏相應的技術儲備，設備需要進口或通過國內代理商進行采購，定價權掌握在外企手中，工藝設備全套報價約為2000萬歐元。相較而言，高壓反滲透處理工藝已經處于工程驗證階段，樣機造價約為96萬元人民幣，產品價格相差懸殊。

蒸發處理工藝設備運行過程中耗能組件包括熱交換器中的2套9kW加熱器和1臺37kW熱泵，其中2×9kW加熱器在設備啟動階段提供系統升溫所需的熱能，當系統進入正常運行階段后可關閉加熱器，僅靠熱泵維持系統運轉。高壓反滲透處理工藝設備耗能組件包括1臺輸料泵和1臺高壓泵，總功率15kW。

蒸發處理工藝設備和高壓反滲透處理設備均采用集成PLC控制，運行過程中無需操作人員干預，僅裝卸料液和日常維護階段需要人工操作。一般1～2人即可完成所有工作。

2.4 設備性能及生產能力

上述兩種工藝方法均針對低放射性廢水的處理，其中蒸發處理工藝蒸殘液濃度一般設定為33%（理論范圍值30%～35%），處理后蒸汽冷凝水的放射性活度濃度低于106Bq/m3，蒸殘液的放射性活度濃度約為1012Bq/m3，核素及可溶性離子去除率推測可達到99.5%以上。蒸發設備的處理能力可調節范圍小，適用于廢水處理量變化不大的工程方案，如需擴大生產只能增加設備臺套數。

高壓反滲透裝置濃縮液濃度一般可達到20%～25%，正常生產條件下系統脫鹽率≥96%，其中鈾離子去除率99%～99.9%。設計水回收率50%～80%、處理能力（1.0～1.5）m3/h，可通過PLC連續調節，操作壓力隨操作參數自動調節。根據現場試驗經驗，當環境溫度較低或原水濃度較高時，系統脫鹽率會降至92%～93%，但不影響回用于水噴射吸收及酸霧凈化塔等設備。

3 分析及結論

根據對蒸發處理工藝及高壓反滲透處理工藝各項性能參數的對比分析，蒸發處理工藝具有較高的放射性核素及離子去除率，同時具有較高的水回收率，在回收利用水資源及低放射性廢物減容方面具有較大優勢，但其設備采購費用昂貴，運行環境要求嚴苛，在當前階段不利于大規模工業化應用。如果能夠引進吸收該項技術并進行自主化設計制造，同時解決工藝及自動化設計方面的瓶頸，將成為未來低放射性廢水處理工藝的首選方案。

高壓反滲透工藝在處理效果上不及蒸發處理工藝，但是仍具有較好的水處理能力，在廢水回收利用和低放廢物減容方面具有良好的經濟效益和社會效益，同時其采購價格較低，環境適應性較好，可以滿足大部分核工業系統運行需要，在當前階段仍可作為低放射性廢水處理的最優化方案。

【參考文獻】

[1]宮本希，劉麗敏，張卓.一種含鈾廢水處理新技術[J].企業技術開發，2015（13），32-33.

[責任編輯：張濤]