連續(xù)式衰變池設(shè)計(jì)中導(dǎo)流方式的比較和對(duì)策

楊 琦，林 玲，馮家俊，陸青青，王進(jìn)軍

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司重慶分公司，重慶 401120；3.上海城投水務(wù)<集團(tuán)>有限公司，上海 200002)

衰變池是醫(yī)療建筑中低放射性污水處理的主要方式。在衰變池的設(shè)計(jì)中，存在連續(xù)式衰變池和間歇式衰變池2種形式。連續(xù)式衰變池具有占地面積少、投資省、控制簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但如何防止池中污水(廢水)的流線短流問(wèn)題，確保衰變的時(shí)間，使污水的放射性降低到國(guó)家規(guī)定的安全值顯得尤為重要。連續(xù)式衰變池中實(shí)際工程項(xiàng)目中出現(xiàn)了導(dǎo)流墻和導(dǎo)流管的導(dǎo)流方式，設(shè)計(jì)往往忽略了衰變池設(shè)計(jì)的基本原理，需確保一定的停留時(shí)間。從表面看，在衰變池中增加導(dǎo)流措施是為防止廢水的短流，但往往在具體導(dǎo)流措施上忽略了導(dǎo)流墻、導(dǎo)流管設(shè)置部位問(wèn)題，設(shè)計(jì)的隨意性較大，特別是造成水流停留時(shí)間的差異較大。針對(duì)連續(xù)式衰變池的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)衰變池中的導(dǎo)流很有必要[1-2]。

1 導(dǎo)流方式的設(shè)計(jì)

在衰變池的設(shè)計(jì)中，其容積的計(jì)算應(yīng)按最長(zhǎng)半衰期核素(同位素)的10個(gè)半衰期(T)計(jì)算或按同位素的衰變公式計(jì)算[3-6]。衰變池的污水處理即依靠停留時(shí)間，低放射性污水(廢水)進(jìn)行自然的衰變過(guò)程，衰變的時(shí)間(T)對(duì)處理的效果起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)放射性強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而減弱，連續(xù)式衰變池利用水力學(xué)推移流的原理，以及水的工程不可壓縮性，使放射性同位素(核素)的污水在池中自然衰變，確保低放射性污水自進(jìn)水到出水時(shí)間內(nèi)的停留時(shí)間滿(mǎn)足衰變所需時(shí)間，也稱(chēng)推流式衰變池。

設(shè)衰變池設(shè)計(jì)所需停留時(shí)間為T(mén)0，T0≥10T;衰變池實(shí)際計(jì)算的停留時(shí)間為T(mén)1，則應(yīng)滿(mǎn)足：T1>T0。

為防止連續(xù)式衰變池中水流的流程產(chǎn)生短流，并達(dá)到設(shè)計(jì)所需停留時(shí)間(T0)的目的，有必要在衰變池內(nèi)設(shè)置防止短流的導(dǎo)流技術(shù)措施[2]。通常可采用導(dǎo)流墻或?qū)Я鞴艿膶?dǎo)流方式，其內(nèi)部布局如圖1和圖2所示。在導(dǎo)流的分隔中，宜采用3～5段或隔艙分隔，不應(yīng)少于3段或隔艙分隔，以提高連續(xù)式衰變池的抗沖積負(fù)荷能力。

圖1 導(dǎo)流墻導(dǎo)流的連續(xù)式衰變池Fig.1 Diversion Wall in Continuous Decay Pool

圖2 隔艙導(dǎo)流管導(dǎo)流的連續(xù)式衰變池Fig.2 Compartments and Water Flow Ducts in Continuous Decay Pools

導(dǎo)流墻導(dǎo)流是在衰變池內(nèi)設(shè)置不到對(duì)面池壁的隔墻來(lái)引導(dǎo)水流的水流行走路線。隔艙導(dǎo)流管導(dǎo)流是在衰變池內(nèi)用隔墻分隔為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的隔艙，采用導(dǎo)流管將各個(gè)隔艙內(nèi)的水進(jìn)行導(dǎo)流的水流行走路線。導(dǎo)流措施不僅需要滿(mǎn)足污水在水平方向的最長(zhǎng)流動(dòng)距離，還要保證在垂直方向不至于形成短流。

2 導(dǎo)流方式的分析

連續(xù)式衰變池采用推流的原理，需通過(guò)合理設(shè)置導(dǎo)流方式來(lái)保證滿(mǎn)足停留時(shí)間。從工程角度看，2種導(dǎo)流方式均可滿(mǎn)足放射性污水停留時(shí)間的要求，其處理效果與間歇式衰變池一致[2,6]。

2.1 衰變池形式的比較

導(dǎo)流墻導(dǎo)流的衰變池，其水流沿隔墻開(kāi)口的位置轉(zhuǎn)向流動(dòng)。放射性污水在流動(dòng)過(guò)程中，前端進(jìn)入的污水推動(dòng)后端的污水流出，污水經(jīng)過(guò)整個(gè)池內(nèi)的容積所形成的停留時(shí)間進(jìn)行衰變。這種方式相對(duì)簡(jiǎn)單(圖1)，污水經(jīng)過(guò)3段后排放，池內(nèi)采用不完全分隔的隔墻，其內(nèi)部完全相通。由于進(jìn)入衰變池的污水含有一些固體雜質(zhì)，采用導(dǎo)流墻進(jìn)行導(dǎo)流，其布局形成水流的阻力較小，不易形成堵塞，且其底部的污泥清理相對(duì)方便。

隔艙導(dǎo)流管導(dǎo)流的衰變池采用導(dǎo)流管將各個(gè)獨(dú)立隔艙的污水流通相連，依靠重力將水從下部經(jīng)上部溢出(圖2)。導(dǎo)流管設(shè)置時(shí)，還需結(jié)合隔艙內(nèi)水流的方向。這種方式較導(dǎo)流墻導(dǎo)流減少了垂直方向的短流問(wèn)題，停留的死角更小。但是，下部的污泥易在前部的隔艙內(nèi)沉積，污水的上下流動(dòng)也增加了污水在衰變池內(nèi)的水頭損失。

對(duì)比導(dǎo)流墻導(dǎo)流與隔艙導(dǎo)流管的導(dǎo)流流線，其衰變池實(shí)際停留時(shí)間(T1)有所不同。導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式，由于有隔墻的間距，存在水流的最近與最遠(yuǎn)距離，而隔艙導(dǎo)流管方式對(duì)水流行程而言，其距離基本是一致的，其停留時(shí)間相對(duì)也是穩(wěn)定的。導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式的隔墻通常為隔墻長(zhǎng)的1/4～1/3，現(xiàn)有可能出現(xiàn)最近與最遠(yuǎn)的行程，即設(shè)計(jì)中存在實(shí)際停留時(shí)間與理論停留時(shí)間的差異，導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式需按最不利的行程確定，在最短的行程距離停留也需滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需的停留時(shí)間。兩者之間可能存在的停留時(shí)間差可通過(guò)式(1)計(jì)算。

設(shè)衰變池的長(zhǎng)度為a，寬度為b，采用2個(gè)隔墻，隔墻按1/3的寬度開(kāi)口。衰變池水位的高度h無(wú)明顯的變化，則其停留時(shí)間差如式(1)。

ΔT=Tc-Td

(1)

其中：ΔT——停留時(shí)間差,d；

Tc——實(shí)際停留最長(zhǎng)時(shí)間,d；

Td——實(shí)際停留最短時(shí)間,d。

最長(zhǎng)距離按靠近墻側(cè)的流線、最短距離按隔墻開(kāi)口處計(jì)。停留時(shí)間為行程的實(shí)際距離除以水流的速度。假設(shè)衰變池中的進(jìn)出水流速均衡一致，則停留時(shí)間差也可用行程的距離差來(lái)表示，如式(2)。

(2)

其中：ΔL——實(shí)際行程距離差，m；

Lc——水流的實(shí)際最長(zhǎng)行程，m；

Ld——水流的實(shí)際最短行程，m。

現(xiàn)以某實(shí)際工程項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的衰變池為例，其平面尺寸為4.5 m(a)×2.0 m(b)，采用了導(dǎo)流墻導(dǎo)流的方式。按式(2)計(jì)算，ΔL=7.5-5.64=1.86 m，其兩者相差1.33倍。由此可見(jiàn)，導(dǎo)流的合理設(shè)計(jì)對(duì)于導(dǎo)流墻的導(dǎo)流方式非常重要。可以看出，開(kāi)口的部位不宜太大，但還需要考慮檢修的最小尺寸，設(shè)計(jì)最終采用0.5 m的開(kāi)口寬度。在實(shí)際工程中，導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式的放射性廢水停留時(shí)間宜考慮一定的余量。

2種導(dǎo)流方式的特點(diǎn)如表1所示。

表1 連續(xù)式衰變池導(dǎo)流方式的對(duì)比Tab.1 Comparison of Flow Patterns in Continuous Decay Pools

2.2 垂直方向?qū)Я鞯脑O(shè)計(jì)

采用導(dǎo)流墻進(jìn)行導(dǎo)流時(shí)，其進(jìn)水、出水在垂直方向上需錯(cuò)開(kāi)。若均從上部預(yù)留管道時(shí)，可將進(jìn)水管插入衰變池中間高度以下的位置，如圖1(a)的剖面圖，確保水流在平面和垂直方向上盡量避免出現(xiàn)短流。

對(duì)于隔艙導(dǎo)流管分隔的情況，其導(dǎo)流管也需將進(jìn)出水的標(biāo)高錯(cuò)開(kāi)，其導(dǎo)流管的管徑不宜太小，可按進(jìn)水管的管徑放大兩檔。建議在水面上部開(kāi)設(shè)通氣孔，使池內(nèi)的氣流暢通，有利于減少水流的阻力。同時(shí)，由于每個(gè)隔艙相對(duì)獨(dú)立，在隔艙內(nèi)均需考慮設(shè)檢查孔。

2.3 導(dǎo)流墻導(dǎo)流的改進(jìn)

為克服導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式存在的局部回流問(wèn)題，在衰變池的轉(zhuǎn)角處設(shè)沿水流方向的圓滑倒角，如圖3所示。這樣既有導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式的自身優(yōu)勢(shì)，又兼顧了隔艙導(dǎo)流管導(dǎo)流方式的優(yōu)點(diǎn)，以防止污水的局部回流。

圖3 導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式的改進(jìn)Fig.3 Improvement of Diversion Model of Diversion Wall in Continuous Decay Pool

倒角的半徑(R)與隔墻開(kāi)口的長(zhǎng)度有關(guān)，可取隔墻開(kāi)口長(zhǎng)度的一半。需要注意的是，這種改進(jìn)后衰變池的容積應(yīng)有所增加，衰變池的容積需補(bǔ)償?shù)菇撬加玫捏w積。

2.4 需要注意的問(wèn)題與措施

由于導(dǎo)流方式的不同，需注意在檢修人孔、通氣、沉淀物處理等方面的問(wèn)題。

2.4.1 檢修人孔的設(shè)置

衰變池內(nèi)需設(shè)置檢修人孔、檢修爬梯等，以便池內(nèi)清通、酸洗。檢修人孔宜靠近需檢修的部位，且需便于人員操作。不同導(dǎo)流方式的要求有所不同，對(duì)于隔艙導(dǎo)流管，需在每個(gè)隔艙內(nèi)設(shè)置檢修人孔；對(duì)于導(dǎo)流墻導(dǎo)流，可在進(jìn)出水的位置分別設(shè)置檢修人孔。

檢修蓋板的人孔應(yīng)密閉。為防止上部的振動(dòng)，可在井蓋的下部設(shè)橡膠墊圈隔振，同時(shí)滿(mǎn)足密閉的要求。其蓋板宜有鎖定裝置，表面需設(shè)有輻射防護(hù)標(biāo)識(shí)。

2.4.2 通氣的設(shè)計(jì)

值得注意的是，衰變池中污水的停留時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)化糞池內(nèi)污水的停留時(shí)間，衰變池內(nèi)的污水易產(chǎn)生厭氧氣體。由于其空間相對(duì)密閉，可形成壓力氣體，有產(chǎn)生爆炸的可能性，僅靠前后排水管內(nèi)非滿(mǎn)流部分的管道來(lái)通氣，效果不好。導(dǎo)流隔墻的水面上部宜開(kāi)孔洞使內(nèi)部空間流動(dòng)，除滿(mǎn)足通氣外，也有利于改善水力條件。為防止環(huán)境污染和爆炸，建議在衰變池內(nèi)設(shè)通氣管與大氣相通，并考慮排放到室外一定的高度。若采用壓力排水進(jìn)入，在進(jìn)水管的水位上宜設(shè)虹吸破壞孔，防止污水的虹吸倒流。在隔艙導(dǎo)流管上，宜設(shè)用于清通的管堵，如圖4所示。

圖4 連續(xù)式衰變池進(jìn)水管的虹吸破壞、清通和防水措施Fig.4 Siphon Failure, Clearance and Waterproofing of Inlet Pipe of Continuous Decay Pool

此外，進(jìn)出衰變池的管道處需設(shè)置防水套管(圖4)，一方面，防止進(jìn)入地下室；另一方面，防止放射性污水外滲，污染地下環(huán)境。為了防止輻射泄露，衰變池的進(jìn)水管應(yīng)有一定厚度的屏蔽蓋板。通常，搭接部位至少要有10倍縫隙的寬度，以減小散射輻射的泄漏。

2.4.3 沉淀物的處理

雖然在衰變池前采取了一定的措施來(lái)減小大體積的固形物，但池內(nèi)還會(huì)有污泥的沉淀。通常，醫(yī)院污水按32P的處理來(lái)控制時(shí)間，其半衰期為14.26 d，計(jì)算停留時(shí)間為10個(gè)半衰期，即142.6 d。由于停留時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的化糞池內(nèi)污水的停留時(shí)間，因此，在衰變池的底部，應(yīng)設(shè)有坡度，便于污泥的排放。這對(duì)于導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式尤為重要，其坡度設(shè)置也有利于排水的流向。對(duì)于隔艙導(dǎo)流管方式，當(dāng)衰變池內(nèi)有沉渣難以排出時(shí)，可進(jìn)行酸化預(yù)處理后再排出，也可在池內(nèi)配置高壓水槍沖洗裝置，防止污泥硬化淤積。

由于衰變池不同于化糞池，在衰變池的深度上不作最低深度(高度)的要求。衰變池應(yīng)綜合考慮污泥沉淀、清掏污泥、埋設(shè)深度、經(jīng)濟(jì)性和檢修人員的安全性等因素來(lái)確定其深度。

此外，在衰變池的前后還應(yīng)設(shè)置檢查井(監(jiān)測(cè)井)，用于抽樣檢測(cè)其放射性的強(qiáng)度。在有傳染病人群或疫情時(shí)使用，其污水不同于一般的醫(yī)院污水，還應(yīng)先進(jìn)行消毒處理，再進(jìn)行衰變處理。針對(duì)公共衛(wèi)生應(yīng)急處理的情況，建議在衰變池的進(jìn)水口處增加投藥消毒，其檢查口設(shè)置在污水的進(jìn)水口附近很有必要。

3 結(jié)論

醫(yī)療建筑低放射性污水的處理既是水質(zhì)處理的問(wèn)題，也是環(huán)境保護(hù)和衛(wèi)生的問(wèn)題。在連續(xù)式衰變池設(shè)計(jì)中，導(dǎo)流方式是保證衰變停留時(shí)間的重要環(huán)節(jié)之一。連續(xù)式衰變池內(nèi)的布局應(yīng)設(shè)有防止進(jìn)出水短流的裝置。污水的進(jìn)水水流無(wú)論是在水平方向還是在垂直方向上，需確保流線最長(zhǎng)。

比較連續(xù)式衰變池設(shè)計(jì)中的導(dǎo)流墻導(dǎo)流方式與隔艙導(dǎo)流管方式，導(dǎo)流墻方式在工程中的應(yīng)用相對(duì)較多，其相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于減少衰變池內(nèi)的堵塞。當(dāng)采用重力排水時(shí)，宜下部進(jìn)水上部出水；當(dāng)采用壓力排水時(shí)，宜上部進(jìn)水下部提升排水。但其實(shí)際停留的時(shí)間與隔墻的開(kāi)口尺寸有很大的關(guān)系。建議在設(shè)計(jì)中考慮1.3左右的有效容積系數(shù)，以確保其足夠的處理停留時(shí)間。而隔艙導(dǎo)流管方式垂直方向上的導(dǎo)流效果較好，污水的回流相對(duì)較少，其有效容積可以控制，適用于對(duì)處理要求嚴(yán)格、出水穩(wěn)定的情況，但這種方式隔艙內(nèi)污泥的清理相對(duì)困難一些。

此外還需注意，在每個(gè)隔墻之間或隔艙中，宜設(shè)檢查人孔，關(guān)注衰變池中通氣、沉淀物的問(wèn)題。疫情期間，可在衰變池進(jìn)水入口處增加投藥消毒的技術(shù)措施。