放射性廢水衰變池優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮 曉

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的放射性廢液主要是患者和受檢者的排泄物與嘔吐物、放射性藥物與試劑的殘留液、放射性器皿及放射性工作人員的洗滌液等。這些廢液會(huì)隨污水排入醫(yī)院的下水道系統(tǒng)，再排放到院外環(huán)境中去。如果產(chǎn)生的大量放射性廢水不進(jìn)行處理或處理不到標(biāo)就直接排放，就會(huì)造成周邊地區(qū)的輻射污染，危害公眾的身體健康。因此，核醫(yī)學(xué)單位的放射性廢水管理具有重要意義[1]。

對(duì)核醫(yī)學(xué)衰變池的研究比較多，研究的角度也比較廣泛。2009年，郭進(jìn)瑞等[2]從核醫(yī)學(xué)科放射性廢水池防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，其主要是針對(duì)放射性濃度進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析；2013年，李利等[3]從溢流式放射性廢水衰變池優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，以增設(shè)折流槽將溢流式衰變池改造為折流式衰變池方面考慮；2014年，李慧等[4]從放射性廢物的處理處置情況，分析低放射性廢水處理工程的設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。這些文章在很大程度上都是計(jì)算放射性廢水濃度的或通過改變?cè)O(shè)計(jì)來增加衰變時(shí)間進(jìn)行分析研究，而實(shí)際上，改變?cè)O(shè)計(jì)來增加衰變時(shí)間，在一定程度上會(huì)使衰變?nèi)萜鞯捏w積增大，這從環(huán)保的角度上，不一定是最優(yōu)化的措施。

為處理不達(dá)標(biāo)的排放廢水，按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定，核醫(yī)學(xué)診療產(chǎn)生的放射性廢液及患者的放射性排泄物應(yīng)單獨(dú)收集在放射性衰變池中，直至符合排放要求。同時(shí)，為了給醫(yī)院核醫(yī)學(xué)的發(fā)展和排放標(biāo)準(zhǔn)的變化留下一定的安全空間，這就需要考慮其設(shè)計(jì)帶來的相關(guān)問題。因此，本文基于放射性核素衰變理論，結(jié)合衰變池輻射防護(hù)的發(fā)展需求、周圍環(huán)境空間格局、環(huán)境現(xiàn)狀等特點(diǎn)，對(duì)其輻射防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 物理模型

1.1 衰變池設(shè)計(jì)原理概述

醫(yī)院放射性廢水處理系統(tǒng)即衰變池的設(shè)計(jì)，是根據(jù)放射性物質(zhì)隨時(shí)間進(jìn)行衰減的原理制成的，而放射性核素具有其自身固有的衰變規(guī)律，即只能靠其自然衰變來降低或消除。因此，將放射性廢水收集并集中儲(chǔ)存，儲(chǔ)存時(shí)間為放射性核素中最長(zhǎng)的10個(gè)半衰期或理論計(jì)算衰變期，即可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。而儲(chǔ)存的衰變期的時(shí)間及其需要的容積和相應(yīng)的輻射防護(hù)措施，正是衰變池需要考慮的問題[5]。

1.2 放射性核素衰變參數(shù)

目前，醫(yī)院常用的放射性藥物有18F、99mTc、24Ne、131I、32P、125I等，其半衰期分別為110 min、6.02 h、15 h、8.04 d、14 d、59.5 d。

2 理論計(jì)算

2.1 放射性活度計(jì)算

衰變池的容積根據(jù)具體的排污量設(shè)計(jì)，衰變池的個(gè)數(shù)至少設(shè)2個(gè)，只要在最后一個(gè)衰變池注滿水前，第1個(gè)衰變池儲(chǔ)存污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)即可[3]。

假定每天排入衰變池的污水中含有活度為N0的放射性核素，經(jīng)過一定時(shí)間t后其放射性活度變?yōu)椋?/p>

Nt=N0e-λt

(1)

式中，N0為每天排入衰變池的核素活度；Nt為N0經(jīng)過t時(shí)間后的活度；t為時(shí)間；λ為衰變常數(shù)，不同的核素λ值不同。

廢水中核素的每一級(jí)衰變池出口處的平均活度值的計(jì)算公式為：

(2)

2.2 ALImin的確定

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，放射性核素j的年攝入量限值的計(jì)算表達(dá)式[4]：

(3)

式中，DL為相應(yīng)的有效劑量的年劑量限值；ej為核素j的單位攝入量所致的待積有效劑量的相應(yīng)值。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的放射性核素(18F、99mTc、24Ne、131I、32P、125I)吸入或食入的e(g)情況，來確定吸入或食入最大值，其值分別為：5.4×10-11、2.2×10-11、2.2×10-8、2.2×10-8、2.4×10-9、1.5×10-8。

2.3 池體設(shè)計(jì)

用于儲(chǔ)存放射性廢水衰變池的大小，應(yīng)根據(jù)廢液量進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以是每個(gè)衰變池應(yīng)容納1個(gè)月的廢液量為宜，則每個(gè)池子從進(jìn)水到注滿約計(jì)1個(gè)月的時(shí)間(簡(jiǎn)稱月滿法)。或者以水力停留的時(shí)間值，來設(shè)計(jì)每個(gè)衰變池應(yīng)容納的廢液量(簡(jiǎn)稱理論值法)。根據(jù)醫(yī)院的實(shí)際情況，衰變池的數(shù)量至少2個(gè)以上，3個(gè)較為適宜。

3 方程的初始條件

某醫(yī)院建有核醫(yī)學(xué)病房(病床為6張)和診療室(最大接診量為10人)。主要核素為18F、99mTc、131I。病房衛(wèi)生間每天污水排放量為180 L/人，核醫(yī)學(xué)科候診室污水水排放量為20 L/人。醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科各放射性藥物經(jīng)人體后的排放量分別為：1.11×109、1.85×108、1.95×109。

放射性廢水排放量為1 280 L/d。同時(shí)，考慮最長(zhǎng)半衰期同位素的10個(gè)半衰期計(jì)算，則最長(zhǎng)為131I的衰變時(shí)間為81 d，考慮安全系數(shù)1.1，則衰變池的有效池容為114 m3。同時(shí)，考慮雙控指標(biāo)因素，水力停留時(shí)間設(shè)計(jì)取值為89 d，考慮安全系數(shù)1.1，則衰變池的有效池容為126 m3。

4 處理效果驗(yàn)證及計(jì)算

4.1 處理效果驗(yàn)證

以每天產(chǎn)生的初始活度值1.95×109Bq為基數(shù)，分別以月滿法和理論值法計(jì)算經(jīng)過相應(yīng)的衰變后各自單獨(dú)的活度值。第1種方式為1級(jí)衰變池儲(chǔ)存30 d后排入2級(jí)衰變池，以此推理，最后存留剩下的天數(shù)進(jìn)行衰變(簡(jiǎn)稱時(shí)間串聯(lián)衰變)；第2種方式為在衰變池分別儲(chǔ)存相應(yīng)的天數(shù)，依次將儲(chǔ)存了相應(yīng)天數(shù)后的不同活度值的廢水的平均活度值作為每天排入下一級(jí)衰變池內(nèi)的入口活度值，最終將第2或3級(jí)衰變池出口處的排放活度值作為每天排入環(huán)境中的活度值(簡(jiǎn)稱時(shí)間并聯(lián)衰變)。在時(shí)間串聯(lián)衰變中，有2種時(shí)間串聯(lián)方式，如1級(jí)衰變池儲(chǔ)存30 d后排入2級(jí)衰變池儲(chǔ)存30 d，最后存留剩下的天數(shù)進(jìn)行衰變，稱為月滿時(shí)間串聯(lián)衰變；如1級(jí)衰變池儲(chǔ)存30 d后排入2級(jí)衰變池存留剩下的天數(shù)進(jìn)行衰變，稱為月余時(shí)間串聯(lián)衰變。這里考慮2種情況下的天數(shù)：①理論值法的衰期天數(shù)(如89 d)；②最長(zhǎng)半衰期的10個(gè)半衰期天數(shù)(如81 d)。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

不同衰變池級(jí)次下的衰變后的平均活度如圖1所示。不同時(shí)間串聯(lián)衰變級(jí)次下的衰變后的平均活度如圖2所示。

圖1 不同衰變池級(jí)次下的衰變后的平均活度

圖2 不同時(shí)間串聯(lián)衰變級(jí)次下衰變后的平均活度

由圖1計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)2級(jí)或3級(jí)不同衰變池級(jí)次處理后的出水中每天排放的平均活度值分別已降至(1.43～7.59)×105Bq，若按每天一次排放考慮，則每次排放的平均活度為(1.43～7.59)×105Bq；每月按30 d運(yùn)行考慮，則每月排放的平均活度為(1.43～7.59)×106Bq。每月排放的活度值的標(biāo)準(zhǔn)是10ALImin，即9.09×106Bq，對(duì)每次排放的活度值要求是ALImin即9.09×105Bq。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)可知，在日常運(yùn)行過程中，每月和單次排放的放射性活度值均滿足相關(guān)限值的要求。

由圖2計(jì)算結(jié)果可知，經(jīng)2級(jí)或3級(jí)不同時(shí)間串聯(lián)衰變級(jí)次下的衰變后的平均活度，在以10個(gè)半衰期天數(shù)情況下的月余時(shí)間串聯(lián)濃度不符合排放要求；以理論計(jì)算計(jì)算值的衰期天數(shù)情況下，月余時(shí)間串聯(lián)與月滿時(shí)間串聯(lián)均符合要求。這說明在時(shí)間串聯(lián)上，應(yīng)該考慮理論值法的衰期天數(shù)和半衰期天數(shù)進(jìn)行比較，以最長(zhǎng)衰期天數(shù)為基準(zhǔn)。

按每天排入的廢液容量1 280 L計(jì)算，30 d衰變池的廢液總量為38.4 m3，廢液的放射性濃度為(0.37～1.98)×104 Bq/L，如果按81 d和89 d衰變，其廢液的放射性濃度將更小， 符合相關(guān)規(guī)定的放射性廢水排放標(biāo)準(zhǔn)(3.7 ×102 ～3.7 ×105 Bq/L)的要求[6-7]。

5 結(jié)論

本文給出了不同聯(lián)級(jí)衰變級(jí)次下衰變后的平均濃度，僅考慮特定濃度的情況串并聯(lián)衰變級(jí)次下的平均濃度。結(jié)果表明，采用串聯(lián)衰變級(jí)次下排放的平均濃度小于并聯(lián)衰變級(jí)次下排放的平均濃度，同時(shí)串聯(lián)衰變的級(jí)次較少，這也為實(shí)際應(yīng)用節(jié)省了成本與資源。

在理論計(jì)算模型中，對(duì)排放的平均濃度只進(jìn)行了局部范圍內(nèi)的計(jì)算比較；同時(shí)，在進(jìn)行理論模型分析時(shí)，沒有考慮理論與實(shí)際測(cè)量情況的比對(duì)，這將在以后的工作中進(jìn)行。