反滲透技術(shù)在放射性廢水處理中的應(yīng)用研究

1、 華北水利水電大學(xué) North China University of Water Resources and Electric Power 課 堂 論 文題目 反滲透技術(shù)在放射性廢水處理中的應(yīng)用研究學(xué) 院 環(huán)境與市政工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 應(yīng)用化學(xué) 姓 名 曹行 學(xué) 號(hào) 201414126 指導(dǎo)教師 楊子彥 完成時(shí)間 2017.5.2 教務(wù)處制反滲透技術(shù)在放射性廢水處理中的應(yīng)用研究摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的處理放射性廢水工作中存在的問(wèn)題，提出采用反滲透分離技術(shù)處理低水平放射性廢水，綜述反滲透技術(shù)在放射性廢水處理中的研究和應(yīng)用進(jìn)展，并指出反滲透技術(shù)在放射性廢水處理中的重要性。關(guān)鍵字：放射性廢水、處理工藝、研究

2、現(xiàn)狀、反滲透一、 引言隨著軍、民核工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的放射性廢水。傳統(tǒng)處理放射性廢水的方法主要是絮凝沉淀法、過(guò)濾法、離子交換法、蒸發(fā)法或這幾種工藝的組合。其中絮凝沉淀法在工程實(shí)踐中極易造成管路堵塞， 而影響了該方法在放射性廢水處理中的應(yīng)用。過(guò)濾法一般去污系數(shù)較低。廢離子交換樹(shù)脂的安全、穩(wěn)定處理是工程上的難點(diǎn)。蒸發(fā)工藝面臨耗能以及蒸殘液的處理問(wèn)題。因此新型的放射性廢水處理方法引起了越來(lái)越多的關(guān)注1。20世紀(jì)70年代，以反滲透為代表的膜分離法被逐步在核工業(yè)的放射性廢水處理中得到了應(yīng)用。膜分離技術(shù)具有低能耗、物料無(wú)相變、去污系數(shù)高、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于管理和維護(hù)等特點(diǎn)，是一種放射性廢水處理的

3、新方法， 具有廣泛的應(yīng)用前景2。運(yùn)用于放射性廢水處理中膜技術(shù)主要有微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、電滲析（ED）、膜蒸餾（MD）等方法， 以及這些工藝的組合。二、 膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介隨著20世紀(jì)60年代美國(guó)埃克森公司誕生了第一張工業(yè)用膜，膜技術(shù)就進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。膜技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展， 以其獨(dú)特的優(yōu)越性， 目前在工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用。膜分離是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，當(dāng)膜兩側(cè)存在推動(dòng)力時(shí)，原料的組分可透過(guò)選擇膜而對(duì)混合物進(jìn)行分離、提純、濃縮的一種分離過(guò)程。這過(guò)程是一種物理過(guò)程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜依據(jù)其孔徑的不同， 可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透

4、膜等。根據(jù)膜材料的不同可分為無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜，無(wú)機(jī)膜主要是陶瓷膜和金屬膜。有機(jī)膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等。三、 膜技術(shù)在放射性廢水處理的應(yīng)用膜技術(shù)首先應(yīng)用于海水淡化和純水的制備工藝中， 經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展， 已經(jīng)應(yīng)用于中、低放廢水的處理工藝中。Grazyna Zakrzewska-Trznadel研究表明，膜技術(shù)應(yīng)用于放射性廢水處理中具有較高的去污因子，設(shè)備體積小，耗能低，可以在適中的溫度和壓力條件下進(jìn)行操作，靈活易擴(kuò)展，能和其他工藝聯(lián)用等優(yōu)點(diǎn)，能就地處理放射性廢水，避免了少量廢液運(yùn)輸?shù)街醒敕派湫詮U物處理設(shè)施。圖1為核化學(xué)與工藝研究所設(shè)計(jì)的放射性廢水處理

5、裝置。該裝置采用采用微濾三級(jí)反滲透工藝，能夠用于初級(jí)放射性廢物處理工藝，也能用于蒸發(fā)工藝中產(chǎn)生的蒸殘液的最終處理。圖1 波蘭反滲透廢水處理工藝HaiyangLiu等研究了直接接觸式膜蒸餾法用于處理低放廢水。該工藝能夠從廢水中分離Cs+、Sr2+、Co2+等， 其工藝流程示意圖見(jiàn)圖2所示。圖2 直接接觸式膜蒸餾處理工藝示意圖李俊峰等3研究了研究了硅藻土過(guò)濾器+兩級(jí)反滲透膜+離子交換工藝在放射性廢水處理中的應(yīng)用。其處理流量200L/h。研究表明，第一級(jí)和第二級(jí)反滲透膜對(duì)放射性核素的去除效率為95%98%，兩級(jí)反滲透膜的總?cè)コ蚀笥?9.9%。對(duì)于放射性活度濃度為32290Bq/L的原水經(jīng)上述系統(tǒng)

6、處理后其放射性活度濃度低于1.1Bq/L。其工藝流程圖見(jiàn)圖3所示。該處理工藝的出水完全滿(mǎn)足內(nèi)陸核電排放要求。圖3 反滲透處理放射性廢水工藝流程圖鄧玥等4研究了采用膜技術(shù)處理單元的可移動(dòng)式放射性廢水處理裝置。該處理技術(shù)采用絮凝沉淀并結(jié)合中空纖維膜微濾一體化處理工藝， 可對(duì)放射性總活度小于40000Bq/L、總固體含量小于10mg/L的含鈾、钚、镅低放廢水及含裂片核素鍶、銫低放廢水進(jìn)行處理。處理后廢水總放射性1Bq/L，總放射性10Bq/L。該處理工藝流程見(jiàn)圖4所示。圖4 可移動(dòng)式放射性廢水處理裝置工藝流程簡(jiǎn)圖四、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于放射性廢水會(huì)對(duì)環(huán)境和人類(lèi)造成危害，因此必須對(duì)之進(jìn)行有效的處理，各

7、國(guó)為此開(kāi)展了大量放射性廢水處理技術(shù)的研究5。4.1美國(guó)美國(guó)最早是通過(guò)修建地上蓄水池或者地下滲溝來(lái)排放低放射性廢水，然后再通過(guò)天然蒸發(fā)和地下滲流來(lái)處理。但是由于該方法造成了地下水和周?chē)h(huán)境的嚴(yán)重污染，美國(guó)國(guó)會(huì)于1987年發(fā)布法令，要求1995年前停止這種處理方法。隨后美國(guó)相繼發(fā)展了無(wú)機(jī)離子吸附超濾技術(shù)、壓縮蒸發(fā)一反滲透處理技術(shù)和旋轉(zhuǎn)超濾技術(shù)等。4.2法國(guó)法國(guó)很多地方采用共沉淀處理工藝來(lái)處理低放廢水，例如阿格后處理廠和馬庫(kù)爾核研究中心。有的核電站也采用離子交換、反滲透或蒸發(fā)處理技術(shù)。4.3俄羅斯1993年前蘇聯(lián)是向北冰洋直接排放放射性廢水的，近來(lái)俄羅斯提出了“零排放”的概念，就是低放廢水首先被暫存

8、在廢液罐內(nèi)，之后廢液經(jīng)過(guò)沉淀、過(guò)濾、離子交換得到深度凈化，凈化后的水重復(fù)利用。4.4中國(guó)我國(guó)早期主要采用沉淀和天然蒸發(fā)池工藝?，F(xiàn)在也發(fā)展了共沉淀、選擇性吸附、膜分離、以及鐵鹽絮凝沉淀、超濾法、超濾(UF)、反滲透(RO)一電滲析(ED)組合的化學(xué)工藝等。并于2011年在河南成功研制出一項(xiàng)可快速、高效吸附、過(guò)濾核污染廢水的新技術(shù)。利用這一新技術(shù)制作的新材料一催化生物陶，它不是一般意義上的陶瓷，也不同于傳統(tǒng)的吸附材料，而是一種具有定向選擇性功能的高效吸附材料，可用于防治放射性物質(zhì)131I及其他放射性碘同位素的擴(kuò)散。檢測(cè)顯示，將10 g這種催化生物陶顆粒，浸泡在含有12640貝克/升的放射性131I

9、的核廢水中20 min，可以吸附固定高達(dá)9997的放射性物質(zhì)131I；同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)顯示，利用這種新材料過(guò)濾放射性高達(dá)185萬(wàn)貝克/升的125I廢水，僅用5 min的水力停留時(shí)問(wèn)，放射性125I去除率高達(dá)92。五、 反滲透技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀反滲透對(duì)進(jìn)水水質(zhì)具有嚴(yán)格的要求，廢水在進(jìn)入反滲透裝置之前，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。傳統(tǒng)的預(yù)處理為“石英砂過(guò)濾一活性炭吸附過(guò)濾一精密纖維過(guò)濾”工藝，這種預(yù)處理工藝運(yùn)用于放射性廢水的處理，存在很多問(wèn)題：占地多；體積和重量大；集成度低；處理效果不穩(wěn)定；產(chǎn)生的二次廢物多等。而如果將超濾和微濾作為反滲透的預(yù)處理，可以有效提高預(yù)處理系統(tǒng)

10、產(chǎn)水即反滲透的進(jìn)水水質(zhì)，促進(jìn)反滲透膜系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的設(shè)備效率。5.1傳統(tǒng)預(yù)處理+反滲透Antonina PKryvoruchko研究了NaCl和聚丙烯酰胺的存在對(duì)復(fù)合反滲透膜去除137Cs和90Sr的影響。結(jié)果表明NaCl(1 gL)的加入會(huì)降低去除效果，加入聚丙烯酰胺則能提高去除率且去除效果隨加入量的增加而提高。李楷君等用反滲透技術(shù)處理低放廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，總、去除率比Fe3+、C02+、MB2+、Sr2+、Cr3+等核素的去除率更高。美國(guó)Nine Mile Point和Pilgrim核電廠安裝Thermex反滲透系統(tǒng)處理電廠的低放廢水，降低了污水排放量，減少了處理過(guò)程中固體廢物的產(chǎn)

11、生量以延長(zhǎng)廢物庫(kù)使用周期，同時(shí)降低了廢水處理成本。Nine Mile Point核電廠所采用的Thermex系統(tǒng)流程見(jiàn)圖5 。圖5 Thermex反滲透放射性廢水處理系統(tǒng)5.2超濾+反滲透1998年，美國(guó)WolfCreek核電廠建成了一套“超濾-+反滲透”廢水處理系統(tǒng)，用于處理該廠的地排水、反應(yīng)堆排水、廢樹(shù)脂滲出水和各種雜質(zhì)排廢水等，系統(tǒng)流程見(jiàn)圖6。廢水先由管式超濾處理，超濾的濃縮水進(jìn)行循環(huán)，透過(guò)水進(jìn)入2級(jí)反滲透系統(tǒng)。在反滲透部分，第l級(jí)透過(guò)水進(jìn)入第2級(jí)深度過(guò)濾，第2級(jí)的濃縮水進(jìn)行循環(huán)而透過(guò)水進(jìn)到精處理床，精處理床的出水合格即可排放。而第l級(jí)濃縮水再用一段海水淡化反滲透膜進(jìn)行濃縮，濃縮水最后進(jìn)

12、入轉(zhuǎn)鼓干燥裝置處理。加拿大Bruce核電廠蒸汽發(fā)生器和熱交換器清洗產(chǎn)生的含乙二銨四乙酸(EDTA)的清洗廢水的處理工藝中也包含了“超濾一反滲透”的單元?；瘜W(xué)清洗廢水先經(jīng)過(guò)濕空氣氧化將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為C02和水，然后用高溫空氣吹脫去除剩余的氨，出水再進(jìn)入超濾和反滲透處理。系統(tǒng)所用的超濾膜為Zenon公司的ZPF-12管式膜，反滲透膜為陶氏SW30HR膜。美國(guó)Dresden壓水堆核電廠2個(gè)廢水儲(chǔ)存罐裝有總體積為1440 m3被超鈾元素污染的低放廢水，用“超濾反滲透”進(jìn)行濃縮，將廢水體積減小到了原來(lái)的1/10，并且透過(guò)水也達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)Comanche Peak壓水堆核電廠原來(lái)采用“過(guò)濾離子交換”

13、工藝處理地排水、樹(shù)脂罐泄放水和硼回收系統(tǒng)排水，為了降低運(yùn)行成本，后建成一套“超濾反滲透離子交換”的中試裝置。中試結(jié)果表明：該中試系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于老系統(tǒng)，且出水能夠始終保證符合排放標(biāo)準(zhǔn)；“超濾反滲透”系統(tǒng)處理得到151 m3透過(guò)水的同時(shí)只產(chǎn)生了151 L的濃縮水，濃縮因數(shù)高達(dá)1000；“超濾反滲透”工藝能夠節(jié)省40%50的材料成本，但對(duì)于濃縮水的處理會(huì)消耗一部分費(fèi)用。圖6 Wolf Creek 核電廠的反滲透放射性廢水處理系統(tǒng)5.3 微濾+反滲透位于美國(guó)Savannah River的某處理工廠用于處理某核設(shè)施排出的放射性廢水，其采用的工藝為“陶瓷膜微濾活性炭過(guò)濾反滲透離子交換”，工藝流程見(jiàn)圖7。

14、所用的陶瓷微濾膜孔徑為0.2m，采取錯(cuò)流過(guò)濾的方式；反滲透系統(tǒng)由3級(jí)組成，第1級(jí)包括2個(gè)內(nèi)裝6只卷式膜的壓力容器，第2、3級(jí)各有1個(gè)壓力容器。所處理的廢水含有大量主要成分為NaN03的溶解鹽。該系統(tǒng)自1988年運(yùn)行以來(lái)，出水符合排放標(biāo)準(zhǔn)，但存在微濾膜易遭到微生物污染的問(wèn)題。圖7 Savannah River 工廠放射性廢水處理系統(tǒng)六、 結(jié)語(yǔ)核動(dòng)力裝置運(yùn)行、維修和退役過(guò)程中會(huì)間歇產(chǎn)生各種類(lèi)型的放射性廢水，這些廢水通常暫存在貯存水池中，再集中送至廢水處理車(chē)間進(jìn)行處理，暫存廢水長(zhǎng)期占用水池并在水池間互相倒換，不僅影響核動(dòng)力裝置的維護(hù)保養(yǎng)，而且會(huì)導(dǎo)致廢水水質(zhì)交叉污染。傳統(tǒng)的“老三段”工藝無(wú)法解決這些問(wèn)題，而反滲透法處理工藝則可為放射性廢水的處理開(kāi)辟一條新的途徑，使得上述難題的解決成為可能。反滲透法處理工藝還能解決現(xiàn)役處理設(shè)施在實(shí)際運(yùn)行中暴露出的二次廢物產(chǎn)生量大、處理成本高等問(wèn)題，對(duì)提高處理低放廢水的水平、節(jié)約經(jīng)費(fèi)及保護(hù)周邊的環(huán)境具有顯著的意義。7參考文獻(xiàn)：1 王欣鵬,蒯琳萍,邵嘉慧,等.反滲透技術(shù)處理壓水堆一回路放射性廢水試驗(yàn)研究J水處理技術(shù)，2011(08)