反滲透技術在放射性廢水處理中的應用研究

1、 華北水利水電大學 North China University of Water Resources and Electric Power 課 堂 論 文題目 反滲透技術在放射性廢水處理中的應用研究學 院 環(huán)境與市政工程學院 專 業(yè) 應用化學 姓 名 曹行 學 號 201414126 指導教師 楊子彥 完成時間 2017.5.2 教務處制反滲透技術在放射性廢水處理中的應用研究摘要：針對傳統(tǒng)的處理放射性廢水工作中存在的問題，提出采用反滲透分離技術處理低水平放射性廢水，綜述反滲透技術在放射性廢水處理中的研究和應用進展，并指出反滲透技術在放射性廢水處理中的重要性。關鍵字：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用。過濾法一般去污系數(shù)較低。廢離子交換樹脂的安全、穩(wěn)定處理是工程上的難點。蒸發(fā)工藝面臨耗能以及蒸殘液的處理問題。因此新型的放射性廢水處理方法引起了越來越多的關注1。20世紀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用。膜分離技術具有低能耗、物料無相變、去污系數(shù)高、操作簡便、設備簡單、易于管理和維護等特點，是一種放射性廢水處理的

3、新方法， 具有廣泛的應用前景2。運用于放射性廢水處理中膜技術主要有微濾（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、 膜分離技術簡介隨著20世紀60年代美國?？松菊Q生了第一張工業(yè)用膜，膜技術就進入快速發(fā)展時期。膜技術經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展， 以其獨特的優(yōu)越性， 目前在工業(yè)中已得到廣泛的應用。膜分離是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，當膜兩側(cè)存在推動力時，原料的組分可透過選擇膜而對混合物進行分離、提純、濃縮的一種分離過程。這過程是一種物理過程，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機膜和有機膜，無機膜主要是陶瓷膜和金屬膜。有機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、 膜技術在放射性廢水處理的應用膜技術首先應用于海水淡化和純水的制備工藝中， 經(jīng)過不斷的發(fā)展， 已經(jīng)應用于中、低放廢水的處理工藝中。Grazyna Zakrzewska-Trznadel研究表明，膜技術應用于放射性廢水處理中具有較高的去污因子，設備體積小，耗能低，可以在適中的溫度和壓力條件下進行操作，靈活易擴展，能和其他工藝聯(lián)用等優(yōu)點，能就地處理放射性廢水，避免了少量廢液運輸?shù)街醒敕派湫詮U物處理設施。圖1為核化學與工藝研究所設計的放射性廢水處理

5、裝置。該裝置采用采用微濾三級反滲透工藝，能夠用于初級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濾器+兩級反滲透膜+離子交換工藝在放射性廢水處理中的應用。其處理流量200L/h。研究表明，第一級和第二級反滲透膜對放射性核素的去除效率為95%98%，兩級反滲透膜的總?cè)コ蚀笥?9.9%。對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。其工藝流程圖見圖3所示。該處理工藝的出水完全滿足內(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研究了采用膜技術處理單元的可移動式放射性廢水處理裝置。該處理技術采用絮凝沉淀并結(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。該處理工藝流程見圖4所示。圖4 可移動式放射性廢水處理裝置工藝流程簡圖四、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于放射性廢水會對環(huán)境和人類造成危害，因此必須對之進行有效的處理，各

7、國為此開展了大量放射性廢水處理技術的研究5。4.1美國美國最早是通過修建地上蓄水池或者地下滲溝來排放低放射性廢水，然后再通過天然蒸發(fā)和地下滲流來處理。但是由于該方法造成了地下水和周圍環(huán)境的嚴重污染，美國國會于1987年發(fā)布法令，要求1995年前停止這種處理方法。隨后美國相繼發(fā)展了無機離子吸附超濾技術、壓縮蒸發(fā)一反滲透處理技術和旋轉(zhuǎn)超濾技術等。4.2法國法國很多地方采用共沉淀處理工藝來處理低放廢水，例如阿格后處理廠和馬庫爾核研究中心。有的核電站也采用離子交換、反滲透或蒸發(fā)處理技術。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)過沉淀、過濾、離子交換得到深度凈化，凈化后的水重復利用。4.4中國我國早期主要采用沉淀和天然蒸發(fā)池工藝。現(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)組合的化學工藝等。并于2011年在河南成功研制出一項可快速、高效吸附、過濾核污染廢水的新技術。利用這一新技術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散。檢測顯示，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9997的放射性物質(zhì)131I；同時，中國科學院高能物理研究所核分析技術重點實驗室的檢測顯示，利用這種新材料過濾放射性高達185萬貝克/升的125I廢水，僅用5 min的水力停留時問，放射性125I去除率高達92。五、 反滲透技術應用現(xiàn)狀反滲透對進水水質(zhì)具有嚴格的要求，廢水在進入反滲透裝置之前，必須進行適當?shù)念A處理。傳統(tǒng)的預處理為“石英砂過濾一活性炭吸附過濾一精密纖維過濾”工藝，這種預處理工藝運用于放射性廢水的處理，存在很多問題：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處理，可以有效提高預處理系統(tǒng)

10、產(chǎn)水即反滲透的進水水質(zhì)，促進反滲透膜系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的設備效率。5.1傳統(tǒng)預處理+反滲透Antonina PKryvoruchko研究了NaCl和聚丙烯酰胺的存在對復合反滲透膜去除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處理低放廢水時發(fā)現(xiàn)，總ß、去除率比Fe3+、C02+、MB2+、Sr2+、Cr3+等核素的去除率更高。美國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，減少了處理過程中

11、固體廢物的產(chǎn)生量以延長廢物庫使用周期，同時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、反應堆排水、廢樹脂滲出水和各種雜質(zhì)排廢水等，系統(tǒng)流程見圖6。廢水先由管式超濾處理，超濾的濃縮水進行循環(huán)，透過水進入2級反滲透系統(tǒng)。在反滲透部分，第l級透過水進入第2級深度過濾，第2級的濃縮水進行循環(huán)而透過水進到精處理床，精處理床的出水合格即可排放。而第l級濃縮水再用一段海水淡化反滲透膜進行濃縮，

12、濃縮水最后進入轉(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。化學清洗廢水先經(jīng)過濕空氣氧化將有機物轉(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Dresden壓水堆核電廠2個廢水儲存罐裝有總體積為1440 m3被超鈾元素污染的低放廢水，用“超濾反滲透”進行濃縮，將廢水體積減小到了原來的1/10，并且透過水也達到了排放標準。美國Comanche Peak壓水堆核電廠原來采用“過

13、濾離子交換”工藝處理地排水、樹脂罐泄放水和硼回收系統(tǒng)排水，為了降低運行成本，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準；“超濾反滲透”系統(tǒng)處理得到151 m3透過水的同時只產(chǎn)生了151 L的濃縮水，濃縮因數(shù)高達1000；“超濾反滲透”工藝能夠節(jié)省40%50的材料成本，但對于濃縮水的處理會消耗一部分費用。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Savannah River的某處理工廠用于處理某核設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濾反滲透離子交換”，工藝

14、流程見圖7。所用的陶瓷微濾膜孔徑為0.2m，采取錯流過濾的方式；反滲透系統(tǒng)由3級組成，第1級包括2個內(nèi)裝6只卷式膜的壓力容器，第2、3級各有1個壓力容器。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年運行以來，出水符合排放標準，但存在微濾膜易遭到微生物污染的問題。圖7 Savannah River 工廠放射性廢水處理系統(tǒng)六、 結(jié)語核動力裝置運行、維修和退役過程中會間歇產(chǎn)生各種類型的放射性廢水，這些廢水通常暫存在貯存水池中，再集中送至廢水處理車間進行處理，暫存廢水長期占用水池并在水池間互相倒換，不僅影響核動力裝置的維護保養(yǎng)，而且會導致廢水水質(zhì)交叉污染。傳統(tǒng)的“老三段”工藝無法解決這些問題，而反滲透法處理工藝則可為放射性廢水的處理開辟一條新的途徑，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)役處理設施在實際運行中暴露出的二次廢物產(chǎn)生量大、處理成本高等問題，對提高處理低放廢水的水平、節(jié)約經(jīng)費及保護周邊的環(huán)境具有顯著的意義。7參考文獻：1 王欣鵬,蒯琳萍,邵嘉慧,等.反滲透技術處理壓水堆一回路放射性廢水試驗研究J水處理技術，2011(08)