反渗透技术在放射性废水处理中的应用研究

1、 华北水利水电大学 North China University of Water Resources and Electric Power 课 堂 论 文题目 反渗透技术在放射性废水处理中的应用研究学 院 环境与市政工程学院 专 业 应用化学 姓 名 曹行 学 号 201414126 指导教师 杨子彦 完成时间 2017.5.2 教务处制反渗透技术在放射性废水处理中的应用研究摘要：针对传统的处理放射性废水工作中存在的问题，提出采用反渗透分离技术处理低水平放射性废水，综述反渗透技术在放射性废水处理中的研究和应用进展，并指出反渗透技术在放射性废水处理中的重要性。关键字：放射性废水、处理工艺、研究

2、现状、反渗透一、 引言随着军、民核工业的发展，产生了大量的放射性废水。传统处理放射性废水的方法主要是絮凝沉淀法、过滤法、离子交换法、蒸发法或这几种工艺的组合。其中絮凝沉淀法在工程实践中极易造成管路堵塞， 而影响了该方法在放射性废水处理中的应用。过滤法一般去污系数较低。废离子交换树脂的安全、稳定处理是工程上的难点。蒸发工艺面临耗能以及蒸残液的处理问题。因此新型的放射性废水处理方法引起了越来越多的关注1。20世纪70年代，以反渗透为代表的膜分离法被逐步在核工业的放射性废水处理中得到了应用。膜分离技术具有低能耗、物料无相变、去污系数高、操作简便、设备简单、易于管理和维护等特点，是一种放射性废水处理的

3、新方法， 具有广泛的应用前景2。运用于放射性废水处理中膜技术主要有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）、膜蒸馏（MD）等方法， 以及这些工艺的组合。二、 膜分离技术简介随着20世纪60年代美国埃克森公司诞生了第一张工业用膜，膜技术就进入快速发展时期。膜技术经历了几十年的发展， 以其独特的优越性， 目前在工业中已得到广泛的应用。膜分离是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在推动力时，原料的组分可透过选择膜而对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离过程。这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜依据其孔径的不同， 可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透

4、膜等。根据膜材料的不同可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等。三、 膜技术在放射性废水处理的应用膜技术首先应用于海水淡化和纯水的制备工艺中， 经过不断的发展， 已经应用于中、低放废水的处理工艺中。Grazyna Zakrzewska-Trznadel研究表明，膜技术应用于放射性废水处理中具有较高的去污因子，设备体积小，耗能低，可以在适中的温度和压力条件下进行操作，灵活易扩展，能和其他工艺联用等优点，能就地处理放射性废水，避免了少量废液运输到中央放射性废物处理设施。图1为核化学与工艺研究所设计的放射性废水处理

5、装置。该装置采用采用微滤三级反渗透工艺，能够用于初级放射性废物处理工艺，也能用于蒸发工艺中产生的蒸残液的最终处理。图1 波兰反渗透废水处理工艺HaiyangLiu等研究了直接接触式膜蒸馏法用于处理低放废水。该工艺能够从废水中分离Cs+、Sr2+、Co2+等， 其工艺流程示意图见图2所示。图2 直接接触式膜蒸馏处理工艺示意图李俊峰等3研究了研究了硅藻土过滤器+两级反渗透膜+离子交换工艺在放射性废水处理中的应用。其处理流量200L/h。研究表明，第一级和第二级反渗透膜对放射性核素的去除效率为95%98%，两级反渗透膜的总去除效率大于99.9%。对于放射性活度浓度为32290Bq/L的原水经上述系统

6、处理后其放射性活度浓度低于1.1Bq/L。其工艺流程图见图3所示。该处理工艺的出水完全满足内陆核电排放要求。图3 反渗透处理放射性废水工艺流程图邓玥等4研究了采用膜技术处理单元的可移动式放射性废水处理装置。该处理技术采用絮凝沉淀并结合中空纤维膜微滤一体化处理工艺， 可对放射性总活度小于40000Bq/L、总固体含量小于10mg/L的含铀、钚、镅低放废水及含裂片核素锶、铯低放废水进行处理。处理后废水总放射性1Bq/L，总放射性10Bq/L。该处理工艺流程见图4所示。图4 可移动式放射性废水处理装置工艺流程简图四、 国内外研究现状由于放射性废水会对环境和人类造成危害，因此必须对之进行有效的处理，各

7、国为此开展了大量放射性废水处理技术的研究5。4.1美国美国最早是通过修建地上蓄水池或者地下渗沟来排放低放射性废水，然后再通过天然蒸发和地下渗流来处理。但是由于该方法造成了地下水和周围环境的严重污染，美国国会于1987年发布法令，要求1995年前停止这种处理方法。随后美国相继发展了无机离子吸附超滤技术、压缩蒸发一反渗透处理技术和旋转超滤技术等。4.2法国法国很多地方采用共沉淀处理工艺来处理低放废水，例如阿格后处理厂和马库尔核研究中心。有的核电站也采用离子交换、反渗透或蒸发处理技术。4.3俄罗斯1993年前苏联是向北冰洋直接排放放射性废水的，近来俄罗斯提出了“零排放”的概念，就是低放废水首先被暂存

8、在废液罐内，之后废液经过沉淀、过滤、离子交换得到深度净化，净化后的水重复利用。4.4中国我国早期主要采用沉淀和天然蒸发池工艺。现在也发展了共沉淀、选择性吸附、膜分离、以及铁盐絮凝沉淀、超滤法、超滤(UF)、反渗透(RO)一电渗析(ED)组合的化学工艺等。并于2011年在河南成功研制出一项可快速、高效吸附、过滤核污染废水的新技术。利用这一新技术制作的新材料一催化生物陶，它不是一般意义上的陶瓷，也不同于传统的吸附材料，而是一种具有定向选择性功能的高效吸附材料，可用于防治放射性物质131I及其他放射性碘同位素的扩散。检测显示，将10 g这种催化生物陶颗粒，浸泡在含有12640贝克/升的放射性131I

9、的核废水中20 min，可以吸附固定高达9997的放射性物质131I；同时，中国科学院高能物理研究所核分析技术重点实验室的检测显示，利用这种新材料过滤放射性高达185万贝克/升的125I废水，仅用5 min的水力停留时问，放射性125I去除率高达92。五、 反渗透技术应用现状反渗透对进水水质具有严格的要求，废水在进入反渗透装置之前，必须进行适当的预处理。传统的预处理为“石英砂过滤一活性炭吸附过滤一精密纤维过滤”工艺，这种预处理工艺运用于放射性废水的处理，存在很多问题：占地多；体积和重量大；集成度低；处理效果不稳定；产生的二次废物多等。而如果将超滤和微滤作为反渗透的预处理，可以有效提高预处理系统

10、产水即反渗透的进水水质，促进反渗透膜系统的长期稳定运行，提高系统的设备效率。5.1传统预处理+反渗透Antonina PKryvoruchko研究了NaCl和聚丙烯酰胺的存在对复合反渗透膜去除137Cs和90Sr的影响。结果表明NaCl(1 gL)的加入会降低去除效果，加入聚丙烯酰胺则能提高去除率且去除效果随加入量的增加而提高。李楷君等用反渗透技术处理低放废水时发现，总ß、去除率比Fe3+、C02+、MB2+、Sr2+、Cr3+等核素的去除率更高。美国Nine Mile Point和Pilgrim核电厂安装Thermex反渗透系统处理电厂的低放废水，降低了污水排放量，减少了处理过程中

11、固体废物的产生量以延长废物库使用周期，同时降低了废水处理成本。Nine Mile Point核电厂所采用的Thermex系统流程见图5 。图5 Thermex反渗透放射性废水处理系统5.2超滤+反渗透1998年，美国WolfCreek核电厂建成了一套“超滤-+反渗透”废水处理系统，用于处理该厂的地排水、反应堆排水、废树脂渗出水和各种杂质排废水等，系统流程见图6。废水先由管式超滤处理，超滤的浓缩水进行循环，透过水进入2级反渗透系统。在反渗透部分，第l级透过水进入第2级深度过滤，第2级的浓缩水进行循环而透过水进到精处理床，精处理床的出水合格即可排放。而第l级浓缩水再用一段海水淡化反渗透膜进行浓缩，

12、浓缩水最后进入转鼓干燥装置处理。加拿大Bruce核电厂蒸汽发生器和热交换器清洗产生的含乙二铵四乙酸(EDTA)的清洗废水的处理工艺中也包含了“超滤一反渗透”的单元。化学清洗废水先经过湿空气氧化将有机物转化为C02和水，然后用高温空气吹脱去除剩余的氨，出水再进入超滤和反渗透处理。系统所用的超滤膜为Zenon公司的ZPF-12管式膜，反渗透膜为陶氏SW30HR膜。美国Dresden压水堆核电厂2个废水储存罐装有总体积为1440 m3被超铀元素污染的低放废水，用“超滤反渗透”进行浓缩，将废水体积减小到了原来的1/10，并且透过水也达到了排放标准。美国Comanche Peak压水堆核电厂原来采用“过

13、滤离子交换”工艺处理地排水、树脂罐泄放水和硼回收系统排水，为了降低运行成本，后建成一套“超滤反渗透离子交换”的中试装置。中试结果表明：该中试系统性能明显优于老系统，且出水能够始终保证符合排放标准；“超滤反渗透”系统处理得到151 m3透过水的同时只产生了151 L的浓缩水，浓缩因数高达1000；“超滤反渗透”工艺能够节省40%50的材料成本，但对于浓缩水的处理会消耗一部分费用。图6 Wolf Creek 核电厂的反渗透放射性废水处理系统5.3 微滤+反渗透位于美国Savannah River的某处理工厂用于处理某核设施排出的放射性废水，其采用的工艺为“陶瓷膜微滤活性炭过滤反渗透离子交换”，工艺

14、流程见图7。所用的陶瓷微滤膜孔径为0.2m，采取错流过滤的方式；反渗透系统由3级组成，第1级包括2个内装6只卷式膜的压力容器，第2、3级各有1个压力容器。所处理的废水含有大量主要成分为NaN03的溶解盐。该系统自1988年运行以来，出水符合排放标准，但存在微滤膜易遭到微生物污染的问题。图7 Savannah River 工厂放射性废水处理系统六、 结语核动力装置运行、维修和退役过程中会间歇产生各种类型的放射性废水，这些废水通常暂存在贮存水池中，再集中送至废水处理车间进行处理，暂存废水长期占用水池并在水池间互相倒换，不仅影响核动力装置的维护保养，而且会导致废水水质交叉污染。传统的“老三段”工艺无法解决这些问题，而反渗透法处理工艺则可为放射性废水的处理开辟一条新的途径，使得上述难题的解决成为可能。反渗透法处理工艺还能解决现役处理设施在实际运行中暴露出的二次废物产生量大、处理成本高等问题，对提高处理低放废水的水平、节约经费及保护周边的环境具有显著的意义。7参考文献：1 王欣鹏,蒯琳萍,邵嘉慧,等.反渗透技术处理压水堆一回路放射性废水试验研究J水处理技术，2011(08)