低放射性廢水處理設(shè)施升級改造工程

王帥¹，秦強¹，錢正華¹，鄧玥²，陳堃¹，喬延波¹，何柳斌¹，

劉學(xué)陽¹，馬洪軍¹

(1.中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所核安全與工程研究部，上海201800；2.中國工程物理

研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽621900)

摘要：介紹了某低放射廢水處理系統(tǒng)改造中的廢水源項、處理目標(biāo)、難度分析和措施，以及工藝系統(tǒng)和配套設(shè)施的改造內(nèi)容。在原有工藝設(shè)施基礎(chǔ)上，通過化學(xué)沉淀、蒸發(fā)和離子交換工藝的聯(lián)合運用，使處理后廢水的總α<1 Bq/L，總β<10 Bq/L，滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/199—2009）。同時采用工藝自動化控制、輻射屏蔽和送排風(fēng)等措施，獲得了滿足國家相關(guān)法規(guī)規(guī)定的低放射性廢水輸送、暫存和處理等要求的工藝系統(tǒng)，為低放射性廢水處理提供了一種長期、有效的解決措施。

某低放射性廢水處理設(shè)施建于1964年，原為單層局部兩層的砌體結(jié)構(gòu)。1981年加建一層，成為二層（局部三層）建筑。原設(shè)計及加層均未考慮抗震設(shè)防。建筑長為30.4 m，寬分別為10.0 m和6.0 m。一層層高為4.0 m，二、三層層高為3.7 m，總建筑面積約600 m²。20世紀(jì)70—90年代該設(shè)施正常使用，采用的處理工藝為化學(xué)沉淀和離子交換。1990年—2005年由安盛科興藥業(yè)有限公司（簡稱科興公司）負(fù)責(zé)運行和維護，2002年科興公司更換了新的離子交換系統(tǒng)，并于2005年使用過一次。從2005年起，該設(shè)施就處于閑置狀態(tài)。由于長期擱置及風(fēng)化侵蝕，設(shè)施內(nèi)的電氣線路、上下水管網(wǎng)嚴(yán)重老化，部分工藝設(shè)備已無法使用，控制系統(tǒng)失效，且通信、消防、安防等功能嚴(yán)重缺失。為滿足本所釷基熔鹽核能系統(tǒng)基礎(chǔ)研究及科研生產(chǎn)需要，亟需對該低放射性廢水處理系統(tǒng)和配套設(shè)施進行升級和改造。

根據(jù)本所低放射性廢水產(chǎn)生的實際情況，決定采用國內(nèi)科研院所和核電站廣泛應(yīng)用且比較成熟的化學(xué)沉淀、蒸發(fā)和離子交換組合工藝對原系統(tǒng)進行改造�；瘜W(xué)沉淀法適用于處理含鹽量較高的廢水,去污因子在10左右。蒸發(fā)濃縮法適用于處理含有難揮發(fā)性放射性核素的廢水,可以得到很高的去污系數(shù)和濃縮系數(shù),其去污系數(shù)一般在104~106。離子交換法適用于處理溶解性無機污染物含量和放射性活度比較低的廢水，一般單床對混合裂變產(chǎn)物廢液的去污系數(shù)為10~102,雙床和混合床的去污系數(shù)為102~103。三種處理工藝的組合應(yīng)用可以滿足多種工況下放射性廢水處理的需要。另外，全面改造了原設(shè)施內(nèi)的水、電、風(fēng)等配套設(shè)施，并新增了通信、消防和安防等功能。

1 放射性廢水源項

1.1 放射性廢水中的核素種類

調(diào)查結(jié)果表明，廢水中的放射性核素主要來自提取²³³U（輻照²³²Th獲得）實驗中產(chǎn)生的不再被循環(huán)利用而進入廢水中的錒系元素和裂片核素，主要有²³³Pa、⁸⁹Sr、⁹⁰Sr、⁹⁰Y、91Y，⁹⁵Zr、⁹⁵Nb、^103/106Ru、¹⁰⁶Rh和¹³⁴Cs等。

1.2 放射性廢水的產(chǎn)量及活度

調(diào)查結(jié)果表明，放射性廢水的產(chǎn)生量約為30 m³/a，放射性總活度≤2.0×10⁵ Bq/L，包括工藝排水、設(shè)備去污、防護用品和操作人員去污沖洗產(chǎn)生的廢水等。

2 處理目標(biāo)

放射性廢水處理設(shè)施改造后，可對嘉定園區(qū)相關(guān)部門產(chǎn)生的低水平放射性廢水（總活度≤4.0×10⁶ Bq/L）進行處理，蒸發(fā)工藝的處理能力為0.2 m³/h，離子交換工藝的處理能力為0.5 m³/h。處理后廢水滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/199—2009），即總α<1 Bq/L，總β<10 Bq/L，達(dá)標(biāo)排放。

3 難度分析及措施

此次改造在建筑方面屬于修繕，即不能改變建筑的結(jié)構(gòu)和新增面積，只能在原有建筑的基礎(chǔ)上進行少量改動，如門、窗的更換，地面、墻面和吊頂?shù)母脑臁６�該低放射性廢水處理設(shè)施建造年代早，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)差，二樓的承重?zé)o法滿足現(xiàn)有工藝的要求，這就對工藝設(shè)備的布局提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過反復(fù)討論和多次修改，最后決定盡可能將重的設(shè)備布置在一樓，同時對部分系統(tǒng)進行簡化，如水泥固化系統(tǒng)；對必須放置在二樓的部分設(shè)備所在房間進行局部加固，如蒸發(fā)工藝間和離子交換間(見圖1)。另外，為了滿足放射性物質(zhì)操作和國家電離輻射防護有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，采用了先進的工藝設(shè)備和儀表，并對主要工藝設(shè)備的操作采用遠(yuǎn)程控制。

圖1 低放射性廢水處理設(shè)施內(nèi)的部分房間加固

4 低放射性廢水處理設(shè)施改造

低放射性廢水處理設(shè)施改造主要有兩部分:一是廢水處理工藝系統(tǒng)改造；二是基建輔助系統(tǒng)改造。

4.1 低放射性廢水處理工藝系統(tǒng)改造

4.1.1 工藝流程

根據(jù)未來科研、生產(chǎn)任務(wù)和原低放射性廢水處理設(shè)施的實際情況，提出廢水處理工藝設(shè)計方案。預(yù)計產(chǎn)生的放射性廢水中含有少量的泥沙、懸浮顆粒和各種鹽類等物質(zhì)，放射性總活度≤2.0×10⁵ Bq/L，因此決定采用化學(xué)沉淀、蒸發(fā)和離子交換組合工藝。

低放射性廢水主要產(chǎn)生于103放化樓，103放化樓內(nèi)設(shè)置有2個1 m³的廢水暫存罐。當(dāng)暫存罐內(nèi)的水位達(dá)到設(shè)定高度時，用揚液器將廢水通過特排管道抽送到2個20 m³廢水暫存罐中。當(dāng)其中一個20 m³的廢水暫存罐儲滿后進行取樣分析，分析其化學(xué)組成和放射性活度。根據(jù)分析結(jié)果調(diào)節(jié)pH值和確定下一步處理工藝。若廢水中含有較多雜質(zhì)顆粒物，則采用化學(xué)沉淀處理；若廢水的放射性濃度＞1.0×10³ Bq/L，則采用蒸發(fā)系統(tǒng)處理，其處理能力為0.2 m³/h，處理后經(jīng)取樣測定如放射性濃度仍未達(dá)到排放限值，可再經(jīng)離子交換處理，離子交換系統(tǒng)的處理能力為0.5 m³/h。若廢水的放射性濃度＜1.0×10³ Bq/L，則不經(jīng)蒸發(fā)直接采用離子交換處理。離子交換柱出水流入緩沖水池，經(jīng)取樣檢測合格的廢水排入150 m³的廢水暫存池，經(jīng)取樣檢測不合格的廢水返回冷凝液罐，重復(fù)進行離子交換直至達(dá)標(biāo)。處理過程中產(chǎn)生的化學(xué)沉淀泥漿和蒸殘液送水泥固化系統(tǒng)進行固化，產(chǎn)生的廢樹脂不經(jīng)水泥固化處理直接裝桶，如圖2所示。

圖2 低放射性廢水處理工藝流程

4.1.2平面布局

低放射性廢水處理設(shè)施為地上二層（局部三層）建筑，一、二層面積均為288 m²，三層面積約為24 m²。改造后一層布置衛(wèi)生通道、控制室、空壓機房、砂濾間、鍋爐房、冷凝液間、蒸殘液存放間、揚液器間、水泥固化間、配電間和排風(fēng)機房；二層布置沉淀工藝間、取樣間、蒸發(fā)工藝間、離子交換間、分析實驗室、新工藝實驗室和試劑添加間；三層布置送風(fēng)機房。廢水暫存罐布置在樓外西側(cè)的地下，不銹鋼緩沖水池布置在樓外北側(cè)的地下，如圖3、4所示。

圖3 低放射性廢水處理設(shè)施（一層）

圖4 低放射性廢水處理設(shè)施（二、三層）

① 人流。工作人員經(jīng)衛(wèi)生通道進入工作崗位。衛(wèi)生通道包括家常服更衣柜、工作服更衣柜和污衣柜。工作人員應(yīng)在衛(wèi)生通道換好工作服并佩戴個人防護用品后進入不同的工作崗位；離開放射性工作區(qū)域時需進行放射性表面污染檢測，如合格則更換家常服出來，如不合格應(yīng)先將受污染的工作服脫到污衣柜，經(jīng)淋浴并檢測合格后換家常服出來。

② 物流。外運水泥、沙子等從水泥固化間的北門運入水泥固化間，固化好的包裝桶再經(jīng)北門運出，其他工具、材料等從一層?xùn)|門進出。

4.1.3室外特排水管道

室外特排水管道用于將103放化樓產(chǎn)生的低放射性廢水輸送到2個20 m³的廢水暫存罐中。為防止輸送過程中發(fā)生意外滲漏，特排水管道設(shè)計為雙層管，內(nèi)管直徑為38 mm，材料為不銹鋼321，套管直徑為58 mm，材料為不銹鋼304。特排水管道放置在地溝內(nèi)，采用碳鋼托架固定，托架間距不超過3 m，管道與碳鋼支架之間墊橡膠墊。地溝深為0.55 m，壁厚為0.2 m，溝寬為0.4 m，地溝覆土深為0.1~1 m，防水等級為一級。特排管道敷設(shè)時按0.005坡度坡向20 m³的廢水暫存罐，并在溝底最低處設(shè)排水管接至就近雨水系統(tǒng)。

4.1.4廢水處理工藝控制系統(tǒng)

低放射性廢水處理系統(tǒng)工藝流程較復(fù)雜，大量閥門需要頻繁操作，大量工藝參數(shù)需要監(jiān)視。本著減輕勞動強度、提高工作效率和改善工作環(huán)境的設(shè)計原則，設(shè)置了DCS系統(tǒng)，使本項目自動化水平達(dá)到較高水平。工藝控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、實時顯示、安全聯(lián)鎖和視頻監(jiān)控等功能。通過DCS控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制廢水輸送泵、控制閥、真空泵和空壓機等的啟動和停止，以及實時顯示液位、流量、壓力、pH值和各處理工序的狀態(tài)等；當(dāng)液位或壓力超過設(shè)定值時安全聯(lián)鎖系統(tǒng)會自動開啟并報警；視頻監(jiān)控主要是對一些比較重要的房間進行實時監(jiān)控和錄像，包括蒸殘液貯存間（1臺）、揚液器間（1臺）、蒸發(fā)工藝間（2臺）和水泥固化間（1臺）。

4.1.5水泥固化系統(tǒng)

根據(jù)《放射性廢物安全管理條例》，核技術(shù)利用單位應(yīng)當(dāng)對其產(chǎn)生的不能凈化排放的放射性廢水進行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫怨腆w廢物。低放射性廢水處理設(shè)施中原水泥固化系統(tǒng)是一條較為完整、復(fù)雜的生產(chǎn)線，工藝自動化程度較高，但由于建筑條件的限制和每年的固化量比較少，后對其進行了簡化(見圖5)。

圖5 水泥固化工藝流程

簡化后只保留了水泥攪拌工位，升降支架和必要的電器附件；水泥稱量、填裝、固化桶的進出、取封蓋等均為人工操作。

4.1.6輻射屏蔽

該設(shè)施的處理對象是低放射性廢水（＜4×10⁶ Bq/L），但在廢水處理過程中會產(chǎn)生放射性濃度較高的蒸殘液，這部分廢液可能達(dá)到中放射性水平，因此需要對其進行輻射屏蔽。從蒸殘液的產(chǎn)生、輸送和處理流程可以看出，需要進行屏蔽的內(nèi)容有蒸殘液接收罐、揚液器和水泥固化桶。

根據(jù)處理對象的性質(zhì)和處理工藝的去污系數(shù)，蒸殘液接收罐和揚液器的屏蔽源項按照200 mCi計算，水泥固化桶的源項按照50 mCi計算，要求屏蔽后房間內(nèi)的劑量當(dāng)量率<10 μSV/h。由于房間內(nèi)的空間有限，最后決定采用鉛磚進行屏蔽。

4.2基建輔助系統(tǒng)改造

4.2.1送、排風(fēng)系統(tǒng)

為防止放射性污染氣體向環(huán)境擴散，滿足工作、生產(chǎn)需要，保證工作人員身體健康，保護環(huán)境,根據(jù)放射性生產(chǎn)廠房輻射防護分區(qū)的有關(guān)規(guī)定，低放射性廢水處理設(shè)施內(nèi)設(shè)置了一套全排系統(tǒng)，同時設(shè)置一套送風(fēng)系統(tǒng)作為排風(fēng)時的補風(fēng)。排風(fēng)經(jīng)預(yù)過濾器和高效過濾器過濾后通過煙囪（H=20 m）排至室外。送排風(fēng)系統(tǒng)采用PLC控制器為核心的控制單元進行控制，以滿足使用要求。

按照放射性區(qū)域分區(qū)管理規(guī)定，將低放射性廢水處理設(shè)施劃分為控制Ⅱ區(qū)、控制Ⅰ區(qū)和監(jiān)督區(qū)，控制Ⅱ區(qū)的換氣次數(shù)為12次/h，控制Ⅰ區(qū)的換氣次數(shù)為5次/h，監(jiān)督區(qū)采用自然通風(fēng)�？刂脾騾^(qū)有蒸殘液貯存間、揚液器間和水泥固化間，監(jiān)督區(qū)有鍋爐房、配電間和備用間，其余房間為控制Ⅰ區(qū)。

4.2.2電氣

電氣方面改造主要包括工藝設(shè)備配電系統(tǒng)、空調(diào)及送排風(fēng)系統(tǒng)配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防設(shè)備配電和防雷接地系統(tǒng)等。低放射性廢水處理設(shè)施內(nèi)的二級負(fù)荷容量為40 kW，三級負(fù)荷容量為396 kW，其中電加熱鍋爐的功率最大(280 kW)。

4.2.3弱電

弱電方面改造包括安全防范系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。

安全防范系統(tǒng)由入侵報警、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和門禁控制系統(tǒng)組成。在低放廢水處理設(shè)施一、二層的走廊兩側(cè)設(shè)置視頻監(jiān)視及入侵報警系統(tǒng)，包括紅外雙鑒探測器和彩色半球攝像機各4套。當(dāng)系統(tǒng)探測到非法入侵，探測器報警并聯(lián)動報警區(qū)域附近的攝像機，后臺自動彈出報警畫面。在各進出設(shè)施的大門口設(shè)置門禁控制系統(tǒng)，授權(quán)人員通過刷卡可進出，并儲存人員通行記錄，定期核查。設(shè)施一、二層?xùn)|側(cè)的大門采用防盜門，安裝電鎖控，平時關(guān)閉不使用，設(shè)置緊急出門按鈕，在發(fā)生突發(fā)應(yīng)急事件時能夠順利打開。

設(shè)施內(nèi)的計算機網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)）和電話（語音）系統(tǒng)采用綜合布線系統(tǒng)。在控制室、實驗室設(shè)置數(shù)據(jù)及語音信息點，數(shù)據(jù)及語音信息點均為3個。

低放射性廢水處理設(shè)施采用二級火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。在設(shè)施的走廊、各個工藝間及實驗室等房間內(nèi)設(shè)置感煙火災(zāi)探測器，并在相鄰部位設(shè)置帶電話插孔的手動報警按鈕，聲光報警器。當(dāng)任意層發(fā)出火災(zāi)報警信號時，系統(tǒng)火災(zāi)報警控制器報警并顯示著火區(qū)域。當(dāng)火災(zāi)確認(rèn)后，系統(tǒng)聯(lián)動控制模塊自動切除報警層的非消防電源，強制接通本層應(yīng)急照明。

4.2.4給排水

給排水改造主要包括室內(nèi)生活、生產(chǎn)給排水系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)等。低放射性廢水處理設(shè)施的生活給水由室外給水網(wǎng)直接供給，生活給水在室外設(shè)置水井表。本設(shè)施的總?cè)藬?shù)按照40人設(shè)計，生活用水量標(biāo)準(zhǔn)按50 L/人，最高日生活用水量約為2 m³/d，生產(chǎn)用水量約4 m³/d。

4.2.5門、窗、墻面和地面

低放射性廢水處理設(shè)施的外門均采用鋼制防盜門，內(nèi)門除蒸殘液貯存間、揚液器間和水泥固化間采用鋼制密封門外，其余均采用成品模壓門。除水泥固化間窺視窗采用70 mm的鉛玻璃外，其余窗戶均采用鋁合金雙層玻璃窗。配電間、鍋爐房和備用間的墻面采用普通乳膠漆粉刷，衛(wèi)生通道的墻面張貼瓷磚，其余房間、走廊和樓梯間的墻面均采用磁性油漆粉刷。地面除衛(wèi)生通道和鍋爐房外，均采用環(huán)氧自流平地坪。

5 結(jié)論

低放射性廢水處理設(shè)施的改造是一項涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程，在設(shè)計時需熟悉國家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，并充分調(diào)查和研究本單位的實際情況和各處理工藝的優(yōu)缺點,選擇有資質(zhì)、有經(jīng)驗和口碑良好的設(shè)計單位和施工單位。

此次低放射性廢水處理設(shè)施改造包括工藝系統(tǒng)改造和配套設(shè)施改造兩部分。改造后系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作安全便捷，處理能力為0.2 m³/h，處理后廢水的放射性活度濃度滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/199—2009）。此次改造工程既滿足了國家相關(guān)法規(guī)對低放廢水輸送、暫存和處理的要求，又能為解決本單位低放射性廢水的處理提供出路。但是,由于此次改造是在原有建筑基礎(chǔ)上進行的，原建筑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)差、面積小，這對廢水處理工藝設(shè)計和設(shè)備的合理布置都造成了一定影響。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第8期“工程實例”欄目）

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