低放射性廢水處理設施升級改造工程
低放射性廢水處理設施升級改造工程
王帥1，秦強1，錢正華1，鄧玥2，陳堃1，喬延波1，何柳斌1，
劉學陽1，馬洪軍1
(1.中國科學院上海應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研究所，四川綿陽621900)
摘要：介紹了某低放射廢水處理系統改造中的廢水源項、處理目標、難度分析和措施，以及工藝系統和配套設施的改造內容。在原有工藝設施基礎上，通過化學沉淀、蒸發和離子交換工藝的聯合運用，使處理后廢水的總α<1 Bq/L，總β<10 Bq/L，滿足《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2009）。同時采用工藝自動化控制、輻射屏蔽和送排風等措施，獲得了滿足國家相關法規規定的低放射性廢水輸送、暫存和處理等要求的工藝系統，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施建于1964年，原為單層局部兩層的砌體結構。1981年加建一層，成為二層（局部三層）建筑。原設計及加層均未考慮抗震設防。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70—90年代該設施正常使用，采用的處理工藝為化學沉淀和離子交換。1990年—2005年由安盛科興藥業有限公司（簡稱科興公司）負責運行和維護，2002年科興公司更換了新的離子交換系統，并于2005年使用過一次。從2005年起，該設施就處于閑置狀態。由于長期擱置及風化侵蝕，設施內的電氣線路、上下水管網嚴重老化，部分工藝設備已無法使用，控制系統失效，且通信、消防、安防等功能嚴重缺失。為滿足本所釷基熔鹽核能系統基礎研究及科研生產需要，亟需對該低放射性廢水處理系統和配套設施進行升級和改造。
根據本所低放射性廢水產生的實際情況，決定采用國內科研院所和核電站廣泛應用且比較成熟的化學沉淀、蒸發和離子交換組合工藝對原系統進行改造。化學沉淀法適用于處理含鹽量較高的廢水,去污因子在10左右。蒸發濃縮法適用于處理含有難揮發性放射性核素的廢水,可以得到很高的去污系數和濃縮系數,其去污系數一般在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物廢液的去污系數為10~102,雙床和混合床的去污系數為102~103。三種處理工藝的組合應用可以滿足多種工況下放射性廢水處理的需要。另外，全面改造了原設施內的水、電、風等配套設施，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
調查結果表明，廢水中的放射性核素主要來自提取233U（輻照232Th獲得）實驗中產生的不再被循環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 放射性廢水的產量及活度
調查結果表明，放射性廢水的產生量約為30 m3/a，放射性總活度≤2.0×105 Bq/L，包括工藝排水、設備去污、防護用品和操作人員去污沖洗產生的廢水等。
2 處理目標
放射性廢水處理設施改造后，可對嘉定園區相關部門產生的低水平放射性廢水（總活度≤4.0×106 Bq/L）進行處理，蒸發工藝的處理能力為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《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2009），即總α<1 Bq/L，總β<10 Bq/L，達標排放。
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構和新增面積，只能在原有建筑的基礎上進行少量改動，如門、窗的更換，地面、墻面和吊頂的改造。而該低放射性廢水處理設施建造年代早，基礎結構差，二樓的承重無法滿足現有工藝的要求，這就對工藝設備的布局提出了挑戰。經過反復討論和多次修改，最后決定盡可能將重的設備布置在一樓，同時對部分系統進行簡化，如水泥固化系統；對必須放置在二樓的部分設備所在房間進行局部加固，如蒸發工藝間和離子交換間(見圖1)。另外，為了滿足放射性物質操作和國家電離輻射防護有關標準和法規，采用了先進的工藝設備和儀表，并對主要工藝設備的操作采用遠程控制。
圖1 低放射性廢水處理設施內的部分房間加固
4 低放射性廢水處理設施改造
低放射性廢水處理設施改造主要有兩部分:一是廢水處理工藝系統改造；二是基建輔助系統改造。
4.1 低放射性廢水處理工藝系統改造
4.1.1 工藝流程
根據未來科研、生產任務和原低放射性廢水處理設施的實際情況，提出廢水處理工藝設計方案。預計產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，放射性總活度≤2.0×105 Bq/L，因此決定采用化學沉淀、蒸發和離子交換組合工藝。
低放射性廢水主要產生于103放化樓，103放化樓內設置有2個1 m3的廢水暫存罐。當暫存罐內的水位達到設定高度時，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，分析其化學組成和放射性活度。根據分析結果調節pH值和確定下一步處理工藝。若廢水中含有較多雜質顆粒物，則采用化學沉淀處理；若廢水的放射性濃度＞1.0×103 Bq/L，則采用蒸發系統處理，其處理能力為0.2 m3/h，處理后經取樣測定如放射性濃度仍未達到排放限值，可再經離子交換處理，離子交換系統的處理能力為0.5 m3/h。若廢水的放射性濃度＜1.0×103 Bq/L，則不經蒸發直接采用離子交換處理。離子交換柱出水流入緩沖水池，經取樣檢測合格的廢水排入150 m3的廢水暫存池，經取樣檢測不合格的廢水返回冷凝液罐，重復進行離子交換直至達標。處理過程中產生的化學沉淀泥漿和蒸殘液送水泥固化系統進行固化，產生的廢樹脂不經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、配電間和排風機房；二層布置沉淀工藝間、取樣間、蒸發工藝間、離子交換間、分析實驗室、新工藝實驗室和試劑添加間；三層布置送風機房。廢水暫存罐布置在樓外西側的地下，不銹鋼緩沖水池布置在樓外北側的地下，如圖3、4所示。
圖3 低放射性廢水處理設施（一層）
圖4 低放射性廢水處理設施（二、三層）
① 人流。工作人員經衛生通道進入工作崗位。衛生通道包括家常服更衣柜、工作服更衣柜和污衣柜。工作人員應在衛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，如不合格應先將受污染的工作服脫到污衣柜，經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北門運出，其他工具、材料等從一層東門進出。
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生意外滲漏，特排水管道設計為雙層管，內管直徑為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，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。特排管道敷設時按0.005坡度坡向20 m3的廢水暫存罐，并在溝底最低處設排水管接至就近雨水系統。
4.1.4廢水處理工藝控制系統
低放射性廢水處理系統工藝流程較復雜，大量閥門需要頻繁操作，大量工藝參數需要監視。本著減輕勞動強度、提高工作效率和改善工作環境的設計原則，設置了DCS系統，使本項目自動化水平達到較高水平。工藝控制系統具有遠程控制、實時顯示、安全聯鎖和視頻監控等功能。通過DCS控制系統可以遠程控制廢水輸送泵、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等；當液位或壓力超過設定值時安全聯鎖系統會自動開啟并報警；視頻監控主要是對一些比較重要的房間進行實時監控和錄像，包括蒸殘液貯存間（1臺）、揚液器間（1臺）、蒸發工藝間（2臺）和水泥固化間（1臺）。
4.1.5水泥固化系統
根據《放射性廢物安全管理條例》，核技術利用單位應當對其產生的不能凈化排放的放射性廢水進行處理，轉變為放射性固體廢物。低放射性廢水處理設施中原水泥固化系統是一條較為完整、復雜的生產線，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生放射性濃度較高的蒸殘液，這部分廢液可能達到中放射性水平，因此需要對其進行輻射屏蔽。從蒸殘液的產生、輸送和處理流程可以看出，需要進行屏蔽的內容有蒸殘液接收罐、揚液器和水泥固化桶。
根據處理對象的性質和處理工藝的去污系數，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，要求屏蔽后房間內的劑量當量率<10 μSV/h。由于房間內的空間有限，最后決定采用鉛磚進行屏蔽。
4.2基建輔助系統改造
4.2.1送、排風系統
為防止放射性污染氣體向環境擴散，滿足工作、生產需要，保證工作人員身體健康，保護環境,根據放射性生產廠房輻射防護分區的有關規定，低放射性廢水處理設施內設置了一套全排系統，同時設置一套送風系統作為排風時的補風。排風經預過濾器和高效過濾器過濾后通過煙囪（H=20 m）排至室外。送排風系統采用PLC控制器為核心的控制單元進行控制，以滿足使用要求。
按照放射性區域分區管理規定，將低放射性廢水處理設施劃分為控制Ⅱ區、控制Ⅰ區和監督區，控制Ⅱ區的換氣次數為12次/h，控制Ⅰ區的換氣次數為5次/h，監督區采用自然通風。控制Ⅱ區有蒸殘液貯存間、揚液器間和水泥固化間，監督區有鍋爐房、配電間和備用間，其余房間為控制Ⅰ區。
4.2.2電氣
電氣方面改造主要包括工藝設備配電系統、空調及送排風系統配電系統、照明系統、消防設備配電和防雷接地系統等。低放射性廢水處理設施內的二級負荷容量為40 kW，三級負荷容量為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、綜合布線系統和火災自動報警系統。
安全防范系統由入侵報警、視頻監視系統和門禁控制系統組成。在低放廢水處理設施一、二層的走廊兩側設置視頻監視及入侵報警系統，包括紅外雙鑒探測器和彩色半球攝像機各4套。當系統探測到非法入侵，探測器報警并聯動報警區域附近的攝像機，后臺自動彈出報警畫面。在各進出設施的大門口設置門禁控制系統，授權人員通過刷卡可進出，并儲存人員通行記錄，定期核查。設施一、二層東側的大門采用防盜門，安裝電鎖控，平時關閉不使用，設置緊急出門按鈕，在發生突發應急事件時能夠順利打開。
設施內的計算機網絡（數據）和電話（語音）系統采用綜合布線系統。在控制室、實驗室設置數據及語音信息點，數據及語音信息點均為3個。
低放射性廢水處理設施采用二級火災自動報警系統。在設施的走廊、各個工藝間及實驗室等房間內設置感煙火災探測器，并在相鄰部位設置帶電話插孔的手動報警按鈕，聲光報警器。當任意層發出火災報警信號時，系統火災報警控制器報警并顯示著火區域。當火災確認后，系統聯動控制模塊自動切除報警層的非消防電源，強制接通本層應急照明。
4.2.4給排水
給排水改造主要包括室內生活、生產給排水系統和生活熱水系統等。低放射性廢水處理設施的生活給水由室外給水網直接供給，生活給水在室外設置水井表。本設施的總人數按照40人設計，生活用水量標準按50 L/人，最高日生活用水量約為2 m3/d，生產用水量約4 m3/d。
4.2.5門、窗、墻面和地面
低放射性廢水處理設施的外門均采用鋼制防盜門，內門除蒸殘液貯存間、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。地面除衛生通道和鍋爐房外，均采用環氧自流平地坪。
5 結論
低放射性廢水處理設施的改造是一項涉及多學科的系統工程，在設計時需熟悉國家相關法規標準，并充分調查和研究本單位的實際情況和各處理工藝的優缺點,選擇有資質、有經驗和口碑良好的設計單位和施工單位。
此次低放射性廢水處理設施改造包括工藝系統改造和配套設施改造兩部分。改造后系統運行穩定可靠，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《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2009）。此次改造工程既滿足了國家相關法規對低放廢水輸送、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上進行的，原建筑的結構基礎差、面積小，這對廢水處理工藝設計和設備的合理布置都造成了一定影響。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第8期“工程實例”欄目）
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