低放射性廢水處理設(shè)施升級(jí)改造工程
低放射性廢水處理設(shè)施升級(jí)改造工程
王帥1,秦強(qiáng)1,錢正華1,鄧玥2,陳堃1,喬延波1,何柳斌1,
劉學(xué)陽(yáng)1,馬洪軍1
(1.中國(guó)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(guó)工程物理
研究院核物理與化學(xué)研究所,四川綿陽(yáng)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(xiàng)、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(guò)化學(xué)沉淀、蒸發(fā)和離子交換工藝的聯(lián)合運(yùn)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(shí)采用工藝自動(dòng)化控制、輻射屏蔽和送排風(fēng)等措施,獲得了滿足國(guó)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(zhǎng)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?jī)蓪拥钠鲶w結(jié)構(gòu)。1981年加建一層,成為二層(局部三層)建筑。原設(shè)計(jì)及加層均未考慮抗震設(shè)防。建筑長(zhǎng)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(jiǎn)稱科興公司)負(fù)責(zé)運(yùn)行和維護(hù),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(guò)一次。從2005年起,該設(shè)施就處于閑置狀態(tài)。由于長(zhǎng)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(wú)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(duì)該低放射性廢水處理系統(tǒng)和配套設(shè)施進(jìn)行升級(jí)和改造。
根據(jù)本所低放射性廢水產(chǎn)生的實(shí)際情況,決定采用國(guó)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(duì)原系統(tǒng)進(jìn)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(wú)機(jī)污染物含量和放射性活度比較低的廢水,一般單床對(duì)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(xiàng)
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(lái)自提取233U(輻照232Th獲得)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的不再被循環(huán)利用而進(jìn)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(hù)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(duì)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(jìn)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(jìn)行少量改動(dòng),如門、窗的更換,地面、墻面和吊頂?shù)母脑臁6摰头派湫詮U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(duì)工藝設(shè)備的布局提出了挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)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(shí)對(duì)部分系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,如水泥固化系統(tǒng);對(duì)必須放置在二樓的部分設(shè)備所在房間進(jìn)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(guó)家電離輻射防護(hù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),采用了先進(jìn)的工藝設(shè)備和儀表,并對(duì)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(lái)科研、生產(chǎn)任務(wù)和原低放射性廢水處理設(shè)施的實(shí)際情況,提出廢水處理工藝設(shè)計(jì)方案。預(yù)計(jì)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(gè)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(shí),用揚(yáng)液器將廢水通過(guò)特排管道抽送到2個(gè)20 m3廢水暫存罐中。當(dāng)其中一個(gè)20 m3的廢水暫存罐儲(chǔ)滿后進(jìn)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(cè)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(cè)合格的廢水排入150 m3的廢水暫存池,經(jīng)取樣檢測(cè)不合格的廢水返回冷凝液罐,重復(fù)進(jìn)行離子交換直至達(dá)標(biāo)。處理過(guò)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(jìn)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(jī)房、砂濾間、鍋爐房、冷凝液間、蒸殘液存放間、揚(yáng)液器間、水泥固化間、配電間和排風(fēng)機(jī)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(shí)驗(yàn)室、新工藝實(shí)驗(yàn)室和試劑添加間;三層布置送風(fēng)機(jī)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(jìn)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(gè)人防護(hù)用品后進(jìn)入不同的工作崗位;離開放射性工作區(qū)域時(shí)需進(jìn)行放射性表面污染檢測(cè),如合格則更換家常服出來(lái),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(cè)合格后換家常服出來(lái)。
② 物流。外運(yùn)水泥、沙子等從水泥固化間的北門運(yùn)入水泥固化間,固化好的包裝桶再經(jīng)北門運(yùn)出,其他工具、材料等從一層?xùn)|門進(jìn)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(gè)20 m3的廢水暫存罐中。為防止輸送過(guò)程中發(fā)生意外滲漏,特排水管道設(shè)計(jì)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(guò)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(jí)為一級(jí)。特排管道敷設(shè)時(shí)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(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率和改善工作環(huán)境的設(shè)計(jì)原則,設(shè)置了DCS系統(tǒng),使本項(xiàng)目自動(dòng)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(shí)時(shí)顯示、安全聯(lián)鎖和視頻監(jiān)控等功能。通過(guò)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(jī)等的啟動(dòng)和停止,以及實(shí)時(shí)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(guò)設(shè)定值時(shí)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟并報(bào)警;視頻監(jiān)控主要是對(duì)一些比較重要的房間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和錄像,包括蒸殘液貯存間(1臺(tái))、揚(yáng)液器間(1臺(tái))、蒸發(fā)工藝間(2臺(tái))和水泥固化間(1臺(tái))。
4.1.5水泥固化系統(tǒng)
根據(jù)《放射性廢物安全管理?xiàng)l例》,核技術(shù)利用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)其產(chǎn)生的不能凈化排放的放射性廢水進(jìn)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(dòng)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(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化(見圖5)。
圖5 水泥固化工藝流程
簡(jiǎn)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(jìn)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(duì)象是低放射性廢水(<4×106 Bq/L),但在廢水處理過(guò)程中會(huì)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(duì)其進(jìn)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(jìn)行屏蔽的內(nèi)容有蒸殘液接收罐、揚(yáng)液器和水泥固化桶。
根據(jù)處理對(duì)象的性質(zhì)和處理工藝的去污系數(shù),蒸殘液接收罐和揚(yáng)液器的屏蔽源項(xiàng)按照200 mCi計(jì)算,水泥固化桶的源項(xiàng)按照50 mCi計(jì)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(jìn)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(kuò)散,滿足工作、生產(chǎn)需要,保證工作人員身體健康,保護(hù)環(huán)境,根據(jù)放射性生產(chǎn)廠房輻射防護(hù)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(shí)設(shè)置一套送風(fēng)系統(tǒng)作為排風(fēng)時(shí)的補(bǔ)風(fēng)。排風(fēng)經(jīng)預(yù)過(guò)濾器和高效過(guò)濾器過(guò)濾后通過(guò)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(jìn)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(yáng)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(jí)負(fù)荷容量為40 kW,三級(jí)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。
安全防范系統(tǒng)由入侵報(bào)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(bào)警系統(tǒng),包括紅外雙鑒探測(cè)器和彩色半球攝像機(jī)各4套。當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到非法入侵,探測(cè)器報(bào)警并聯(lián)動(dòng)報(bào)警區(qū)域附近的攝像機(jī),后臺(tái)自動(dòng)彈出報(bào)警畫面。在各進(jìn)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(guò)刷卡可進(jìn)出,并儲(chǔ)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(shí)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(shí)能夠順利打開。
設(shè)施內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù))和電話(語(yǔ)音)系統(tǒng)采用綜合布線系統(tǒng)。在控制室、實(shí)驗(yàn)室設(shè)置數(shù)據(jù)及語(yǔ)音信息點(diǎn),數(shù)據(jù)及語(yǔ)音信息點(diǎn)均為3個(gè)。
低放射性廢水處理設(shè)施采用二級(jí)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。在設(shè)施的走廊、各個(gè)工藝間及實(shí)驗(yàn)室等房間內(nèi)設(shè)置感煙火災(zāi)探測(cè)器,并在相鄰部位設(shè)置帶電話插孔的手動(dòng)報(bào)警按鈕,聲光報(bào)警器。當(dāng)任意層發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)時(shí),系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制器報(bào)警并顯示著火區(qū)域。當(dāng)火災(zāi)確認(rèn)后,系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制模塊自動(dòng)切除報(bào)警層的非消防電源,強(qiáng)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(jì),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(yáng)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(xiàng)涉及多學(xué)科的系統(tǒng)工程,在設(shè)計(jì)時(shí)需熟悉國(guó)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(shí)際情況和各處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn),選擇有資質(zhì)、有經(jīng)驗(yàn)和口碑良好的設(shè)計(jì)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(yùn)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(guó)家相關(guān)法規(guī)對(duì)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(jìn)行的,原建筑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)差、面積小,這對(duì)廢水處理工藝設(shè)計(jì)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(guó)給水排水》雜志2015年第8期“工程實(shí)例”欄目)
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