CN107170505A - 一种核电厂含硼放射性废液的组合处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电厂含硼放射性废液的组合处理系统及方法，该系统包括粗过滤子系统、膜分离子系统、离子交换子系统，粗过滤子系统分别与膜分离子系统、离子交换子系统连接，膜分离子系统与离子交换子系统连接，所述粗过滤子系统包括过滤器；所述膜分离子系统包括与过滤器的出口连接的超滤处理装置，以及与超滤处理装置连接的多级反渗透处理装置，超滤处理装置和多级反渗透处理装置之间设有加药装置，多级反渗透处理装置连接有辅助吸附床，辅助吸附床与粗过滤子系统的过滤器连接；所述离子交换子系统包括若干台串联的离子交换床。本发明能同时去除压水堆一回路废液中的放射性核素和硼，对于不同存在形态的放射性核素，均有良好的处理效果。
Description
技术领域
本发明涉及领域为核电厂含硼放射性废液的处理，具体为处理压水堆核电厂一回路放射性废液的系统及方法。
背景技术
压水堆核电厂中，一回路采用加压轻水作为反应堆的冷却剂和慢化剂。在运行过程中，燃料元件内的放射性核素会通过燃料包壳的缺陷扩散至冷却剂中，致使冷却剂带有一定的放射性。同时，随着反应堆的运行，一回路的金属材料会逐渐发生腐蚀，腐蚀形成的物质随着冷却剂在一回路内流动，经过堆芯时被活化，也会带有放射性。另一方面，压水堆核电厂一回路中还会采用硼酸来吸收可溶性中子，已达到调节反应堆反应性的目的。
传统的核电厂中，一般采用蒸发工艺来去除来自一回路的含硼放射性废液。蒸发工艺的优势是处理效果好，能同时处理废液中的放射性核素和硼。但蒸发工艺的能耗高，维修/维护成本很高，经济性较差。同时，传统蒸发装置的占地面积较大，操作较为复杂，尤其是蒸发器结垢后的清洗工作较为困难。所以，需要开发一种新的工艺，在保证对放射性和硼的处理效果的同时，能有效改善上述不足。
中国专利“含硼废水的处理方法”(02108593.5)采用两段氧化/絮凝工艺处理含硼废水，其主要处理步骤为絮凝沉淀后固液分离，与本发明/实用新型采用工艺完全不同。中国专利“一种处理放射性废水的方法”(201310103374.1)采用反渗透和连续电除盐的组合工艺对放射性废液进行处理，也与本发明采用工艺不同，且未涉及硼的处理。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种膜分离与离子交换相结合的处理系统及方法，能同时去除压水堆一回路废液中的放射性核素和硼。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，包括粗过滤子系统、膜分离子系统、离子交换子系统，粗过滤子系统分别与膜分离子系统、离子交换子系统连接，膜分离子系统与离子交换子系统连接，其中：
所述粗过滤子系统包括过滤器；
所述膜分离子系统包括与过滤器的出口连接的超滤处理装置，以及与超滤处理装置连接的多级反渗透处理装置，超滤处理装置和多级反渗透处理装置之间设有加药装置，多级反渗透处理装置连接有辅助吸附床，辅助吸附床与粗过滤子系统的过滤器连接；
所述离子交换子系统包括若干台串联的离子交换床。
所述过滤器内的滤芯为袋式或芯式，过滤精度为0.5～25微米。
所述超滤处理装置连接有超滤浓缩液箱；超滤处理装置内设置有超滤膜，超滤膜为有机超滤膜或无机超滤膜，孔径为1～20纳米。
所述反渗透处理装置为两级膜系统，每级均包括一个反渗透膜组件，每个反渗透膜组件的入口管路上均设置有增压泵；所述反渗透膜组件由压力容器与膜元件组成，膜元件为海水膜。
所述加药装置包括加药控制系统和多个并联的加药箱，加药箱的数量与反渗透处理装置的数量相同，每个加药箱分别与每级反渗透处理装置连接，其连接管路上设置有加药泵、管道混合器、加药泵、pH计，加药泵和pH计均与加药控制系统连接，加药控制系统内设置有可编程逻辑控制器。
所述反渗透处理装置包括反渗透浓缩液箱，反渗透浓缩液箱通过反渗透浓缩液泵与辅助吸附床连接；辅助吸附床内部介质为阳树脂或混树脂。
所述离子交换子系统包括3台串联的离子交换床，每台离子交换床均设有压差监测及报警装置；第一台离子交换床与膜分离子系统之间通过离子交换进水箱和离子交换进水泵连接，最后一台离子交换床连接有碎树脂过滤器；第一台离子交换床内装填阳树脂，第二台和第三台离子交换床内装填混树脂。
一种核电厂含硼放射性废液的组合处理方法，步骤如下：
步骤一，待处理废液自粗过滤子系统进入，经过滤器后，去除颗粒态放射性物质；
步骤二，随后废液流入膜分离子系统或者直接流入离子交换子系统，
若废液流入膜分离子系统，则进行以下步骤：首先经过超滤处理装置，截留胶体态放射性物质，形成的浓缩液排至超滤浓缩液箱，透过液排至反渗透原水箱；反渗透原水箱内废液通过第一增压泵进入第一级反渗透膜组件，之后浓缩液排至反渗透浓缩液箱，透过液通过第二增压泵进入第二级反渗透膜组件；第二级反渗透膜组件的浓缩液返回至反渗透原水箱，透过液进入离子交换子系统；
若废液直接流入离子交换子系统，则进行步骤三；
步骤三，进入离子交换子系统的废液先流入离子交换进水箱中，通过离子交换进水泵提供动力，依次通过多个离子交换床，再经碎树脂过滤器截留后最终出水。
步骤二中，进入两级反渗透膜组件的废液均通过加药装置调节pH值，每个加药箱内药剂通过其管路上的加药泵注入至道混合器，经搅混后流过管道混合器下游设置的pH计；pH计将pH值信号反馈至加药控制系统，通过加可编程逻辑控制器处理后，向加药泵发出调节控制信号，将pH值自动调节至设置值。
步骤二中，反渗透浓缩液箱内废液通过反渗透浓缩液泵经辅助吸附床后，返回至过滤器入口，进行循环处理。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)本发明对废液中的放射性核素具有良好的去除效果，整套工艺可将核电厂一回路放射性废液的放射性活度浓度降低4～5个数量级。
(2)对废液中颗粒态、胶体态和离子态的放射性物质均具有针对性的处理工艺，各工艺间优势互补。
(3)通过调节pH值，可有效去除放射性废液中的硼，去除率达80％以上。
(4)各子系统间衔接匹配度高，经过滤器过滤的废液可直接进入超滤处理装置，超滤处理装置出水又可直接进入反渗透处理装置，反渗透处理装置出水则直接进入离子交换床，中间无需额外的保安/防堵过滤器。
(5)二级反渗透膜组件的浓缩液进入反渗透原水箱，可通过循环处理来提高装置回收率。
(6)操作灵活性高，反渗透处理装置可根据需求进行旁路。反渗透原水箱中的废液可直接通过离子交换进水泵进入离子交换子系统进行处理。
(7)反渗透浓液箱中的浓缩液可返回过滤器入口进行再次净化处理，可进一步提高膜处理子系统的回收率。同时，在返回路径上设有净化床，可降低浓缩液的放射性水平，降低了对操作人员的辐照剂量。
(8)组合工艺适用性广，离子交换子系统中的介质可根据具体水质情况以及反渗透处理装置是否投运，进行专门选型确定。例如，当无需除硼时，反渗透系统旁路，离子交换床中可装填硼饱和树脂。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，包括依次连接的粗过滤子系统、膜分离子系统、离子交换子系统，其中，粗过滤子系统主要针对颗粒态放射性物质，膜分离子系统主要针对胶体态放射性物质和硼，离子交换子系统主要针对离子态放射性物质。
粗过滤子系统包括过滤器1，及其上、下游的相连的管道。过滤器内的滤芯为袋式或芯式，过滤精度为0.5～25微米。
作为优选，袋式过滤器在更换时具有一定的优势：过滤截留的放射性颗粒包容在滤袋中，可避免更换时放射性物质的外漏。
根据处理废液水质的差异，选择合适的过滤精度。对于水质较好的新电厂，可采用0.5微米的滤芯，能保证一回路较低的放射性水平；对于水质较差的老电厂，可采用25微米的滤芯，可有效避免滤芯的频繁堵塞、更换。
膜分离子系统包括与过滤器1的出口连接的超滤处理装置2，以及与超滤处理装置2连接的两级反渗透处理装置，超滤处理装置2和两级反渗透处理装置之间设有加药装置，多级反渗透处理装置连接有辅助吸附床11，辅助吸附床11与粗过滤子系统的过滤器1连接。超滤处理装置主要用于截留胶体态的放射性物质，反渗透处理装置主要用于截留硼，同时也可截留一定量的离子态放射性物质。
超滤处理装置2连接有超滤浓缩液箱3和反渗透原水箱4；反渗透原水箱4依次连接有第一级反渗透膜组件6和第二级反渗透膜组件9，反渗透原水箱4还与离子交换进水箱21连接。
超滤处理装置2内设置有超滤膜，超滤膜为有机超滤膜或无机超滤膜，孔径为1～20纳米，过滤效率在95％以上。
反渗透处理装置包括第一级反渗透膜组件6和第二级反渗透膜组件9，第一级反渗透膜组件6的入口管路上设置有第一增压泵5，第二级反渗透膜组件9的入口管路上设置有第二增压泵8；反渗透膜组件由压力容器与膜元件组成，膜元件为海水膜，稳定脱盐率不低于99％。
反渗透处理装置可实现旁路，当作为除硼使用，反渗透处理装置运行的pH值为9.5～11，采用加药装置进行调节；若仅考虑反渗透装置对放射性核素的处理，则无需对废液的pH值进行调节。
加药装置包括加药控制系统20和两个并联的加药箱，分别为第一加药箱12和第二加药箱16，第一加药箱12与第一级反渗透膜组件6连接，其连接管路上设置有第一加药泵13、第一管道混合器14、第一pH计15，第二加药箱16与第二级反渗透膜组件9连接，其连接管路上设置有第二加药泵17、第二管道混合器18、第二pH计19；第一加药泵13、第二加药泵17、第一pH计15、第二pH计19均与加药控制系统2连接，加药控制系统2内设置有可编程逻辑控制器(PLC)，可在线调节pH值。
第一级反渗透膜组件6和第二级反渗透膜组件9均与反渗透浓缩液箱7连接，反渗透浓缩液箱7通过反渗透浓缩液泵10与辅助吸附床11连接；辅助吸附床11内部介质为阳树脂或混树脂。树脂的均一系数低于1.1。阳树脂以及混树脂中的阳树脂为强酸性树脂，交联度至少为8％；混树脂中的阴树脂为强碱性树脂，且为硼酸饱和型。
离子交换子系统包括3台串联的离子交换床，分别为第一离子交换床23、第二离子交换床24、第三离子交换床25，每台离子交换床均设有压差监测及报警装置；第一离子交换床23与膜分离子系统之间通过离子交换进水箱21和离子交换进水泵22连接，第三离子交换床25连接有碎树脂过滤器26；第一离子交换床23内装填阳树脂，第二离子交换床24和第三离子交换床25内装填混树脂。树脂的均一系数低于1.1。阳树脂以及混树脂中的阳树脂为强酸性树脂，交联度至少为10％；混树脂中的阴树脂为强碱性树脂。若反渗透处理装置投运除硼，则阳树脂以及混树脂中的阳树脂采用Na型，混树脂中的阴树脂采用硼酸饱和型；若无除硼需求，则阳树脂以及混树脂中的阳树脂采用H型，混树脂中的阴树脂采用OH型。
下面结合几个实施例对本发明进行说明。
实施例1
待处理废液自粗过滤子系统进入，经过滤器1后，去除颗粒态放射性物质。
随后废液流入膜分离子系统，首先经过超滤处理装置2，截留胶体态放射性物质，形成的浓缩液排至超滤浓缩液箱3，透过液排至反渗透原水箱4。反渗透原水箱内废液通过第一增压泵5进入第一级反渗透膜组件6，之后浓缩液排至反渗透浓缩液箱7，透过液通过第二增压泵8进入第二级反渗透膜组件9。第二级反渗透膜组件的浓缩液返回至反渗透原水箱4，透过液进入离子交换子系统。反渗透浓缩液箱7内废液可通过反渗透浓缩液泵10经辅助吸附床11后，返回至过滤器1入口，进行循环处理。
进入两级反渗透的废液均通过加药装置调节pH值，以改善硼酸的去除效果。第一加药箱12内药剂通过第一加药泵13注入至第一管道混合器14，经搅混后流过第一管道混合器14下游设置的第一pH计15；第二加药箱16内药剂通过第二加药泵17注入至第二管道混合器18，经搅混后流过第二管道混合器18下游设置的第二pH计19。pH计将pH值信号反馈至加药控制系统20，通过PLC处理后，向第一加药泵13、第二加药泵17发出调节控制信号，将pH值自动调节至设置值。
进入离子交换子系统的废液先流入离子交换进水箱21中，通过离子交换进水泵22提供动力，依次通过第一离子交换床23、第二离子交换床24、第三离子交换床25，再经碎树脂过滤器26截留后最终出水。
实施例2：去除放射性和硼
对于核电厂正常运行产生的含硼放射性废液，放射性活度浓度～106Bq/L，硼浓度～500ppm，按照实施例1的流程进行处理，所有子系统均投入运行，离子交换床中装填Na型阳树脂。
经处理后，废液的放射性活度浓度可低于100Bq/L，满足GB 6249(核动力厂环境辐射防护规定)中沿海和内陆核电厂的排放限值要求。出水中的硼浓度低于100ppm，经电厂冷却塔排水稀释后，可低于0.5ppm以下。
实施例3：去除放射性
对于某些沿海核电厂，已设置有硼回收系统，且对于排入海水的硼浓度没有要求时，可旁路反渗透处理装置。废液处理工序依次为：过滤器、超滤处理装置、第一离子交换床、第二离子交换床、第三离子交换床和碎树脂过滤器。经上述处理序列处理后，废液的放射性活度浓度同样可低于100Bq/L，满足GB 6249(核动力厂环境辐射防护规定)中沿海和内陆核电厂的排放限值要求。但废液中的硼浓度仍保持在原有水平。
该处理主要的优势是不会产生含硼的浓缩液，进而无需干燥/固化处理，极大的减少的二次废物的产生量。
实施例4：去除燃料包壳有一定破损工况废液
当核电厂燃料元件包壳有一定的破损时，废液中Cs、Sr等离子态的放射性核素的量会有所增加。针对此工况，按照实施例1中的流程进行处理，但可在离子交换床A中有针对性的装填选择性更好的H型树脂或者对Cs、Sr具有高选择性的无机离子吸附剂，进一步优化处理效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：包括粗过滤子系统、膜分离子系统、离子交换子系统，粗过滤子系统分别与膜分离子系统、离子交换子系统连接，膜分离子系统与离子交换子系统连接，其中：
所述粗过滤子系统包括过滤器；
所述膜分离子系统包括与过滤器的出口连接的超滤处理装置，以及与超滤处理装置连接的多级反渗透处理装置，超滤处理装置和多级反渗透处理装置之间设有加药装置，多级反渗透处理装置连接有辅助吸附床，辅助吸附床与粗过滤子系统的过滤器连接；
所述离子交换子系统包括若干台串联的离子交换床。
2.根据权利要求1所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：所述过滤器内的滤芯为袋式或芯式，过滤精度为0.5～25微米。
3.根据权利要求1所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：所述超滤处理装置连接有超滤浓缩液箱；超滤处理装置内设置有超滤膜，超滤膜为有机超滤膜或无机超滤膜，孔径为1～20纳米。
4.根据权利要求1所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：所述反渗透处理装置为两级膜系统，每级均包括一个反渗透膜组件，每个反渗透膜组件的入口管路上均设置有增压泵；所述反渗透膜组件由压力容器与膜元件组成，膜元件为海水膜。
5.根据权利要求1所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：所述加药装置包括加药控制系统和多个并联的加药箱，加药箱的数量与反渗透处理装置的数量相同，每个加药箱分别与每级反渗透处理装置连接，其连接管路上设置有加药泵、管道混合器、加药泵、pH计，加药泵和pH计均与加药控制系统连接，加药控制系统内设置有可编程逻辑控制器。
6.根据权利要求1所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：所述反渗透处理装置包括反渗透浓缩液箱，反渗透浓缩液箱通过反渗透浓缩液泵与辅助吸附床连接；辅助吸附床内部介质为阳树脂或混树脂。
7.根据权利要求1所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理系统，其特征在于：所述离子交换子系统包括3台串联的离子交换床，每台离子交换床均设有压差监测及报警装置；第一台离子交换床与膜分离子系统之间通过离子交换进水箱和离子交换进水泵连接，最后一台离子交换床连接有碎树脂过滤器；第一台离子交换床内装填阳树脂，第二台和第三台离子交换床内装填混树脂。
8.一种核电厂含硼放射性废液的组合处理方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一，待处理废液自粗过滤子系统进入，经过滤器后，去除颗粒态放射性物质；
步骤二，随后废液流入膜分离子系统或者直接流入离子交换子系统，
若废液流入膜分离子系统，则进行以下步骤：首先经过超滤处理装置，截留胶体态放射性物质，形成的浓缩液排至超滤浓缩液箱，透过液排至反渗透原水箱；反渗透原水箱内废液通过第一增压泵进入第一级反渗透膜组件，之后浓缩液排至反渗透浓缩液箱，透过液通过第二增压泵进入第二级反渗透膜组件；第二级反渗透膜组件的浓缩液返回至反渗透原水箱，透过液进入离子交换子系统；
若废液直接流入离子交换子系统，则进行步骤三；
步骤三，进入离子交换子系统的废液先流入离子交换进水箱中，通过离子交换进水泵提供动力，依次通过多个离子交换床，再经碎树脂过滤器截留后最终出水。
9.根据权利要求8所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理方法，其特征在于：步骤二中，进入两级反渗透膜组件的废液均通过加药装置调节pH值，每个加药箱内药剂通过其管路上的加药泵注入至道混合器，经搅混后流过管道混合器下游设置的pH计；pH计将pH值信号反馈至加药控制系统，通过加可编程逻辑控制器处理后，向加药泵发出调节控制信号，将pH值自动调节至设置值。
10.根据权利要求8所述的核电厂含硼放射性废液的组合处理方法，其特征在于：步骤二中，反渗透浓缩液箱内废液通过反渗透浓缩液泵经辅助吸附床后，返回至过滤器入口，进行循环处理。
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