DE102004045524A1 - Decontamination of organically-loaded waste waters from nuclear power stations, treats with ozone and precipitates or flocculates radioactive nuclides - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dekontamination von organisch belasteten Abwässern aus Kernkraftwerken, z. B. von Verdampferkonzentraten oder Ionenaustauscherharz-Konzentraten.The The invention relates to a method for the decontamination of organic contaminated wastewater Nuclear power plants, z. B. of evaporator concentrates or ion exchange resin concentrates.
Beim Betrieb der nuklearen Aufbereitungs- und Reinigungssysteme in Kernkraftanlagen fallen flüssige radioaktive Betriebsabfälle in Form von Verdampferkonzentraten und Ionenaustauscherharz (Pulverharz)-Konzentraten an. Die Abfallmengen werden zu mehr als 95% von nicht-radioaktiven Bestandteilen bestimmt, müssen jedoch im Gemisch mit den radioaktiven Isotopen entsorgt werden.At the Operation of nuclear treatment and purification systems in nuclear power plants fall liquid radioactive operational waste in the form of evaporator concentrates and ion exchange resin (powder resin) concentrates at. The amounts of waste are more than 95% of non-radioactive Components However, be disposed of in a mixture with the radioactive isotopes.
Beispielsweise enthalten Verdampferkonzentrate in Abhängigkeit von ihrer Herkunft (z.B. Siedewasser- oder Druckwasserreaktoren) einen hohen Feststoffanteil (ca. 70 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz) an Natriumsulfat (Siedewasserreaktoren) bzw. einem Gemisch aus neutralen Borsäuresalzen (Druckwasserreaktoren). Neben diesen Hauptinhaltsstoffen enthalten alle Verdampferkonzentrate organische Komponenten (ca. 25 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz) wie Citronensäure, Tenside, Enzyme, Öle und geflockte Wasch- und Dekontmittelrückständen als nicht-radioaktive Bestandteile. Maximal 5 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, der Entsorgungsmenge machen radioaktive Nuklide aus, jedoch erhöht die Vermischung dieses relativ geringen Anteils an Aktivitätsträgern mit den inaktiven Bestandteilen die zu entsorgende radioaktive Abfallmenge um den Faktor 10 bis 20. Gleiches gilt für die Pulverharz-Konzentrate, in denen geringe Mengen radioaktiver Nuklide im organischen Grundgerüst der Ionenaustauscherharze gebunden sind.For example contain evaporator concentrates depending on their origin (e.g., boiling water or pressurized water reactors) have a high solids content (About 70 wt.%, Based on the dry matter) of sodium sulfate (Boiling water reactors) or a mixture of neutral boric acid salts (Pressurized Water Reactors). In addition to these main ingredients included all evaporator concentrates organic components (about 25% by weight, based on dry matter) such as citric acid, surfactants, enzymes, oils and flocculated Washing and Dekontmittelrückständen as non-radioactive Ingredients. Maximum 5% by weight, based on the dry matter, the amount of disposal make radioactive nuclides, but increases the mixing this relatively low level of activity carriers with the inactive components the amount of radioactive waste to be disposed of by a factor of 10 to 20. The same applies to the powder resin concentrates in which small amounts of radioactive Nuclides in the organic framework the ion exchange resins are bonded.
Gewöhnlich werden diese Konzentrate nach mehrjähriger Abklingzeit mit Trocknungsanlagen (z. B. ROBE-Anlagen) für die Zwischen- oder Endlagerung konditioniert. Aufgrund der hohen Aktivitätswerte müssen die dabei entstehenden Trocknungsprodukte in teuren Gussbehältern oder in anderen geeigneten Primär- und Abschirmverpackungen verpackt werden, wodurch die Entsorgungskosten enorm gesteigert werden.Usually will these concentrates after several years Cooldown with drying equipment (eg ROBE equipment) for the intermediate or disposal conditioned. Due to the high activity values have to the resulting drying products in expensive cast containers or in other suitable primary and shielding packages be packaged, which increases the disposal costs enormously become.
Die organischen Inhaltsstoffe der Abwasserkonzentrate sind Kohlenstoffverbindungen unterschiedlicher Herkunft, insbesondere Dekontmittel und Komplexbildner. Da der Anteil dieser organischen Inhaltsstoffe meist über 1 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, liegt, wird die Endlagerfähigkeit der getrockneten Konzentrate aufgrund unterstellter Brennbarkeit in Frage gestellt. Die organischen Inhaltsstoffe führen außerdem immer wieder zu Konditionierungsproblemen, da sie die Aushärtung der Produkte zu monolithischen Salzblöcken verzögern oder vollständig verhindern.The Organic ingredients of waste concentrates are carbon compounds of different origin, in particular decontaminants and complexing agents. Since the proportion of these organic ingredients usually over 1 wt.%, based on the dry matter, is the final storage capacity of the dried concentrates due to imputed flammability in Asked a question. The organic ingredients also lead to conditioning problems, since they are curing delay or completely prevent the product from becoming monolithic salt blocks.
Ein spezielles Problem stellen die als Verkrustungsinhibitoren eingesetzten Komplexbildner wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) und Nitrilotriessigsäure (NTA) dar, mit denen ein Verstopfen der Heizrohre verhindert werden soll. Diese Verkrustungsinhibitoren und andere Komplexbildner, die beispielsweise in den eingesetzten Dekont- und Waschmitteln enthalten sind, komplexieren jedoch nicht nur die für die Verkrustungen der Heizrohre verantwortlichen Calciumionen, sondern auch andere Metallionen wie Mangan, Zink oder Cobalt. Dies führt dazu, dass diese in Form radioaktiver Nuklide vorliegenden Metallionen aus ihren Komplexverbindungen nicht mehr mit Hilfe üblicher Fällungsreaktionen abgetrennt werden können, sondern in Lösung verbleiben. Es stand bisher in der Praxis kein chemisches Verfahren zur Verfügung, diese Aktivitätsträger im weiteren Aufbereitungsverfahren von den inaktiven Konzentratbestandteilen zu trennen.One special problem put the used as Verkrustungsinhibitoren Complexing agents such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and nitrilotriacetic acid (NTA) is to prevent clogging of the heating pipes. These scale inhibitors and other complexing agents, for example contained in the decontamination and detergent used, complex but not only for the incrustations of the heating tubes responsible calcium ions, but Other metal ions such as manganese, zinc or cobalt. This leads to these present in the form of radioactive nuclides metal ions their complex compounds are no longer separated using conventional precipitation reactions can be but in solution remain. It has hitherto been in practice no chemical process to disposal, these activity carriers in the further Preparation process of inactive concentrate ingredients to separate.
Zur Aufbereitung von Pulverharzkonzentraten, die mit radioaktiven Nukliden kontaminiert sind, ist aus der US-A-4 770 783 ein Verfahren bekannt, bei dem die Pulverharzkonzentrate mit Wasserstoffperoxid, Sauerstoff oder einer Mischung von konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure oxidiert werden, um flüchtige Verbindungen und eine Lösung von radioaktiven Metallionen zu bilden, aus der die Metalle durch Zugabe von Hydroxid bei einem pH-Wert von mindestens 9 ausgefällt werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass bei Verwendung von flüssigen Oxidationsmitteln eine Volumenvergrößerung erfolgt, d.h. die zu entsorgende Masse wird vergrößert. Außerdem tritt bei der dort beschriebenen Oxidation unter stark alkalischen Bedingungen eine unerwünschte Schaumbildung auf.to Preparation of powder resin concentrates containing radioactive nuclides is a process known from US-A-4,770,783, in the powder resin concentrates with hydrogen peroxide, oxygen or a mixture of concentrated sulfuric acid and concentrated nitric acid become fleeting Connections and a solution to form radioactive metal ions, from which the metals pass through Addition of hydroxide can be precipitated at a pH of at least 9. This process has the disadvantage that when using liquid oxidants an increase in volume occurs i.e. the mass to be disposed of is increased. It also occurs in the case described there Oxidation under strong alkaline conditions undesirable foaming on.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein wirtschaftliches Verfahren zur Dekontamination von organisch belasteten Abwässern aus Kernkraftwerken, insbesondere Verdampferkonzentraten und Pulverharzkonzentraten, bereitzustellen, das organische Verbindungen aus diesen Lösungen entfernt und so eine effiziente und kostengünstige Trennung der radioaktiven und inaktiven Bestandteile ermöglicht.task The invention was therefore an economical decontamination process of organically polluted wastewater from nuclear power plants, in particular evaporator concentrates and powder resin concentrates, to provide organic compounds removed from these solutions and so an efficient and cost-effective separation of the radioactive and inactive ingredients.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Dekontamination von organisch belasteten Abwässern aus Kernkraftwerken, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man
- (a) das Abwasser bei einem pH-Wert von 1 bis 8 mit Ozon behandelt,
- (b) gegebenenfalls das ozonbehandelte Abwasser neutralisiert und
- (c) enthaltende radioaktive Nuklide durch Ausfällung/Ausflockung abtrennt.
- (a) treating the effluent at a pH of 1 to 8 with ozone,
- (b) optionally neutralizing the ozone-treated wastewater and
- (c) separating radioactive nuclides by precipitation / flocculation.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise können die gesamten organischen Inhaltsstoffe vor der Konditionierung der Abwässer oxidativ zu unschädlichem Kohlendioxid abgebaut werden.By the procedure of the invention can the entire organic ingredients before conditioning the sewerage oxidative to harmless Be decomposed carbon dioxide.
Durch kontrollierten Eintrag von ozonhaltiger Luft in die zu dekontaminierenden Abwasserkonzentrate lässt sich der oxidative Abbau der vorhandenen organischen Inhaltsstoffe steuern. Beispielsweise können in einer Abbauphase I zunächst die freien organischen Inhaltsstoffe abgebaut werden, wodurch bereits eine Abfallminimierung in den Konzentraten um ca. 5–20%, bezogen auf die Trockensubstanz, erzielbar ist.By Controlled entry of ozone-containing air into the decontaminated Waste water concentrates leaves the oxidative degradation of existing organic ingredients Taxes. For example, you can in a dismantling phase I first The free organic ingredients are degraded, which already a waste minimization in the concentrates of about 5-20%, based on the dry substance, can be achieved.
Setzt man die Ozonisierung über diese Phase hinaus fort, kommt es in einer Abbauphase II auch zur oxidativen Zerstörung der eine Ausfällung der Metallionen verhindernden Komplexe (speziell EDTA- und NTA-Komplexe) bzw. zum Abbau des organischen Grundgerüstes des Ionenaustauscherharze. Die freigesetzten Metallionen werden oxidiert und mineralisiert. Nach dieser Abbauphase II ist die ursprüngliche Suspension frei von Feststoffen und farblos klar. Die Abfallminimierung kann in der Abbauphase II um weitere 5% auf ca. 25%, bezogen auf die Trockensubstanz, gesteigert werden.Puts you over ozonation This stage also comes in a mining phase II also to oxidative destruction the one precipitation metal ion-preventing complexes (especially EDTA and NTA complexes) or for the degradation of the organic skeleton of the ion exchange resins. The released metal ions are oxidized and mineralized. To this degradation phase II is the original suspension free of Solids and colorless clear. The minimization of waste can be found in the Degradation phase II by a further 5% to approx. 25%, based on the dry substance, be increased.
Die Ozonierung wird gewöhnlich bei einem pH-Wert von 1 bis 8, vorzugsweise 5 bis 7,5 und insbesondere 6 bis 7 durchgeführt. Die Reaktionstemperatur liegt vorzugsweise bei Normaltemperatur (20–30°C). Die Ozonierung kann bei Normaldruck oder erhöhtem Druck durchgeführt werden. Die Ozonierung unter Druck ermöglicht zwar eine höhere Effizienz, jedoch ist eine mögliche Peroxidbildung aus den vorhandenen organischen Strukturen zu berücksichtigen. Pro Gramm Kohlenstoff in den organischen Inhaltsstoffen werden im allgemeinen mindestens etwa 8 g Ozon zugeführt. Gute Ergebnisse wurden in der Praxis mit etwa 100 g Ozon pro Liter Konzentrat in jeder der Abbauphasen I und II erzielt. Zur Ozonerzeugung eignet sich z. B. ein Ozonisator mit Sander-Ozonelektroden, die vorzugsweise mit reinem Sauerstoff betrieben werden. Die Reaktionsgefäße sind vorzugsweise aus Edelstahl, Glas oder Teflon gefertigt. Gummierungen und Kunststoffe werden von Ozon angegriffen.The Ozonation becomes common at a pH of 1 to 8, preferably 5 to 7.5 and especially 6 to 7 performed. The reaction temperature is preferably at normal temperature (20-30 ° C). The ozonation can be at normal pressure or elevated Pressure performed become. Although pressurized ozonation allows greater efficiency, however, one is possible Account for peroxide formation from the existing organic structures. Per gram of carbon in the organic ingredients are in the generally at least about 8 g of ozone supplied. Good results were in practice with about 100 grams of ozone per liter of concentrate in each achieved the degradation phases I and II. For ozone generation is suitable z. As an ozonizer with Sander ozone electrodes, preferably be operated with pure oxygen. The reaction vessels are preferably made of stainless steel, glass or Teflon. Gummierungen and plastics are attacked by ozone.
Die Ozonierung erfolgt üblicherweise bis zu einem TOC (total organic content) von < 500 mg C/kg Lösung, vorzugsweise < 250 mg C/kg Lösung. Der Endpunkt des oxidativen Abbaus lässt sich z. B. dadurch feststellen, dass sich der pH-Wert auf einem niedrigen Niveau stabilisiert (z. B. pH 1–3). Dies beruht darauf, dass beim oxidativen Abbau von EDTA oder anderen Komplexbildnern mit Amingruppen Salpetersäure entsteht, so dass der pH während der Ozonolyse kontinuierlich bis auf einen Endpunkt abfällt. Eine alternative Methode zur Endpunktsbestimmung ist die Zugabe von Mangan, aus dem sich am Endpunkt des oxidativen Abbaus Permanganationen bilden, welche die Lösung violett färben.The Ozonation usually takes place to a TOC (total organic content) of <500 mg C / kg solution, preferably <250 mg C / kg solution. The endpoint of oxidative degradation z. B. thereby determine that the pH at a low Level stabilized (eg pH 1-3). This is due to the fact that oxidative degradation of EDTA or others Complexing agents with amine groups nitric acid is formed so that the pH while the ozonolysis continuously drops to one endpoint. A alternative method of endpoint determination is the addition of manganese, from which permanganate ions form at the end point of oxidative degradation, which the solution dye violet.
In Abhängigkeit von den anschließend durchzuführenden Fällungs-/Flockungsreaktionen kann die ozonbehandelte Lösung gegebenenfalls in Schritt (b) neutralisiert werden. Hierzu sind geringe Mengen einer Base wie Natronlauge erforderlich, da keine Puffersubstanzen mehr in der Lösung vorhanden sind.In dependence from the subsequently performed Precipitation / flocculation reactions can the ozone treated solution optionally in step (b) are neutralized. These are Small amounts of a base such as sodium hydroxide solution required, as no Buffer substances more in the solution available.
In
Schritt (c) werden vorhandene Aktivitätsträger durch chemische Fällungs/Flockungsreaktionen
ausgefällt,
soweit sie nicht von alleine als Metalloxide oder Metalloxidhydrate
ausfallen. Zur Abtrennung der radioaktiven Nuklide können die
in der analytischen Chemie bekannten Fällungsreaktionen herangezogen
werden. Mit Hexacyanoferrat-Salzen arbeitende Fällungs/Flockungsverfahren für kerntechnische
Anwendungen sind z. B. in
Ein anderes handelsübliches Fällungsmittel für ein- und zweiwertige Schwermetalle wie Ag, Cd, Cu, Hg, Ni, Co, Fe, Pb und Zn ist TMT-15® von Degussa (Trimercapto-s-triazin-trinatriumsalz). Damit lassen sich die Metalle aus Komplexbildner-freien Abwässern bei pH 7–10 ausfällen.Another commercial precipitant for monovalent and divalent heavy metals such as Ag, Cd, Cu, Hg, Ni, Co, Fe, Pb and Zn is TMT- 15® from Degussa (trimercapto-s-triazine trisodium salt). Thus, the metals can be precipitated from complexing agent-free wastewater at pH 7-10.
Cs-Nuklide können z. B. durch Zusatz von Natriumtetraphenylborat (Handelsname Kalignost) gefällt werden. Um eine vollständige Cs-Fällung in der Praxis zu gewährleisten, wird das Konzentrat vorzugsweise mit Cs-Trägerlösung bis zu einer Konzentration von 10 ppm versetzt. Das Fällungsprodukt ist mit dem TMT-15®-Niederschlag der Metallfällung gut filtrierbar oder zentrifugierbar, so dass eine gemeinsame Co/Cs-Fällung durchgeführt werden kann.Cs-nuclides can z. B. by the addition of sodium tetraphenylborate (trade name Kalignost) are made. To ensure complete Cs precipitation in practice, the concentrate is preferably treated with Cs carrier solution to a concentration of 10 ppm. The precipitate was easily filtered with the TMT-15 ® precipitate the metal precipitation or centrifuged, so that a common Co / Cs-precipitation can be carried out.
Die Fällungsprodukte und ausgefallenen Metalloxide und -oxidhydrate werden nach üblichen physikalischen Trennverfahren, z. B. Dekantation, Zentrifugation oder Ultrafiltration, abgetrennt. Die besten Dekontaminationserfolge werden mit der Ultrafiltration erzielt. Die Ultrafiltration ermöglicht auch die Abtrennung kolloidal vorliegender Radionuklide. Die hierbei erreichten Dekontfaktoren liegen bei > 1000. Diese abgetrennte Feststoffphase enthält das gesamte Aktivitätsinventar der behandelten flüssigen Betriebsabfälle und macht nur noch etwa 5–10%, bezogen auf die Trockensubstanz, der ursprünglichen Entsorgungsmenge aus. Die relativ geringen Mengen der abgetrennten radioaktiven Fällungsprodukte können einer langfristigen Abklinglagerung unterworfen werden, die die spätere Konditionierung erleichtert.The precipitates and precipitated metal oxides and oxide hydrates are according to usual physical separation method, z. B. decantation, centrifugation or ultrafiltration, separated. The best decontamination successes are achieved with ultrafiltration. The ultrafiltration also allows the separation of colloidal radionuclides. The hereby achieved decontamination factors are> 1000. This separated solid phase contains the entire activity inventory the treated liquid operational waste and only makes about 5-10%, based on the dry matter, the original disposal amount. The relatively small amounts of the separated radioactive precipitation products can one long-term decay, subject to subsequent conditioning facilitated.
Die
verbleibende abgereicherte Salzlösung enthält je nach
Herkunft als Hauptbestandteil Natriumsulfat bzw. Borsäuresalze.
Natriumsulfat kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mittels
Kühlkristallisation
gemäß
Bei der Ozonolyse von Pulverharzen entsteht eine Natriumsulfat-/Natriumnitrat-Lösung, die die Abfallmenge gegenüber dem Stand der Technik um ca. 50% reduziert. Die Fällungsstufe (c) kann entfallen. Im nachfolgenden Trocknungsschritt entweichen die beim Harzabbau gebildeten anorganischen Säuren als azeotropes Gemisch, das nicht radioaktiv ist. Durch Neutralisation der in einem nachgeschalteten Wäscher zurückgehaltenen Säurelösung erhält man ein Salz, das konventionell entsorgt werden kann.at The ozonolysis of powdered resins produces a sodium sulphate / sodium nitrate solution which reduces the amount of waste compared to State of the art reduced by about 50%. The precipitation stage (c) can be omitted. In the subsequent drying step, the resin dissipates formed inorganic acids as an azeotropic mixture that is not radioactive. By neutralization in a downstream scrubber retained Acid solution is obtained Salt that can be disposed of conventionally.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine effiziente und kostengünstige Trennung der radioaktiven und inaktiven Bestandteile von organisch belasteten Abwässern aus Kernkraftwerken, insbesondere Verdampferkonzentraten und Pulverharzkonzentraten. Die hohe Reinheit der abgereicherten Salzlösung erleichtert die weitere Behandlung/Konditionierung des Konzentrats. Die Dosisleistung für das Bedienungspersonal der Konditionierungsanlage sowie Kontaminationsprobleme bei der Konditionierung werden stark vermindert. Nach der Ozonierung ist das Konditionierungsprodukt frei von organischen Bestandteilen und erfüllt damit das Endlagerungskriterium „Nichtbrennbarkeit". In Verbindung mit den genannten Dekontaminationsverfarhen können die aus flüssigen radioaktiven Betriebsabfällen resultierenden und einem Endlager zuzuführenden Endlagermengen um bis zu 95% verringert werden.The inventive method allows an efficient and cost effective Separation of radioactive and inactive components from organic contaminated wastewater from nuclear power plants, in particular evaporator concentrates and powder resin concentrates. The high purity of the depleted saline solution facilitates the further Treatment / conditioning of the concentrate. The dose rate for the operator the conditioning plant as well as contamination problems during conditioning are greatly reduced. After ozonation is the conditioning product free from organic components and thus fulfills the final disposal criterion "non - combustibility" The said decontamination methods can be those from liquid radioactive operational waste resulting and to be supplied to a final repository amounts to be reduced to 95%.
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