DE3873957T2

DE3873957T2 - Verfahren zur behandlung schwach aktiver organischer abfaelle von kernkraftwerken mittels anaerobischer fermentation.

Info

Publication number: DE3873957T2
Application number: DE8888303022T
Authority: DE
Inventors: Raimo Maatta; Antti Ruuskanen; Esko Tusa
Original assignee: Imatran Voima Oy
Current assignee: Imatran Voima Oy
Priority date: 1987-04-08
Filing date: 1988-04-05
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2008-04-06
Also published as: FI871550A; DE3873957D1; EP0286358A2; FI89581B; EP0286358B1; EP0286358A3; FI871550A0; JPS63279200A; SU1627098A3; FI89581C; US4861519A; JPH0711596B2; CA1329278C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung schwach aktiver Abfälle von Kernkraftwerken mittels anaerober Fermentation.
Das Dokument DE-A-2930812 offenbart ein Verfahren zur Reinigung organischer Abfälle in einem wäßrigen Medium. Die Vorrichtung umfaßt zwei aufeinanderfolgende Bioreaktoren, von denen jedes einen porösen anorganischen Träger enthält, der zur Ansammlung von Biomasse geeignet ist.
Im Bereich eines Kernkraftwerks werden verschiedene Abfälle produziert, von denen ein Teil radioaktiv ist. Die Abfälle sind nicht nach ihrer Aktivität klassiert worden; alle werden als sogenannte schwach aktive Abfälle betrachtet. Der größere Teil davon besteht aus Papier und anderem organischen Material. Tabelle 1 gibt die Zusammensetzung der schwach aktiven Abfälle von IVO (die Elektrizitätsgesellschaft Imatran Voima Osakeyhtiö). Andere Grundsätze wurden, wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zur Klassierung der Abfälle von TVO (die Elektrizitätsgesellschaft Teollisuuden Voima Osakeyhtiö) angewendet.

Tabelle 1 Zusammensetzung der schwach aktiven Abfälle, die beim Kernkraftwerk von IVO anfallen.

Abfalltyp Menge (kg pro Jahr)
Papier 7500
Gemischte Kleiderwaren 1500
Kunststoffe und Gummi 700
Holzbalken und Kleinholz 300
Total 10000

Tabelle 1 Zusammensetzung der schwach aktiven Abfälle, die beim Kernkraftwerk von TVO anfallen

Abfalltyp Menge (kg pro Jahr)
Papier (Karton/Holz 4000
Maschinentücher/Baumwollhandschuhe/Überzüge 4000
Feuerfester Stoff 2000
Kunststoffe und Gummi 10000
Total 20000
Zur Zeit werden die Abfälle in Tonnen von etwa 200 Liter Kapazität gesetzt. Unter der Annahme, daß eine Tonne etwa 50 kg faßt, beträgt die in Tonnen ausgedrückte jährliche Abfallmenge 200 Tonnen bei IVO und 400 Tonnen bei TVO. Zur Zeit haben beide Kernkraftwerke zusammengerechnet etwa 6000 Tonnen schwach aktive Abfälle auf Lager.
Die ursprünglichen Pläne zogen die endgültige Beseitigung dieser Abfälle in aus Gestein herausgesprengten Hohlräumen in Betracht. Dies ist eine teure Lösung und kann-später zu verschiedenen Nachteile führen. Die organischen Stoffe beginnen, sich im Laufe von Jahrzehnten zu zersetzen und verschiedene gasförmige Stoffe zu produzieren. Der Bericht "The gas production due to microbiological activity in the VLJ ultimate disposal facilities, report YJT-84-16" schätzt die Menge des gebildeten Gases auf mehrere zehn Kubikmeter im Jahr während etwa 100 Jahren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, welches erlaubt, schwach aktive Abfälle aus Kernkraftwerken so zu behandeln, daß das Volumen der endgültig zu beseitigenden Abfälle wesentlich reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, daß im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß
(a) der Abfallstoff der gewünschten Vorbehandlung wie beispielsweise Zerkleinerung und Suspendierung oder einer besonderen Behandlung wie beispielsweise Hydrolyse und/oder physikalische Dispersion, Bestrahlung, Wärmebehandlung oder dergleichen unterzogen wird,
(b) der vorbehandelte Abfallstoff zu einem Bioreaktor geführt wird, wo eine anaerobe Zersetzung in zwei Schritten stattfindet, wobei der erste Schritt ein Säureschritt und der zweite ein Methanschritt ist,
(c) die beim Zersetzungsprozeß erzeugten Gase vom Methanschritt zu einer Gas-Abbrennstelle geführt werden, und
(d) der unzersetzte Abfallstoff vom Prozeß entfernt, einer Konzentration zugeführt und in Tonnen oder dergleichen verpackt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Bioreaktor werden zahlreiche nennenswerte Vorteile erreicht. Das Volumen der behandelten Abfälle wird bis zu 5 bis 10% der ursprünglichen, in Tonnen verpackten Abfallmenge reduziert. Der Abfall, der endgültig zu beseitigen ist, wird in einen stabilen Zustand umgesetzt, was beispielsweise dazu führt, daß keine nachteilige Gasbildung erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vergleichsweise schnell, und es ist auf die meisten Abfallfraktionen wirksam. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein geschlossenes Verfahren und erzeugt deshalb keine Nachteile für die Umwelt.
Dank dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Vielfalt von Abfällen behandelt werden, in anderen Worten, ein breiter Bereich vom leicht zersetzbaren Abfall bis zum Abfall, der gegen Zersetzung widerstandsfähig ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren können verschiedene Vorbehandlungsverfahren angewendet werden, umfassend Mahlen und Suspendieren, Hydrolyse oder chemische Spaltung oder anfängliche Zersetzung, physikalische Zersetzung wie ultraviolettes Licht, Bestrahlung, Wärmebehandlung durch Erhitzung oder Kühlung. Beim erfindungsgemäßen Verfahren können während des Verfahrens benötigte Chemikalien falls nötig beigegeben werden; diese umfassen beispielsweise den pH-Wert einstellende Chemikalien, Nährsalze, Spurensubstanzen und Verdickungssubstanzen, die bei der Endkonzentration des Abfalls verwendet werden. Das im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Gas kann
zur Erhaltung der Verfahrenstemperatur verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann innerhalb eines breiten Temperaturbereichs ausgeführt werden, im allgemeinen im Bereich von 5 bis 65ºC. Der am meisten bevorzugte Temperaturbereich mit den meisten Vorteilen in bezug auf die Energiebilanz ist jedoch derjenige von etwa 20 bis 35ºC. Offensichtlich kann das Verfahren in einem höheren Temperaturbereich beschleunigt werden.
Der geeignete Gehalt an trockner Substanz im Verfahren liegt bei 5 bis 10%. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert Wasserersatz von nur etwa 1% der behandelten Abfallmenge. Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch Entwicklung eines Bakterienstamms, der zur Verwendung im Verfahren bestens geeignet ist, weiter verbessert werden.
Das erfindungsgemäße Zersetzungsverfahren kann in zwei, drei oder mehr Blöcke unterteilt werden. Wird dies getan, so werden die sehr schwer zu zersetzenden Abfälle wie beispielsweise Harz im ersten Block zersetzt, beim zweiten Block wird beispielsweise die Behandlung auf leicht zu zersetzende Abfälle wie Papier, Holz, Baumwolle, Karton, Wolle usw. gerichtet. In diesem Fall ist der Bioreaktor mit Trennwänden versehen, welche den Bioreaktor in einzelne Blöcke unterteilen. Die Volumenkapazität jedes Blocks wird im Einklang mit der Zeit gewählt, während der das Material darin verweilt, in anderen Worten im Einklang mit der Zersetzungsrate.
Die Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf gewisse vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschrieben, die in den Figuren der beigelegten Zeichnungen dargestellt sind, auf die jedoch die Erfindung nicht als ausschließlich beschränkt zu verstehen ist.
Fig. 1 stellt gewisse vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines schematischen Diagramms dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Teilverfahren, die aus Fig. 1 hervorgehen. Das erste Teilverfahren ist das Sammeln von Abfällen und das Leeren der Abfalltonnen. In Fig. 1 werden frischer Abfall vom Block 11, alte Abfalltonnen vom Block 28 und das Leeren der Tonnen vom Block 29 dargestellt. Das nächste Teilverfahren ist die Verkleinerung des Abfalls, in Fig. 1 vom Block 12 dargestellt. Das nächste Teilverfahren ist die Suspendierung des verkleinerten Abfalls, was in Fig. 1 vom Block 13 dargestellt wird. Der suspendierte Abfall wird zu einem Separator 14 geführt, von wo aus der zersetzungsfähige Abfall erfindungsgemäß zu einem Bioreaktor 15 geführt wird. Im Bioreaktor 15 findet eine anaerobe Zersetzung in zwei Schritten statt, wobei der erste Schritt ein Säureschritt 15a und der zweite ein Methanschritt 15b ist. Der unzersetzte Abfall wird vom Separator 14 zum Block 16 entfernt, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Vom Bioreaktor 15 wird der unzersetzte Abfall zum Block 17 geführt, und der anaerob zersetzte Abfall wird zum Separator 18 geführt, wo eine Trennung von unzersetzten Stoffen und Wasser stattfindet. Der unzersetzte Abfall wird zum Block 19 geführt, und das Wasser wird durch eine Rückflußleitung 34 zum Wasserbehälter 23 zurückgeführt. Ersatzwasser wird vom Block 24 zum Block 23 geführt. Der vom Prozeß entfernte unzersetzte Abfall wird von den Blöcken 16, 17 und 19 zur Konzentration 20 geführt, von wo aus der weiterbehandelte Abfall in Behälter 21 verpackt wird, die zur Lagerung 22 geführt werden. Vom Block 25 werden dem Bioreaktor 15 Chemikalien beigegeben. Vom Methanschritt 15b des Bioreaktors 15 werden die erzeugten Gase zum Block 26 und weiter zur Gasverbrennung 27 geführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch spezielle Behandlungen umfassen, die in Fig. 1 vom Block 30 dargestellt werden. Der Abfall kann in diesem Falle mit Chemikalien, vgl. Block 31, mit Wärme, vgl. Block 32, und mit ultravioletter Strahlung, vgl. Block 33, behandelt werden.
Beim Säureschritt 15a und/oder beim Methanschritt 15b des Bioreaktors werden Chemikalien beigegeben, die beim Zersetzungsverfahren benötigt werden, wie Nährsalze, Spurensubstanzen, Agenzien zur Einstellung des pH-Werts, Verdickungssubstanzen und dergleichen. Als Nährsalze werden mit Vorteil Stickstoff- oder Phosphorverbindungen verwendet, als Spurensubstanzen mit Vorteil Cobalt, Nickel oder Molybdän, und als Verdickungsmittel mit Vorteil Flockungsmittel.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann der unzersetzte Abfall über die Leitung 34' zum Bioreaktor 15 zurückgeführt werden. Gegebenenfalls kann der unzersetzte Abfall von den Blöcken 16, 17 und 19 über Leitungen 34'' zu einer speziellen Behandlung 30 geführt werden, wo der unzersetzte Abfall einer speziellen Behandlung mittels Hydrolyse und/oder physikalische Dispersion unterzogen und dann über die Leitung 34'' zum Bioreaktor 15 zurückgeführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Abfallstoff schwacher Aktivität aus einem Kernkraftwerk mit Hilfe von anaerober Fermentation, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem Verfahren

(a) der Abfallstoff (11,28) einer Vorbehandlung zu dessen Unterteilung unterzogen wird,

(b) der vorbehandelte Abfallstoff zu einem Bioreaktor (15) geführt wird, wo eine anaerobe Zersetzung in zwei Schritten stattfindet, wobei der erste Schritt ein Säureschritt (15a) und der zweite ein Methanschritt (15b) ist,

(c) die beim Zersetzungsprozeß erzeugten Gase vom Methanschritt (15b) zu einer Gas-Abbrennstelle (27) geführt werden, und

(d) unzersetzter Abfallstoff vom Prozeß entfernt, konzentriert (20) und in Behälter verpackt (21) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zersetzungsprozeß benötige Chemikalien dem Bioreaktor (15) beim Säureschritt (15a) und/oder beim Methanschritt (15b) zugegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Chemikalien Nährsalze in Form von Stickstoff- oder Phosphorverbindungen sind und/oder Cobalt, Nickel oder Molybdän als Spurenelemente enthalten; und/oder Flockungsmittel als Verdickungsmittel umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß unzersetzter Abfallstoff mittels einer Leitung (34') so rezykliert wird, daß er schließlich in den Bioreaktor (15) gelangt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß unzersetzter Abfallstoff durch Hydrolyse und/oder physikalische Dispersion behandelt und durch eine Rezyklierleitung (34') zum Bioreaktor (15) zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur beim Zersetzungsprozeß im Bereich von 5 bis 65ºC gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Temperatur zwischen 20 und 35ºC beträgt.