JP5193057B2 - 放射性廃水の処理方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明の方法および装置は、原子炉や、放射性核種で汚染されている他の水源からの廃水の処理に関するものである。詳細には、本方法および装置は、コロイド状、懸濁および溶存放射性核種で汚染された廃水の処理に関する。

商業用原子力産業においては、主に２種類の原子炉システム、すなわち沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）と、加圧水型原子炉（ＰＷＲｓ）とがある。両者は、水を使用して核分裂性核種の核分裂により放出される中性子の速度を減速し、そして核分裂プロセスで発生した熱を運び去る。水は炉心を流れ、リサイクルされるので、必然的に鉄（Ｆｅ−５５）、コロイド状および溶解性コバルト（Ｃｏ−５８およびＣｏ−６０）、並びに他の放射性核種で汚染される。水は、更に有機物（例えば、オイルおよびグリース）、生物、並びに非放射性コロイド（例えば、鉄さび）で汚染される。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、炉心を通過する水を、電力生産用タービン発電機を駆動する蒸気として直接用いる。加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では、原子炉を流れる一次水が、タービン発電機を流れる二次水から蒸気発生器により隔離される。双方の場合において、廃水の化学成分は異なるが、これらの原子炉システムは、廃水を再使用または環境中へ放出し得る前に除去しなければならないコロイド状、懸濁および溶存固形物を生じる。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）循環物および廃水中の鉄（炭素鋼管からの酸化鉄として）の存在は、数十年にわたる問題である。復水相分離器（ＣＰＳ）における上記鉄の存在および蓄積は、ＣＰＳタンクをプラントへ移す場合に問題を更に複雑にする。ここで、鉄の持ち越しが、更なる処理工程無しでは不可避である。これらタンクにおける部分的に沈殿し且つ脱水可能な高品位容器（ＨＩＣ）へ圧送し得る鉄の形態は特に脱水に困難で、時間がかかる。凝集ポリマーのような薬品をＣＰＳの上流で添加して鉄を沈殿させることは、ろ過および脱水するのをより一層困難にする鉄の形態をもたらすだけである。かかる化学的に前処理した物質は、サブミクロン粒子と、１００ミクロンまでの粒径のフロック粒子との両方を含む。サブミクロン粒子はろ材に侵入して細孔を塞ぎ、より大きいミクロン粒子の成功裏のろ過を妨げると信じられている。

ＢＷＲ鉄廃水と同様に、燃料プール、すなわちベイスン（特に汚染除去相の間）は、透明度および良好な視界をほぼ不可能にするコロイドをしばしば含有する。同様に、様々のプラントにおけるその他の、多くの場合高導電率の廃棄物流は、鉄のようなコロイド、塩（時々海水侵入を介して）、ダート／クレイ、界面活性剤、ワックス、キレート、生物、オイル等を含有する。かかる廃棄物流は、脱塩化剤での処理に続いても、限外ろ過材（ＵＦ）および／または逆浸透（ＲＯ）による標準的なデッドエンドカートリッジろ過若しくはクロスフローろ過に理想的には適してはいない。フィルターおよびベッドの閉塞は、殆ど確実である。

コロイド状、懸濁および溶存固形物の除去に用いる従来技術は多数存在し、またかかる物質を廃水から除去するという要求は、原子炉にとって珍しくない。しかしながら、原子炉の性質が、化学廃棄物でもある放射性廃棄物が生じるのを回避するという要望のために、化学的処理用の添加剤の使用に関して特別な懸案事項をもたらす。

その上、他の懸案事項もある。処理した廃水は、周囲に放出させる際に、放射性汚染物が完全にない必要がある。処理中に廃水から抽出された放射性物質は安定である、すなわち特に液体水による放射性汚染物の浸出を防止することに関して廃棄現場の要件を満たす方法で廃棄用に安定化できる形態でなければならない。最後に、放射性廃棄物の廃棄に使用可能な限定された空間と、その廃棄の高コストという両方の理由により、廃棄物の量を最小化しなければならない。

従って、原子炉または他の水源からの懸濁固形物および溶存イオンを含有する放射性廃水を処理する、より優れた方法に対する要求があった。

上記ジレンマを解消する鍵は、１）同様に帯電したコロイド粒子の外半径反発電荷を中和することによりコロイドを破壊することと、２）これらの中和された粒子を凝集させて、より迅速にろ過可能、ひいては脱水可能なタイプの凝集体（フロック）を形成することである。本発明において、これらの課題を電気凝集（ＥＣ）ユニットの革新的な適用で行って、含鉄凝集またはフロック化／凝集ポリマー添加に共通する薬品の事前投与無しに最適な金属で廃棄物供給流れを電解的に取り除く。一度コロイドが破壊されて凝集が始まれば、生成したフロックの除去を標準的な逆洗可能フィルター、クロスフローフィルター（例えばＵＦ）、或いは簡単な場合にはデッドエンドフィルターにより実施することができる。このような適用は、ＰＷＲおよびＢＷＲの双方、燃料プール、貯蔵ベイスン、塩水収集タンクなどからの低レベル放射性廃棄物（ＬＬＷ）を含む。

幾つかのＢＷＲ懸濁鉄（例えばボイラー復水並びにマグネタイトおよびへマグネタイト）のような磁性体の除去に関しては、電磁フィルター（ＥＭＦ）ユニットをＥＣユニットと併用し得る。非磁性体の除去に関しては、ＥＣ処理に続いて、ベッツ社(Betz Corporation)から販売されているポリアクリルアミドコポリマーであるＢｅｔｚ−１１３８のような凝集ポリマーなどの凝集薬品を用いた処理があっても良い。磁性体および一つ以上の非磁性種、例えばセシウム（Ｃｓ）を含む廃棄物流に関しては、非磁性種を磁性成分、例えばＣＨＦＣ（コバルトヘキサフェリシアネート）に結合して磁性化学錯体を形成するための磁気シーディング工程に続いて、該錯体の効率的な除去用のＥＭＦが続く。

従って、本発明は、電気凝集を、好ましくは磁気ろ過および／または凝集剤での処理と組み合わせて用いることにより放射性廃水から汚染物質を除去する方法、装置およびシステムを提供する。また、電気凝集を用いて、後段のデッドエンドろ過、高勾配磁気ろ過（ＨＧＭＦ）、限外ろ過（ＵＦ）、逆洗可能フィルター（ＢＦＦ）およびシートフィルターで脱水可能な高品位容器（ＨＩＣ）による汚染物質の除去をも増進することができる。電気凝集は、必要に応じて、廃水のｐＨおよび導電率の調整後に行う。鉄でも良いが、好ましくはアルミニウムからなる犠牲金属電極を廃水の回分または連続電解処理に使用して、負に帯電したイオン、懸濁粒子およびコロイド粒子を中和して凝集する正に帯電した金属イオンで汚染物質を取り除く。

本発明の電気凝集（ＥＣ）処理は、電流を放射性廃水に流す電気に基づく技術に有効である。従って、電気凝集は、直流（ＤＣ）電流を用いて、溶存金属および非金属、例えばアンチモン（Ｓｂ）を含む不所望な汚染物質を凝集させて、沈殿析出させる犠牲金属電極イオン（例えばＦｅまたはＡｌ）からカチオンを付与する。ＤＣ電流を、好適な犠牲金属からなる平行板を介して水性供給流中に導入するのが好ましい。この処理は、不所望な化学薬品添加物（例えば、塩化第２鉄）の使用を回避する。

更に、アノードおよびカソードが水分子を加水分解して、酸素および水素をそれぞれ微小気泡として遊離し、後者が水中の多くの溶存イオンと結合して不溶性酸化物を形成する。また、酸素および水素が、小さく、軽い粒子（例えば、オイルおよびグリース）を浮遊および凝集させるので、これら粒子を除去またはろ別することができる。これら軽い粒子の一部は、電気浸透圧衝撃により破壊されたバクテリアのような生物粒子である。

放射性核種を有する電気凝集の使用は、廃水中の放射性核種の沈殿または凝集を生じるという事実に加えていくつかの特有の利点を有する。これらの一つは、いくつかの種を水中で安定にするための該種の酸化である。酸化された種は、毒性危険物ではなく、埋設した場合に地下水へにじみ出ない。一般に、これらはＥＰＡ ＴＣＬＰテストを通過し、廃棄における著しいコスト節約を生む。また、加水分解による酸素の生成は、殺菌剤および防カビ剤として作用して、純粋な放射性廃棄物以外の廃棄物を更に取り除く。

放射性核種に加えて、廃水は重金属、コロイド、クレイ、泥、界面活性剤、洗浄剤、オイル、グリース、生物等の一つ以上によって汚染される場合がある。これらの汚染廃水が一つ以上のＥＣセルを通過する時に、以下の４つの処理反応が起こる。
１．凝集−イオン、コロイドおよび懸濁固形物が、通常負である類似した電荷により溶液中にいつまでも懸濁して残る。従って、これらは互いに反発し、凝集またはフロック化しない。汚染水がセルアセンブリを通過する時に、ＤＣ電力を連続的にまたはパルスでセル電極に印加する。正のセル電極（アノード）から金属イオンが脱却し、架橋シードを存在する懸濁固形物および他の汚染物質に付与する。溶存、コロイド状および／または懸濁物質が存在するのと等しい量の電極シード材料を供給し、それにより固形物添加を制御する。金属シードイオンが、懸濁又は溶存固形物、コロイド、オイル並びにグリース等の電荷を中和する。この電荷の中和で汚染物質の凝集またはフロック化が生ずるので、これらは沈降若しくは浮上、または標準的なろ過材、限外ろ過（ＵＦ）若しくは逆浸透（ＲＯ）により、或いは磁性体の場合には、電磁ろ過（ＥＭＦ）、高傾斜磁気分離（ＨＧＭＳ）によりろ過するのに十分な大きさになる。この凝集プロセスは、所要に応じてｐＨまたは導電率を調整するための薬品を除いて薬品の添加を必要としない。
２．酸化−重金属および／または放射性金属により汚染された廃水をＥＣセルに通すと、金属が酸化物になる。これにより、金属イオンが溶存状態から懸濁状態へと変化し、次いで水から沈殿する。従って、通電により酸化された重金属は、通常ＴＣＬＰテストを通過し、汚泥廃棄のコストに著しい節約をもたらす。
３．曝気−このＥＣ処理から派生した当然の副産物は、曝気である。水の解離生成物が凝集した汚染物質に浮力を与える微小気泡を形成するので、空気または他の何れのガスを処理に注入する必要が無い。従って、廃水の処理後に、その中のオイルおよびグリースを取り除くか、或いは凝集した汚泥の残りと再混合および沈殿またはろ過することができる。
４．生物−このＥＣ処理の更なる利点は、電気浸透圧衝撃により微生物等を破裂させるため、自然の生物処理である。

磁気フィルターは、電磁場を周囲の巻回コイル導電体を介して通す際に一時的に磁化される強磁性ろ材を備えることができる。該ろ材（または複数のろ材）は、鋼板、スクリーン、ビーズ若しくは球からなることができ、球が好ましい。電磁場を断つと、好ましくは軟質磁性材料（例えば４３０ステンレス鋼）からなるろ材は、もはや磁化されず、凝集した汚染物をろ材から流し去って除去するためにフィルターを逆洗することを可能にする。従って、磁気フィルターのコアは、永久に磁化可能な材料ではなく、電磁化可能で、磁化電流を周囲のコイルから単に取り除くことにより消磁できる軟質磁性材料からなるのが好ましいので、ろ材、好ましくは４００シリーズ（例えば４３０Ｓ．Ｓ．）ステンレス鋼球を再使用のために逆洗することができる。また、ＥＣユニットからの凝集粒子を従来のろ過技術によって廃水から除去することができる。更に、凝集粒子の多くは、急速に沈降するので、単に上澄みをデカントすることによって除去することができる。しかしながら、放射性沈殿物の除去用のＥＭＦの使用は、一度除去すれば廃棄固形物を従来の放射性廃棄物(radwaste)廃棄システムに簡単に逆洗して処理でき、それにより機械的ろ過装置により生じる放射性フィルター廃棄物を回避できるので、特に有利である。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されているような、電磁ろ過（ＥＭＦ）という語は、高勾配磁気ろ過と、強磁性粒子または沈殿物を磁気的に除去し、ろ別物質を放射性廃棄物システムへ逆洗することができる他の磁気ろ過技術とを含む。

本発明の他の特別な特徴は、セシウム１３７のような強磁性でない放射性核種を磁気フィルターにより除去し得る放射性核種と磁性錯体を形成するコバルトヘキサフェリシアネートのような磁気錯化剤の添加により除去できることである。

化学凝集および機械的ろ過用の従来の処理を陵駕する本発明の利点の一部は、以下を含む。
（１）ＵＦ等と併用し後イオン交換の必要が無いので、より少ない廃棄物容量をもたらす。
（２）高い処理能力でＦｅまたはＡｌのようなシード剤の必要なだけの堅実な導入をもたらす。
（３）ＵＦまたは標準的なろ過では除去できない放射性同位体に対する優れた水品質をもたらす。
（４）化学薬品の導入、塩化物の導入および著しいｐＨの振れが無いので、操作上の利点をもたらす。
（５）ミョウバンまたは石灰のような化学凝集剤を使用した場合、および凝集ポリマーを単独で使用した場合と比較して、より少ない廃棄物容量をもたらす。
（６）電気凝集したフロックが、より少ない結合水を含有する傾向があり、大きいせん断抵抗があり、それ故一層容易にろ過できるので、凝固剤は化学薬品および純ポリマー汚泥より脱水するのが著しく容易である。
（７）廃水の電子洪水が水錯体の極性効果を排除してコロイド物質を沈殿させることができるため、ＥＣ処理が生物有機体の破壊用の殺生物剤として作用することができ、また電子の増加がバクテリア、嚢胞およびウィルスを破裂させる浸透圧を生じる。
（８）ＴＣＬＰ廃棄要件を通す金属酸化物を形成する。
（９）ＥＣ処理は、オイルおよびグリースによる悪影響を受けず、そしてかかる汚染物質は除去されて排出物をデッドエンドろ過、ＢＦＦ、ＥＭＦ、ＵＦまたはＲＯへ送り得る。
（１０）ＥＣ処理は、ポリマーを含む化学薬品の導入無しに使用し得る。
（１１）処理装置が、非常に小さい設置面積を有する。
（１２）ＥＣは、簡単な装置を必要とし、稼動中に遭遇する大抵の問題に対処するに十分な操作上の自由度で操作するのが容易である。
（１３）ＥＣにより処理した廃水は、透明で、無色且つ無臭の水をもたらす。
（１４）ＥＣにより形成した汚泥は、主に金属酸化物／水酸化物からなるので、直ちに沈降可能で、また脱水が容易な傾向がある。何よりも、これは低汚泥発生技術である。
（１６）ＥＣにより形成したフロックは、ＥＣフロックがかなり大きくなる傾向があり、少ない結合水を含み、耐酸性で、且つより安定している点を除き、化学的なフロックと似ており、従って、ろ過により迅速に分離できる。
（１７）ＥＣは、化学的処理と比較して、少ない全溶存固形物（ＴＤＳ）含有量の流出水をもたらす。この水を再使用する場合、低ＴＤＳレベルがより低い水回収コストに貢献する。
（１８）ＥＣ処理は、印加した電場がコロイド粒子を迅速に中和し、それにより凝集を容易にするので、最小のコロイド粒子を除去するという利点を有する。
（１９）ＥＣ処理は、薬品の使用を回避するので、廃水の化学凝集を使用した場合のような過剰薬品の中和の問題および高濃度で添加した化学物質による二次汚染の可能性が無い。
（２０）電気分解中に生成する気泡が、ある種の汚染物質を溶液の頂部まで運び、ここで一層容易に濃縮、収集および除去（例えば、スキミングにより）することができる。
（２１）ＥＣセル中での電解処理は、電気的に、可動部なしで制御されるので、メンテナンスの要求が少ない。
（２２）ＥＣ技術は、ユニットに取り付けた太陽電池パネルが処理を行うのに十分な場合があるので、電気が利用できない農村部で便利に使用できる。

犠牲電極は、廃水の流れ中に溶解することにより消費され、そして最終的に交換が必要である。この周期は廃水組成および処理量に依存する。原子力発電に関しては、電極を含有する交換式キャニスターを使用し得る。不透性酸化物膜をＥＣユニットの効率の損失をもたらすカソード上に形成し得る。しかし、これは、プロセス水用のユニットが乱流を強いられ、酸化物が決して形成できない場合には、生じない。コンピュータにより制御された周期的電流の印加による自己洗浄も、スケーリングを阻止する。

廃水懸濁液の妥当な水準の導電率が要求される。これは、電極面積の増加、滞留時間の増加（例えば、循環または直列の増設セル）、アンペア数の増加（例えば、電極をジャンパーして並列に設置する）、及び／又は無害の薬品（例えば、硫酸ナトリウム若しくは重炭酸ナトリウムまたは重曹）を添加して導電率及び／又はｐＨを増加することにより低導電率用途において補償できる。

操作工程並びに該工程を実施するための構成部品およびシステムを含む本発明は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することにより更に理解される。

本発明の電気凝集（ＥＣ）ユニットでは、直流電流をカソード−アノード系に印加して全ての溶存イオンまたは静電懸濁汚染物質を不安定化する。この電解処理の間、犠牲アノードの金属からカチオン性種が水中に溶解する。これらの正に帯電したカチオンは、負に帯電した汚染物質を中和し、それにより不安定化すると共に、金属酸化物および水酸化物を生成し、これが中和された汚染物質を沈殿物の一部として沈殿、沈降する。アルミニウム製のアノードを用いる場合、酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムを形成する。鉄製のアノードを用いる場合、酸化鉄および水酸化鉄が生成する。鉄製のアノードは電解処理を妨げる酸化鉄で直ぐに覆われるので、本発明にとってはアルミニウム製のアノードが好ましい。

金属酸化物および水酸化物の形成、並びにその後の沈殿は、ミョウバンまたは他の化学凝集剤を使用した凝集またはフロック化中に起こるプロセスと似ている。相違点は、電気凝集では化学凝集剤の添加の代わりにアノード金属の電解溶解によりカチオンを生成することである。加えて、金属酸化物の形成のための活性化エネルギーを上回る電気エネルギーがユニットから供給された場合に、電流の印加により供給される活性化エネルギーが、フィルターを塞ぎ得る粘性形態の水酸化物の代わりに酸化物の形成を促進する。金属酸化物は水酸化物より安定であり、従って酸による破壊に大きい抵抗力がある。溶存汚染物質を、イオン架橋および／または吸着により耐酸性沈殿物の分子構造中に組み込む。また、ファンデルワールス力として既知の弱い分子間力が、これら分子を互いに引き付け、それによりフロックへと凝集させる。沈殿したフロックは大抵、ＴＣＬＰ（ＥＰＡの毒性指標浸出法）の要件を通過でき、固体廃棄物の廃棄コストを著しく低減する。

更に、電解処理中に、酸素ガスが水分子の電気分解によりアノードで生成する。併発反応がカソードで起こって、水分子から水素ガスを生成する。これらのガスは凝集フロック分子を浮上させることができ、また、オイル、グリースおよびバクテリアや他の微生物の電気浸透圧衝撃による破裂によって生成した残渣等の生物物質を浮遊並びに凝集させることができる。浮遊フロックは、廃棄のために除去することができ、或いは振盪または他の乱流を受けてフロックをガス抜きし、金属沈殿物と共に沈降させても良い。特に、凝集処理は、サブミクロン粒子の粒径を１００ミクロンの大きさの粒子まで、好ましくは少なくとも２０ミクロンの平均粒径まで増加するので、沈殿粒子を標準的な２０または２５ミクロンフィルターにより容易に除去できる。

他の重要なカソード反応は、溶存金属カチオンの元素状態への還元を含むので、これらカチオンがカソード上で金属コーティングとしてめっきされる。少なくともこれら金属の一部が放射性であるから、本発明のカソードは、その極性を反転することによりその場で再生されなければならないので、処理アノードが再生カソードとなり、また処理カソードが再生アノードとなり、これにより処理カソードから金属コーティングを脱めっきし、そして、再生アノード（すなわち処理カソード）を超えて流体流を供給することにより、脱めっきされた金属カチオンを従来の放射性廃棄物廃棄システムへに運び去る。

図１を参照すると、通常１０で表わす放射性水処理システムが示されており、この場合、流入廃水流１２のｐＨおよび導電率を所要に応じてタンク１４中で調整することができる。高いｐＨは、タンク１６からの酸溶液（例えば硫酸）の導入により下方へ調整でき、或いは低いｐＨは、タンク１８からの塩基溶液（例えば水酸化ナトリウムまたは重炭酸ナトリウム）の導入により上方へ調整できる。廃水の導電率を上昇させるために、タンク２０からタンク１４へ電解液（例えば硫酸ナトリウムまたは重炭酸ナトリウム）を導入できる。また、導電率は、マグネタイトのような鉄成分を調整タンク１４、特にはＥＣユニット２６からの流出水中の沈殿物を続いてＥＭＦユニットにより除去すべき場所に導入することによって上昇させることができる。処理すべき廃水中の懸案事項である同位体のいくらかは、Ｍｎ−５４、Ｆｅ−５５、Ｆｅ−５９、Ｃｏ−５８、Ｃｏ−６０およびＺｎ−６５のような遷移金属活性化生成物、並びにそれらの比較的短寿命の崩壊産物である。

酸溶液は定量ポンプ１７で、塩基溶液は定量ポンプ１９で、そして電解液は定量ポンプ２１で調整タンク１４に移送させることができる。流入廃水が６〜８、好ましくは６．５〜７．５、より好ましくは約７の望ましいｐＨ範囲であり、且つ導電率が２〜１０００μｍｈｏｓ、好ましくは少なくとも５．０μｍｈｏｓ、より好ましくは少なくとも２０μｍｈｏｓ、最も好ましくは２００〜８００μｍｈｏｓ（水道水は約２００μｍｈｏｓである）の範囲である場合、電源３０の正極に並列接続された複数の犠牲金属アノード２８と、電源３０の負極に並列接続された複数のカソード２９とを有する電気凝集（ＥＣ）ユニット２６へ調整された廃水をポンプ２４で移送する。

ＥＣユニット２６に供給した廃水は、電流をアノード２８とカソード２９との間で運ぶ電解液３４として機能し、この電流の量が廃水の導電率および制御パネル３２により調節された電源の端子を横断する電圧に依存する。該電流の量は、好ましくは少なくとも３アンペア、より好ましくは４〜６アンペアの範囲である。他の場所で説明したように、電解反応および犠牲アノード２８の金属の溶解は、廃水中の溶存、コロイド状および懸濁汚染物質の凝集を起こして、フロックまたは沈降物の形で沈殿物を生成する。このように処理した廃水が、ＥＣユニット２６からフロックおよび沈降物タンク３６へと流れ、ここで沈殿物の一部がフロックＦとして浮遊し、沈殿物の一部が沈降物Ｓとして沈降し、これら二つの間の中間部の体積は、浄化水Ｃの集まりである。

この時点で、浮遊フロックＦを取り除いても良く、浄化水Ｃを沈降物Ｓからデカントし、所要に応じて追加の処理に送り、そして沈降物Ｓをシートフィルターを有する高品位容器（ＨＩＣ）のような脱水容器へ移送し、その後従来の方法で処分することができる。しかしながら、多くの場合、タンク３６の内容物の更なる処理を行い、浄化水Ｃに存在するより更に少ない汚染物質を含有する流出水をもたらすことが好ましい場合がある。更なる処理に関しては、沈降物ＳおよびフロックＣの何れかまたは双方を浄化水Ｃと再混合し、その混合物をポンプ３８により、それらの全てが図１で従来のろ過器として指定したボックス４０として表される高勾配磁気ろ過ユニット、限外ろ過ユニット、精密ろ過ユニット、シートフィルターを有する脱水可能なＨＩＣまたは好ましくは逆洗可能なフィルター（ＢＦＦ）のような廃水から沈殿物を分離するための従来の分離装置へ移送される。次いで、従来のろ過器４０により廃水から分離されたろ別沈殿物を、廃棄用の従来の放射性廃棄物システム４２に移送する。フロック及び沈降沈殿物並びにタンク３６中で未だに懸濁している全て沈殿物のサイズを更に大きくするために、ＢＥＴＺ−１１３８のような凝集ポリマーを供給タンク３５から定量ポンプ３７を介してタンク３６の内容物へ添加しても良い。

好ましくは、タンク３６からの混合物を、以下に記載する本発明に従い製造および操作される電磁フィルター（ＥＭＦ）ユニット４４へポンプ３８により移送する。電気コイル４６へ電源４８からの直流電流を印加することによりＥＭＦの磁場を活性化する場合、コイル４６により囲繞された強磁性ろ材床５０の一部が磁化され、そして廃水流入水１２が沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）からもたらされる廃水から鉄含有沈殿物のような強磁性成分を含むあらゆる電気凝集沈殿物を磁気的に除去することが出来るようになる。強磁性ろ材床５０は、複数の小型強磁性体片、好ましくは、平滑面または多角面（前者がより好ましい）を有し得る軟磁性または一時磁性材料（例えば、４３０Ｓ．Ｓ．）の小型ステンレス鋼球で構成されている。かかる球を、非磁性材料からなり、且つ電気コイル４６の中心を通過する管状ハウジング５２の中に積み重ねる。沈殿含有廃水は、ハウジング５２、ろ材床５０およびコイル４６を下方に向かって通過するのが好ましい。その後、ＥＭＦユニット４４からの流出水を廃棄又はリサイクル用の回収水タンク５４へ送ることができる。

電源４８からの電流がコイル４６を通っている間、ろ材床５０が磁化され、それにより、フロックタンク３６からの流出廃水中の強磁性沈殿物を引き付け、蓄積する。ＥＭＦユニットのろ過効率が許容できないレベルまで悪化した場合、コイル４６への電流を止め、そしてろ材５０をポンプ５６からの非汚染水の流れで逆洗して、ろ材床５０から現在は消磁された沈殿物を除去し、それらを、好ましくはシートフィルターを有するＨＩＣまたはＢＦＦのみならず別のタイプの従来のフィルターでも良い脱水要素５８へ運ぶ。次いで、脱水容器５８から回収した浄化水を廃棄又はリサイクル用の回収水タンク５４へ送ることができる。

タンク３６に集められたＥＣユニットからの流出水が、セシウム（Ｃｓ）のような非磁性種を含有する場合、磁性シードダンク６０から定量ポンプ５７を介してタンク３６の内容物へ磁性錯化剤を先ず添加することによりかかる種もＥＭＦユニットにより除去することができる。該錯化剤は、強磁性成分を有する。従って、錯化剤が非磁性種と磁性錯体を形成するので、生成した強磁性錯体を廃水から分離するのにＥＭＦユニットを使用することができる。非磁性種がＣｓの場合、好ましい錯化剤はコバルトヘキサフェリシアネートである。

既に示したように、カソード反応は、溶存金属カチオンがカソード２９上に金属コーティングとして沈析するような元素状態への還元を含む。かかる金属の少なくとも一部が放射性であるので、処理アノード２８が再生カソードとなり、処理カソード２９が再生アノードとなって電流の流れる方向を逆転させ、それにより処理カソードから金属コーティングを解めっきするように極性を逆転させることによりカソード２９をその場で定期的に再生しなければならない。ポンプ２４を用いて再生アノード（すなわち、処理カソード）を流通する流体流を供給し、これは再生排水５５として役立てて解めっきされた金属カチオンを放射性廃棄物システム４２のような従来の放射性廃棄物廃棄システムへと運び去る。

ＥＣユニットの好適な実施形態の詳細を図２に示す。ここで、犠牲アノード２８は、正極６２および接続ワイヤ６３を介して電源３０の正極に並列で接続されている。犠牲アノードと交互に設けたカソード２９は、負極６５および接続ワイヤ６６を介して電源３０の負極に並列で接続されている。アノード２８およびカソード２９は、流体入口７１と流体出口７２とを有するハウジング７０の電解室６８内に懸垂されるようにヘッダー或いはキャップ６９の上に搭載される。電解室６８中の流体流は、矢印７３の方向に上方へと向かうのが好ましく、その流速はセル当たり１Ｌ／ｍｉｎ（ｌｐｍ）から２００ガロン（０．７５７ｍ^３）／ｍｉｎ（ｇｐｍ）の範囲、好ましくは少なくとも５ｇｐｍとすることができる。代表的なセル用のハウジングは、直径約４〜６インチ（１０．２〜１５．３ｃｍ）且つ長さ約３〜４フィート（０．９１〜１．２２ｍ）であり、約３〜４個のアノードと、約３〜４個のカソードとを含む。代表的な製造ユニットは約６〜１２個のセルを並列で備えるので、ＰＷＲ、ＢＷＲ、燃料プールまたは貯蔵ベイスンに対する全体の流速が好ましくは約３０〜６０ｇｐｍである。矢印７３の方向の上向流が好ましいが、処理される廃水をハウジング室６８中にいずれの方向に流しても良い。ＥＣユニット２６を通る上向流が廃水の処理と、その場での電極２８および２９の洗浄との双方にとって好ましく、その理由は流体流がその遠位末端でプレートの間に入る際に該流れへの干渉が少ないようにこれら電極をキャップ６９に搭載し、それから懸垂するのが好ましいからである。

ＥＣユニット２６は、単独で、廃水流入流れ１２中の金属汚染物質（イオン、コロイドおよび懸濁粒子として存在しているかに関わらず）の少なくとも９９％を沈殿物としてもたらすので、その後のろ過、好ましくは記載したタイプのＥＭＦユニットによるろ過が、放射性廃水から実質的に全ての汚染物質を除去する。図２に示すものに類似のＥＣユニットの試験であって、ＥＣユニット流出水を受ける沈降容器中の流入水と、浄化水（上澄み液）との金属含量に対して行った測定で、以下の除去効率：銅に対して９９．０％〜９９．９％、鉄に対して９９．８％、ニッケルに対して９９．５％、そして亜鉛に対して９８．７％〜９９．９％を確かめた。総懸濁固形物に対する実証された除去効率は、９７．９％であった。

ＥＭＦユニットの好適な実施形態を図３に示し、これはろ材床５０が複数の小片、好ましくはステンレス鋼ベアリングボール７４を備え、ろ材ハウジング５２の縦中心線が該ハウジング５２を囲繞する電気コイル４６の中心軸に好ましくは整列されていることを図１より明確に示す。平滑な円形表面を有するベアリングボールが充填床５０への使用に好適であり、その理由は該充填床が強磁性沈殿物の高い保持を可能にする大きな空隙容量を有するからである。コイル５２は、スプール７７の周りに巻回した連続導電体７６からなる。導電体７６の各末端は、電気コネクタ７８および７９並びにそれらの対応するコネクタワイヤを介して直流電源４８に接続されている。ＥＭＦユニットは、自由な液体流れをもたらすに十分大きいが、ろ材ボール７４の通過を阻止するに十分小さいメッシュサイズの支持スクリーン８０を含む。従って、スクリーン８０は、ろ材をハウジング５２の出口８２の上方に支持する。ユニット４４は、導管８４によりポンプ３８の出口に接続され、また、ろ材５０中の流体の流速を制御するためのバルブ８６も備え得る導管８７により回収水タンク５４に接続されている。ろ材床５０を流れる流体流の方向は、流れが床に入る場所およびその近傍でより重い付着物が蓄積するので、蓄積した沈殿物を除去するための下向きの流れより一層効果的なその後の上向きの逆洗流れを容易にするように、矢印８３および８５で示されるような下向きであるのが好ましく、また支持スクリーン８０が前記付着物を除去するのに用いる下向き流れを妨げる。しかし、ＥＭＦユニットは処理する廃水または逆洗水の流れの方向に関係なく強磁性沈殿物の除去にも有効である。ＥＭＦハウジング５２中の流体の流速は、製造ＥＣユニット中の全流速に応じて１ｌｐｍ〜２００ｇｐｍの範囲とすることができ、製造ＥＭＦユニットの流れも３０〜６０ｇｐｍの範囲とするのが好ましい。

図４は、ろ材をハウジング中に保持し、かつ該ハウジングを流入水および流出水導管に接続するために各端にエンドキャップ９０を有する改良したＥＭＦハウジング５２’を示す。各ハウジングエンドキャップはろ材を支持するための壁９１を有し、これを介してろ材の個々片の通過を妨げるスクリーニング部材９３を含有する流管９２が通っている。また、多角面４３０ステンレス鋼ボール７４’からなる改良したろ材も示され、そのファセットを、図５により詳細に示す。

図６にＥＭＦユニットの代替変形を示し、ここでろ材がメッシュサイズ１０ミクロンの４３０ステンレス鋼スクリーン９４であり、その打ち抜き或いは織られたスクリーン開口９５を図７により詳細に示す。図８にＥＭＦユニットの更なる代替変形を示し、ここでろ材が一つ以上の４３０ステンレス鋼の管状シート９７からなる。

放射性廃水中に懸濁しているイオン、コロイドおよび他の固体の電気凝集のための好適なパラメータは、廃水のｐＨを所要に応じて水酸化ナトリウムまたは重炭酸ソーダを添加することにより５．５〜８．０、好ましくは７．０〜８．０の範囲に調整し、抵抗率を必要であれば硫酸ナトリウムまたは重炭酸ナトリウムを添加することにより５μｍｈｏｓ／ｃｍ以上、好ましくは２０〜３０μｍｈｏｓ／ｃｍ（１ｃｍ当たりのマイクロジーメンス、即ち、μｍｈｏｓはμｏｈｍｓの逆数であり、且つマイクロジーメンスとも称される）に調整し、次いで４〜６、好ましくは５Ａの直流電流（ＤＣ）を２３〜２４Ｖで印加することである。これらのパラメータで生成した凝集フロックを２０〜２５ミクロンのフィルターで除去できる。５μｍｈｏｓ未満の抵抗率を有する廃水は、硫酸ナトリウムまたは重炭酸ソーダの添加により所望の範囲に調整し得る。

電気凝集（ＥＣ）の有効性は、流速を下げるか若しくは流れを循環させて電極接触時間を大きくすることにより、電解液に浸漬した電極面積を増加させることにより、例えば同一タイプの電極を正極および負極の間で直列に接続してこれら電極をジャンパーする（これにより電極を並列に接続する）ことによるようにしてアノードとカソードとの間の電流密度を増加させることにより、また、硫酸ナトリウムまたは重炭酸ソーダを添加することで導電率を増加させることにより増加させることができる。

放射性金属が電気凝集装置のカソード上に沈析するので、汚染除去施設での洗浄のために取り除く代わりに、電極を所定の位置に残したまま堆積した金属を除去するのが好ましい。かかる所定位置での洗浄を一時的な電流の逆転により達成するのが好ましく、この間ＥＣアノードはカソードとなり、ＥＣカソードはアノードとなって電気洗浄を成し遂げる。この電流逆転で沈析金属を廃液中へ再溶解させ、次いで従来の放射性廃棄システムへ逆洗させる。

磁気フィルター用の好適なパラメータは、ステンレス鋼ベアリングボール７４、好ましくは約０．２〜０．５センチメートル（ｃｍ）の直径、より好ましくは７／３２インチ（０．５６ｃｍ）の直径のボールのコアを囲繞している導体コイルに３６Ｖで１０Ａの直流電流を印加することである。使用するステンレス鋼ボールは、囲繞するコイルを通る直流電流なしでは磁化された状態が継続しない軟磁気コアとして機能しなければならない。硬磁気コアを使用する場合、コイルに交流電流を続けて印加して硬い金属コアを「消磁」しなければならない。そうしなければ、硬磁気コアはその磁性を維持する。

ＢＷＲ廃水中のフロックが鉄を含むので、フロックは磁性があり、電磁フィルターで廃水から分離できる。廃水中の強磁性材料の量が少ない場合、電磁ろ過（ＥＭＦ）の有効性は、電気凝集を施す前に、シーディング剤としてのマグネタイトを廃水へ添加することにより高めることができる。組み合わせたＥＣ−ＥＭＦシステムを離れる浄化水が廃棄、再使用またはリサイクルには高すぎる導電率を有する場合、浄化水をイオン交換システムに通すことにより該導電率を低減し得る。

以下は、イオン、コロイド粒子および懸濁物質を備える溶液またはスラリーの形態で汚染物質を含有する放射性廃水の処理のための図１のシステムの操作の一例である。スラリーを調整タンク１４に供給し、ここでｐＨを水酸化ナトリウム（または、ｐＨと導電率との双方を調整する重炭酸ナトリウム）の添加により５．５から７へ調整し、導電率を飽和硫酸ナトリウム溶液または重炭酸ナトリウム溶液の添加により約２μｍｈｏｓから約１００μｍｈｏｓへ調整する。より低い導電率がＥＣ電極間に無視し得る電流流れをもたらす一方、より高い導電率は約４〜５Ａの電流をもたらす。調整タンク１４からの調整流入水をある流速でＥＣユニット２６へ供給し、廃水がフロックタンク３６へ向かう道でＥＣユニットを流れると、廃水に１アンペア・分（Ａ・ｍｉｎ）の電流を印加するのに十分な電圧で電源３０を操作する。フロックタンク３６において、十分なＢｅｔｚ−１１３８を添加して約４〜１０ｐｐｍの凝集ポリマーを供給することができ、該凝集ポリマーはタンク３６中の沈降物ＳおよびフロックＦを著しく大きくするように働く。しかしながら、ＥＣユニット単独では、少量の結合水、高い垂直強度等に起因して、より迅速に脱水できる。

次いで、このように処理した廃水をポンプ３８でＥＭＦユニット４４を通して搬送し、ここで廃水が４３０ステンレス鋼からなり且つ滑らかな表面（最も好ましい）を有するベアリングボールの充填床を通過する。７．５Ａの電流を、廃水の通過中にコイルに印加して電磁場を発生する。ハウジング５２を通る水の流速およびコイル４６の軸方向長さは、電磁場中の廃水の滞留時間が約２．５秒となるようにする。この処理の有効性を、ポンプ３８へ供給されるような、フロックタンク３６の撹拌した内容物の赤／茶色沈殿物の濃く濁った（不透明な）懸濁液と比べて、回収水タンク５４に運ばれたＥＭＦ流出水の目視の透明度（無色透明）により証明する。また、この処理水は、検出可能な不揮発性放射能も有さない（それでも、少量の揮発性三重水素ガスが存在しても良い）。

その後、電流を切り、そしてポンプ５６を起動して充填ボールコアを通る液体流れの反転をもたらして、蓄積したフロックを洗い流し、該フロックを、例えば高品位容器（ＨＩＣ）のような脱水容器５８または放射性汚泥の取り扱い用の他の何らかの従来の廃棄システムへと搬送することにより、ＥＭＦユニットを洗浄する。この洗浄液から堆積した沈降物は、通常ＥＰＡの廃棄用ＴＣＬＰ要件を満たし、そのため通常ＨＩＣ中に密閉されて、廃棄用の低レベル廃棄物処理場へと輸送し得る。

廃棄物処理分野の当業者は、特許請求の範囲により定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの改良および置換を上記好適な実施形態になし得ることを理解する。

本発明の放射性廃水の処理を実施するためのシステムの概略図である。 本発明の電気凝集ユニットを示す。 本発明の電磁ろ過ユニットを示す。 図３の電磁ろ過ユニットの改良したハウジングおよびろ材の詳細を示す分解図である。 図４の円５で示された強磁性ろ材の部分の拡大図である。 強磁性ろ材の代替例を示す図４と同様な分解図である。 強磁性ろ材の更なる代替例を示す図４と同様な分解図である。 強磁性ろ材の別の代替例を示す図４と同様な分解図である。

Claims (32)

1. 負の電荷を有するイオン、コロイド、懸濁固形物またはそれらの混合物の形態で汚染物質を含有する放射性廃水を処理する方法であって、
   アノード手段とカソード手段との間に位置する多量の前記水に電流を流して前記汚染物質の電気凝集を生じ、
   前記アノード手段が、前記水に溶解して前記汚染物質上の負の電荷を中和するための金属のカチオンを付与し、前記中和された汚染物質を含有する前記金属の酸化物または水酸化物の沈殿物を形成する金属からなる少なくとも一つのアノード元素を備え、
   前記沈殿物を前記多量の廃水から分離して、前記電気凝集前の前記廃水中に存在するものより実質的に少ない汚染物質を有する流出水を付与することを含み、
   前記汚染物質の少なくとも一部が非磁性体であり、
   前記廃水に強磁性成分を有する化合物を添加することを更に備え、該化合物が前記非磁性の汚染物質と強磁性錯体を形成し、
   前記分離工程が、前記強磁性錯体を前記廃水から分離するための電磁気フィルターを使用することを備えることを特徴とする放射性廃水の処理方法。
2. 前記電流を前記廃水に流す前に、該廃水に化合物を添加してｐＨを６〜８．０の範囲にする請求項１に記載の方法。
3. 前記電流を前記廃水に流す前に、該廃水に化合物を添加して導電率を２〜１０００μｍｈｏｓの範囲にする請求項１に記載の方法。
4. 前記沈殿物の粒子がある平均粒径を有し、
   前記電気凝集からの廃水に凝集ポリマーを添加して前記沈殿物を前記廃水から分離する前に前記粒子の平均粒径を増加させることを更に備える請求項１に記載の方法。
5. 前記非磁性体の汚染物質部分がセシウムを含有し、また前記添加した化合物がコバルトヘキサフェリシアネートである請求項１に記載の方法。
6. 前記電磁気フィルターが電磁石コイルで囲繞されたろ材を備え、
   該ろ材が磁化可能な片の床を備える請求項１に記載の方法。
7. 前記沈殿物の少なくとも一部が強磁性成分を含有し、
   前記分離工程が、前記強磁性沈殿物を前記廃水から分離するための電磁気フィルターを使用することを備える請求項１に記載の方法。
8. 前記電磁気フィルターが電磁石コイルで囲繞されたろ材を備え、
   該ろ材が磁化可能な片の床を備える請求項７に記載の方法。
9. 前記アノード手段が、アルミニウムからなる少なくとも一つの犠牲元素を備える請求項１に記載の方法。
10. 前記アノード手段が、鉄からなる少なくとも一つの犠牲元素を備える請求項１に記載の方法。
11. 前記アノード手段が、前記金属の板の第一のセットを備え、
    前記カソード手段が、前記第一のセットの板と交互且つ平行に配置された板の第二のセットを備え、
    前記第一のセットの板を電源の正極に直列で接続し、前記第二のセットの板を該電源の負極に直列で接続する請求項１に記載の方法。
12. 前記アノード手段が、前記金属の板の第一のセットを備え、
    前記カソード手段が、前記第一のセットの板と交互且つ平行に配置された板の第二のセットを備え、
    前記第一のセットの板を電源の正極に並列で接続し、前記第二のセットの板を該電源の負極に並列で接続する請求項１に記載の方法。
13. 前記沈殿物の少なくとも一部が放射性で、強磁性の成分を含有し、
    前記分離工程が、少なくとも前記沈殿物部分を電磁場により磁化された強磁性ろ材上へ蓄積することで該沈殿物部分を前記廃水から分離するための電磁気フィルターを使用することを備え、
    前記方法が、前記電磁場を周期的に除去して前記ろ材を消磁し、該ろ材から前記沈殿物部分の蓄積を解放し、次いで前記ろ材に液体の流れを通して前記解放された蓄積を洗い流し、放射性廃棄物取扱い手段へ搬送することを更に備える請求項１に記載の方法。
14. 前記アノード手段を電源の正極に接続し、前記カソード手段を前記電源の負極に接続して、放射性堆積物が前記カソード手段上に蓄積する方向に前記電流が前記多量の水中を流れるようになし、
    前記方法が、前記アノード手段を前記負極へ、且つ前記カソード手段を前記正極へ周期的に接続して、前記電流流れの方向を逆転し、前記放射性堆積物の蓄積を解放し、次いで該カソード手段に液体の流れを通して前記解放された蓄積を洗い流し、放射性廃棄物取扱い手段へ搬送することを更に備える請求項１に記載の方法。
15. 前記沈殿物の粒子がある平均粒径を有し、
    凝集ポリマーを前記電気凝集からの前記廃水に添加して前記沈殿物を前記廃水から分離する前に前記粒子の平均粒径を増加させることを更に備え、
    前記沈殿物の少なくとも一部が強磁性成分を含有し、
    前記分離工程が、前記強磁性沈殿物を前記廃水から分離するための電磁気フィルターを使用することを備える請求項１に記載の方法。
16. 負の電荷を有するイオン、コロイド、懸濁物質またはそれらの混合物の形態で汚染物質を含有する放射性廃水を処理するシステムであって、
    アノード手段と、カソード手段と、該アノード手段と該カソード手段との間に多量の前記廃水を供給する手段とを備える電気凝集アッセンブリーと、
    前記アノード手段から前記多量の廃水を通って前記カソード手段へと電流を通して前記汚染物質の電気凝集を起こす手段とを備え、
    前記アノード手段が、前記水に溶解して前記汚染物質上の負の電荷を中和するための金属のカチオンを付与し、前記中和された汚染物質を含有する前記金属の酸化物または水酸化物の沈殿物を形成する金属からなる少なくとも一つのアノード元素を備え、
    前記沈殿物を前記多量の廃水から分離して、前記電気凝集前の前記廃水中に存在するものより実質的に少ない汚染物質を有する流出水をもたらす手段を更に備え、
    前記汚染物質の少なくとも一部が非磁性体であり、
    前記システムが、強磁性成分を有する化合物を前記廃水に添加する手段を更に備えて、前記化合物が前記非磁性体の汚染物質と強磁性錯体を形成し、
    前記分離手段が、前記強磁性錯体を前記廃水から分離するための電磁気フィルターアセンブリを備えることを特徴とする放射性廃水の処理システム。
17. 前記電流を前記廃水に流す前に、該廃水に化合物を添加してｐＨを６〜８．０の範囲にする手段を更に備える請求項１６に記載のシステム。
18. 前記電流を前記廃水に流す前に、該廃水に化合物を添加して導電率を２〜２００μｍｈｏｓの範囲にする手段を更に備える請求項１６に記載のシステム。
19. 前記沈殿物の粒子がある平均粒径を有し、
    前記システムが、凝集ポリマーを前記電気凝集からの前記廃水に添加して前記廃水から前記沈殿物を分離する前に前記粒子の平均粒径を増加させる手段を更に備える請求項１６に記載のシステム。
20. 前記非磁性体の汚染物質部分がセシウムを含有し、且つ、前記添加した化合物がコバルトヘキサフェリシアネートである請求項１６に記載のシステム。
21. 前記電磁気フィルターアセンブリが、強磁性材料からなり、且つ電磁石コイルで囲繞されたろ材を備える請求項１６に記載のシステム。
22. 前記沈殿物の少なくとも一部が強磁性成分を含有し、
    前記分離手段が、前記強磁性沈殿物を前記廃水から分離するための電磁気フィルターアセンブリを備える請求項１６に記載のシステム。
23. 前記電磁気フィルターアセンブリが、強磁性材料からなり、且つ電磁石コイルで囲繞されたろ材を備える請求項２２に記載のシステム。
24. 前記ろ材が磁化可能な片の床を備える請求項２３に記載のシステム。
25. 前記ろ材が磁化可能な鋼球の床を備える請求項２３に記載のシステム。
26. 前記ろ材が磁化可能な鋼スクリーンを備える請求項２３に記載のシステム。
27. 前記ろ材が磁化可能な鋼管または巻回鋼板を備える請求項２３に記載のシステム。
28. 前記アノード手段が、アルミニウムからなる少なくとも一つの犠牲元素を備える請求項１６に記載のシステム。
29. 前記アノード手段が、鉄からなる少なくとも一つの犠牲元素を備える請求項１６に記載のシステム。
30. 前記アノード手段が、前記金属の板の第一のセットを備え、
    前記カソード手段が、前記第一のセットの板と交互且つ平行に配置された板の第二のセットを備え、
    前記第一のセットの板を電源の正極に直列で接続し、前記第二のセットの板を該電源の負極に直列で接続する請求項１６に記載のシステム。
31. 前記アノード手段が、前記金属の板の第一のセットを備え、
    前記カソード手段が、前記第一のセットの板と交互且つ平行に配置された板の第二のセットを備え、
    前記第一のセットの板を電源の正極に並列で接続し、前記第二のセットの板を該電源の負極に並列で接続する請求項１６に記載のシステム。
32. 前記沈殿物の粒子がある平均粒径を有し、
    前記システムが、凝集ポリマーを前記電気凝集からの前記廃水に添加して前記沈殿物を前記廃水から分離する前に前記粒子の平均粒径を増加させる手段を更に備え、
    前記沈殿物の少なくとも一部が強磁性成分を含有し、
    前記分離手段が、前記強磁性沈殿物を前記廃水から分離するための電磁気フィルターアッセンブリーを備える請求項１６に記載のシステム。

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