环境工程第四章放射性废水处理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 一 篇 水质净化与水污染控制工程,第一章 水质与水体自净,第二章 水的物理化学处理方法,第三章 水的生物化学处理方法,第四章 放射性废水处理方法,核反应和放射性对人们的生产、生活有巨大的帮助。,1.在能源方面，核能的使用可以缓解能源短缺的现状。,2.安全运行中的核电站不仅不像火力发电站那样排放污染性气体，而且排出的放射性物质也小于火力发电站。这是因为火力发电站需要燃烧大量的煤，而煤中所含的天然放射性核素也会随废气排出。,3.在工业方面，管道无缝焊接是否合格，可以采用放射源进行探查，比如我们每家每户的煤气管道就进行过这样的检测。,4.在农业方面，辐照灭菌可以使农产品保鲜，有利于长期贮存和运输。,5.在医疗方面应用就更为广泛了。伦琴先生发现了X射线，并用来进行医疗显像，从而获得了首届诺贝尔医学奖。其产生的价值一直延续到现在。CT、核医学显像、牙片机、介入治疗等无一不为人类健康做出了巨大贡献。,迄今为止，已经有几十项诺贝尔奖与放射性的发现、发展和应用有关。,第四章 放射性废水处理方法,第四章 放射性废水处理方法,北京时间2011年3月11日13时46分，日本本州岛仙台港东130公里处发生里氏级大地震并引发海啸。此次地震也引发了一连串连锁反应，其中最吸引全世界关注的是位于福岛的核电站出现了核物质泄漏事故。,基本概念,放射性污染是指环境中放射性物质的放射性水平高于天然本底或超过规定的卫生标准,放射性污染物主要指各种放射性核素,其放射性与化学状态无关,每一放射性核素都能发射出一定能量的射线,放射性核素排入环境中后,造成对大气、水、土壤的污染,可被生物富集,使某些动植物特别是一些水生生物体内的放射性核素可比环境中的增高许多倍,放射性废物的管理实际上是包含对放射性废物进行贮存、处理和处置等过程,贮存是在处理前或处理后为日后进一步处理或处置而把放射性废物贮存在贮罐中或收集在设施里，原则上要在有人管理下安全保管到所限定的时间,处理是为放射性废物运输、贮存或处置而把放射性废物做成适当状态的操作，如浓缩、固化处理,处置是将放射性废物中所含的放射性核素处理到将来对人类的影响在容许限度以下的状态，其作法有两种，一是稀释排放；二是与生物圈永久隔离,基本概念,放射性物质的危害,放射性物质对人体的健康危害是很大的，放射性元素通过自身的衰变而放射出,、,粒子和,量子（通称为,、,和,射线）。,这些元素可以由多种途径进入人体，它们发出的射线会破坏机体内的大分子结构，甚至直接破坏细胞和组织结构，给人体造成损伤。高强度射线会灼伤皮肤，引发白血病和各种癌症，破坏人的生殖机能，严重的能在短期内致死。少量累积照射会引起慢性放射病，使造血器官、心血管系统、内分泌系统和神经系统等受到损害，发病过程往往延续几十年。此外放射性辐射还有致畸、致突变作用，在妊娠期间受到照射极易使胚胎死亡或形成畸胎。,为了加强对放射性废物的管理,减少放射性污染及其危害,我国于年月日颁布了中华人民共和国放射性污染防治法。该法规定,向环境排放放射性废气、废液，必须符合国家放射性污染防治标准。产生放射性废液的单位，必须按照国家放射性污染防治标准的要求，对不得向环境排放的放射性废液进行处理或者贮存。,放射性污染的特点,放射性废物在处理方面与普通的工业废物的一个根本区别，在于工业废物的一些化学毒物(如酚、氰、有机磷等)能够用物理、化学或者生物学的处理方法将其分解破坏，而放射性核素用这些方法却不能被破坏，丝毫不能改变其衰变辐射的固有特性，只能靠其自然衰变来降低以至消失其放射性。因此，放射性废物的处理，从根本上说无非是贮存与扩散两种方式。,高放废水,中放废水,低放废水,核燃料后处理,固化封存,放射性核素工作场所和实用的仪器、设备，在使用和废弃前进行严格去污所产生的大量清洗液,分离浓缩后固化封存,放射性废水,中华人民共和国污水综合排放标准中规定：废水中总,放射性最高允许排放活度为1Bq/L,总,放射性最高允许排放活度为10Bq/L,放射性废水的分类,放射性废水的处理技术,目前，用于分离浓缩放射性废水和重金属废水中的有害金属元素的传统方法很多，主要包括：物化法和生化法。,物化法包括吸附、电解、蒸发、结晶、磁分离、冻熔、离子交换、氢氧化物沉淀、硫化物沉淀、絮凝、过滤、溶剂萃取、鳌合离子吸附等方法。,生化法主要有生物吸附法。生化法由于其处理流程复杂，处理周期长，运行管理难度较大等缺点，应用比较广泛的是物化法。,基本原理,：借助外部加热使溶液的部分溶剂被汽化，经冷凝后成为含不挥发溶质较少的二次蒸汽冷凝液而得到净化。蒸发浓缩法处理放射性废水时，水不断被汽化成为二次蒸汽从蒸发器中排出，放射性物质不被汽化保留在溶液中，因而得到浓缩。主要用于处理含有难挥发性放射性核素的废水，可以得到很高的去污效果和浓缩效果。,优点,：该方法净化效果好、灵活性大(即可处理高、中放废水,也可处理低放废水；可以单独使用，也可以与其它方法联合使用），理论与技术相对成熟，安全可靠。,缺点,：该法不适合处理含有挥发性核素和易起泡沫的废水；热能消耗大，运行成本较高；同时在设计和运行时还要考虑腐蚀、结垢、爆炸等潜在威胁。为了提高蒸汽利用率，降低运行成本，各国在新型蒸发器的研制方面一直不遗余力，如蒸汽压缩式蒸发器、薄膜蒸发器、真空蒸发器等新型蒸发器方面都取得显著效果。,放射性废水的处理技术-蒸发浓缩,单效蒸发器,多效蒸发器,放射性废水的处理技术-蒸发浓缩,化学沉淀法,：将沉淀剂与废水中微量的放射性核素发生共沉淀作用的方法。,废水中放射性核素的氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐等化合物大都是不溶性的，因而能在化学处理中被除去，而在化学絮凝剂或载体投量较大形成大量絮凝沉淀时，去除率就更高。,化学处理的目的是使废水中的放射性核素转移并浓集到小体积的污泥中去，而使大体积的废水剩余很少的放射性，从而能够达到排放标准。,此法优点是费用低廉，对大多数放射性核素具有良好的去除效果，能够处理那些非放射性成分及其浓度以及流量变化相当大的废水，使用的处理设施和技术都有相当成熟的经验。,放射性废水的处理技术-化学沉淀,铁盐、铝盐、磷酸盐、苏打等沉淀剂最为常用，为了促进凝结过程，常投加助凝剂，如粘土、活性二氧化硅、高分子电解质等，这些助凝剂在除去单种放射性同位素和混合裂变产物方面的效率很高，一般在pH7-8的范围内应用，形成的污泥易于沉淀和过滤。,对铯、钌、碘等集中难以去除的放射性核素要用特殊的化学沉淀剂。例如铯可用亚铁氰化铁、亚铁氰化铜共沉淀去除；钌可用硫化亚铁、仲高碘酸铅共沉淀去除；碘可用碘化钠和硝酸银共沉淀去除。,放射性废水的处理技术-化学沉淀,运用化学沉淀法处理废水其处理过程简单、费用低，对净化要求不高，体积较大的低放废水的处理比较适用。,影响凝聚沉淀净化效率的因素较多，其中主要包括以下几个方面：,（1）废水的pH值，不同的沉淀剂需要选择对应最适宜的pH。,（2）沉淀剂的用量，用量要与废水中含有的胶体状及悬浮状物质量相对应，才能保证较好的净化效果。,（3）混合均匀程度，投加的沉淀剂在废水中分布越均匀，沉淀过程越决。,该法产生的放射性淤泥量大，一般为原水的1%5%，为了便于贮存和处置，需进一步脱水，而采用一般的过滤法或离心法脱水都是很困难的。目前最有效的脱水方法是冻结-融化-真空或压力过滤。目前化学沉淀法主要除了用于净化去污要求不高的大体积低放废水外还可以作为预处理手段同其它方法结合使用。,放射性废水的处理技术-化学沉淀,吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除水中重金属离子的一种有效方法。,吸附法的关键技术是吸附剂的选择，,吸附剂,：,活性炭。强吸附能力，去除率高，再生效率低，处理水质很难达到回用要求，价格贵，应用受到限制。,壳聚糖及其衍生物。重金属离子的良好吸附剂，壳聚糖树脂交联后，可重复使用。,改性的海泡石。对Co、Ag有很好的吸附能力，处理后废水中重金属含量显著低于污水综合排放标准。,蒙脱石。一种性能良好的粘土矿物吸附剂，蒙脱石在酸性条件下可达到良好处理效果，出水中十含量低。,放射性废水的处理技术-吸附,放射性废水的处理技术-吸附,沸石。沸石是一种天然矿物，在水处理工艺中常用作吸附剂，但它同时还兼有离子交换剂和过滤剂的作用。,沸石与其他无机吸附剂相比，对于水的净化具有较大的吸附能力和净化效果，如去除水中放射性裂变产物的净化系数（净化系数是指处理前后水中放射性数值的比值)：高岭土为；硅石为；软锰矿为；沸石为62-68。沸石的净化能力比其他无极吸附剂高10倍。,国内的天然沸石产于河北省赤城县、黑龙江省牡丹江地区。沸石经过化学处理，改为Na,+,型或NH,4,+,型沸石，对各种金属离子有良好的吸附性能。也可用来研究处理放射性废水的实验。,放射性废水的处理技术-膜分离,膜分离是利用特殊的薄膜对液体中某些成分进行选择性透过的统称。,溶剂透过膜的过程称为,渗透,，溶质透过膜的过程称为,渗析,.,在溶液中凡是一种或几种成分不能透过，而其他成分能透过的膜，叫做半透膜。,膜分离法是将溶液用半透膜隔开，使溶液中某种溶质或者溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。,常用的膜分离法有电渗析、反渗透、超滤、微滤等。,近年来，膜分离技术发展速度极快，在污水处理、化工、生化、医药、造纸等领域广泛应用，在放射性废水处理领域的应用和研究也在逐渐增长。,膜分离法共同优点:,是膜分离过程不发生相变；操作在常温下进行；膜分离技术不仅适用于有机物还适用于无机物; 装置简单，操作容易且易控制，便于维修且分离效率高。,缺点:,是处理能力较小，消耗能量多。,放射性废水的处理技术-膜分离,反渗透RO、微滤MF、超滤UF、纳滤NF,膜技术,渗透,电渗析,反渗透,纳滤,超滤,微滤,驱动力,浓度差,电位差,压力差,压力差,压力差,压力差,操作孔径/nm,250,（中孔）,2,（微孔）,2,（致密孔）,50,（大孔）,分离范围/n,m,荷电离子,0.11,110,5200,802000,应 用,回收酸、碱,回收酸、碱、淡化和除盐,海水淡化,饮用水处理,高纯水制备,废水处理,去除相对分子量大于200400的物质,去除相对分子量大于1000100000的物质,去除胶体、悬浮固体和细菌。可降低浊度、水消毒,放射性废水的处理技术-膜分离,牟旭凤等对应用聚合物辅助无机膜处理模拟放射性废水进行研究，比较不同相对分子质量的三种聚丙烯酸和不同截留分子量的无机膜对模拟放射性废水的处理效果。研究表明聚合物辅助超滤技术可以有效地去除废水中的Sr,2+,和Co,2+,，去除效果良好。,陈红盛研究了用聚丙烯酸辅助的陶瓷膜分离技术处理含锶、铯、钴的重金属废水，在最佳PM 值（聚丙烯酸与锶、钴、铯离子的质量浓度比）和最适pH时，废水中三种重金属离子的截留率分别为99.7%、95.1%和99.9%，实验结果表明用聚丙烯酸辅助可以大大提高陶瓷膜对重金属废水中锶、铯、钴的去除效率。,G. Zakrzewska-Trznadel研究了用膜蒸馏技术对低水平放射性废水中的核素进行浓缩。,放射性废水的处理技术-膜分离,应用案例及研究实例,Kwang-Ho Choo在不同的pH水平、初始Co浓度、背景离子浓度下研究纳滤膜对模拟放射性废液中Co的去除选择性；深入研究了目标化合物（钴）和多种组分化学平衡的关系。其中，使用纳滤膜NTR7250，运行压力为4.9 bar，流速为1.0 m/s时，对不同进水Co浓度和ph值的结果较好。,MARK D. NEVlLLE等人在比利时的Doel PWR核电站建立了电化学离子交换法( EIX)工艺处理低放废水的中试规模的处理车间。该系统连续运行了两年，处理经过常规铁絮凝吸附过滤工艺处理的含Cs、Co及U的放射性活度约为50Bq/mL的低放废水。出水放射性活度降至，去污效率大于99.9%，去污系数为2 500。EIX利用置于聚合有机滤膜内的离子交换树脂，将电渗析与离子交换相结合，具有去污率高，膜污染低,常压运行，进水适应性强等优点。,放射性废水的处理技术-膜分离,应用案例及研究实例,侯立安等采用超滤-纳滤-离子交换组合工艺处理模拟核爆后放射性物质污染废水，对碘、铯、钚、铀等放射性物质进行去除，取得了高去除率。,熊忠华等研究了超滤+反渗透新工艺在含钚低水平放射性废水处理中的应用,膜分离系统采用中空纤维式超滤和卷式反渗透联合组件。实验探索了不同工艺参数对废水处理的去污效率和体积减容倍数的影响，结果表明，作为新型膜分离系统，在料液pH=10时其去污效率达到99.94% ，体积减容倍数达到，为放射性废水的体积最小化提供了新的处理工艺。,放射性废水的处理技术-膜分离,应用案例及研究实例,RH + M,+,RM + H,+,离子交换剂,需交换的离子,k,1、离子交换剂,离子交换树脂,树脂本体,活性基团,固定离子,活动离子,图 阳离子交换树脂结构示意图,水,固定离子,可交换离子,乙二烯交联链,聚苯乙烯链,离子交换过程的主要特点在于,：它主要吸附水中的离子，并与水中的离子进行等量交换,放射性废水的处理技术-离子交换法,许多放射性核素在水中呈离子状态，特别是经过化学沉淀处理后的放射性废水，由于除去了悬浮的和胶体的放射性核素，剩下的几乎是呈离子状态的核素，其中大多数是阳离子。,放射性核素在水中是微量存在的，因而很适合离子交换处理，并且在没有非放射性离子(少数是阴离子)干扰的情况下，离子交换能够长时间有效工作。,大多数阳离子交换树脂对放射性锶有高的去除能力和大的交换容量；酚醛型阳树脂能有效去除放射性铯，大孔型阳树脂不仅能去除放射性阳离子，还能通过吸附去除以胶体形式存在的锆、铌、钴和以络合物形式存在的钌等。,除离子交换树脂之外, 还有用磺化沥青作离子交换剂的, 其特点是能在离子交换达饱和后进行熔化􀀂凝固处理, 这样有利于放射性废物的最终处置。,放射性废水的处理技术-离子交换法,离子交换法存在一个较致命的弱点，当废液中放射性核素或非放射性离子含量较高时，树脂床很快会穿透而失效，而通常处理放射性废水的树脂是不进行再生处理的，所以一旦失效应立即更换。离子交换法采用离子交换树脂，适用于含盐量较低的废液。当含盐量较高时，用离子交换树脂来处理所花的费用比选择性工艺要高。选择性吸附剂基本上是无机离子交换剂（含有沸石），能获得较高的净化系数。,放射性废水的处理技术-离子交换法,放射性废水处理工艺,放射性废水处理工艺,放射性废水处理工艺,