способ переработки жидких радиоактивных отходов

Формула изобретения

Способ переработки жидких радиоактивных отходов, заключающийся в том, что исходный поток ЖРО подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама, надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата, фильтрат подвергают ионоселективной сорбции после глубокого обессоливания в две стадии: на первой стадии обратным осмосом с образованием потоков промежуточного концентрата и дезактивированного раствора, отличающийся тем, что перед отстаиванием, жидкие радиоактивные отходы подвергают предварительной фильтрации на фильтрах с загрузкой из сипрона и гранулированного полипропилена, обладающих способностью отделять масла, нефтепродукты и альфа-радионуклиды от жидких радиоактивных отходов, а после отстаивания, надосадочную жидкость подвергают последовательной механической фильтрации на песчаном и угольном фильтрах, с образованием фильтрата, который подвергают глубокому обессоливанию обратным осмосом, при этом после первой стадии дезактивированный раствор подвергают ионоселективной сорбции, а затем корректировке рН на известняковом фильтре, кроме того, на второй стадии глубокого обессоливания промежуточный концентрат подвергают доконцентрированию обратным осмосом с образованием концентрата с солесодержанием 100-150 г/л, который направляют на дальнейшее кондиционирование, и пермеата, который направляют снова на первую стадию глубокого обессоливания.

Описание изобретения к патенту

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Изобретение может быть использовано в процессе переработки ЖРО низкого уровня активности с высоким содержанием взвесей, поверхностно-активных веществ (ПАВ), нефтепродуктов (масел) и солесодержанием до 10 г/л, которые образуются в результате деятельности радиохимических производств. Преимущественно, на предприятиях по переработке радиоактивных отходов.

В практике широко используются комплексные технологические схемы переработки ЖРО. Например, известен способ комплексной переработки ЖРО (Патент RU 211894. БИ №26 от 20.09.1998 г.), который заключается в постадийной переработке ЖРО, содержащих радионуклиды цезия и стронция в следующей последовательности: вначале ЖРО подают на стадию предочистки, которая включает в себя блоки механической очистки, ультрафильтрации, затем их пропускают через селективный неорганический сорбент на основе ферроцианидов переходных металлов меди, никеля, кобальта и пористого неорганического носителя, затем их подвергают обессоливанию и концентрированию одним из следующих методов: дистилляционным, двухстадийным, в котором на первой стадии используют электромембранное или обратноосмотическое обессоливание, на второй стадии электроосмотическое или дистилляционное концентрирование. Фильтрат после стадии обессоливания подвергают сорбционной доочистке на ионном обмене.

Недостатками данного способа являются:

- при очистке ЖРО с содержанием масел и растворенной органики будет происходить отравление мембран, так как ЖРО не проходит предварительную очистку от нефтепродуктов и растворенной органики;

- использование ионного обмена для обессоливания, который сопровождается введением в поток ЖРО большого количества химических реагентов при проведении регенерации ионообменных смол, в результате чего образуются вторичные жидкие и твердые радиоактивные отходы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом), является способ комплексной переработки ЖРО (Патент RU 2273066. БИ №9 от 27.03.2006 г.), заключающийся в том, что исходный поток ЖРО подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама, надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата. Фильтрат перед ультрафильтрацией подвергают ионоселективной сорбции, затем в него вводят ассоциирующие добавки, переводящие молекулярные и ионные формы оставшихся радионуклидов в коллоидные и агрегативные формы, при этом ультрафильтрацию осуществляют в принудительно-турбулентном режиме. Далее фильтрат направляют на ультрафильтрацию. Концентрат смешивают с исходным потоком ЖРО, а пермеат подвергают электродиализному разделению на рассол и диализат. концентрата и потока дилюата, смешиваемого с потоком пермеата. Диализат подвергают глубокому обессоливанию с образованием дезактивированного раствора, а глубокое обессоливание диализата проводят в две стадии: на первой обратным осмосом с образованием потока промежуточного концентрата, который смешивают с рассолом, и дезактивированного раствора, а на второй стадии дезактивированный раствор подвергают электродеионированию.

Недостатками этого способа являются:

- невозможность переработки ЖРО, содержащих ПАВ, масла и растворенные органические соединения, так как ЖРО не проходит предварительную очистку от нефтепродуктов и растворенной органики.

- пермеат на выходе из установки обратного осмоса, как правило, имеет pH в пределах 3-4,5. Такую воду нельзя использовать для оборотного водоснабжения или для сброса на грунт, так как не проводится корректировка рН дезактивированного раствора.

Технический результат заключается в концентрировании ЖРО, содержащих нефтепродукты и радионуклиды Cs¹³⁷, Sr⁹⁰ и Pu ²³⁹, а так же получении глубоко очищенного пермеата с нейтральным pH и уменьшении вторичных жидких и твердых радиоактивных отходов.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), заключающийся в том, что исходный поток ЖРО подвергают отстаиванию с образованием надосадочной жидкости и шлама, надосадочную жидкость осветляют на механическом фильтре с образованием фильтрата, фильтрат подвергают ионоселективной сорбции после глубокого обессоливания в две стадии: на первой стадии обратным осмосом с образованием потоков промежуточного концентрата и дезактивированного раствора, при этом перед отстаиванием ЖРО подвергают предварительной фильтрации на фильтрах с загрузкой из сипрона и гранулированного полипропилена, обладающих способностью отделять масла, нефтепродукты и альфа-радионуклиды от ЖРО, а после отстаивания надосадочную жидкость подвергают последовательной механической фильтрации на песчаном и угольном фильтрах, с образованием фильтрата, который подвергают глубокому обессоливанию обратным осмосом, при этом после первой стадии дезактивированный раствор подвергают ионоселективной сорбции, а затем корректировке pH на известняковом фильтре, кроме того, на второй стадии глубокого обессоливания промежуточный концентрат подвергают доконцентрированию обратным осмосом с образованием концентрата с солесодержанием 100-150 г/л, который направляют на дальнейшее кондиционирование, и пермеата, который направляют снова на первую стадию глубокого обессоливания.

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что перед отстаиванием ЖРО подвергают предварительной фильтрации на фильтрах с загрузкой из сипрона и гранулированного полипропилена, обладающих способностью отделять масла, нефтепродукты и альфа-радионуклиды от ЖРО, а после отстаивания надосадочную жидкость подвергают последовательной механической фильтрации на песчаном и угольном фильтрах, с образованием фильтрата, который подвергают глубокому обессоливанию обратным осмосом, при этом после первой стадии дезактивированный раствор подвергают ионоселективной сорбции, а затем корректировке pH на известняковом фильтре, кроме того, на второй стадии глубокого обессоливания промежуточный концентрат подвергают доконцентрированию обратным осмосом с образованием концентрата с солесодержанием 100-150 г/л, который направляют на дальнейшее кондиционирование, и пермеата, который направляют снова на первую стадию глубокого обессоливания.

Принципиально все промышленные способы переработки ЖРО заключаются в максимально возможном концентрировании радиоактивных компонентов путем выделения из ЖРО воды, в которой содержание радионуклидов не превышает предельно допустимых концентраций. Мембранные установки, используемые в большинстве современных технологических схем для очистки ЖРО, позволяют существенно сконцентрировать ЖРО и получить глубоко обессоленную чистую воду, пригодную для сброса на грунт или повторного использования в инженерных сетях. Основная проблема, возникающая при использовании мембранных технологий (обратный осмос, электродиализ, ультрафильтрация), - это ограничения по содержанию органических веществ (ПАВ) и нефтепродуктов (масел) в ЖРО. Эти примеси существенно ограничивают применение мембранных технологий, т.к. при этом значительно снижается срок службы мембран, а количество вторичных жидких и твердых радиоактивных отходов увеличивается. Фильтрация ЖРО на фильтрах из сипрона и гранулированного полипропилена позволяет удалять из ЖРО масла, ПАВ и другие нерастворенные нефтепродукты за счет образования тонкой пленки на поверхности сипрона и полипропилена. Последовательная фильтрация на песчаном фильтре и активированном угле БАУ позволяет очищать ЖРО от мелкодисперсных частиц и растворенных органических примесей за счет их сорбции на активированном угле. Так как пермеат после обратного осмоса содержит небольшие концентрации ионов Cs¹³⁷ (до 1×10 ² Бк/л), то предусмотрена ионоселективная очистка пермеата после обратноосмотического концентрирования ЖРО, что позволяет получать на выходе раствор, глубоко очищенный от радионуклидов Pu²³⁹, Sr⁹⁰, Cs ¹³⁷. Проведение доконцентрирования промежуточного концентрата позволяет сократить количество вторичных ЖРО с коэффициентом 50-100, при этом пермеат направляется снова на обессоливание на первую стадию. Кроме того, это позволяет получить на выходе концентрат с солесодержанием 100-150 г/л. Нейтрализация pH перемеата путем его фильтрации на известняке позволяет получать на выходе раствор с рН 6,5-8, полностью удовлетворяющий санитарным нормам на сброс в гидрографическую сеть.

На чертеже представлена блок-схема способа переработки ЖРО, где:

1 - фильтр с загрузкой из сипрона; 2 - фильтр с загрузкой из гранулированного полипропилена, оборудованный маслоотделительным устройством; 3 - промежуточная емкость-отстойник; 4 - песчаный фильтр; 5 - угольный фильтр; 6 - промежуточная емкость для добавления антискалянта и, при необходимости, корректировки pH; 7 - первая ступень обратного осмоса; 8 - вторая ступень обратного осмоса; 9 - фильтр с неорганическим ионоселективным сорбентом; 10 - фильтр с дробленым известняком для корректировки pH; 11 - приемная емкость для очищенной воды, H1 и Н2 - насосы.

Пример. Предлагаемый способ переработки ЖРО был применен для переработки ЖРО в процессе предварительных испытаний станции по переработке ЖРО в ГУП Мос НПО «Радон». На переработку подавались ЖРО следующего состава: взвеси - 150 мг/л, нефтепродукты - 20 мг/л, ПАВ - 10 мг/л, солесодержание - 1500 мг/л. Удельная -активность составила 7×10² Бк/л, удельная -активность составила 1×10⁴ Бк/л.

Исходный поток ЖРО поступает на фильтр 1, загруженный сипроном, и фильтр 2, загруженный гранулированным полипропиленом. За счет физических свойств материалов на них задерживаются нефтепродукты в виде тонкой пленки и крупные взвеси, на которых находится основная часть альфа-нуклидов, например Pu²³⁹. Суммарная альфа-активность по Pu²³⁹ после этой стадии очистки снижается до 3.1×10¹ Бк/л.

Далее фильтрат поступает в промежуточную емкость-отстойник 3, где происходит отстаивание ЖРО на шлам и осветленную часть. Шлам направляется на дальнейшее кондиционирование, а осветленная часть направляется на последовательную фильтрацию на песчаном и угольном фильтрах с помощью насоса H1. На песчаном фильтре 4 задерживаются более мелкие взвеси и оставшееся количество альфа-нуклидов. На угольном фильтре 5, загруженном активированным углем марки БАУ, происходит очистка ЖРО от растворенных органических соединений. Концентрация нефтепродуктов в фильтрате после угольного фильтра составляет менее 0,03 мг/л.

Фильтрат после механической очистки направляется в приемную емкость 6 для подкисления азотной кислотой. В процессе подкисления происходит разрушение солей жесткости, что предотвращает осадкообразование в мембранных элементах и продлевает срок их службы. Далее ЖРО насосом Н2 направляются на двухстадийную установку обратного осмоса 7,8, где происходит глубокое обессоливание ЖРО и очистка от радионуклидов Cs ¹³⁷ и Sr⁹⁰. После первой стадии образуется пермеат - дезактивированный раствор и промежуточный концентрат. Промежуточный концентрат имеет солесодержание 10-15 г/ли отправляется на вторую ступень доконцентрирования 8, после чего он имеет солесодержание 100-150 г/л. Это оптимальные пределы концентрирования, так как при меньшем солесодержании увеличивается количество вторичных ЖРО, а при большем солесодержании существенно увеличивается нагрузка на мембраны и снижается срок их службы. Концентрат после второй ступени направляют на дальнейшее кондиционирование. Пермеат после второй ступени направляется снова на первую ступень обратного осмоса.

Дезактивированный раствор после первой ступени глубокого обессоливания ЖРО имеет солесодержание 50-100 мг/л, удельная -активность по Pu²³⁹ снизилась до 2,7×10^-1 7×10 ² Бк/л, удельная -активность до 2,1×10² Бк/л 1×10⁴ Бк/л. Далее его направляют на селективную сорбцию для доочистки от радионуклидов Cs ¹³⁷. В качестве фильтрующего материала в фильтре 9 используется неорганический сорбент «Феникс» на основе ферроцианидов никеля.

Фильтрат после ионоселективной очистки 9 направляется на корректировку pH в фильтр 10, загруженный дробленым известняком. В процессе глубокого обессоливания ЖРО на обратноосмотической установке пермеат - дезактивированный раствор имеет рН 3-5, такую воду нельзя сбрасывать в гидрографическую сеть. После корректировки pH на известняке дезактивированный раствор имеет рН 7-8, что соответствует санитарным нормам.

В результате конечный раствор имеет удельную радиоактивность по -радионуклидам (Sr⁹⁰) - 0,7×10 ¹ Бк/л, по -радионуклидам (Pu²³⁹) 1,8×10 ^-1, удельная активность по Cs¹³⁷ составила 0,2×10^-1, концентрация взвесей составила 1 мг/л, ПАВ - 0,06 мг/л, нефтепродуктов - 0,03 мг/л, что не превышает предельно допустимых концентраций на сброс.

Таким образом, коэффициент дезактивации ЖРО по -радионуклидам составил 1,4×10³ , по -радионуклидам - 3,8×10³ Бк/л. Степень очистки по нефтепродуктам составила 3,3×10 ². В сравнении с прототипом эта величина не превышала бы 1×10¹.

Степень концентрирования составила 70. По прототипу, при отсутствии фильтров с сипроном, гранулированным полипропиленом и активированным углем, степень концентрирования ЖРО составила бы 10-20, так как в схему пришлось бы добавлять регенерационные растворы на отмывку мембранных элементов, а количество вторичных твердых радиоактивных отходов в виде отработанных мембран возросло бы в 2 раза.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в промышленном масштабе на стандартном оборудовании.

В настоящее время данная схема реализуется в ГУП Мос НПО «Радон» в рамках утвержденного проекта строительства Станции по переработке ЖРО (Зд. №101). Производительность станции составляет 10 м ³/час.