Осадительные методы переработки ЖРО

Методы переработки ЖРО

Переработка ЖРО направлена на решение двух главных задач: очистки основной массы отходов от радионуклидов и концентрирование последних в минимальном объеме. Для этого используют как минимум четыре группы методов: термические, сорбционные, осадительные и мембранные.

Термические и сорбционные методы достаточно хорошо разработаны и широко применяются на практике: в настоящее время на их основе работают очистные сооружения, перерабатывающие отходы, которые образуются при эксплуатации ядерных реакторов различного назначения, установок регенерации ядерного топлива и других радиационно опасных объектов.

Термические методы переработки ЖРО

Дистилляционный метод основан на способности воды при нагревании разделяться на пресный пар и соляной рассол. Принцип дистилляции основан на том, что при нагревании соленой воды до температуры более высокой, чем температура кипения (при данном солесодержании и давлении), вода начинает кипеть. Образовавшийся пар практически не способен растворять содержащиеся в опресняемой воде соли, поэтому при его конденсации получается пресная вода. Для испарения 1 кг воды ее необходимо нагреть до температуры кипения и затем сообщить дополнительное тепло фазового перехода воды в пар, так называемую скрытую теплоту парообразования, равную при температуре 100 ^оС 539,55 ккал/кг. Чтобы полученный пар превратить в воду нужно у пара отнять тепло фазового перехода (559,55 ккал/кг). Значительная часть этого тепла может быть возвращена обратно в установку, т.е. рекуперирована. Чем больше тепла фазового перехода рекуперировано, тем выше считается тепловая экономичность дистилляционной опреснительной установки.

Наиболее широко применяются многоступенчатые испарительные установки, представляющие собой несколько последовательно работающих одноступенчатых установок, при этом вторичный пар предыдущей ступени используется в качестве греющего пара для испарения воды в последующей ступени. С увеличением числа ступеней многоступенчатые опреснительные установки становятся экономичнее. Однако, с увеличением числа ступеней испарения уменьшается температурный перепад по каждой из них, увеличивается общая поверхность нагрева аппаратов и соответственно резко возрастают капитальные затраты на опреснительную установку.

Основным преимуществом многоступенчатых дистилляционных опреснительных установок является то, что на единицу первичного пара можно получить значительно большее количество обессоленной воды.

При работе дистилляционных опреснительных установок негативную роль играет накипь на греющих элементах испарителей и конденсаторов, которая уменьшает температуру нагрева воды, ухудшает теплопередачу и работу всех агрегатов установки. Для предотвращения накипеобразования применяют реагентные методы (добавление ингибиторов, подкисление и др.) и безреагентные (магнитная, ультразвуковая обработка и др.). Практически полностью исключить накипеобразование можно путем создания достаточно глубокого вакуума в испарителях, что дает возможность снизить температуру испаряемой воды до 50 ^оС и ниже. Энергетические затраты составляют примерно 10 кВт час/м³ обессоленной воды. Невысокая требовательность к качеству отходов, поступающих на дистилляцию (наличие коллоидов, детергентов), позволяет исключить применение перед ней специальных осадительных операций. Это выгодно отличает дистилляцию от сорбционных (динамических) и некоторых мембранных методов. И, наконец, возможность получения высоких коэффициентов очистки позволяет дистилляции при необходимости самостоятельно и полностью решить проблему очистки конденсата до сбросных норм или норм на оборотную воду.

Сорбционные методы переработки ЖРО

Сорбционные методы предполагают удаление радионуклидов из жидких стоков в виде твердой фазы в результате адсорбции, ионного обмена, адгезии и т.п.

Сорбционные установки переработки сточных вод представляют собой насыпные или намывные фильтры со специальными ионообменными смолами.

В качестве фильтрующих материалов в отечественной практике в основном применяют специальные ионообменные смолы - сильнокислотный катионит КУ-2-8, сильноосновный анионит АВ-17-8, а также слабоосновные аниониты АН-31 и АН-2ФН, различные природные и искусственные порошкообразные сорбенты (диатомит, перлит, туфы и др.), которые предварительно соответствующим образом подготавливаются и обладают большой фильтрующей способностью. Лучшим отечественным фильтрующим материалом является перлит. Все они обладают высокой обменной емкостью и достаточно высокими коэффициентами очистки стоков от радионуклидов. Так, коэффициент очистки КУ-2-8 для ¹³⁷Cs и ²⁴Na достигает 100. Однако из-за селективности к отдельным радионуклидам метод сорбции нельзя рассматривать как основной метод очистки ЖРО.

Осадительные методы переработки ЖРО

Осадительные методы переработки ЖРО основаны на соосаждении радионуклидов, а также взвесей и многих химических примесей с образующимся осадком макрокомпонента, специально введенного или уже присутствующего в составе отходов.

В процессе коагуляции очистка ЖРО реализуется за счет следующих механизмов:

- осаждения радиоактивных изотопов совместно со стабильными изотопами;

- захвата взвешенных (особенно коллоидных) частиц вновь образованными осадками;

- адсорбции радиоактивных изотопов, находящихся в стоках в ионном состоянии, на развитой поверхности вновь образующихся осадков стабильных веществ.

В качестве коагулянтов чаще всего используют легкодоступные недорогие реагенты; сульфат железа, сульфат алюминия, соли кальция, смеси фосфатов и гидроксидов кальция.

Особенность метода химического осаждения – селективность к отдельным радионуклидам. К наиболее важным радионуклидам, требующим селективного удаления, можно отнести ¹³⁷Cs, ¹⁰⁶Ru, ⁹⁰Sr-⁹⁰Y, ¹³¹I, ^59,60Co. Рутений и кобальт плохо концентрируются на осадках. Наиболее известные сорбенты для рутения – сульфиды тяжелых металлов, таких как сурьма, кобальт, железо, свинец. Наиболее эффективна очистка ЖРО от кобальта на оксигидратах циркония, хрома и марганца.

Процесс химического осаждения завершается операциями по разделению фаз, предназначенными для осветления основной части стоков и концентрирования полученных при этом шламов. Для этой цели обычно исполь­зуют отстойники-осветлители типа суспензионных сепараторов.

Особенность суспензионного сепаратора в том, что осадок в нем нахо­дится во взвешенном состоянии. Этому способствует то, что обрабатываемая вода поступает в сепаратор снизу через центральную трубу, расположенную над ложным дном.

При этом ранее выпавший осадок, находящийся во взвешенном состоя­нии, выполняет функции механического фильтра и катализатора, ускоряюще­го выпадение твердой фазы, а также способствует перемещению и агломера­ции взвешенных частиц, содержащихся в осветленной воде.

Для уплотнения пульпы в осветлителе имеется шламоуплотнитель. По­добные осветлители имеют примерно в 2 раза большую производительность по сравнению с вертикальными отстойниками и позволяют снижать содержа­ние взвесей в радиоактивных сбросах до 10 мг/л.

Для дальнейшего осветления радиоактивных стоков обычно предусматривается операция фильтрования. Осветляют радиоактивные сточные воды также разнообразными по свойствам фильтровальными перегородками, в частности зернистыми слоями кварцевого песка, диатолита, угля, тканями из синтетических волокон, сетками из металлических нитей, пористыми перегородками из кварца, спекшегося стеклянного или металлического порошка.

Наиболее просты песчаные или кварцевые фильтры. Слой кварцевого песка имеет высоту 1,2 м, диаметр зерен 1,5-2 мм.

Мембранные методы

В последнее время при подготовке обессоленной воды широко используются мембранные методы, в частности, обратный осмос. Метод обратного осмоса является одним из наиболее перспективных способов очистки и глубокого обессоливания воды с различной минерализацией. Он основан на разделении растворов фильтрованием через полупроницаемые мембраны, поры которых пропускают молекулы воды, но не пропускают гидратированные соли или молекулы недиссоциированных соединений. Если в сосуде между пресной и соленой водой поместить полупроницаемую перегородку, способную пропускать воду и задерживать гидратированные ионы растворимых в воде солей, то можно наблюдать, как пресная вода начинает поступать в отсек с соленой водой. Переток чистой воды происходит вследствие разницы концентрации жидкости по обеим сторонам перегородки. Через некоторое время уровень пресной воды станет заметно ниже уровня соленого раствора. Разница уровней после установившегося равновесия характеризует осмотическое давление растворенного вещества. Если создать в соленом растворе давление, превышающее осмотическое, то возникает перетекание молекул пресной воды в направлении, обратном ее естественному движению, т.е. вода из раствора начинает перетекать через перегородку в пресную воду. Такой процесс известен под названием обратного осмоса. Опреснение соленой воды методом обратного осмоса основывается как раз на процессе перетекания молекул чистой воды из раствора при создании давления, превышающего осмотическое, в направлении от раствора к пресной воде через полупроницаемую перегородку. Полупроницаемая перегородка выбирается с таким расчетом, чтобы через ее поры могли проходить молекулы воды, но не могли проходить ионы солей, растворенных в соленой воде. Поскольку ионы солей по размеру примерно в 1,5 раза больше, чем молекулы воды, то технически этот процесс осуществим.

Метод обратного осмоса по сравнению с традиционными методами обладает существенными преимуществами: затраты энергии на процесс относительно невелики, установки конструктивно просты и компактны, их работа мало зависит от колебаний качества исходной воды, для эксплуатации не требуется высококвалифицированный персонал, работа установок может быть легко автоматизирована. Основной особенностью обратного осмоса является практическое отсутствие расхода каких-либо химических реагентов для обработки воды (кислоты, щелочи и др.), если не считать небольших затрат для корректировки рН, ингибирования отложения солей и периодической промывки мембран..