Способ очистки сточных вод от радиоактивных компонентов и масла
Владельцы патента RU 2305335:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" (RU)
Изобретение относится к области переработки и обезвреживания жидких радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ очистки сточных вод от радиоактивных компонентов, в состав которых входят растворенное и/или в виде эмульсии минеральное масло, растворенные и твердые частицы радиоактивных компонентов урана и продуктов его распада, путем концентрирования радиоактивных компонентов и минерального масла. При этом сточные воды перед переработкой подкисляют до величины рН 2,5-3,0. Далее вводят коагулянт на основе солей железа (III), затем катионоактивный флокулянт на основе модифицированного полиакриламида. После чего нейтрализуют щелочью до величины рН>7 с последующим центрифугированием смеси с получением после центрифугирования очищенной воды и концентрата, содержащего радиоактивные компоненты и минеральное масло. Осуществляют последующее отверждение и захоронение концентрата. Преимущества изобретения заключаются в сокращении расхода энергии и ускорении процесса. 5 табл.
Способ очистки сточных вод от минерального масла и радионуклидов относится к области переработки жидких отходов, в состав которых входит вода, растворенное и/или в виде эмульсии минеральное масло, растворенные и твердые частицы радиоактивных компонентов урана и продуктов его распада металлообрабатывающих предприятий и гальванических производств, а также может быть использовано в технологии производства урана и его соединений.
Известен способ переработки жидких радиоактивных отходов [А.С.Копылов, Е.И.Верховский. Спецводоочистка на атомных электростанциях. М.: Энергоатомиздат, 1988] (прототип), заключающийся в использовании метода выпарки. Метод выпаривания (термическая переработка) радиоактивных растворов заключается в нагревании воды до кипения и упаривания ее. В получаемый при этом пар переходит минимальное количество примесей, включающих радиоактивные компоненты. Основная часть загрязняющих примесей остается в упаренной воде, что способствует существенному уменьшению объема жидких радиоактивных отходов. Этот метод используется для переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) низкой и средней активности. При охлаждении пара получают конденсат, содержащий масло и радиоактивные компоненты с концентрацией, допустимой для его сброса на общезаводские очистные сооружения. Кубовый остаток (упаренный водный раствор ЖРО) содержит воду, масло и радиоактивные компоненты. Его помещают либо в хранилище жидких отходов, либо подвергают отверждению и направляют на захоронение в виде твердых радиоактивных отходов. Данный способ позволяет достаточно эффективно производить переработку низкоактивных жидких отходов, обеспечивает высокую степень очистки основной массы воды как от масла, так и от радиоактивных компонентов и достаточно эффективно снижает объем радиоактивных отходов.
Недостатки известного способа-прототипа, которые в определенной степени ограничивают его применение, заключаются в следующем. Во-первых, высокие энергетические затраты на переработку сточных вод. Метод выпарки - один из наиболее энергоемких процессов. Во-вторых, при высоком содержании масла в сточных водах происходит интенсивное пенообразование в процессе выпарки, что ведет к выносу с паром значительной массы воды с радиоактивными компонентами и маслом. Это приводит к необходимости проведения либо повторной очистки воды от радионуклидов методом выпарки, либо создания дополнительных технологий очистки конденсата от радионуклидов. Наконец, процесс выпарки - это продолжительная операция, что приводит к необходимости использования накопительных емкостей больших объемов. Кроме того, для предварительного нагрева воды требуются дополнительно теплообменники, а для получения конденсата из пара - использование холодильников.
Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение существенного сокращения расхода энергии на процесс очистки ЖРО от масла и радиоактивных компонентов, сокращение времени на очистку воды, что приведет к снижению объема и количества основного и вспомогательного оборудования, а также проведение очистки сточных вод от загрязняющих компонентов за одну операцию, при их содержании в широком диапазоне концентраций, что приведет к сокращению рабочего времени на обслуживание передела.
Технический результат достигается путем очистки сточных вод от радиоактивных компонентов, в состав которых входят растворенное и/или в виде эмульсии минеральное масло, растворенные и твердые частицы радиоактивных компонентов урана и продуктов его распада путем концентрирования радиоактивных компонентов и минерального масла с последующим отверждением и захоронением концентратов, при этом сточные воды перед переработкой подкисляют до величины рН 2,5-3,0, далее вводят коагулянт на основе солей железа (III), затем катионоактивный флокулянт на основе модифицированного полиакриламида, после чего нейтрализуют щелочью до величины рН>7 с последующим центрифугированием смеси с получением после центрифугирования очищенной воды и концентрата, содержащего радиоактивные компоненты и минеральное масло.
Выбор указанных параметров подкисления и нейтрализации, реагентов и метода последующей переработки жидких радиоактивных сточных вод, содержащих минеральное масло, обусловлен тем, что в этих условиях обеспечивается высокая степень очистки воды как от радиоактивных компонентов, так и от минерального масла до нормативных показателей.
Сопоставление эффективности предложенного и ранее известного способа-прототипа приведено в примерах.
Пример 1. Радиоактивные сточные воды подкисляли до величины рН около 3. Далее в подкисленные сточные воды в количестве 1 л с общей исходной удельной активностью 950 Бк/кг вводили коагулянт и флокулянт. В качестве коагулянта использовалась соль хлорида железа (III) в качестве флокулянтов - катионоактивный, анионоактивный или нейтральный модифицированный полиакриламид. Коагулянт вводили в количестве из расчета 100 мг/кг по Fe3+. Количество введенного флокулянта 15 мг. После введения реагентов проводили нейтрализацию щелочью до величины рН более 7. Осадок полученной пульпы после нейтрализации отделяли от раствора различными методами: отстаиванием, фильтрацией и центрифугированием. Центрифугирование проводили в течение 15 мин при скорости вращения 10000 об/мин. Очищенную от осадка воду подвергали радиохимическому анализу. Результаты испытаний представлены в табл.1. Для сравнения в табл.1 даны результаты по очистке воды, содержащей радиоактивные компоненты без добавления реагентов или с добавлением одного из них. В табл.2 приведены данные по скорости отстаивания осадка с использованием различных флокулянтов после введения коагулянта, которые характеризуют эффективность действия флокулянта при очистке воды от взвешенных веществ.
| Таблица 1 Влияние коагулянта и флокулянтов на очистку воды от радиоактивных компонентов различными методами | ||||||
| Способ отделения взвешенных веществ от раствора | Остаточная удельная активность воды (Бк/кг) при использовании различных типов модифицированного полиакриамида | |||||
| Катионоактивный | Анионоактивный | Нейтральный | Без добавления коагулянта и флокулянта | Без добавления флокулянта | Без добавления коагулянта с катионоактивным флокулянтом | |
| Центрифугирование | 0,3 | 126 | 94 | 110 | 70 | 115 |
| Фильтрация | 5,0 | 156 | 108 | 125 | 75 | 120 |
| Отстаивание | 35 | 184 | 165 | 170 | 90 | 190 |
Скорость отстаивания определяли в мерном цилиндре. Время отстаивания фиксировали при прекращении изменения высоты слоя осадка.
При сопоставлении полученных данных видно, что наиболее эффективным флокулянтом является модифицированный полиакриламид катионного типа, а метод центрифугирования обеспечивает наиболее полную очистку воды от радиоактивных компонентов.
| Таблица 2 | ||
| Скорость отстаивания осадка при добавлении в радиоактивные сточные воды коагулянта и модифицированного полиакриламида различного типа | ||
| Скорость отстаивания осадка (час) при использовании различных типов модифицированного полиакриамида | ||
| Катионоактивный | Анионоактивный | Нейтральный |
| 0,25 | 24 | 6 |
Пример 2. По экспериментальным результатам данного примера определено оптимальное количество реагентов, требующееся для очистки воды от радиоактивных компонентов. В подкисленные сточные воды объемом 1 л вводился коагулянт в виде соли сульфата железа (III) и катионоактивный флокулянт в различных соотношениях, после этого проводилась нейтрализация воды до значения рН 8,5 и далее производилось центрифугирование пульпы. Полученные данные сведены в табл.3.
| Таблица 3 | ||||||
| Удельная активность очищенной воды (Бк/кг) в зависимости от количества введенных реагентов перед центрифугированием | ||||||
| Концентрация железа (III), добавленного в сточную воду, мг/л | Количество введенного катионоактивного флокулянта, мг/л | |||||
| 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 | |
| 50 | 55 | 28 | 28 | 30 | 33 | 44 |
| 75 | 18 | 7 | 8 | 9 | 26 | 34 |
| 100 | 3 | 0,3 | <0,3 | 1,5 | 6 | 15 |
| 150 | 3 | <0,3 | <0,3 | 0.8 | 4,5 | 12 |
| 200 | 2 | <0,3 | <0,3 | 0,6 | 5,8 | 10 |
Удельная активность исходной воды 930 Бк/кг.
Из полученных результатов следует, что при низкой концентрации флокулянта и коагулянта (50 мг/л Fe3+ и флокулянта 5 мг/л) наблюдается неполная очистка воды от радиоактивных компонентов. При дозе флокулянта свыше 20 мг/л степень очистки воды от радионуклидов начинает снижаться. При увеличении концентрации коагулянта свыше 100-150 мг/л степень очистки фактически не изменяется. Увеличение концентрации железа приводит лишь к дополнительному расходу реагента. Таким образом, оптимальный расход реагентов составляет: соль железа в перерасчете на Fe3+ 100-150 мг/л, расход флокулянта - 10-20 мг/л.
Пример 3. Сточная вода перед очисткой имела следующие параметры: рН 8,3, активность 980 Бк/кг и содержание минерального масла 180 мг/л. В сточную воду, исходную и подкисленную до различных значений рН, вводили коагулянт и флокулянт. После подкисления воду нейтрализовали щелочью до различных значений рН. Далее проводили центрифугирование в одинаковых условиях. После очистки определяли удельную активность воды и концентрацию минерального масла. Полученные результаты приведены в табл. 4. Как следует из полученных результатов, предварительное подкисление сточной воды способствует повышению степени очистки воды как от радиоактивных компонентов, так и от минерального масла, если после подкисления воду нейтрализовать до величины рН более 7,0. Подкисление воды ниже величины рН 2,5-3,0 не приводит к изменению степени очистки сточных вод от радиоактивных компонентов и минерального масла, но ведет к необоснованному увеличению расхода реагентов. Если в сточную воду без предварительного подкисления вводится коагулянт, происходит его гидролиз и выпадение гидроксида железа (III), что ухудшает процесс формирования осадка и очистки воды.
| Таблица 4 | |||||||
| Удельная активность воды после очистки с предварительным ее подкислением и последующей нейтрализацией после введения коагулянта и флокулянта | |||||||
| Удельная активность воды (Бк/кг) и содержание минерального масла (мг/л) после очистки без предварительного подкисления | Величина рН после подкисления сточной воды | Удельная активность воды (Бк/кг) и минерального масла (мг/л) после очистки, предварительно нейтрализованная до различных значений рН | |||||
| 6,0 | 7,0 | 7,5 | 8,0 | 9,0 | 10,0 | ||
| 26,6/43 | 2,0 | 5,5/26 | 0,3/18 | 0,3/19 | <0,3/17 | <0,3/18 | <0,3/20 |
| 2,5 | 4,8/22 | 0,3/21 | 0,3/19 | <0,3/17 | <0,3/19 | <0,3/19 | |
| 3,0 | 8,4/26 | 0,4/18 | 0,5/18 | 0,3/19 | 0,3/17 | <0,3/20 | |
| 4,5 | 18/28 | 15/25 | 21/25 | 24/26 | 19/24 | 21/26 | |
| 5,0 | 26/32 | 17/34 | 22/34 | 18/34 | 21/33 | 22/34 |
В числителе - активность воды, в знаменателе - концентрация масла.
Пример 4. После подкисления сточной воды, содержащей 180 мг/л минерального масла и удельной активностью 980 Бк/кг, после ее подкисления при оптимальных условиях вводились в качестве коагулянта хлорид, нитрат и сульфат железа (III). После добавления флокулянта вода подвергалась нейтрализации щелочью до величины рН 9,0 и центрифугировалась. В результате очистки практически получены одинаковые результаты. Удельная активность очищенной воды составила менее 0,3 Бк/кг, концентрация минерального масла - в переделах 18-20 мг/л.
Пример 5. В данном примере проведено сопоставление результатов промышленных испытаний очистки сточной воды.
| Таблица 5 Сравнительные характеристики переработки радиоактивных сточных вод | ||
| Техническая характеристика | Метод переработки ЖРО | |
| Сепарирование | Выпарка | |
| Число единиц оборудования | 3 | 5 |
| Расход энергии на переработку 50 м3 радиоактивных сточных вод (годовой расход) | 8,8×102 кВт | 3,1×106 кВт (2700 Гкал) |
| Время на подготовку установки к работе | 15 мин | 2 часа |
| Производительность установки | 200 л/ч | 90 л/ч |
| Удельная активность очищенной воды (допустимая норма 30 Бк/кг) | 0,3 Бк/кг | около 30 Бк/кг |
| Содержание минерального масла в очищенной воде (мг/л) | 18 | 22 |
| Повторная переработка очищенной воды | Не требуется | Периодически требуется |
| Расход реагента на 1 м3 ЖРО | 100 г хлорного железа | Не требуется |
| 10 г флокулянта | ||
| 800 г серной кислоты | ||
| 1600 г гидроксида натрия |
По предлагаемому способу переработано около 50 м3 радиоактивных сточных вод. Причем 10 м3 из них не поддавались переработке методом выпарки из-за высокого содержания масла, что приводило к интенсивному ценообразованию и, как следствие, загрязнению конденсата радиоактивными компонентами и минеральным маслом.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет:
а) существенно повысить степень очистки сточных вод от радиоактивных загрязнений за одну стадию;
б) существенно снизить расходы энергии;
в) сократить число единиц оборудования;
г) обеспечить сокращение рабочего времени на обслуживание процесса очистки сточных вод от радиоактивных загрязнений.
Способ очистки сточных вод от радиоактивных компонентов, в состав которых входят растворенное и/или в виде эмульсии минеральное масло, растворенные и твердые частицы радиоактивных компонентов урана и продуктов его распада, путем концентрирования радиоактивных компонентов и минерального масла с последующим отверждением и захоронением концентратов, отличающийся тем, что сточные воды перед переработкой подкисляют до величины рН 2,5-3,0, далее вводят коагулянт на основе солей железа (III), затем катионоактивный флокулянт на основе модифицированного полиакриламида, после чего нейтрализуют щелочью до величины рН>7 с последующим центрифугированием смеси с получением после центрифугирования очищенной воды и концентрата, содержащего радиоактивные компоненты и минеральное масло.
