Способ переработки мало- и среднеминерализованных низкоактивных жидких отходов

 

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) мембранно-сорбционными методами. Сущность изобретения: способ включает предочистку ЖРО на механических 3 и ультрафильтрах 4 с накоплением предварительно очищенных ЖРО в промежуточной емкости 10, очистку, обессоливание предварительно очищенных ЖРО с помощью обратноосмотических фильтров 6, разделение потоков на выходах обратноосмотических фильтров на фильтрат и концентрат с возвратом концентрата в промежуточную емкость через реактор-отстойник 11, который служит для умягчение концентрата за счет осаждения в нем солей жесткости, доочистку фильтрата на ионообменных фильтрах 13 и накопление очищенной воды в емкости, с контролем солесодержания концентрата и фильтрата на выходах обратноосмотических фильтров и солесодержания фильтрата на ионообменных фильтрах. В зависимости от солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров фильтрат направляют при солесодержании, меньшем допустимого значения, - на ионообменные фильтры, а при солесодержании, большем допустимого значения, - во вторую промежуточную емкость, при достижении в первой промежуточной емкости допустимого значения солесодержания концентрата ЖРО, контролируемого на входе обратноосмотических фильтров, концентрат из первой промежуточной емкости и реактора-отстойника направляют на цементирование. Вход обратноосмотических фильтров и выход реактора-отстойника переключают с первой промежуточной емкости на вторую промежуточную емкость 12, а выход по фильтрату переключают на вход ионообменных фильтров. При достижении солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров допустимого значения (более 0,2 г/л) отключают ионообменные фильтры, а фильтрат направляют в первую промежуточную емкость. Процесс концентрирования ЖРО, накопленных во второй промежуточной емкости, продолжают до величины 50 г/л, после чего концентрат из второй промежуточной емкости и реактора-отстойника направляют на цементирование. Далее добавляют исходные ЖРО и весь процесс повторяют. Преимущества изобретения заключаются в оптимизации режимов работы обратноосмотических и ионообменных фильтров и экологической безопасности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) мембранно-сорбционными методами и может быть использовано для очистки вод от радио- и химическитоксичных загрязнений в мобильных установках переработки ЖРО.

Известен способ переработки низкоактивных жидких отходов [1], включающий предочистку на механических и ультрафильтрах, обработку предварительно очищенных ЖРО на обратноосмотических фильтрах, сбор концентратов в специальной емкости для дальнейшей переработки, доочистку фильтрата на сорбционных фильтрах и слив очищенной воды в открытые водоемы, при этом процесс очистки контролируют с помощью автоматических спектрометров.

Недостатком способа является отсутствие в технологической схеме умягчения перерабатываемых ЖРО после обратного осмоса. Селективные ферроцианидные сорбенты не выводят из ЖРО соли жесткости, которые выделяются на концентрирующей стороне обратноосмотической мембраны, что требует ее частой промывки. При этом для большинства природных вод (кроме морских) солевой состав определяется в первую очередь гидрокарбанатами при высокой жесткости, а радиоактивные загрязнения - радиостронцием [2]. Кроме того, при очистке ультрапресных (около 0,1 г/л) вод этим способом даже при использовании лучших из импортных мембран с селективностью по NaCl 99,3% солесодержание концентрата не превысит 14 г/л, тогда как метод цементирования считается рентабельным при отверждении ЖРО с солесодержанием не менее 50 г/л [3].

Наиболее близким по сущности к заявляемому способу является способ [4], обеспечивающий концентрирование маломинерализованных низкоактивных жидких отходов до солесодержания 50-70 г/л, в том числе на отечественных более дешевых фильтрующих материалах с селективностью мембран не более 95-98%. Этот способ включает предочистку ЖРО на механических и ультрафильтрах с накоплением предварительно очищенных ЖРО в промежуточной емкости, обработку предварительно очищенных ЖРО на обратноосмотических фильтрах с возвратом концентрата через реактор, обеспечивающий выделение солей жесткости при реагентном умягчении, в промежуточную емкость, доочистку фильтрата на регенерируемых ионообменных фильтрах и накопление очищенной воды в емкости. Насыщенные концентраты и осадки направляют на цементирование.

Недостатком этого способа является то, что при повышении солесодержания концентрата в промежуточной емкости выше 5 г/л (верхняя граница солесодержания для оптимальной работы обратноосмотических фильтров) [5] солесодержание фильтрата, направляемого на доочистку на ионообменные фильтры, становится при использовании отечественных фильтров выше 0,2 г/л (верхняя граница оптимального использования ионообменных фильтров) [6], происходит быстрое насыщение ионообменных фильтров, что вызывает необходимость их регенерации. Соответственно за счет отработанных регенерационных растворов повышается содержание солей в ЖРО и увеличивается объем радиоактивных концентратов. Кроме того, отсутствие средств контроля качества фильтрата и концентрата на выходе обратноосмотических фильтров и фильтрата на выходе ионообменных фильтров может привести к загрязнению очищенной воды и, следовательно, к дополнительным затратам на повторную переработку очищенной воды.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в оптимизации режимов работы обратноосмотических и ионообменных фильтров с обеспечением, в независимости от исходного солесодержания минерализованных отходов, концентрирования ЖРО до солесодержания не менее 50 г/л, пригодного для цементирования, и подачу на ионообменные фильтры растворов с солесодержанием не более 0,2 г/л, что позволяет исключить регенерацию и предотвратить увеличение количества солей в радиоактивных отходах регенератами.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе, включающем очистку низкоактивных жидких отходов на механических и ультрафильтрах, накопление жидких отходов в промежуточной емкости, обработку на обратноосмотических фильтрах с возвратом концентрата через реактор-отстойник солей жесткости в промежуточную емкость с последующим его цементированием, очистку фильтрата на ионообменных фильтрах и накопление очищенной воды в емкости, контролируют солесодержание жидких отходов на входе обратноосмотических фильтров, солесодержание концентрата и фильтрата на выходах обратноосмотических фильтров и солесодержание фильтрата на выходе ионообменных фильтров и в зависимости от солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров фильтрат направляют: при солесодержании, меньшем допустимого значения (менее 0,2 г/л), - на ионообменные фильтры, а при солесодержании, большем допустимого значения (более 0,2 г/л), - во вторую промежуточную емкость. При достижении солесодержания концентрата ЖРО в первой промежуточной емкости, контролируемого на входе обратноосмотических фильтров, величины 50 г/л концентрат из первой промежуточной емкости и реактора-отстойника направляют на цементирование. Вход обратноосмотических фильтров и выход реактора-отстойника переключают с первой промежуточной емкости на вторую промежуточную емкость для концентрирования фильтратов ЖРО, накопленных во второй промежуточной емкости. При этом выход обратноосмотических фильтров по фильтрату переключают на вход ионообменных фильтров. При достижении солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров допустимого значения (более 0,2 г/л) отключают ионообменные фильтры, а фильтрат направляют в первую промежуточную емкость. Процесс концентрирования ЖРО, накопленных во второй промежуточной емкости, продолжают до величины 50 г/л, после чего концентрат из второй промежуточной емкости и реактора-отстойника направляют на цементирование; далее добавляют исходные ЖРО и весь процесс повторяют. Реактор-отстойник, через который концентрат поступает в промежуточные емкости, служит для удаления солей жесткости концентрируемых ЖРО и обеспечивает большую степень их концентрирования с помощью обратноосмотических фильтров. Для обеспечения контроля солесодержания ЖРО на входе обратноосмотических фильтров с помощью кондуктометров, имеющих верхний предел измерения не более 10 г/л [7], при достижении концентраций ЖРО на входе обратноосмотических фильтров величины 5-10 г/л их разбавляют фильтратом с выхода обратноосмотических фильтров.

Способ осуществляется следующим образом.

Переработку ЖРО производят следующим образом. Сначала производят предочистку ЖРО на механических и ультрафильтрах для удаления взвесей и нефтепродуктов и накопление предварительно очищенных ЖРО в промежуточной емкости. Затем производят очистку и обессоливание предварительно очищенных ЖРО с помощью обратноосмотических фильтров и одновременно концентрирование ЖРО в промежуточной емкости. Это обеспечивают путем разделения потоков на выходах обратноосмотических фильтров на фильтрат и концентрат с направлением фильтрата на доочистку на ионообменных фильтрах и возвратом концентрата через реактор-отстойник в промежуточную емкость. Очищенная вода с выхода ионообменных фильтров накапливается в емкости финишной воды. В первой промежуточной емкости при этом происходит увеличение солесодержания ЖРО. Контроль солесодержания ЖРО на входе обратноосмотических фильтров и фильтратов на выходах обратноосмотических и ионообменных фильтров осуществляется с помощью кондуктометров. При этом в зависимости от солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров его направляют на ионообменные фильтры при солесодержании, меньшем допустимого значения 0,2 г/л, а при солесодержании, большем допустимого значения 0,2 г/л, - во вторую промежуточную емкость. При достижении солесодержания концентрата на выходе обратноосмотических фильтров 50 г/л концентрат из первой промежуточной емкости и реактора-отстойника направляют на цементирование. Вход обратноосмотических фильтров и выход реактора-отстойника переключают с первой промежуточной емкости на вторую промежуточную емкость для концентрирования фильтратов ЖРО, накопленных во второй промежуточной емкости. При этом выход обратноосмотических фильтров по фильтрату переключают на вход ионообменных фильтров. При достижении солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотического фильтра допустимого значения (более 0,2 г/л) отключают ионообменные фильтры, а фильтрат направляют в первую промежуточную емкость. Процесс концентрирования ЖРО, накопленных во второй промежуточной емкости, продолжают до величины 50 г/л, после чего концентрат из второй промежуточной емкости и реактора-отстойника направляют на цементирование. Далее работают с первой промежуточной емкостью, как описано выше, с добавлением исходных ЖРО. Реактор-отстойник, через который концентрат поступает в промежуточные емкости, служит для удаления солей жесткости концентрируемых ЖРО и обеспечивает большую степень их концентрирования с помощью обратноосмотических фильтров. Для обеспечения контроля солесодержания ЖРО на входе обратноосмотических фильтров с помощью кондуктометров, имеющих верхний предел измерения не более 10 г/л, при достижении концентраций ЖРО на входе обратноосмотических фильтров больших величины 5-10 г/л их разбавляют фильтратом с выхода обратноосмотических фильтров, контролируя расходы направляемых на вход кондуктометра фильтрата и концентрата. Контроль солесодержания фильтрата на выходе ионообменных фильтров с одновременным контролем солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров обеспечивает возможность оценки эффективности работы ионообменных фильтров и недопущения загрязнения очищенной воды. Величина допустимого значения солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров, равная 0,2 г/л, определена тем, что при переработке ультрапресных вод с солесодержанием до 0,2 г/л использование ионообменных фильтров обходится даже дешевле, чем их захоронение в глубинные формации земли [6], и поэтому может проводиться без регенерации.

По сравнению с известными мембранно-сорбционными способами переработки ЖРО в предлагаемом способе вне зависимости от исходного солесодержания минерализованных вод обеспечивается концентрирование отходов до солесодержания не менее 50 г/л при исключении регенерации ионообменных фильтров за счет поддержания на них оптимального солевого режима менее 0,2 г/л, что не следует явным образом из уровня техники, т.к. оптимальным для обратного осмоса считается солевой режим 0,5-5 г/л [5], т.е. предлагаемое решение соответствует критерию изобретательского уровня.

Эффективность предлагаемого способа иллюстрируется примером реализации устройства по предлагаемому способу.

Пример 1. В качестве маломинерализованных низкоактивных отходов использовали раствор природных вод солесодержанием 0,5 г/л (200 мг/л гидрокарбонатов, 80 мг/л сульфатов, 60 мг/л хлоридов, 60 мг/л кальция, 10 мг/л магния, 60 мг/л натрия и 30 г/л калия), содержащий 15 мг/л продуктов коррозии, 15 мг/л нефтепродуктов и до 15 мг/л взвесей. Удельная активность по бета-нуклидам составляла 5•10^-6 Кu/л (90% активности стронций-90).

Технологическая схема, представленная на чертеже, содержит емкость с исходными ЖРО 1, насосы 2 и 5, механический фильтр 3, ультрафильтр 4, запорные вентили 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, первая 10 и вторая 12 промежуточные емкости, смеситель 8, кондуктометры 7, 9, 14, обратноосмотический фильтр 6, реактор-отстойник 11, ионообменный фильтр 13 и емкость для накопления очищенной воды 15, расходомеры 20, 29.

Очистку ЖРО производили следующим образом. Исходные ЖРО из емкости 1 насосом 2 направляли на предварительную очистку от взвесей и нефтепродуктов на механический фильтр 3 и ультрафильтр 4 и накапливали в первой промежуточной емкости 10. Концентрат с выхода ультрафильтра при этом возвращали в емкость 1. Предварительно очищенные ЖРО с помощью насоса 5 через вентили 16 и 19 направляли на вход фильтров 6, при этом малую часть этих ЖРО через расходомер 20 и смеситель 8 направляли для контроля на кондуктометр 9, с выхода которого возвращали в емкость 10. Фильтрат с выхода фильтров 6 направляли в зависимости от его солесодержания либо через вентиль 27 (при солесодержании фильтрата до 0,2 г/л) на вход фильтра 13, либо через вентиль 26 в емкость 12 (при солесодержании фильтрата большем 0,2 г/л). Для контроля солесодержания фильтрата малую часть его направляли на кондуктометр 7, с выхода которого в зависимости от солесодержания ЖРО на входе фильтра 6 фильтрат направляли либо через вентиль 22 на выход кондуктометра 9 (при солесодержании ЖРО менее 5 г/л) и далее в емкость 10, либо через вентиль 21 на вход смесителя 8 (при солесодержании ЖРО более 5 г/л) для расширения диапазона контроля солесодержания концентратов ЖРО, накапливаемых в емкости 10, разбавляли концентраты ЖРО, солесодержание которых измеряли кондуктометром 9, фильтратом, солесодержание которого измеряли кондуктометром 7. Расходы концентрата и фильтрата, направляемых на кондуктометры 7 и 9, измеряли расходомерами 20 и 29. Очищенную воду с выхода ионообменного фильтра 13 направляли для контроля солесодержания на кондуктометр 14 и на накопление в емкость 15.

Концентрирование ЖРО в емкости 10 производили следующим образом. Концентрат с выхода фильтра 6 через реактор-отстойник 11, с помощью которого производили удаление солей жесткости, выделяемых на концентрирующей стороне обратноосмотической мембраны, через вентиль 23 направляли в емкость 10 до тех пор, пока солесодержание в емкости 10, контролируемое кондуктометром 9, не достигало величины 50 г/л. После достижения солесодержания в емкости 10 величины 50 г/л концентрирование ЖРО в емкости 10 прекращали. Концентрат, накопленный в емкости 10 и реакторе-отстойнике 11, направляли на цементирование насосом 5 из емкости 10 через вентили 16 и 18, а из реактора-отстойника 11 - через вентили 28 и 18, и начинали с помощью насоса 5 подавать на вход фильтра 6 через вентили 17 и 19 накопленный в емкости 12 фильтрат на повторную очистку и концентрирование в емкости 12.

Повторную очистку фильтрата, накопленного в емкости 12, производили с помощью фильтра 6 и через вентиль 27 с помощью фильтра 13. Накопление очищенной воды производили в емкости 15, контроль солесодержания сред в процессе повторной очистки производили кондуктометрами 7, 9, 14 так же, как и при очистке ЖРО в емкости 10. Концентрирование ЖРО в емкости 12 производили направлением концентрата с выхода фильтра 6 через реактор-отстойник 11 и вентиль 24 в емкость 12. При достижении солесодержания фильтрата на выходе фильтра 6 допустимого значения (более 0,2 г/л) отключают ионообменные фильтры 13, а фильтрат направляют в первую промежуточную емкость 10. Процесс концентрирования ЖРО, накопленных во второй промежуточной емкости 12, продолжают до величины 50 г/л, после чего концентрат из второй промежуточной емкости 12 и реактора-отстойника 11 направляют на цементирование насосом 5 из емкости 12 через вентили 17 и 18, а из реактора-отстойника 11 - через вентили 28 и 18.

Удельная бета-активность очищенной воды при солесодержании менее 5 мг/л составляла не более 1•10^-10 Кu/л, а концентрата при солесодержании 50 г/л - до 5•10^-4 Кu/л. Объем концентрата составил около 1% от объема исходных ЖРО.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что солесодержание исходных среднеминерализованных ЖРО составляло 10 г/л (при том же в процентном отношении солевом составе). В этом случае фильтрат с выхода фильтров 6, солесодержание которого сразу превышало 0,2 г/л, направляли непосредственно через вентиль 26 в емкость 12, а после ее заполнения производили повторную очистку фильтрата с помощью фильтра 6 и через вентиль 27 с помощью фильтра 13.

Удельная бета-активность очищенной воды при солесодержании менее 5 мг/л составляла не более 1•10^-10 Кu/л, а концентрата при солесодержании 50 г/л - до 2,5•10^-5 Кu/л. Объем концентрата составил около 20% от объема исходных ЖРО.

Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что солесодержание исходных ультрапресных ЖРО составляло 0,1 г/л (при том же в процентном отношении солевом составе). В этом случае фильтрат с выхода фильтров 6, солесодержание которого первоначально не превышает 0,005 мг/л, сначала направляли через вентиль 27 прямо на вход фильтра 13. Только при увеличении солесодержания свыше 0,2 г/л фильтрат с выхода фильтров 6 направляли через вентиль 26 в емкость 12.

Удельная бета-активность очищенной воды при солесодержании менее 5 мг/л составляла не более 1•10^-10 Кu/л, а концентрата при солесодержании 50 г/л - до 1•10^-3 Кu/л. Объем концентрата составил около 0,2% от объема исходных ЖРО.

Учитывая, что НРБ-99 [8] допускает содержание в воде до 1,35•10^-9 Кu/л стронция-90, очищенная во всех примерах вода допускается к сбросу. При максимальном солесодержании растворов, подаваемых на ионообменный фильтр 13, до 0,2 г/л один объем ионообменной смолы обеспечивает очистку не менее 300 объемов воды, при среднем же солесодержании около 20 мг/л эта величина составляет более 3•10³ объемов воды. Требования к качеству радиоактивных цементных компаундов РД 95 10497-93 [9] допускают удельную бета-активность цементных блоков до 1•10^-3 Кu/кг, так что концентрат ЖРО, полученный в примере 3, может направляться непосредственно на цементирование, а концентрат примера 2 может быть дополнительно упарен до предела растворимости по солям (при солесодержании 200-400 г/л удельная бета-активность будет составлять до (1-2)•10^-4 Кu/л, а объем концентрата до 2,5-5% от объема исходных ЖРО).

Предлагаемый способ расширяет диапазон солесодержания перерабатываемых ЖРО за 0,5-5 г/л, являющийся оптимальным для обратноосмотических фильтров. При этом с использованием одного и того же обратноосмотического аппарата обеспечивается как концентрирование до солесодержания не менее 50 г/л, приемлемого для цементирования, так и обессоливание до величин не более 0,2 г/л, оптимального для доочистки на ионообменных фильтрах. Исключение регенерации ионообменных смол, даже при высоком, более 5 г/л солесодержании исходных ЖРО предотвращает увеличение количества солей в радиоактивных отходах (количество реагентов в регенератах в несколько раз превышает количество солей, вымываемых ими из ионообменных смол). Кроме того, при данном способе обеспечивается контроль солесодержания растворов до 50 г/л при использовании кондуктометров, рассчитанных на работу в растворах до 5 г/л.

Предлагаемый способ может осуществляться на том же отечественном оборудовании, что и прототип, т.е. промышленно применим. Способ является полностью безреагентным, т.е. его использование не приводит к химическому загрязнению, что является важным экологическим аспектом. При этом для маломинерализованных низкоактивных ЖРО вне зависимости от солесодержания гарантируется очистка от радионуклидов до сбросных норм.

Источники информации 1. Пензин Р. А. и др. Способ переработки жидких радиоактивных отходов. Описание изобретения к патенту RU 2112289, бюл. 15, 27.05.1998.

2. Кузнецов Ю.В. и др. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. - М.: Атомиздат, 1974, с.14-43.

3. Соболев И.А., Хомчик Л.М. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.42, 86-87.

4. Олейник М. С. , Епимахов В.Н. Способ обезвреживания маломинелизированных низкоактивных жидких отходов в полевых условиях. Описание изобретения к патенту RU 2144708, бюл. 2, 20.01.2000.

5. Membrane Separation Process. Ed. P. Meares. - Amsterdam: Elsevier, 1976.

6. Хоникевич А.А. Очистка радиоактивно загрязненных вод. - М.: Атомиздат, 1974, с.284.

7. Приборы химического контроля. Каталог ООО "Техприбор" 2001. Москва e-mail:[e-mail].

8. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). - М.: Минздрав России, 1999.

9. Качество компаундов, образующихся при цементировании жидких радиоактивных отходов. Технические требования, РД 95 10497-93. - М.: Минатом РФ, 1993.

Формула изобретения

1. Способ переработки мало- и среднеминерализованных низкоактивных жидких отходов, включающий очистку на механических и ультрафильтрах, накопление жидких отходов в промежуточной емкости, обработку на обратноосмотических фильтрах с возвратом концентрата через реактор-отстойник солей жесткости в промежуточную емкость с последующим его цементированием, очистку фильтрата на ионообменных фильтрах и накопление в емкости очищенной воды, отличающийся тем, что контролируют солесодержание жидких радиоактивных отходов на входе обратноосмотических фильтров, солесодержание концентрата и фильтрата на выходах обратноосмотических фильтров, а также солесодержание фильтрата на выходе ионообменных фильтров и в зависимости от солесодержания фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров фильтрат направляют: при солесодержании, меньшем допустимого значения, - на ионообменные фильтры, при солесодержании, большем допустимого значения, - во вторую промежуточную емкость, а при достижении в первой промежуточной емкости допустимого значения солесодержания концентрата жидких радиоактивных отходов концентрат направляют на цементирование;вход обратноосмотических фильтров и выход реактора-отстойника переключают с первой промежуточной емкости на вторую промежуточную емкость, а выход по фильтрату переключают на вход ионообменных фильтров; при достижении солесодержанием фильтрата на выходе обратноосмотических фильтров допустимого значения отключают ионообменные фильтры, а фильтрат направляют в первую промежуточную емкость; накопленные во второй промежуточной емкости жидкие радиоактивные отходы концентрируют, после чего концентрат из второй промежуточной емкости и реактора направляют на цементирование; далее добавляют исходные жидкие радиоактивные отходы и весь процесс повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве допустимого значения для фильтрата обратноосмотических фильтров принимают солесодержание не более 0,2 г/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве допустимого значения для концентрата обратноосмотических фильтров принимают солесодержание не менее 50 г/л.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения контроля солесодержания жидких радиоактивных отходов на входе обратноосмотических фильтров с помощью кондуктометров, имеющих верхний предел измерения не более 10 г/л, при достижении концентраций жидких радиоактивных отходов на входе обратноосмотических фильтров величины 5-10 г/л их разбавляют фильтратом с выхода обратноосмотических фильтров.

РИСУНКИ

Рисунок 1