“華龍一號”核電機組廢液處理系統針對內陸廠址的設計改進

□楊夢倩 林佳逸

一、“華龍一號”核電機組放射性廢液處理方案

“華龍一號”核電機組廢液處理系統主要用于貯存、監測和處理核電廠運行產生的、需要進行處理的三類放射性廢液。工藝排水是指放射性活度濃度較高且化學物質含量低的放射性廢液；化學排水是指放射性活度濃度和化學物質含量均較高的放射性廢液；地面排水通常是指化學成分不定的低放射性廢液。

目前“華龍一號”核電機組的廢液處理系統處理工藝如圖1所示，該系統采用了離子交換、蒸發和過濾三種處理工藝，分別對上述三類廢水進行處理。離子交換處理單元設有一套絮凝注入處理裝置、一臺活性炭床和三臺離子交換床，對電廠內產生的放射性較高且含鹽量適中的工藝排水進行絮凝注入-離子交換聯用工藝進行處理；蒸發單元設有一套自然循環蒸發裝置，可以采用加熱蒸汽對電廠內放射性較高且含鹽量較高的化學排水進行濃縮蒸發處理；對電廠內放射性較低且雜質含量較高的地面排水則采用過濾工藝進行處理。電廠內衛生出入口和熱洗衣房產生的服務排水通常放射性活度濃度不超過控制值，可以直接進行監測排放。

圖1 “華龍一號”廢液處理系統現有處理工藝技術方案

二、“華龍一號”廢液處理系統方案用于內陸廠址存在的問題

目前沿海核電廠址的逐漸飽和，核電廠建造向內陸發展成為趨勢。由于內陸核電廠的液態流出物是向內陸地表水排放，為了更好地保護環境，相關國家標準對其提出了比濱海核電廠更嚴格的排放濃度要求以及排放控制的設計要求和管理要求。

目前“華龍一號”采用廢液處理工藝成熟性高，可以滿足濱海廠址核電廠的實際運行需求，但存在以下幾個問題。

(一)根據GB6249—2011《核動力廠環境輻射防護規定》的相關要求，濱海廠址的液態流出物除氚和碳14外其他放射性核素濃度不應超過1000Bq/L，對于內陸廠址則不應超過100Bq/L。目前“華龍一號”首堆福清核電廠5、6號機組廢液處理系統處理后得到的液態流出物控制值控制為900Bq/L，這滿足了濱海廠址對液態流出物放射性活度濃度要求，但并不適用于內陸廠址。

(二)目前“華龍一號”為沿海廠址核電廠，對于液態流出物中的硼不進行監測。參考目前核電廠的運行數據，各類廢水中硼濃度在0～2,500ppm之間，平均值在500～1,000ppm之間。內陸廠址循環冷卻水的流量一般是3,600m3/h，若考慮液態流出物的排放流量控制在50m3/h以上，則循環冷卻水對液態流出物的稀釋倍數為72倍。參考遼寧省污水綜合排放標準2ppm的硼濃度要求，則液態流出物中硼的濃度不應超過144ppm，才能與循環冷卻水混排稀釋后滿足排放標準。因此，適用于內陸核電廠的廢液處理系統需要對硼進行處理，使處理后液態流出物中硼的濃度降低至100ppm以下。

(三)服務排水的放射性活度濃度通常較低，含有大量的COD等第二類污染物。目前“華龍一號”的服務排水在過濾和取樣后即進行監測排放。由于是將廢水排入大海，因此對于熱洗衣房廢水的常規指標，如化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、表面活性劑(LAS)、懸浮物(SS)等都沒有進行專門的監測和處理。對于內陸廠址，服務廢水需進行處理，處理后的常規污染物指標應能滿足GB8978—1996《污水綜合排放標準》。

(四)按照目前工藝流程，一旦地面排水和液態流出物的放射性活度濃度超標，廢液需返回前貯槽和蒸發或離子交換處理單元，該過程會影響其他批次的待處理放射性廢液的及時處理，對前貯槽貯存空間產生壓力。在海南昌江核電廠3、4號機組工程等需要與其他項目共用廢液處理設施的情況下，該問題會更加凸顯。

(五)目前的蒸發單元采用外加熱自然循環蒸發器，經旋風分離器和泡罩塔凈化后的高溫蒸汽進入冷凝器后進行冷卻，整個過程產生的大量潛熱沒有得到有效利用。傳統蒸發處理1t低放廢液，需要消耗1.2～1.5t的120℃蒸汽，折合能耗約760kWh/t，同時蒸發產生的二次蒸汽冷凝冷卻需要消耗大量的冷卻水。設施運行所使用的加熱蒸汽和設冷水在制備過程中均需耗能，系統的能耗和運行成本存在優化的空間。

因此，在現有的“華龍一號”廢液處理系統方案上進行技術改進，可以將“華龍一號”核電機組引入到受環境水體條件限制液態流出物排放的內陸核電廠址，提高電廠的能源利用效率，降低運行成本并提升電廠的環境友好性。

三、“華龍一號”廢液處理系統針對內陸廠址的優化方案

針對上述幾個問題，本文從以下幾個方面對“華龍一號”廢液處理系統進行優化設計。

(一)針對目前液態流出物的放射性活度濃度和硼濃度不滿足內陸廠址要求的問題，對經離子交換處理和蒸發單元處理后產生的低放廢液采用連續電除鹽工藝進行凈化并除硼，提高液態流出物水質，提升“華龍一號”在內陸實施的可行性。

(二)針對目前服務廢水的各類有機物濃度不滿足內陸廠址要求的問題，設置高級氧化處理單元，采用高級氧化技術對含有有機物的服務排水進行處理，減輕前貯槽貯存壓力。

(三)在蒸發單元采用熱泵蒸發技術，提高蒸發單元的熱效率，降低運行成本。

(四)將地面排水經紫外光或臭氧處理后進行過濾處理，進一步提高地面排水處理后的水質。

本優化方案所采用的處理工藝如圖2所示，與原有方案不同處采用虛線框進行標識，現對本方案新增工藝的原理及其效果進行分析。

圖2 “華龍一號”廢液處理系統針對內陸廠址的改進方案

(一)膜堆精處理單元處理含硼低放廢水技術方案。為了推進“華龍一號”在內陸核電廠址的推廣和落實，需要進一步提高液態流出物中的放射性活度濃度和硼濃度以達到相關的環境排放要求，這就需要對現有的處理工藝進行優化。

蒸發法對非揮發性放射性核素的去除效率很高，在壓水堆核電廠中，也被用于硼回收系統利用硼，有成熟的工程應用實踐。但其蒸發的設備費、運行費成本高，同時要消耗大量的蒸發熱能。從經濟適用性的角度出發，在核電廠除硼應用上受到限制。而化學沉淀法和吸附法需增加大量的沉淀劑和吸附劑，產生大量二次廢物，同時，化學沉淀法需高pH值環境；吸附法對pH值要求較高，因此兩種方法也不適于工程化應用。

離子交換樹脂法可在相對較小的能量消耗下獲得很低的產水硼濃度，在產水階段回收率可達到100%；但其缺點是樹脂特有的再生操作會耗費大量的化學藥劑和產生二次污染廢液，以及產生大量的廢樹脂，增加了固體廢物處理系統的負擔。

反滲透膜雖然可以高效除硼，但除硼效果受pH值影響顯著，除硼必須在強堿條件下進行，這就需投加大量的NaOH以提高反滲透對硼的去除能力，這不僅大大增加了除硼的成本，也會增加二次廢物產生量。

電除鹽(Continuous Electro Deionization)是電滲析與離子交換樹脂除鹽有機結合形成的新型膜分離技術，是近20年來開發的最先進高純水生產技術。連續電除鹽裝置可以有選擇性地分離硼和放射性核素，同時更加高效地除硼。

連續電除鹽工藝流程原理簡圖如圖3所示，在裝置運行時，待處理的廢液(硼濃度500ppm)通過泵分別從陰室側和陽室側逆向送入膜堆中，其中大部分進入陰室側進行除鹽，小部分進入陽室側作為濃水循環回路的補充水。陰室和陽室之間用陰離子交換膜隔開，兩個膜室內按一定比例裝填有混床樹脂和惰性樹脂。陰室側出水作為產水排入產水槽中；陽室側出水作為濃水部分作為循環水循環，部分排入濃水槽中。每級膜堆之間設置有加壓泵，用于輸送淡水和濃水。

圖3 連續電除鹽工藝流程原理簡圖

經連續電除鹽單元處理后的產水可達到內陸排放標準，并且其水質較“華龍一號”目前的液態流出物水質有較大提升，可實現在內陸廠址的排放，同時可以通過該技術實現對廢液中硼的去除。

(二)高級氧化工藝處理服務排水技術方案。為了使“華龍一號”的服務排水在內陸核電廠址達到排放要求，需將服務排水進行處理。內陸核電廠由于液態流出物受納水體的水容量較小，稀釋、彌散條件較差，因此國家標準對于內陸廠址的液態流出物的排放要求比沿海廠址高。核電廠洗滌廢水具有較低的放射性水平，但有可能超過內陸核電廠的排放限值，須通過離子交換降低放射性水平，因此要對洗滌廢水進行預處理，使其中的化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、表面活性劑(LAS)、懸浮物(SS)等常規污染物指標滿足離子交換床進水水質要求。

高級氧化技術是指利用氧化產生的羥基自由基氧化污染物，高級氧化是最終去除廢水污染物的有效方法之一。通過高級氧化，可以使廢水中的有機物和無機物氧化分解，從而降低廢水的BOD和COD值。

(三)熱泵蒸發工藝處理化學排水技術方案。目前廢液處理系統針對含鹽量和放射性活度濃度較高的化學廢液采用蒸發方法進行處理。蒸發是放射性廢液處理常用的工藝之一，用于處理含有難揮發性放射性核素的廢液，具有成熟可靠、處理能力大、去污因子高(一般為103～106)和減容因子較大(約幾十至幾百倍)等優點。但是傳統的自然循環蒸發也存在一些缺點，如能耗大、操作復雜、運行成本較高等。

蒸發處理是借助于外加的熱量把廢水中的絕大部分水分轉化為二次蒸汽，二次蒸汽經冷凝冷卻后監測排放。在蒸發過程中絕大多數放射性核素保留在蒸殘液，很少量的核素由于霧沫夾帶進入二次蒸汽冷凝液中。

熱泵蒸發(即機械蒸汽再壓縮蒸發)技術將低品質的二次蒸汽轉化為高品質的二次蒸汽，從而作為蒸發的加熱熱源。熱泵屬于逆向卡諾循環，消耗電能做機械功將低溫熱源轉化為高溫熱源，其原理圖如圖4所示。

圖4 熱泵蒸發處理工藝流程圖

正常運行時，由進料泵送入蒸發單元的廢液經一級預熱器和凝氣冷卻器預熱，然后進入再沸器的管側加熱，形成汽含率約為1.5%的汽液混合物進入蒸發塔內沸騰蒸發。蒸發塔內產生的二次蒸汽攜帶霧滴，經過折流板除沫器后進入多層塔板逐漸凈化，再經過一級高效絲網除沫器進一步除霧，然后進入蒸汽壓縮機進行壓縮。

二次蒸汽經壓縮后升溫升壓，再作為蒸發塔的加熱蒸汽送到再沸器的殼程里，去加熱管程里的料液使之繼續沸騰蒸發，而其本身部分釋放汽化潛熱后凝結為冷凝水(蒸餾液)。部分未凝結的蒸汽夾帶不凝氣通入凝氣冷卻器。在凝氣冷卻器里，蒸汽冷凝成水送往蒸餾液接收罐，不凝氣自然冷卻或者充氮冷卻后則被抽出界區。凝氣冷卻器的設置主要作用就是為了冷卻不凝氣的。

蒸發塔再沸器和凝氣冷卻器的二次蒸汽凝結水(蒸餾液)重力自流入蒸餾液接收罐。蒸餾液接收罐的蒸餾液用蒸餾液泵將其大部分都送往了一級預熱器預熱料液，其本身則被冷卻為50℃后的蒸餾液連續排放；另一小部分水送往壓縮機消除壓縮蒸汽的過熱，還有小部分送往蒸發塔頂部作為凈化二次蒸汽的噴淋水用。在蒸發塔內，當料液被濃縮至硼濃度達到出料濃度時，通過濃縮液泵將濃縮液從蒸發塔的加熱室底部定時排出界區。熱泵蒸發單元的去污因子約為104，節能效果達到87%～90%。

蒸發是廢液處理技術的重要工藝，采用熱泵蒸發技術可以提高蒸發單元的運行效率，提升該單元運行的經濟性，提高整個廢液處理系統的處理效率。

(四)臭氧預處理工藝處理地面排水技術方案。臭氧是三個氧原子的分子(O3)，臭氧不穩定反應性很強。臭氧快速反應并產生少量不希望的副產品。臭氧一般與其它的物理、化學或生物處理方法聯合使用。由于臭氧具有很強的氧化性，因此采用注入臭氧的方法能夠處理復雜的廢水。臭氧可以氧化鐵和錳，增大懸浮粒子的尺寸，有助于提高過濾效率。因此，注入臭氧可以作為廢水過濾處理的預處理。

臭氧系統主要部件包括臭氧發生器、供氣準備、臭氧接觸和臭氧排氣破壞等。如果在小流量和流速下與廢液處理系統聯合使用，這些部件可以合并安裝成一個裝置。若地面排水中含有微量的油脂或其它有機成分，臭氧預處理技術能對其進行有效處理。

四、優化方案經濟性提升分析

采用本方案所述的廢液處理方案，在經濟性提升方面有以下優勢。

(一)推動“華龍一號”在內陸廠址的實施。采用本方案的處理工藝和復用方案可以使“華龍一號”適用于內陸廠址，大大提升了電廠的環境友好性和選址可行性，為“華龍一號”在受環境水體條件限制的內陸核電廠址的推廣和落實提供基礎?！叭A龍一號”廠址適用范圍的擴大，可以大大提高其在市場上的競爭力，對于拓展國內和國際核電市場具有積極意義。

(二)提高廢液處理效率和設備利用率。目前廢液處理系統為兩機組共用，存在一定的處理能力裕量。采用連續電除鹽精處理單元和高級氧化單元對放射性活度濃度較低的廢液進行更有針對性的處理，縮短廢液在系統內處理所需的時間，降低系統運行所需的人工時；進一步提高整個系統的廢液處理效率，可以為后續同廠址更多機組共用廢液處理系統提供條件。

(三)系統運行能耗降低。采用熱泵蒸發技術可以大大降低飽和蒸汽使用量和設備冷卻水消耗量，從而減少了運行成本，大大降低了整個廢液處理系統的能耗水平。傳統蒸發處理1t低放廢液，需要消耗1.2～1.5t的120℃蒸汽，折合能耗約760kWh/t，供熱的成本按20元/GJ考慮，而通過采用熱泵蒸發技術，從能耗角度來看，每年可節約上萬元運行成本。

(四)減少離子交換樹脂使用量和廢樹脂的產生量。目前一立方的放射性廢物處理的成本在10萬～20萬。放射性固體廢物的處理和最終廢物包的最小化一直是放射性廢物管理的重點，放射性廢物的貯存和處置會對環境產生壓力。目前一床離子交換樹脂的經濟成本約為100萬元，采用連續電除鹽精處理工藝可以高效地對放射性活度濃度略微超標的廢液進行有針對性的處理，減少了樹脂的使用量，大大降低了電廠運行的成本。

五、優化方案的安全性、創新性提升效果

本方案闡述的各技術均具有較高的安全性：連續電除鹽精處理技術、高級氧化處理技術無高溫、高壓等運行條件，運行安全系數高；熱泵蒸發技術的安全性與原有的自然循環蒸發單元的安全性相當，具備安全運行的條件；臭氧預處理技術應用實踐經驗較多，具備實施的可行性。

連續電除鹽技術自動化程度高，且不需要酸堿再生，二次廢物產生量少，因此近些年得到快速發展。熱泵蒸發技術在國內臺山核電站1、2號機組、三門核電站廠址廢物處理設施(SRTF)處理低放廢液已有應用。地面排水的臭氧、過濾處理工藝已經在國內外的核電廠實現了工程化應用，可作為地面排水處理工藝的選擇，美國Palo Verde核電廠已經實現了在乏燃料水池補水上的復用。以上技術在水處理領域或其它堆型上已有相關應用，在“華龍一號”廢液處理系統的設計中尚未得到應用。

六、結語

綜上，本文提出的采用連續電除鹽處理工藝、高級氧化工藝、熱泵蒸發工藝和臭氧預處理工藝的改進方案可以對電廠內產生的各類放射性廢液進行更有針對性的處理。

上述廢液處理改進技術在“華龍一號”上的應用具備可實施性，可提高“華龍一號”放射性廢液的處理效率和熱利用率，降低放射性廢物產生量，在保護環境的同時為受環境水體條件限制的內陸核電廠址的推廣和落實提供基礎，可以作為后續在“華龍一號”工程上改進廢液處理系統的技術手段。同時，本方案將“華龍一號”的廠址由目前的濱海廠址擴大到內陸廠址，大大拓展了“華龍一號”的適用范圍，提高了市場的競爭力和潛在經濟效益。