放射性废水衰变池优化设计

冯 晓

(景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333000)

核医学领域中的放射性废液主要是患者和受检者的排泄物与呕吐物、放射性药物与试剂的残留液、放射性器皿及放射性工作人员的洗涤液等。这些废液会随污水排入医院的下水道系统，再排放到院外环境中去。如果产生的大量放射性废水不进行处理或处理不到标就直接排放，就会造成周边地区的辐射污染，危害公众的身体健康。因此，核医学单位的放射性废水管理具有重要意义[1]。

对核医学衰变池的研究比较多，研究的角度也比较广泛。2009年，郭进瑞等[2]从核医学科放射性废水池防护设计进行了研究，其主要是针对放射性浓度进行了简单分析；2013年，李利等[3]从溢流式放射性废水衰变池优化设计进行了研究，以增设折流槽将溢流式衰变池改造为折流式衰变池方面考虑；2014年，李慧等[4]从放射性废物的处理处置情况，分析低放射性废水处理工程的设计的计算方法。这些文章在很大程度上都是计算放射性废水浓度的或通过改变设计来增加衰变时间进行分析研究，而实际上，改变设计来增加衰变时间，在一定程度上会使衰变容器的体积增大，这从环保的角度上，不一定是最优化的措施。

为处理不达标的排放废水，按照国家有关规定，核医学诊疗产生的放射性废液及患者的放射性排泄物应单独收集在放射性衰变池中，直至符合排放要求。同时，为了给医院核医学的发展和排放标准的变化留下一定的安全空间，这就需要考虑其设计带来的相关问题。因此，本文基于放射性核素衰变理论，结合衰变池辐射防护的发展需求、周围环境空间格局、环境现状等特点，对其辐射防护优化设计进行了研究。

1 物理模型

1.1 衰变池设计原理概述

医院放射性废水处理系统即衰变池的设计，是根据放射性物质随时间进行衰减的原理制成的，而放射性核素具有其自身固有的衰变规律，即只能靠其自然衰变来降低或消除。因此，将放射性废水收集并集中储存，储存时间为放射性核素中最长的10个半衰期或理论计算衰变期，即可达到排放标准。而储存的衰变期的时间及其需要的容积和相应的辐射防护措施，正是衰变池需要考虑的问题[5]。

1.2 放射性核素衰变参数

目前，医院常用的放射性药物有18F、99mTc、24Ne、131I、32P、125I等，其半衰期分别为110 min、6.02 h、15 h、8.04 d、14 d、59.5 d。

2 理论计算

2.1 放射性活度计算

衰变池的容积根据具体的排污量设计，衰变池的个数至少设2个，只要在最后一个衰变池注满水前，第1个衰变池储存污水达到排放标准即可[3]。

假定每天排入衰变池的污水中含有活度为N0的放射性核素，经过一定时间t后其放射性活度变为：

Nt=N0e-λt

(1)

式中，N0为每天排入衰变池的核素活度；Nt为N0经过t时间后的活度；t为时间；λ为衰变常数，不同的核素λ值不同。

废水中核素的每一级衰变池出口处的平均活度值的计算公式为：

(2)

2.2 ALImin的确定

根据相关标准，放射性核素j的年摄入量限值的计算表达式[4]：

(3)

式中，DL为相应的有效剂量的年剂量限值；ej为核素j的单位摄入量所致的待积有效剂量的相应值。

根据相关标准中的放射性核素(18F、99mTc、24Ne、131I、32P、125I)吸入或食入的e(g)情况，来确定吸入或食入最大值，其值分别为：5.4×10-11、2.2×10-11、2.2×10-8、2.2×10-8、2.4×10-9、1.5×10-8。

2.3 池体设计

用于储存放射性废水衰变池的大小，应根据废液量进行设计，可以是每个衰变池应容纳1个月的废液量为宜，则每个池子从进水到注满约计1个月的时间(简称月满法)。或者以水力停留的时间值，来设计每个衰变池应容纳的废液量(简称理论值法)。根据医院的实际情况，衰变池的数量至少2个以上，3个较为适宜。

3 方程的初始条件

某医院建有核医学病房(病床为6张)和诊疗室(最大接诊量为10人)。主要核素为18F、99mTc、131I。病房卫生间每天污水排放量为180 L/人，核医学科候诊室污水水排放量为20 L/人。医院核医学科各放射性药物经人体后的排放量分别为：1.11×109、1.85×108、1.95×109。

放射性废水排放量为1 280 L/d。同时，考虑最长半衰期同位素的10个半衰期计算，则最长为131I的衰变时间为81 d，考虑安全系数1.1，则衰变池的有效池容为114 m3。同时，考虑双控指标因素，水力停留时间设计取值为89 d，考虑安全系数1.1，则衰变池的有效池容为126 m3。

4 处理效果验证及计算

4.1 处理效果验证

以每天产生的初始活度值1.95×109Bq为基数，分别以月满法和理论值法计算经过相应的衰变后各自单独的活度值。第1种方式为1级衰变池储存30 d后排入2级衰变池，以此推理，最后存留剩下的天数进行衰变(简称时间串联衰变)；第2种方式为在衰变池分别储存相应的天数，依次将储存了相应天数后的不同活度值的废水的平均活度值作为每天排入下一级衰变池内的入口活度值，最终将第2或3级衰变池出口处的排放活度值作为每天排入环境中的活度值(简称时间并联衰变)。在时间串联衰变中，有2种时间串联方式，如1级衰变池储存30 d后排入2级衰变池储存30 d，最后存留剩下的天数进行衰变，称为月满时间串联衰变；如1级衰变池储存30 d后排入2级衰变池存留剩下的天数进行衰变，称为月余时间串联衰变。这里考虑2种情况下的天数：①理论值法的衰期天数(如89 d)；②最长半衰期的10个半衰期天数(如81 d)。

4.2 计算结果及分析

不同衰变池级次下的衰变后的平均活度如图1所示。不同时间串联衰变级次下的衰变后的平均活度如图2所示。

图1 不同衰变池级次下的衰变后的平均活度

图2 不同时间串联衰变级次下衰变后的平均活度

由图1计算结果可知，经2级或3级不同衰变池级次处理后的出水中每天排放的平均活度值分别已降至(1.43～7.59)×105Bq，若按每天一次排放考虑，则每次排放的平均活度为(1.43～7.59)×105Bq；每月按30 d运行考虑，则每月排放的平均活度为(1.43～7.59)×106Bq。每月排放的活度值的标准是10ALImin，即9.09×106Bq，对每次排放的活度值要求是ALImin即9.09×105Bq。对比计算结果和标准可知，在日常运行过程中，每月和单次排放的放射性活度值均满足相关限值的要求。

由图2计算结果可知，经2级或3级不同时间串联衰变级次下的衰变后的平均活度，在以10个半衰期天数情况下的月余时间串联浓度不符合排放要求；以理论计算计算值的衰期天数情况下，月余时间串联与月满时间串联均符合要求。这说明在时间串联上，应该考虑理论值法的衰期天数和半衰期天数进行比较，以最长衰期天数为基准。

按每天排入的废液容量1 280 L计算，30 d衰变池的废液总量为38.4 m3，废液的放射性浓度为(0.37～1.98)×104 Bq/L，如果按81 d和89 d衰变，其废液的放射性浓度将更小， 符合相关规定的放射性废水排放标准(3.7 ×102 ～3.7 ×105 Bq/L)的要求[6-7]。

5 结论

本文给出了不同联级衰变级次下衰变后的平均浓度，仅考虑特定浓度的情况串并联衰变级次下的平均浓度。结果表明，采用串联衰变级次下排放的平均浓度小于并联衰变级次下排放的平均浓度，同时串联衰变的级次较少，这也为实际应用节省了成本与资源。

在理论计算模型中，对排放的平均浓度只进行了局部范围内的计算比较；同时，在进行理论模型分析时，没有考虑理论与实际测量情况的比对，这将在以后的工作中进行。