“华龙一号”核电机组废液处理系统针对内陆厂址的设计改进

□杨梦倩 林佳逸

一、“华龙一号”核电机组放射性废液处理方案

“华龙一号”核电机组废液处理系统主要用于贮存、监测和处理核电厂运行产生的、需要进行处理的三类放射性废液。工艺排水是指放射性活度浓度较高且化学物质含量低的放射性废液；化学排水是指放射性活度浓度和化学物质含量均较高的放射性废液；地面排水通常是指化学成分不定的低放射性废液。

目前“华龙一号”核电机组的废液处理系统处理工艺如图1所示，该系统采用了离子交换、蒸发和过滤三种处理工艺，分别对上述三类废水进行处理。离子交换处理单元设有一套絮凝注入处理装置、一台活性炭床和三台离子交换床，对电厂内产生的放射性较高且含盐量适中的工艺排水进行絮凝注入-离子交换联用工艺进行处理；蒸发单元设有一套自然循环蒸发装置，可以采用加热蒸汽对电厂内放射性较高且含盐量较高的化学排水进行浓缩蒸发处理；对电厂内放射性较低且杂质含量较高的地面排水则采用过滤工艺进行处理。电厂内卫生出入口和热洗衣房产生的服务排水通常放射性活度浓度不超过控制值，可以直接进行监测排放。

图1 “华龙一号”废液处理系统现有处理工艺技术方案

二、“华龙一号”废液处理系统方案用于内陆厂址存在的问题

目前沿海核电厂址的逐渐饱和，核电厂建造向内陆发展成为趋势。由于内陆核电厂的液态流出物是向内陆地表水排放，为了更好地保护环境，相关国家标准对其提出了比滨海核电厂更严格的排放浓度要求以及排放控制的设计要求和管理要求。

目前“华龙一号”采用废液处理工艺成熟性高，可以满足滨海厂址核电厂的实际运行需求，但存在以下几个问题。

(一)根据GB6249—2011《核动力厂环境辐射防护规定》的相关要求，滨海厂址的液态流出物除氚和碳14外其他放射性核素浓度不应超过1000Bq/L，对于内陆厂址则不应超过100Bq/L。目前“华龙一号”首堆福清核电厂5、6号机组废液处理系统处理后得到的液态流出物控制值控制为900Bq/L，这满足了滨海厂址对液态流出物放射性活度浓度要求，但并不适用于内陆厂址。

(二)目前“华龙一号”为沿海厂址核电厂，对于液态流出物中的硼不进行监测。参考目前核电厂的运行数据，各类废水中硼浓度在0～2,500ppm之间，平均值在500～1,000ppm之间。内陆厂址循环冷却水的流量一般是3,600m3/h，若考虑液态流出物的排放流量控制在50m3/h以上，则循环冷却水对液态流出物的稀释倍数为72倍。参考辽宁省污水综合排放标准2ppm的硼浓度要求，则液态流出物中硼的浓度不应超过144ppm，才能与循环冷却水混排稀释后满足排放标准。因此，适用于内陆核电厂的废液处理系统需要对硼进行处理，使处理后液态流出物中硼的浓度降低至100ppm以下。

(三)服务排水的放射性活度浓度通常较低，含有大量的COD等第二类污染物。目前“华龙一号”的服务排水在过滤和取样后即进行监测排放。由于是将废水排入大海，因此对于热洗衣房废水的常规指标，如化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、表面活性剂(LAS)、悬浮物(SS)等都没有进行专门的监测和处理。对于内陆厂址，服务废水需进行处理，处理后的常规污染物指标应能满足GB8978—1996《污水综合排放标准》。

(四)按照目前工艺流程，一旦地面排水和液态流出物的放射性活度浓度超标，废液需返回前贮槽和蒸发或离子交换处理单元，该过程会影响其他批次的待处理放射性废液的及时处理，对前贮槽贮存空间产生压力。在海南昌江核电厂3、4号机组工程等需要与其他项目共用废液处理设施的情况下，该问题会更加凸显。

(五)目前的蒸发单元采用外加热自然循环蒸发器，经旋风分离器和泡罩塔净化后的高温蒸汽进入冷凝器后进行冷却，整个过程产生的大量潜热没有得到有效利用。传统蒸发处理1t低放废液，需要消耗1.2～1.5t的120℃蒸汽，折合能耗约760kWh/t，同时蒸发产生的二次蒸汽冷凝冷却需要消耗大量的冷却水。设施运行所使用的加热蒸汽和设冷水在制备过程中均需耗能，系统的能耗和运行成本存在优化的空间。

因此，在现有的“华龙一号”废液处理系统方案上进行技术改进，可以将“华龙一号”核电机组引入到受环境水体条件限制液态流出物排放的内陆核电厂址，提高电厂的能源利用效率，降低运行成本并提升电厂的环境友好性。

三、“华龙一号”废液处理系统针对内陆厂址的优化方案

针对上述几个问题，本文从以下几个方面对“华龙一号”废液处理系统进行优化设计。

(一)针对目前液态流出物的放射性活度浓度和硼浓度不满足内陆厂址要求的问题，对经离子交换处理和蒸发单元处理后产生的低放废液采用连续电除盐工艺进行净化并除硼，提高液态流出物水质，提升“华龙一号”在内陆实施的可行性。

(二)针对目前服务废水的各类有机物浓度不满足内陆厂址要求的问题，设置高级氧化处理单元，采用高级氧化技术对含有有机物的服务排水进行处理，减轻前贮槽贮存压力。

(三)在蒸发单元采用热泵蒸发技术，提高蒸发单元的热效率，降低运行成本。

(四)将地面排水经紫外光或臭氧处理后进行过滤处理，进一步提高地面排水处理后的水质。

本优化方案所采用的处理工艺如图2所示，与原有方案不同处采用虚线框进行标识，现对本方案新增工艺的原理及其效果进行分析。

图2 “华龙一号”废液处理系统针对内陆厂址的改进方案

(一)膜堆精处理单元处理含硼低放废水技术方案。为了推进“华龙一号”在内陆核电厂址的推广和落实，需要进一步提高液态流出物中的放射性活度浓度和硼浓度以达到相关的环境排放要求，这就需要对现有的处理工艺进行优化。

蒸发法对非挥发性放射性核素的去除效率很高，在压水堆核电厂中，也被用于硼回收系统利用硼，有成熟的工程应用实践。但其蒸发的设备费、运行费成本高，同时要消耗大量的蒸发热能。从经济适用性的角度出发，在核电厂除硼应用上受到限制。而化学沉淀法和吸附法需增加大量的沉淀剂和吸附剂，产生大量二次废物，同时，化学沉淀法需高pH值环境；吸附法对pH值要求较高，因此两种方法也不适于工程化应用。

离子交换树脂法可在相对较小的能量消耗下获得很低的产水硼浓度，在产水阶段回收率可达到100%；但其缺点是树脂特有的再生操作会耗费大量的化学药剂和产生二次污染废液，以及产生大量的废树脂，增加了固体废物处理系统的负担。

反渗透膜虽然可以高效除硼，但除硼效果受pH值影响显著，除硼必须在强碱条件下进行，这就需投加大量的NaOH以提高反渗透对硼的去除能力，这不仅大大增加了除硼的成本，也会增加二次废物产生量。

电除盐(Continuous Electro Deionization)是电渗析与离子交换树脂除盐有机结合形成的新型膜分离技术，是近20年来开发的最先进高纯水生产技术。连续电除盐装置可以有选择性地分离硼和放射性核素，同时更加高效地除硼。

连续电除盐工艺流程原理简图如图3所示，在装置运行时，待处理的废液(硼浓度500ppm)通过泵分别从阴室侧和阳室侧逆向送入膜堆中，其中大部分进入阴室侧进行除盐，小部分进入阳室侧作为浓水循环回路的补充水。阴室和阳室之间用阴离子交换膜隔开，两个膜室内按一定比例装填有混床树脂和惰性树脂。阴室侧出水作为产水排入产水槽中；阳室侧出水作为浓水部分作为循环水循环，部分排入浓水槽中。每级膜堆之间设置有加压泵，用于输送淡水和浓水。

图3 连续电除盐工艺流程原理简图

经连续电除盐单元处理后的产水可达到内陆排放标准，并且其水质较“华龙一号”目前的液态流出物水质有较大提升，可实现在内陆厂址的排放，同时可以通过该技术实现对废液中硼的去除。

(二)高级氧化工艺处理服务排水技术方案。为了使“华龙一号”的服务排水在内陆核电厂址达到排放要求，需将服务排水进行处理。内陆核电厂由于液态流出物受纳水体的水容量较小，稀释、弥散条件较差，因此国家标准对于内陆厂址的液态流出物的排放要求比沿海厂址高。核电厂洗涤废水具有较低的放射性水平，但有可能超过内陆核电厂的排放限值，须通过离子交换降低放射性水平，因此要对洗涤废水进行预处理，使其中的化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、表面活性剂(LAS)、悬浮物(SS)等常规污染物指标满足离子交换床进水水质要求。

高级氧化技术是指利用氧化产生的羟基自由基氧化污染物，高级氧化是最终去除废水污染物的有效方法之一。通过高级氧化，可以使废水中的有机物和无机物氧化分解，从而降低废水的BOD和COD值。

(三)热泵蒸发工艺处理化学排水技术方案。目前废液处理系统针对含盐量和放射性活度浓度较高的化学废液采用蒸发方法进行处理。蒸发是放射性废液处理常用的工艺之一，用于处理含有难挥发性放射性核素的废液，具有成熟可靠、处理能力大、去污因子高(一般为103～106)和减容因子较大(约几十至几百倍)等优点。但是传统的自然循环蒸发也存在一些缺点，如能耗大、操作复杂、运行成本较高等。

蒸发处理是借助于外加的热量把废水中的绝大部分水分转化为二次蒸汽，二次蒸汽经冷凝冷却后监测排放。在蒸发过程中绝大多数放射性核素保留在蒸残液，很少量的核素由于雾沫夹带进入二次蒸汽冷凝液中。

热泵蒸发(即机械蒸汽再压缩蒸发)技术将低品质的二次蒸汽转化为高品质的二次蒸汽，从而作为蒸发的加热热源。热泵属于逆向卡诺循环，消耗电能做机械功将低温热源转化为高温热源，其原理图如图4所示。

图4 热泵蒸发处理工艺流程图

正常运行时，由进料泵送入蒸发单元的废液经一级预热器和凝气冷却器预热，然后进入再沸器的管侧加热，形成汽含率约为1.5%的汽液混合物进入蒸发塔内沸腾蒸发。蒸发塔内产生的二次蒸汽携带雾滴，经过折流板除沫器后进入多层塔板逐渐净化，再经过一级高效丝网除沫器进一步除雾，然后进入蒸汽压缩机进行压缩。

二次蒸汽经压缩后升温升压，再作为蒸发塔的加热蒸汽送到再沸器的壳程里，去加热管程里的料液使之继续沸腾蒸发，而其本身部分释放汽化潜热后凝结为冷凝水(蒸馏液)。部分未凝结的蒸汽夹带不凝气通入凝气冷却器。在凝气冷却器里，蒸汽冷凝成水送往蒸馏液接收罐，不凝气自然冷却或者充氮冷却后则被抽出界区。凝气冷却器的设置主要作用就是为了冷却不凝气的。

蒸发塔再沸器和凝气冷却器的二次蒸汽凝结水(蒸馏液)重力自流入蒸馏液接收罐。蒸馏液接收罐的蒸馏液用蒸馏液泵将其大部分都送往了一级预热器预热料液，其本身则被冷却为50℃后的蒸馏液连续排放；另一小部分水送往压缩机消除压缩蒸汽的过热，还有小部分送往蒸发塔顶部作为净化二次蒸汽的喷淋水用。在蒸发塔内，当料液被浓缩至硼浓度达到出料浓度时，通过浓缩液泵将浓缩液从蒸发塔的加热室底部定时排出界区。热泵蒸发单元的去污因子约为104，节能效果达到87%～90%。

蒸发是废液处理技术的重要工艺，采用热泵蒸发技术可以提高蒸发单元的运行效率，提升该单元运行的经济性，提高整个废液处理系统的处理效率。

(四)臭氧预处理工艺处理地面排水技术方案。臭氧是三个氧原子的分子(O3)，臭氧不稳定反应性很强。臭氧快速反应并产生少量不希望的副产品。臭氧一般与其它的物理、化学或生物处理方法联合使用。由于臭氧具有很强的氧化性，因此采用注入臭氧的方法能够处理复杂的废水。臭氧可以氧化铁和锰，增大悬浮粒子的尺寸，有助于提高过滤效率。因此，注入臭氧可以作为废水过滤处理的预处理。

臭氧系统主要部件包括臭氧发生器、供气准备、臭氧接触和臭氧排气破坏等。如果在小流量和流速下与废液处理系统联合使用，这些部件可以合并安装成一个装置。若地面排水中含有微量的油脂或其它有机成分，臭氧预处理技术能对其进行有效处理。

四、优化方案经济性提升分析

采用本方案所述的废液处理方案，在经济性提升方面有以下优势。

(一)推动“华龙一号”在内陆厂址的实施。采用本方案的处理工艺和复用方案可以使“华龙一号”适用于内陆厂址，大大提升了电厂的环境友好性和选址可行性，为“华龙一号”在受环境水体条件限制的内陆核电厂址的推广和落实提供基础。“华龙一号”厂址适用范围的扩大，可以大大提高其在市场上的竞争力，对于拓展国内和国际核电市场具有积极意义。

(二)提高废液处理效率和设备利用率。目前废液处理系统为两机组共用，存在一定的处理能力裕量。采用连续电除盐精处理单元和高级氧化单元对放射性活度浓度较低的废液进行更有针对性的处理，缩短废液在系统内处理所需的时间，降低系统运行所需的人工时；进一步提高整个系统的废液处理效率，可以为后续同厂址更多机组共用废液处理系统提供条件。

(三)系统运行能耗降低。采用热泵蒸发技术可以大大降低饱和蒸汽使用量和设备冷却水消耗量，从而减少了运行成本，大大降低了整个废液处理系统的能耗水平。传统蒸发处理1t低放废液，需要消耗1.2～1.5t的120℃蒸汽，折合能耗约760kWh/t，供热的成本按20元/GJ考虑，而通过采用热泵蒸发技术，从能耗角度来看，每年可节约上万元运行成本。

(四)减少离子交换树脂使用量和废树脂的产生量。目前一立方的放射性废物处理的成本在10万～20万。放射性固体废物的处理和最终废物包的最小化一直是放射性废物管理的重点，放射性废物的贮存和处置会对环境产生压力。目前一床离子交换树脂的经济成本约为100万元，采用连续电除盐精处理工艺可以高效地对放射性活度浓度略微超标的废液进行有针对性的处理，减少了树脂的使用量，大大降低了电厂运行的成本。

五、优化方案的安全性、创新性提升效果

本方案阐述的各技术均具有较高的安全性：连续电除盐精处理技术、高级氧化处理技术无高温、高压等运行条件，运行安全系数高；热泵蒸发技术的安全性与原有的自然循环蒸发单元的安全性相当，具备安全运行的条件；臭氧预处理技术应用实践经验较多，具备实施的可行性。

连续电除盐技术自动化程度高，且不需要酸碱再生，二次废物产生量少，因此近些年得到快速发展。热泵蒸发技术在国内台山核电站1、2号机组、三门核电站厂址废物处理设施(SRTF)处理低放废液已有应用。地面排水的臭氧、过滤处理工艺已经在国内外的核电厂实现了工程化应用，可作为地面排水处理工艺的选择，美国Palo Verde核电厂已经实现了在乏燃料水池补水上的复用。以上技术在水处理领域或其它堆型上已有相关应用，在“华龙一号”废液处理系统的设计中尚未得到应用。

六、结语

综上，本文提出的采用连续电除盐处理工艺、高级氧化工艺、热泵蒸发工艺和臭氧预处理工艺的改进方案可以对电厂内产生的各类放射性废液进行更有针对性的处理。

上述废液处理改进技术在“华龙一号”上的应用具备可实施性，可提高“华龙一号”放射性废液的处理效率和热利用率，降低放射性废物产生量，在保护环境的同时为受环境水体条件限制的内陆核电厂址的推广和落实提供基础，可以作为后续在“华龙一号”工程上改进废液处理系统的技术手段。同时，本方案将“华龙一号”的厂址由目前的滨海厂址扩大到内陆厂址，大大拓展了“华龙一号”的适用范围，提高了市场的竞争力和潜在经济效益。