Глава 9 Очистка сточных вод от радиоактивных загрязнений
Радиоактивные примеси, попадающие в гидросферу складывают из двух частей: естественного природного происхождения и искусственные радиоактивные изотопы.
Радиоактивные протоны, образующие естественный фон гидросферы, попадают в воду в результате активного взаимодействия вод с горными породами , почвами, атмосферой. Вследствие процессов выщелачивания и растворения радиоактивных минералов и пород поверхностные воды обогащаются U - 238, Ra - 226, Rn - 220, K - 40 и другими изотопами. Взаимодействие природных вод с атмосферой приводит к попаданию в них продуктов «космического спектра» элементов (С - 14, Ве - 10, Н - 3).
Основные источники искусственных радиоактивных изотопов в поверхностных и грунтовых водах следующие:
1) Радиоактивные выпадения после испытаний ядерного оружия;
2) Радиоактивные отходы ядерного топливного цикла (ЯТЦ);
3) Радиоактивные сточные воды научно- исследовательских лабораторий;
4) Радиоактивные отходы, возникающие при применении изотопов в технике и медицине;
5) Выбросы радиоактивных веществ при авариях на ядерных установках.
Из радиоактивных отходов, образующихся при мирном использовании атомной энергии, наибольшее значение имеют отходы ЯТЦ. Встречающиеся в природе радиоактивные изотопы присутствуют уже на ранней стадии цикла, который включает в себя ряд операций (добычу, переработку урановых руд, подготовку ядерного топлива и разделения изотопов различными методами, изготовление топливных элементов, работу реактора). В процессе добычи урана и тория образуется пыль, растворимые соединения и газы. Радиоактивными изотопами, сопровождающими эту операцию, являются продукты распада урана и тория.
Переработка урановых руд включает в себя дробление и обогащение исходной руды, химическую обработку руды, избирательное извлечение урана из растворов методами осаждения, ионного обмена и экстракции. В основном радиоактивные дочерние продукты распада урана уносятся в потоке жидких отходов после химической обработки руд и снова попадают в природную среду.
При разделении изотопов газодиффузионным методом отходами являются главным образом растворы образующиеся при дезактивации оборудования. Основные радиоактивные примеси - изотопы урана, (но если обрабатывается регенерированное растворенное топливо, то в отходах встречаются плутоний и продукты деления).
Отходы производства тепловыделяющих элементов из естественного урана по характеру можно подразделить на три типа: жидкие, горючие твердые и негорючие твердые. К жидким относятся разбавленные растворы кислот, используемых для очистки металла и травления. Удельная активность жидких и твердых отходов обычно не велика и в некоторых странах их сбрасывают в реки и почвы без предварительной обработки.
Во время работы реактора, если оболочки тепловыделяющих элементов не повреждены, основными отходами являются использованные теплоносители (вода, воздух). Радиоактивные изотопы в теплоносителях образуются при облучении нейтронами материала теплоносителя, примесей, продуктов коррозии и конструкционных материалов реактора. Спектр возникающих при этом радиоактивных изотопов чрезвычайно широк.
Наиболее высокоактивные отходы образуются при обработке облученного топлива.
Отходы научно- исследовательских лабораторий весьма разнообразны по своему химическому составу к спектру применяемых изотопов. Они включают самые разнообразные формы изотопов, в том числе такие долго живущие изотопы, как стронций - 90 и цезий - 137. Уровень активности отходов обычно составляет менее 1 Кюри/м3.
В медицине применяются следующие изотопы 131I, 32Р, 98An, 45Са, 35S и другие, активностью от одного до нескольких мкюри.
В технике радиоактивные изотопы используют главным образом в виде герметизированных источников излучения, например гамма - дефектоскопия, а также при использовании метода меченых атомов. Отходы могут иметь активность примерно 1мкюри.
Источники радиоактивных сточных вод. Источниками радиоактивных сточных вод являются технологические процессы ядерного топливного цикла, научно- исследовательские институты и организации, использующие радиоактивные вещества, медицинские учреждения, специальные прачечные, осуществляющие обработку спецодежды работающих с радиоактивными отходами.
Ядерный топливный цикл представляет собой комплекс технологических процессов, который начинается с технологии добычи урановой руды, затем руда проходит стадию ее отделения от пустой породы, в дальнейшем получают урановый концентрат, который после обогащения, конверсии и очистки, поступает на изготовление топливных элементов для атомных электростанций (АЭС), обработанное на АЭС топливо поступает на хранение сроком до 10 лет, затем это топливо перерабатывается и вновь поступает в технологию ЯТЦ, на предприятия обогащения конверсии, очистки или изготовления топливных элементов, а негодное для этого часть топлива в концентрированном виде, поступает на захоронение, которое осуществляется в приповерхностных хранилищах, пустотах пород или в глубоких геологических хранилищах. В технологических процессах ЯТЦ образуются радиоактивные отходы в газообразном, жидком и твердом видах. На рис 9.1. представлен весь объем радиоактивных отходов, образуемых при производстве 1ГВт*год электроэнергии на реакторах, где в качестве охлаждающей жидкости используется вода.
Рис. 9.80. Схема образования радиоактивных от отходов
Технология очистки жидких отходов на стадии добычи урановой руды и ее обогащения. Отходы урановой промышленности (начальной стадии ЯТЦ) представляют собой продукты, которые не могут быть в дальнейшем полезно использованы и требуют удаления из производства. Отходы, получаемые при добыче и переработке урановых руд подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Состав отходов и их количество зависят от характера производства и техногенного совершенства применяемых технологических процессов. По классификации отходы урановых заводов ничем не отличаются от отходов предприятий цветной металлургии, но содержание в них радиоактивных веществ делает эти отходы специфическими.
Извлечение урана из руд по современным технологиям редко превышает 90%. Поэтому часть попадает в отвал с твердыми отходами, а часть растворенного урана уходит с жидкими отходами производства. Эти потери оцениваются для отдельных предприятий в среднем в десятки тонн урана в год. Значительная часть уходит с газовыми выбросами в виде пылей и аэрозолей.
Заводы перерабатывающие урановые руды, применяют гидрометаллургические процессы и поэтому потребляют большое количество воды. Используемую воду полностью или частично сбрасывают во внешнюю среду и довольно часто в тот водоем, из которого ее берут. Необходимость в таком сбросе возникает в результате загрязнения воды в процессе производства, когда она становится непригодной для дальнейшего употребления. В воде появляются вредные и токсичные примеси, твердые взвеси и радиоактивные элементы.
Урановые гидрометаллургические предприятия относятся к многотоннажным производствам, так как они перерабатывают большое количество руды (500 тонн и более в сутки). В отходах этих производств помимо недоизвлеченного урана находится почти весь радий, полоний и другие естественные радиоактивные элементы, содержащиеся в исходных рудах. Эти отходы хранятся в специальных хвостохранилищях.
Принимая во внимание значительную экологическую нагрузку, которую могут создавать отходы урановых заводов, значительное внимание уделяется вопросам ограничения попадания во внешнюю природную среду радиоактивных веществ, в частности запрещается ввод в эксплуатацию предприятий, цехов и агрегатов, сбрасывающих сточные воды, без выполнения мероприятий, облегчающих их очистку.
В соответствии с действующими нормами радиационной безопасности установлены требования сброса отходов во внешнюю среду и установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) радиоактивных веществ в водоемах и воздухе. При этом указанные ПДК являются одновременно и нормами на сбросные воды, так как в них в отличии от ПДК химических загрязнений, не учитывается разбавляющая способность водоема.
Стандартный технологический процесс извлечения урана из руд в общем виде состоит из технологических операций, представленных на рисунке 9.2., создающих значительное количество жидких радиоактивных отходов.
Рис. 9.81. Этапы получения урановых топливных элементов из руд для действующих
реакторов.
Поступающая на фабрику руда дробиться, измельчается и выщелачивается серной кислотой с двуокисью марганца. Песковую фракцию отделяют, промывают и направляют в отвал, а шламовая пульпа поступает на сорбционное извлечение урана. Уран сорбируется ионообменной смолой, которую после насыщения регенерируют. Из регенерата осаждают химический концентрат урана, который отфильтровывают и высушивают. В большинстве случаев химический концентрат урана конечный продукт завода, для дальнейшей очистки и переработки его направляют на другие предприятия ЯТЦ.
Шламовую пульпу после сорбционного извлечения их нее урана нейтрализуют известью и направляют в хвостохранилище.
Появление отходов, в том числе и жидких, начинается на стадии добычи руды. Для получения кондиционной руды необходимо удалить пустую породу и отделить низкосортную часть руды. Это приводит к возникновению твердых радиоактивных отходов: пустой породы, хвостов грохочения, сортировки. Наличие групповых вод вызывает появление жидких отходов - радиоактивных шахтных вод. В процессе добычи образуется большое количество радиоактивной пыли. Из- за большого количества твердых отходов вокруг рудников образуются горы отвалов, из которых в результате воздействия атмосферных условий вымываются радиоактивные элементы- уран, радий, полоний, непрерывно загрязняющий гидрографическую сеть. Наличие сбрасываемых шахтных вод усиливает это загрязнение.
На стадии выщелачивания в процессе вводится основной химический реагент- серная кислота с добавкой пиролюзита. При этом основная часть урана переходит в раствор, вместе с ним растворяется небольшая часть других радиоактивных элементов, а также некоторые компоненты вмещающих пород. При классификации пульпы образуется песковая фракция, которая составляет основную часть твердых отходов и после промывки поступает на хвостохранилище. С ней поступают во внешнюю среду не растворившиеся радиоактивные элементы.
Стадия сорбции урана из шламовой пульпы сопровождается концентрированием радиоактивных элементов на ионообменной смоле вследствие поглощения урана и частично радия, полония и других элементов. После отделения смолы от рудных шламов появляется второй вид отходов- кислые шламы содержащие не растворившиеся в процессе переработки радиоактивные элементы, оставшиеся в жидкой фазе пульпы после сорбции. При последующей нейтрализации известью основное количество серной кислоты, затраченной на выщелачивание, переводят в осадок в виде гипса и отправляют вместе с рудными шламами в отвал на хвостохранилище. На этой стадии технологического процесса образуются твердые отходы- в виде гипса и гидроокисей, и жидкие отходы- в виде растворов различных сернокислотных солей, являющихся источниками загрязнения внешней среды в результате инфильтрации.
В тех технологических схемах, где для получения урана применяется экстракционный процесс, к указанным на рисунке 9.3. отходам добавляются особенно вредные отходы, содержащие ионы аммония и органические вещества (остатки экстрагентов). Таким образом, при добыче и обработке урановых руд постоянно образуются твердые, жидкие и газообразные: при выемке и сортировки руд- радиоактивные и химические, при сорбции или экстракции урана- радиоактивные и химические.
Рис. 9.82. Принципиальная схема переработки урановой руды с указанием мест возникновения отходов
Выщелачивание
Классификация
Шламы
Хвостохранилище
Сорбция
Отходы, шламы
Концентрирование -
и -активности
Смола
Десорбция
Регенерат
Отход (маточник)
Продукт
Химический конциентрат урана
Воздействие атмосферных условий
Хвостохранилище
Помимо этого имеются так называемые нетехнологические отходы, главным образом жидкие: проливы растворов и пульп, воды от мытья аппаратуры, использованные фильтровальные отходы, банно-прачечные воды, условно чистые воды, воды лабораторий. В соответствии с действующими правилами эти отходы выбрасываются в окружающую среду после тщательного проведения радиационного контроля.
Отходы уранового производства подразделяются на отходы рудников и отходы обогатительных фабрик и твердых отходов получаемых в урановом производстве на 1 тонну руды представлены на рис 9.4.
Шахтовые воды являются групповыми, их откачивают на поверхность равномерно или периодически в зависимости от объема. Для большинства рудниковых вод характерно повышенное содержание взвешенных примесей (до 3,0 г/л) и большая их дисперсность. Количество получаемых шахтных вод весьма различно, оно может достигать до 2000 м3 и более в сутки, поэтому количество радиоактивных элементов, сбрасываемых с ними во внешнюю среду сверх нормы, может достигать до 1 кг урана и 0,2 мг радия в сутки и больше.
Примерный химический состав шахтных вод предоставлен в таблице 9.1.
Рис. 9.83. Ориентировочная количественная характеристика отходов.
Таблица 9.48