一、 概述
传统低水平放射性废水的处理方式主要采用蒸发浓缩的方式对废水进行蒸发浓缩后暂存。蒸发方式利用蒸汽将废水在蒸发器内进行加热蒸发浓缩，二次蒸汽经过旋风分离器、泡罩塔净化后，再经冷凝器、冷却器处理后，将二次蒸汽冷凝液合格排放，浓缩产生的蒸残液进冷却后输送贮罐进行暂存，待后续处理。该处理方式的优点是废水处理量大、减容比大，缺点是投资大、耗能高、占地面积大。随着膜处理技术的发展，放射性废水的处理工艺也有了很大的改进，采用反渗透膜将放射性废水中的放射性核素进行有效处理，使产水能够达标排放，达到废水减容效果。
二、 工艺设计
二.1 工艺原理
移动式废水预处理装置采用“预处理+膜+离子吸附”联合处理放射性废液的技术，废液通过自清洗过滤器、抗污染过滤器去除废液中部分颗粒物，减轻后续设备的工作负担，通过超滤膜处理对铯等裂变产物核素进行处理，最后反渗透装置及离子交换床对除铯等其他离子态存在的放射性核素进行有效的处理。
二.2 工艺流程设计
首先废水经预处理模块过滤净化，废水输送泵将收集水池的废水提升，经过自清洗过滤器去除水中的悬浮物、胶质颗粒、微生物等，随后进入高效除油过滤器，去除5μm以上的颗粒物质，如水中的悬浮物、有机物、金属离子、色度和胶体状态的放射核素以及含油物质等，保护后续的膜过滤模块可靠运行。经高效除油过滤器处理后的废水进入超滤过滤，进一步去除水中的有机物、金属离子、色度和胶体状态的放射核素等；
其次通过预处理后的废水由一级高压泵加压进入一级反渗透过滤，一级反渗透产水由二级高压泵加压进入二级反渗透过滤；一级、二级浓水排出储存，二级反渗透产水达标直接排放，核素去除率（脱盐率）98%以上；同时配自动反冲洗模块，将超滤、一级、二级反渗透和管路进行自动反清洗。
经反渗透过滤后水由增压泵增压至离子交换床，抛光树脂床将放射性核素离子与树脂进行离子交换，进一步去除废水中的放射性核素，确保整个系统稳定出水达标排放。
图1 膜处置装置工艺流程
二.3 放射性核素净化效果估算
二.3.1 各单元评估计算模型
该系统涉及的核素处理单元类型包括膜和树脂2类净化单元。
1）膜组件
金属离子在膜组件中的截留过程可用自由和多孔介质流模型描述。
通道中的自由流体的流动可使用 Navier-Stokes方程和连续性方程见下式。
2）树脂床
树脂床的作用主要为离子交换。离子交换树脂床模拟计算假设条件如下：单元系统完全由薄膜扩散控制；选择性系数恒定，与温度无关；与交换速度相比，反应速度是瞬时的；轴向扩散可以忽略；整个流动过程为塞流；单元系统的所有变化都是等温等压的；树脂是均匀的；没有净电流。
根据物质守恒定律，对离子交换树脂床中金属离子去除进行了研究。通过树脂床的通量（mol/m2•s）由主流和回流混合组成。
其中，J -离子通量（mol/m2•s）；ai-离子i的参数；bi-离子i的参数；cg-总当量浓度（keq/m3）；ci-离子i 的浓度（kmol/m3）；C液相浓度（mol/L）；C0初始液相浓度（mol/L）；dt 时间步长（s）；dp 树脂颗粒直径（m）；Di 离子i的扩散率（m2/s）；D 代表扩散率（m2/s）；H柱高（m）；ni-相对价态；t-时间（s）；q-吸附能力（mg/g）； S-横截面面积（m2）；u-线性速度（m/s）；UL-表面速度（m/s）；ε-孔隙度（无量纲）；k-有效传质系数（m/s）；m-共离子数；P-指数；qi-离子负载量i（mol/g）；R-气体定律常数；T-温度；ui-数值解变量；xi-溶液中离子i的当量分数；yi-树脂相中离子i的当量分数；zi-电化学价态（阴离子为负值）；δ-能斯特膜厚度（m）；ρp树脂颗粒密度（kg/m3）。
二.3.2 放射性废水中核素
根据废水信息，该工艺拟处理放射性废水中核素包括Mn-54、Cr-54、Fe-59、Co-60、Ag-110m、I-129、U-235、Pu-239，初始活度水平见表 1。
表 1 放射性废液中核素初始活度水平
二.3.3 各处理单元核素去除功能
1）抗污染精密过滤器
抗污染精密过滤器利用抗污染滤芯5μm的孔隙进行机械过滤可去除放射性废水微量悬浮颗粒、胶体、微生物等粒径小于5μm的杂质，该单元不考虑核素去除效果。
2）超滤单元
超滤膜元件可截留0.05μm的粒子，高效截留分子量在1,000~500,000道尔顿的物质，包括颗粒、悬浮物、细菌、病毒、原生动物、胶体物质、高分子有机物等。具备一定的核素去除效果。
3）反渗透单元
一级反渗透膜组件设计为1级2段，设计回收率75%，配4支1芯压力容器，共计4支4英寸膜元件，节能效率高达95%以上。二级反渗透设计为1级2段，设计回收率81.6%，配套4支1芯压力容器，共计8支4英寸膜元件。具备一定的核素去除效果。
4）树脂床
树脂床介质采用MX-1组合吸附介质,该介质是特种螯合树脂、高价阳离子树脂和强碱阴离子交换树脂三种介质按一定组合比例组成。主要用于特殊核素去除。
二.3.4 计算过程
放射性核素净化效率评估的计算过程通过comsol 6.1软件求解3.1节中的模型中的偏微分方程组，在模型中超滤单元和反渗透单元通过膜组件模型方程来描述对放射性核素的净化过程，抛光树脂床通过离子交换树脂模型方程描述对放射性核素的净化过程，在comsol 6.1中建立的模型如图1所示。
使用comsol6.1软件建立如图1、2所示的模型，对整个过程进行模拟。图1中最左边部分为原液，中间部分为膜，右边为透过液。在初始活度为1.00E+04Bq/L的条件下，经过膜处理和树脂床处理后的废水活度浓度见下表2。
表2 废水经膜处理和树脂床处理后的活度浓度
采用CFD软件建模，按照系统工艺条件设置，模拟计算结果表明，在该系统工艺条件下，废水中核素种类为Mn-54、Cr-51、Fe-59、Co-60、Ag-110m、I-129、U-235、Pu-239，入水中各核素活度水平为104Bq/L，该系统中8种核素的去污因子均达到了103，有的核素去污因子甚至达到了104。含上述8种核素的废水经过该处理系统处理后，放射性核去除率在99%以上。
三、 工艺验证
为了验证膜处理工艺的目标参数，开展验证试验，验证试验采用初始活度∑β为1.00E+04 Bq/L的放射性废水进行，放射性废水经提升泵依次进入预处理模块、膜处理系统、后处理系统。对经过后处理系统处理后的排放水进行取样分析，分析结果∑β为0.29Bq/L，满足排放标准。
四、 结论
经过膜处理系统热调试后，整个膜处理系统中设备运行功能满足设计要求，系统运行安全稳定，设备状态良好，推荐出了工艺运行参数；产水经过膜处理装置满足放射性活度满足国标排放要求；运行过程中辐射防护易于控制，膜处理工艺满足辐射分区要求；产生的固体废物易于处理形成可处置的固体废物包，降低运行成本。
