Спосіб обробки радіоактивних відходів біологічного очищення води

Спосіб належить до обробки матеріалів з радіоактивним зараженням, зокрема до обробки твердих радіоактивних відходів (РАВ) прожарюванням, і може бути використаний для переробки РАВ біологічного очищення води. Відомий спосіб обробки РАВ біологічного очищення води шляхом їх спалювання [Таширев А.Б., Шевель В.Н. Микробная технология очистки радиоактивных сточных вод // Проблемы Чернобыля. - 2002. - вып. 10, ч. 1. С.163-169] [1]. Спосіб полягає у висушуванні відпрацьованого гранульованого мікробного біокаталізатора при кімнатній температурі протягом 2 діб і його спалюванні в камері згорання при температурі 800-1000°С протягом 23хв. з подальшим пресуванням зольного концентрату. В процесі спалювання утворюються леткі радіоактивні продукти згорання, для уловлювання яких використовується складна система очистки, що містить фільтр зі скловати, водяний холодильник, конденсатну камеру, водяний фільтр та міліпоровий фільтр Петрянова. Недоліком відомого способу обробки РАВ біологічного очищення води від урану та продуктів його розпаду [1] є радіоактивне забруднення системи очищення за рахунок значного (до 1%мас.) виносу радіоактивних сполук за межі камери згорання. При цьому не вирішені питання надійної іммобілізації зольного концентрату і забруднених фільтроматеріалів та переробки технологічних вод, забруднених леткими продуктами згорання. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб обробки твердих органічних РАВ дослідницьких лабораторій, зокрема, відходів біологічного очищення води [Вишневский А.С. и др. Включение зольных остатков от сжигания РАО в керамические матрицы на основе глин // Радиохимия. - 1988. - №6. - С.811-816] [2]. Спосіб полягає в наступному. Відходи спалюють, одержану золу подрібнюють у вібромлині та змішують з глиною при масовому співвідношенні золатлина 1:(2,3-4,0), суміш формують, сушать при 150°С протягом 1 год і висушену матрицю випалюють при 950-1100°С протягом 0,5-2,0год. Як витікає із технічної суті відомого способу [2], в процесах спалювання органічних РАВ, накопичення зольних залишків, їх транспортування, перевантажень, подрібнення і змішування з глиною відбувається значне виділення летких радіоактивних продуктів та зольних залишків, які спричиняють забруднення навколишнього середовища. Крім того, внаслідок обов'язкового очищення газоаерозольних продуктів спалювання твердих органічних РАВ в складних зрошувальних апаратах та фільтрах утворюються значні кількості вторинних рідких відходів та відпрацьованих фільтроматеріалів, що потребують переробки [Соболев И.А. и др. Практика переработки и захоронения твердых радиактивных отходов // Атомные электрические станции. - М.: Энергия, 1980. - С.14-18] [3]. Таким чином, основним недоліком відомого способу [3] є підвищена екологічна небезпека способу обробки органічних РАВ за рахунок вторинного радіоактивного забруднення довкілля та складність реалізації процесу обробки РАВ. Задачею корисеної моделі є розробка способу обробки РАВ біологічного очищення води, заснованого на спалюванні відходів, в якому реалізація принципово відмінного процесу спалювання забезпечувала б іммобілізацію летких продуктів згорання в алюмосилікатній матриці, що призведе до підвищення екологічної безпеки та значного спрощення процесу обробки РАВ. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб обробки РАВ біологічного очищення води, що включає спалювання відходів, в якому, згідно з винаходом, попередньо відходи змішують з клиноптилолітом при масовому співвідношенні відходи:клиноптилоліт 1:(3,5-4,5) за сухою речовиною, суміш формують у вигляді матриць і останні випалюють у двоступеневому режимі: на першому ступені - при 350-400°С протягом 0,751,25год., а на другому ступені - при температурі 800-900°С протягом 0,5-1,0год. Нами вперше запропоновано операцію спалювання РАВ в суміші з клиноптилолітом, що забезпечує надійну фіксацію радіонуклідів в алюмосилікатній матриці в процесі програмованого випалу, внаслідок чого виключається вторинне забруднення довкілля завдяки запобіганню випаровування летких радіоактивних елементів і міцній іммобілізації сажоподібних продуктів і зольних залишків спалювання відходів. Запропонована технологія спалювання відходів призводить до значного спрощення способу обробки РАВ за рахунок застосування спрощеної схеми очистки летких продуктів згорання, виключення деяких операцій, наприклад, накопичення, транспортування і перевантаження зольних залишків. Таким чином, сукупність суттєвих ознак способу обробки РАВ біологічного очищення води, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення технічного результату, який забезпечується винаходом - екологічна безпека за рахунок виключення вторинного забруднення довкілля та значне спрощення процесу. Спосіб реалізується наступним чином. Тверді радіоактивні відходи біологічного очищення води отримують при очищенні радіоактивне забрудненого модельного розчину за допомогою активного мулу Бортницької станції аерації. Очищену воду декантують, а осад згущують за допомогою, наприклад, проточної центрифуги, а потім висушують в сушильній шафі при 100±5°С і подрібнюють до дисперсності £200мкм. Порошок відпрацьованого активного мулу (відходи) ретельно змішують з клиноптилолітом природним молотим (ТУ У 05792908002-79) при масовому співвідношенні відходи:клиноптилоліт 1:(3,5-4,5) за сухою речовиною. Із одержаної суміші формують циліндричні матриці напівсухим двостороннім пресуванням при тиску 10-20МПа. Матриці нагрівають до 350-400°С і витримують їх при даній температурі протягом 0,75-1,25год. Потім підвищують температуру до 800-900°С, витримують протягом 0,5-1,0год. і охолоджують. Сумарну b-активність порошків відпрацьованого активного мулу, сумішів активного мулу з клиноптилолітом і одержаних керамічних матриць вимірюють за допомогою b-радіометра КРК1-01А. Практично однакові величини b-активності вихідних сумішів та керамічних матриць з РАВ ілюструють відсутність радіоактивного забруднення довкілля при реалізації запропонованого способу. Приклад реалізації корисної моделі В 10 літрів модельної води з b-активністю 55×103Бк/дм 3 вносять 100г активного мулу (в перерахунку на суху речовину) і протягом 5хв. інтенсивно перемішують. Після освітлення води протягом 1 год очищену воду зливають, осад за допомогою лабораторної проточної центрифуги згущують, висушують в сушильній шафі при 100±5°С і подрібнюють до дисперсності £200мкм. Сумарна b-активність порошку відпрацьовоного активного мулу становить 5×106Бк/кг. 5г порошку активного мулу і 20г порошку клиноптилоліту в масовому співвідношенні 1:4 ретельно перемішують протягом 10хв. для рівномірного розподілу компонентів в суміші. Сумарна b-активність порошку становить 1000Бк/кг. За допомого лабораторного пресу методом напівсухого двостороннього пресування при тиску 15МПа з одержаної суміші формують циліндричні матриці. Матриці нагрівають до 400°С і витримують їх при даній температурі протягом 1,0 год. Потім підвищують температуру до 850°С і витримують матриці при даній температурі протягом 0,75год. Потім матриці охолоджують і подрібнюють. Сумарна b-активність подрібнених матриць становить 998Бк/кг. Таким чином, зменшення bактивності складає всього 0,2%, що підтверджує практичну відсутність радіоактивного забруднення довкілля при реалізації запропонованого способу (таблиця, приклад 2). З метою визначення ефективності запропонованого способу обробки РАВ були досліджені різні масові співвідношення, а також режими випалу РАВ, як у заявленому діапазоні, так і за його межами. Дані представлені в таблиці, приклади 1-17. Встановлено, що заявлене співвідношення компонентів в матриці вибрано з умов, які забезпечують надійну фіксацію радіонуклідів в сформованих зразках при заявляємому двоступінчатому режимі випалу (таблиця, приклади 1-9). При позамежному збільшенні співвідношення активний мул (АМ):клиноптилоліт до 1:3,2, тобто, при зменшенні в матриці вмісту клиноптилоліту, одержані матриці характеризуються недостатньою механічною міцністю і підвищеною величиною пористості, що призводить до значних втрат активності, тобто радіоактивного забруднення довкілля (таблиця, приклад 10). При позамежному зменшенні співвідношення AM:клиноптилоліт до 1:4,7, тобто, при збільшенні в матриці вмісту клиноптилоліту, спостерігається радіоактивне забруднення довкілля (таблиця, приклад 11). Крім того знижується ефективність обробки РАВ за рахунок збільшення об'єму іммобілізованих відходів. Експериментально встановлено, що позамежне зменшення температури витримки на першому ступені випалу призводить до руйнування матриць на другому ступені випалу, що спричиняє втрату b-активності матриць і забруднення довкілля (таблиця, приклад 12). Позамежне підвищення температури витримки на першому ступені призводить до порушення цілісності матриць і зумовленої цим втрати b-активності (таблиця, приклад 13). Позамежне зменшення температури випалу на другому ступені до 750°С зумовлює зменшення фіксуючої здатності за рахунок недостатньої щільності структури керамічних матриць і зумовленої нею втратою активності (таблиця, приклад 14). Позамежне підвищення температури випалу матриць до 950°С призводить до часткового руйнування первинної структури клиноптилоліту, за рахунок чого знижується фіксуюча здатність матриць і збільшується втрата летких радіоактивних елементів (таблиця, приклад 15). При позамежному скороченні тривалості випалу, наприклад, до 0,25год., не забезпечується протікання твердофазних реакцій спікання, що призводить до зниження фіксуючої здатності матриць (таблиця, приклад 16). Більша тривалість випалу, наприклад, 1,25год., практично не покращує утримання радіонуклідів (таблиця, приклад 17), але призводить до зайвих енерговитрат, що економічно недоцільно. Переваги запропонованого способу обробки РАВ біологічного очищення води в порівнянні з відомим полягають в наступному: - заявляємий спосіб характеризується підвищеною екологічною безпекою, яка зумовлена мінімізацією радіоактивного забруднення довкілля за рахунок іммобілізації РАВ при їх спалюванні в суміші з алюмосилікатом в процесі програмованого випалу. Це підтверджується даними таблиці, в якій представлені втрати активності не перевищують 0,3%; - реалізація заявляемого способу за рахунок відсутності виділення летких радіоактивних речовин в процесі випалу не потребує застосування складного обладнання для обробки РАВ і очищення викидів, що призводить до значного спрощення процесу. Таблиця № пп Масове співвідношення AM: клиноптилоліт 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1:3,5 1:4,0 1:4,5 1:4,0 1:4,0 1:4,0 1:4,0 1:3,5 1:3,5 10 11 12 1:3,2 1:4,7 1:4,0 Режим випалу І ступінь II ступінь Т, °С Т, °С t, год. t, год. Спосіб за винаходом 400 1,0 850 0,75 400 1,0 850 0,75 400 1,0 850 0,75 450 0,75 850 0,75 350 1,25 850 0,75 400 1,0 800 1,0 400 1,0 900 0,5 400 0,75 800 1,0 400 0,75 900 0,5 Позамежні значення 400 1,0 850 0,75 400 1,0 850 0,75 325 1,0 850 0,75 b-активність, Бк/кг Втрати bСуміш AM: активності, Матриця клиноптилоліт % 1111 1000 909 1000 1000 1000 1000 1111 1111 1108 998 906,7 998 998 997 998 1108 1107 0,25 0,20 0,25 0,20 0,20 0,30 0,20 0,25 0,30 1190 877 1000 1160 867 992,5 2,50 1,15 0,75 13 14 15 16 17 1:4,0 1:4,0 1:4,0 1:4,0 1:4,0 475 400 400 400 400 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 850 750 950 850 850 0,75 0,75 0,75 0,25 1,25 1000 1000 1000 1000 1000 990 991,5 987,5 992 996,5 1,0 0,85 1,25 0,80 0,35