連續式衰變池設計中導流方式的比較和對策

楊 琦，林 玲，馮家俊，陸青青，王進軍

(1.華東建筑設計研究總院，上海 200002；2.成都基準方中建筑設計有限公司重慶分公司，重慶 401120；3.上海城投水務<集團>有限公司，上海 200002)

衰變池是醫療建筑中低放射性污水處理的主要方式。在衰變池的設計中，存在連續式衰變池和間歇式衰變池2種形式。連續式衰變池具有占地面積少、投資省、控制簡單、維護簡單的優勢，但如何防止池中污水(廢水)的流線短流問題，確保衰變的時間，使污水的放射性降低到國家規定的安全值顯得尤為重要。連續式衰變池中實際工程項目中出現了導流墻和導流管的導流方式，設計往往忽略了衰變池設計的基本原理，需確保一定的停留時間。從表面看，在衰變池中增加導流措施是為防止廢水的短流，但往往在具體導流措施上忽略了導流墻、導流管設置部位問題，設計的隨意性較大，特別是造成水流停留時間的差異較大。針對連續式衰變池的特點，合理設計衰變池中的導流很有必要[1-2]。

1 導流方式的設計

在衰變池的設計中，其容積的計算應按最長半衰期核素(同位素)的10個半衰期(T)計算或按同位素的衰變公式計算[3-6]。衰變池的污水處理即依靠停留時間，低放射性污水(廢水)進行自然的衰變過程，衰變的時間(T)對處理的效果起到決定性的作用。根據放射性強度隨時間的增加而減弱，連續式衰變池利用水力學推移流的原理，以及水的工程不可壓縮性，使放射性同位素(核素)的污水在池中自然衰變，確保低放射性污水自進水到出水時間內的停留時間滿足衰變所需時間，也稱推流式衰變池。

設衰變池設計所需停留時間為T0，T0≥10T;衰變池實際計算的停留時間為T1，則應滿足：T1>T0。

為防止連續式衰變池中水流的流程產生短流，并達到設計所需停留時間(T0)的目的，有必要在衰變池內設置防止短流的導流技術措施[2]。通常可采用導流墻或導流管的導流方式，其內部布局如圖1和圖2所示。在導流的分隔中，宜采用3～5段或隔艙分隔，不應少于3段或隔艙分隔，以提高連續式衰變池的抗沖積負荷能力。

圖1 導流墻導流的連續式衰變池Fig.1 Diversion Wall in Continuous Decay Pool

圖2 隔艙導流管導流的連續式衰變池Fig.2 Compartments and Water Flow Ducts in Continuous Decay Pools

導流墻導流是在衰變池內設置不到對面池壁的隔墻來引導水流的水流行走路線。隔艙導流管導流是在衰變池內用隔墻分隔為若干個相對獨立的隔艙，采用導流管將各個隔艙內的水進行導流的水流行走路線。導流措施不僅需要滿足污水在水平方向的最長流動距離，還要保證在垂直方向不至于形成短流。

2 導流方式的分析

連續式衰變池采用推流的原理，需通過合理設置導流方式來保證滿足停留時間。從工程角度看，2種導流方式均可滿足放射性污水停留時間的要求，其處理效果與間歇式衰變池一致[2,6]。

2.1 衰變池形式的比較

導流墻導流的衰變池，其水流沿隔墻開口的位置轉向流動。放射性污水在流動過程中，前端進入的污水推動后端的污水流出，污水經過整個池內的容積所形成的停留時間進行衰變。這種方式相對簡單(圖1)，污水經過3段后排放，池內采用不完全分隔的隔墻，其內部完全相通。由于進入衰變池的污水含有一些固體雜質，采用導流墻進行導流，其布局形成水流的阻力較小，不易形成堵塞，且其底部的污泥清理相對方便。

隔艙導流管導流的衰變池采用導流管將各個獨立隔艙的污水流通相連，依靠重力將水從下部經上部溢出(圖2)。導流管設置時，還需結合隔艙內水流的方向。這種方式較導流墻導流減少了垂直方向的短流問題，停留的死角更小。但是，下部的污泥易在前部的隔艙內沉積，污水的上下流動也增加了污水在衰變池內的水頭損失。

對比導流墻導流與隔艙導流管的導流流線，其衰變池實際停留時間(T1)有所不同。導流墻導流方式，由于有隔墻的間距，存在水流的最近與最遠距離，而隔艙導流管方式對水流行程而言，其距離基本是一致的，其停留時間相對也是穩定的。導流墻導流方式的隔墻通常為隔墻長的1/4～1/3，現有可能出現最近與最遠的行程，即設計中存在實際停留時間與理論停留時間的差異，導流墻導流方式需按最不利的行程確定，在最短的行程距離停留也需滿足設計所需的停留時間。兩者之間可能存在的停留時間差可通過式(1)計算。

設衰變池的長度為a，寬度為b，采用2個隔墻，隔墻按1/3的寬度開口。衰變池水位的高度h無明顯的變化，則其停留時間差如式(1)。

ΔT=Tc-Td

(1)

其中：ΔT——停留時間差,d；

Tc——實際停留最長時間,d；

Td——實際停留最短時間,d。

最長距離按靠近墻側的流線、最短距離按隔墻開口處計。停留時間為行程的實際距離除以水流的速度。假設衰變池中的進出水流速均衡一致，則停留時間差也可用行程的距離差來表示，如式(2)。

(2)

其中：ΔL——實際行程距離差，m；

Lc——水流的實際最長行程，m；

Ld——水流的實際最短行程，m。

現以某實際工程項目中設計的衰變池為例，其平面尺寸為4.5 m(a)×2.0 m(b)，采用了導流墻導流的方式。按式(2)計算，ΔL=7.5-5.64=1.86 m，其兩者相差1.33倍。由此可見，導流的合理設計對于導流墻的導流方式非常重要。可以看出，開口的部位不宜太大，但還需要考慮檢修的最小尺寸，設計最終采用0.5 m的開口寬度。在實際工程中，導流墻導流方式的放射性廢水停留時間宜考慮一定的余量。

2種導流方式的特點如表1所示。

表1 連續式衰變池導流方式的對比Tab.1 Comparison of Flow Patterns in Continuous Decay Pools

2.2 垂直方向導流的設計

采用導流墻進行導流時，其進水、出水在垂直方向上需錯開。若均從上部預留管道時，可將進水管插入衰變池中間高度以下的位置，如圖1(a)的剖面圖，確保水流在平面和垂直方向上盡量避免出現短流。

對于隔艙導流管分隔的情況，其導流管也需將進出水的標高錯開，其導流管的管徑不宜太小，可按進水管的管徑放大兩檔。建議在水面上部開設通氣孔，使池內的氣流暢通，有利于減少水流的阻力。同時，由于每個隔艙相對獨立，在隔艙內均需考慮設檢查孔。

2.3 導流墻導流的改進

為克服導流墻導流方式存在的局部回流問題，在衰變池的轉角處設沿水流方向的圓滑倒角，如圖3所示。這樣既有導流墻導流方式的自身優勢，又兼顧了隔艙導流管導流方式的優點，以防止污水的局部回流。

圖3 導流墻導流方式的改進Fig.3 Improvement of Diversion Model of Diversion Wall in Continuous Decay Pool

倒角的半徑(R)與隔墻開口的長度有關，可取隔墻開口長度的一半。需要注意的是，這種改進后衰變池的容積應有所增加，衰變池的容積需補償倒角所占用的體積。

2.4 需要注意的問題與措施

由于導流方式的不同，需注意在檢修人孔、通氣、沉淀物處理等方面的問題。

2.4.1 檢修人孔的設置

衰變池內需設置檢修人孔、檢修爬梯等，以便池內清通、酸洗。檢修人孔宜靠近需檢修的部位，且需便于人員操作。不同導流方式的要求有所不同，對于隔艙導流管，需在每個隔艙內設置檢修人孔；對于導流墻導流，可在進出水的位置分別設置檢修人孔。

檢修蓋板的人孔應密閉。為防止上部的振動，可在井蓋的下部設橡膠墊圈隔振，同時滿足密閉的要求。其蓋板宜有鎖定裝置，表面需設有輻射防護標識。

2.4.2 通氣的設計

值得注意的是，衰變池中污水的停留時間遠遠超過化糞池內污水的停留時間，衰變池內的污水易產生厭氧氣體。由于其空間相對密閉，可形成壓力氣體，有產生爆炸的可能性，僅靠前后排水管內非滿流部分的管道來通氣，效果不好。導流隔墻的水面上部宜開孔洞使內部空間流動，除滿足通氣外，也有利于改善水力條件。為防止環境污染和爆炸，建議在衰變池內設通氣管與大氣相通，并考慮排放到室外一定的高度。若采用壓力排水進入，在進水管的水位上宜設虹吸破壞孔，防止污水的虹吸倒流。在隔艙導流管上，宜設用于清通的管堵，如圖4所示。

圖4 連續式衰變池進水管的虹吸破壞、清通和防水措施Fig.4 Siphon Failure, Clearance and Waterproofing of Inlet Pipe of Continuous Decay Pool

此外，進出衰變池的管道處需設置防水套管(圖4)，一方面，防止進入地下室；另一方面，防止放射性污水外滲，污染地下環境。為了防止輻射泄露，衰變池的進水管應有一定厚度的屏蔽蓋板。通常，搭接部位至少要有10倍縫隙的寬度，以減小散射輻射的泄漏。

2.4.3 沉淀物的處理

雖然在衰變池前采取了一定的措施來減小大體積的固形物，但池內還會有污泥的沉淀。通常，醫院污水按32P的處理來控制時間，其半衰期為14.26 d，計算停留時間為10個半衰期，即142.6 d。由于停留時間遠遠大于常規的化糞池內污水的停留時間，因此，在衰變池的底部，應設有坡度，便于污泥的排放。這對于導流墻導流方式尤為重要，其坡度設置也有利于排水的流向。對于隔艙導流管方式，當衰變池內有沉渣難以排出時，可進行酸化預處理后再排出，也可在池內配置高壓水槍沖洗裝置，防止污泥硬化淤積。

由于衰變池不同于化糞池，在衰變池的深度上不作最低深度(高度)的要求。衰變池應綜合考慮污泥沉淀、清掏污泥、埋設深度、經濟性和檢修人員的安全性等因素來確定其深度。

此外，在衰變池的前后還應設置檢查井(監測井)，用于抽樣檢測其放射性的強度。在有傳染病人群或疫情時使用，其污水不同于一般的醫院污水，還應先進行消毒處理，再進行衰變處理。針對公共衛生應急處理的情況，建議在衰變池的進水口處增加投藥消毒，其檢查口設置在污水的進水口附近很有必要。

3 結論

醫療建筑低放射性污水的處理既是水質處理的問題，也是環境保護和衛生的問題。在連續式衰變池設計中，導流方式是保證衰變停留時間的重要環節之一。連續式衰變池內的布局應設有防止進出水短流的裝置。污水的進水水流無論是在水平方向還是在垂直方向上，需確保流線最長。

比較連續式衰變池設計中的導流墻導流方式與隔艙導流管方式，導流墻方式在工程中的應用相對較多，其相對簡單，有利于減少衰變池內的堵塞。當采用重力排水時，宜下部進水上部出水；當采用壓力排水時，宜上部進水下部提升排水。但其實際停留的時間與隔墻的開口尺寸有很大的關系。建議在設計中考慮1.3左右的有效容積系數，以確保其足夠的處理停留時間。而隔艙導流管方式垂直方向上的導流效果較好，污水的回流相對較少，其有效容積可以控制，適用于對處理要求嚴格、出水穩定的情況，但這種方式隔艙內污泥的清理相對困難一些。

此外還需注意，在每個隔墻之間或隔艙中，宜設檢查人孔，關注衰變池中通氣、沉淀物的問題。疫情期間，可在衰變池進水入口處增加投藥消毒的技術措施。