核設施地面沖洗廢水過濾系統優化研究

□馮 敏 趙 卷 任天屹

核設施放射性廠房在運行或檢修過程中通常采用擦拭或生產水沖洗方式對被污染地面或設備表面進行清洗去污，由此產生了大量橙區地面沖洗水、運送廢物的汽車房沖洗水等非工藝低放廢水，這部分廢水放射性水平較低，通常含有泥沙等固體雜質。這類廢水一般需要過濾后送入低放廢液蒸發系統進行蒸發濃縮處理。如果不采用過濾或者過濾工藝處理效果不佳，常常導致蒸發處理過程中蒸發器下出料口堵塞，使蒸發器不能正常卸料或可能導致蒸發器停運或直接損壞設備等，嚴重時甚至導致放射性廢液泄漏，具有較大的安全隱患。

本文研究了一種地面沖洗廢水過濾優化工藝，核心設備是過濾器，該過濾器集過濾、濾餅干燥、清洗為一體，工藝設備簡單可靠，自動化程度高、二次廢物量較少。試驗過程中采用模擬料液代替核設施的地面沖洗廢水，研究了過濾時間對過濾器壓差、濾液出口流量以及濾餅厚度的影響，同時研究了干燥時間對濾餅含水率的影響。通過實驗摸索出較佳的濾餅干燥時間和過濾器進出口壓差控制范圍，為該過濾系統的工程應用提供可參考的控制參數。

一、試驗裝置及試驗過程

核設施地面沖洗廢水過濾系統試驗裝置如圖1所示。該系統由供料槽、過濾器、濾液收集槽、濾餅收集桶以及相應的輸送泵等組成。設計裝置的設計：試驗裝置的廢液平均處理能力約為2m3/h，濾渣的含水率不大于40%。核心設備是過濾器，過濾器占地面積小，運行安全可靠，兼有過濾和干燥的功能，可以有效降低過濾后二次廢物的體積。過濾器的濾芯材質是濾布，根據處理料液的性質選擇合適過濾精度的濾布。本試驗中濾布的過濾精度約20微米，濾布可以清洗。

圖1 核設施地面沖洗廢水過濾系統試驗裝置簡圖

過濾器的工作原理如下：廢液輸送至過濾器內，由外而內通過過濾器的濾材，雜質被攔截在濾材表面，干凈的濾液進入濾液接收槽；當雜質積累到一定值即進出口壓差達到程序設定值時，過濾完畢，通入壓空對濾餅進行吹干，最后通過濾管反吹濾餅，濾餅自行脫落，排至濾餅收集槽。當濾材有破損或運行一段時間后過濾效果變差，可更換濾材。

試驗過程：配料，開啟設備，初步確定預過濾時間，形成有效濾餅層后進行正式過濾階段，正式過濾包括：充液、濾布清洗、再充液、預過濾、正常過濾、壓排、干燥、排渣。實驗取樣結束后繼續下一周期。

過濾器的運行參數主要包括過濾器的進出口壓差、濾液出口流量、操作時間等，過濾器的進出口壓差通過壓差變送器實時反饋，濾液出口流量通過流量計實時反饋，操作參數通過PLC畫面設置控制。

試驗目的：驗證試驗裝置是否達到預定的設計指標；通過試驗確定操作參數(過濾器壓差、濾餅干燥時間等)。

試驗中采用模擬料液代替實際的地面沖洗廢水。在配制模擬料液時，采用石英砂模擬其中的固體顆粒物質，使廢水中固含量范圍為0.1%～5%。

進口固含量測試通過配料稱重法得到；出口固含量測試通過對濾液取樣、烘干稱重法得到；濾餅含水率檢測通過取樣后對樣品進行烘干稱重法得到。固含量的計算公式如下：

(1)

(2)

二、結果與討論

(一)過濾時間對過濾器壓差的影響。圖2是過濾時間對過濾器壓差的影響曲線。待濾液是用800目的石英砂和生產水配制的模擬料液，固含量分別為0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%。從圖2中可以看出：隨著過濾時間的增加，壓差增加。由于進料為氣動隔膜泵，當氣源不穩定或者系統中兩臺氣動隔膜泵同時工作時，對于壓差數值的測量是有影響的，數值有一定偏差，但是總體上是符合一定規律的。這是因為同樣的濾布過濾時，在外力作用下，懸浮液中的連續相液體通過濾布的孔道，分散相固體顆粒被攔截在濾布上，固含量高的液體在相同的過濾時間內被濾布有效攔截固體顆粒的量更多，在濾布上形成的濾餅層更厚，濾液進口壓力保持不變，則壓差值增大。待濾液固含量越大，則過濾相同時間壓差值越大，固含量分別為0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%的待濾液壓差曲線都符合該規律。

圖2 過濾時間對過濾器壓差的影響

(二)過濾時間對過濾器濾液出口流量的影響。圖3是過濾時間對過濾器出口流量的影響。待濾液是用800目的石英砂和生產水配制的模擬料液，固含量分別為0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%。如圖3所示，在恒壓過濾中，隨著過濾時間的增加，固含量在0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%時的清液出口管線的瞬時流量降低。這是因為在恒壓過濾過程中，當過濾壓力和過濾介質阻力都不變的情況下，影響過濾流量的主要因素是濾餅的阻力。隨著過濾時間的增加，濾餅厚度增加，從而使濾餅阻力不斷增加，最終導致了過濾的瞬時流量隨著過濾時間的增加而降低。待濾液固含量越高，則相同過濾時間內形成的濾餅厚度越厚，所以阻力越大，則出口流量越低。

圖3 過濾時間對過濾器出口流量的影響

(三)過濾時間對過濾器濾餅厚度的影響。圖4是過濾時間對濾餅厚度的影響曲線。500目石英砂和生產水配制2%固含量的模擬料液進行試驗，進料壓力2.5公斤。

如圖4所示，隨著過濾時間的增加，濾餅層厚度增加。這主要是因為同樣的濾布過濾時，在外力作用下，懸浮液中連續相液體通過濾布孔道，分散相固體顆粒被攔截在濾布上，固含量相同的待濾液隨著過濾時間的增加，被濾布有效攔截的固體顆粒量增加，所以在濾布上形成的濾餅層更厚。當然濾餅的厚度并不是一直隨著過濾時間的增加而增加，當達到設定的終止壓差，或者達到設定的過濾時間則過濾停止(壓差優先，根據經驗，過濾器進出口壓差控制在100～350kPa。)，開始進行干燥排渣。

圖4 過濾時間對濾餅厚度的影響

(四)干燥時間對濾餅含水率的影響。

圖5是干燥時間對濾餅含水率的影響曲線圖。500目石英砂和生產水配制2%固含量的模擬料液進行試驗，試驗基于相同的濾布和待濾液，過濾2小時，進氣干燥時間分別是10min、15min、20min、25min和30min得到的數據。

圖5 干燥時間對濾餅含水率的影響

從圖5可以看出，隨著干燥時間的增加，濾餅含水率降低。在濾餅干燥過程中會消耗壓空，干燥時間越長壓空耗氣量越大，經濟性變差，因此適宜的干燥時間較好。濾餅干燥30min，含水濾約為14%，遠高于實驗要求的40%含水率。濾餅干燥15min，濾餅含水率仍然滿足<40%的要求，濾渣為干濾餅，滿足后續固體廢物處理的接收要求。根據大量試驗研究，推薦15～20min的濾餅干燥時間。

三、結語

針對核設施運行或檢修過程中產生的地面沖洗廢水，本文研究了一種核設施地面沖洗廢水過濾優化系統。該系統主要由供料槽、濾液收集槽、過濾器、濾餅收集桶以及相應的輸送泵等組成。核心設備是過濾器，過濾器占地面積小，運行安全可靠，兼有過濾和干燥的功能，可以有效降低過濾后二次廢物的體積。試驗裝置的廢液平均處理能力約為2m3/h，濾渣的含水率不大于40%。

試驗中選擇了石英砂和生產水來配制模擬料液，模擬料液中固體顆粒物重量濃度分別為0.1%～5%。試驗研究了不同工藝操作參數(過濾時間、干燥時間)對過濾效果的影響。研究結果表明：隨著過濾時間的延長，壓差不斷增加，清液出口流量有降低的趨勢，濾餅厚度有增加的趨勢；隨著濾餅干燥時間的延長，濾餅含水率降低。

通過試驗最終確定合適的濾餅干燥時間為15～20min，過濾器的進出口壓差控制在100～350kPa。