高溫氣冷堆（HTGR）球形燃料元件生產過程中會產生大量含氨、有機物、鈾和無機硝酸鹽等物質的低水平放射性廢液。為了滿足核燃料元件的經濟性指標，將廢液中的物質有效回用，并減少對環(huán)境的有害影響，需開展對放射性工藝廢液的處理及回收工藝研究。目前，核工業(yè)用于處理放射性廢水中放射性核素的傳統(tǒng)方法主要包括：通過蒸發(fā)、過濾、離子交換等手段濃縮低水平放射性廢水，然后固化儲存。而在現(xiàn)代的廢水管理中亟需更有效、更經濟的凈化技術。膜分離技術具有能耗低、單極分離效率高、工藝簡單、不污染環(huán)境等突出優(yōu)點，在處理放射性污染廢水中應用前景廣闊，可能成為處理放射性廢水的高效、經濟、可靠的方法。

膜分離主要是壓力驅動的分離過程。按分離孔徑的大小可以有如下分離過程：微濾、超濾、納濾和反滲透。本文提出了蒸餾除氨和膜處理技術（超濾（UF）-反滲透（RO）-連續(xù)電滲析（EDI））處理燃料元件制造工藝放射性含鈾廢水。通過探討不同工藝參數(shù)下該方法處理模擬放射性廢水以及真實廢水的脫鹽率變化來研究復合工藝對放射性廢水的處理效果。

1 實驗流程與設備

1.1 實驗試劑及實驗儀器

實驗過程中所用到的化學試劑均為分析純試劑。主要儀器包括：MUA 微量鈾檢測儀，IC90A 離子色譜分析儀，DDS-307A 型臺式電導率儀，PHS-3D型pH 計。

1.2 實驗裝置及流程

實驗裝置分為蒸氨預處理、超濾陶瓷膜處理及連續(xù)電除鹽處理。原水箱的水先由原水泵加壓后，進入機械過濾器，除去大顆粒的雜質，然后經過蒸餾法除氨，將氨濃度降低至小于1%；再將去氨后的蒸殘液排入沉降槽，靜置澄清24 h 后，上清液進行膜法處理。處理設備由陶瓷膜單元、反滲透單元和EDI深度處理單元組成，按照工藝流程和控制要求，將生產過程劃分為三個獨立的過程。采用批處理間歇式操作，當料液過濾至一定比例時，順序選擇開啟相應單元。原水經超濾處理后，滲透液進入中間槽；當滲透液積累至一定體積后，啟動一級/ 二級反滲透器進一步脫鹽和去污，處理后的滲透液再排入電滲析器進行深度除鹽。三個單元采用循環(huán)式操作，最終濃縮液留待固化或回收處理。

陶瓷膜組件，F(xiàn)ILT 系列，法國TAMI 公司產品，支撐體結構為3 通道多孔陶瓷芯，膜管外徑Φ10mm，通道內徑Φ3.6 mm，膜材質為二氧化鈦，切割分子量1KD，最大工作壓力為1.0 MPa，pH 適用范圍1～14，面積約0.022 m2；二級RO 區(qū)，世韓公司。

裝置工藝流程如圖1 所示。

圖1 實驗裝置工藝流程

1.3 實驗方法

1.3.1原水含鹽量的影響

在不同的原水含鹽量條件下，保證配制好的模擬放射性廢水中含硝酸鈾酰的量為10 mg/L，通過向原水中加入硝酸銨來改變廢水中硝酸根的含量。每次記錄透過水中鈾酰離子與硝酸根的含量，分析原水中含鹽量對各單元處理效果的影響。

1.3.2原水pH 的影響

在不同的原水pH 條件下，處理配制好的模擬放射性廢水，調節(jié)原水pH 為4～10 范圍，討論原水pH 對各單元處理效果的影響。

1.4 廢液源項

實驗中除配制的模擬廢液以外，所使用的實際廢液為清華大學核能與新能源技術研究院高溫氣冷堆燃料元件UO2核芯生產工藝廢液，主要成分及含量為：COD 為4.2×104 mg/L，氨、鈾、硝酸根質量濃度分別為110 200、10、30 000 mg/L。

2 結果與討論

2.1 原水中含鹽量對反滲透處理效果的影響

實驗采用配制的模擬廢液來研究原水中離子濃度對反滲透膜處理效果的影響。模擬廢液中僅含有硝酸鈾酰以及硝酸銨2 種物質。實驗過程中原水pH為7.2，水溫為室溫，超濾工作壓力為1.0 MPa，反滲透工作壓力為0.6 MPa。原水中含鹽量對反滲透單元的處理效果影響如圖2 所示。

圖2 含鹽量對反滲透處理效果的影響

從圖2 中可以看出，在實驗條件范圍內，當硝酸根濃度由零增加至0.5 mol/L 時，反滲透膜的處理流量由70 mL/min 減小至8.9 mL/min，降低了87.3%，同時產水中鈾酰離子的含量由0.3 mg/L 增加至1.5mg/L，增加了5 倍。也就是說，隨著原水中硝酸根含量的增加，反滲透單元的產水通量有了明顯下降，且對放射性鈾的攔截效果也變差。這是因為在反滲透系統(tǒng)中，進水的滲透壓是水中所含離子濃度的函數(shù)，離子濃度越高，滲透壓也越高，在進水壓力不變的條件下，反滲透過程的凈推動力將減小，產水流量下降。此外，反滲透膜的透鹽率正比于膜兩側含鹽量的差值，進水含鹽量越高，濃度差也越大，透鹽率上升，從而導致原水中鈾酰離子的透過率上升，對鈾的去污效率越差。因此，在實際廢水處理中，以控制原水中硝酸根質量濃度低于0.05 mol/L 為宜；當原水中硝酸根濃度含量很高時，可通過提高工作壓力、增加反滲透單元個數(shù)、增加循環(huán)次數(shù)等手段來改善處理效果。

2.2 原水pH 對反滲透處理效果的影響

由于本實驗采用的無機陶瓷過濾單元的使用pH 處理范圍為1～14，因此重點討論原水pH 對反滲透單元的影響。實驗過程中，廢水的溫度為室溫20 ℃，操作壓力為0.6 MPa，硝酸根濃度為0.1mol/L，鈾酰離子質量濃度為10 mg/L。原水pH 對反滲透膜處理效果的影響如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，在實驗條件范圍內，進水pH 對反滲透膜產水量幾乎沒有影響；而當pH 高于7.8 時，產水中鈾酰離子的去污率有少量提高，但硝酸根的去污率基本維持不變。這可能是由于當pH 較低時，鈾酰離子與硝酸根均以離子形式存在，容易透過反滲透膜；而隨著pH 升高，硝酸鈾酰開始發(fā)生水解，形成了納米至微米級別的微小沉淀物，不易透過反滲透膜，從而相應提高了對鈾的去污效率。

2.3 實際廢水的處理效果

實驗對球形燃料元件的UO2核芯制造工藝廢水進行了連續(xù)處理。超濾膜作為預處理除去部分有機物和大分子物質，以保證反滲透單元的進水要求，提高處理效果。反滲透單元為主要的凈化單元，包含兩級反滲透。由于反滲透膜嚴格要求待處理原水pH為7，因此運行前將原水調為中性。電滲析的主要作用為濃縮和后級深度凈化。運行各處理單元前后水中各成分濃度隨時間的變化趨勢如表1 所示。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。

表1 處理前后水中主要成分變化

3 結論

反滲透運行過程中，進水含鹽量、pH 會影響反滲透運行效果。隨著進水中離子濃度的增加，反滲透膜的通量急劇下降，且對鈾酰離子的處理效果也變差；進水pH 對超濾效果幾乎無影響，而pH 增加對反滲透膜的處理效果有益。對實際燃料元件生產廢水經過蒸餾-超濾-反滲透-電滲析組合工藝處理后，工藝廢水中的鈾和硝酸根的去除率幾乎達到100%，有機物的去除率為95.2%。該設備的運行成本低，處理高溫氣冷堆球形燃料元件生產過程中產生的工藝廢水效果比較有效。