西南科技大学核化工与核燃料工程专业综合设计报告：核电厂废液生物处理工艺流程

西南科技大学核化工与核燃料工程专业综合设计报告：核电厂废液生物处理工艺流程

************************************************************************************西南科技大学“核化工与核燃料工程专业综合设计”报告设计名称核电厂废水生物处理工艺流程设计学院班级学生姓名学号设计日期内容一、专业综合设计概述3二、专业综合设计的选题依据3三、核电厂废水生物处理工艺流程综合设计43.1实验过程43.2实验材料53.3实验设备53.4实验方法53.4.2细菌菌种纯化53.4.2微生物材料制备6四、 核电厂废水生物处理系统实际性能验证6 4.1抗铬性能分析6 4.2生物过程处理系统效率分析8 4.2.1废水生物处理效果8 4.2.2含铬污泥成分分析8 4.3结论9 五、总结9 参考文献10 一、专业领域综合设计概述20世纪以来，能源问题已经成为人类面临的日益严峻的全球性问题。然而，人类在核能开发利用方面取得了重大成就，引起了人们的重视。可以预见，21世纪将是核科学技术继续发展的重要世纪[1]。核能开发利用是一个庞大的系统，包括铀(钍)矿的开采、提取、净化、同位素浓缩、燃料元件制造等环节。 在这些工业生产过程中，不可避免地会遇到一个共同的问题：如何处理放射性废物。

核燃料循环、反应堆运行、核技术应用和核研究活动产生的放射性废液种类繁多，其所含放射性核素的种类、数量、形态、常量盐和pH值等差异很大，因此需要选择合适的工艺进行处理[2]。本文主要结合核电站放射性废液的来源和特点，以高浓度含铬模拟水为实验对象，模拟核电站放射性废液的生物处理工艺，旨在设计出一种核电站放射性废液处理工艺优化方案，更好地适应沿海和内陆核电站，达到最小化放射性废物的目的。2.综合专业设计的选题依据目前，处理核电站放射性废液的方法有膜分离、离子交换、蒸发浓缩、化学沉淀、吸附、生物处理等，每种方法都有各自的优缺点。 核岛放射性废液处理系统主要处理的目标是反应堆冷却剂流出物中以离子形式存在的Cs、Rb等裂变产物以及以胶体和颗粒形式存在的腐蚀产物Co、Mn等。根据压水堆核电站的运行经验可知，腐蚀产物在压水堆源项中占有很大的比重[3]。离子交换工艺在核电站中应用广泛，该工艺可以有效去除放射性废液中以离子形式存在的物质，但对以胶体形式存在的腐蚀产物去除效果不佳，不适用于非离子型液体，对含盐量和悬浮物有限制。相比之下，核电站放射性废液的生物处理主要依靠人工培养的功能菌。 该方法操作简单，设备安全可靠，排出的水用于细菌培养等用途，污泥量少，且污泥中的金属可回收利用，实现清洁生产，无污水、废渣排放，投资少，能耗低，运行费用低。

国内外对SRB菌(硫酸盐还原菌)、SR系列复合功能菌、脱硫菌、脱色菌等进行了研究，从过去单一菌种到现在多菌种联合使用，废水处理向清洁化技术发展[7-8]。因此，在比较各种工艺技术后，针对核电站常用放射性废液处理系统的不足，在此基础上进行改进，努力设计优化的废液处理方案，为核电站废液处理工艺的改进提供简便的理论参考。三、 核电站废液生物处理工艺综合设计3.1实验流程图1.核电站含铬废液生物处理试验工艺模拟以含铬模拟水为试验废水，从再生反应器中取培养好的生物硫化铁菌液250ml离心，上清液返回再生反应器，取沉淀与250ml含铬废水一起进入铬废水还原反应器，搅拌10min后调节pH值至8.2，离心，测定上清液总铬浓度。处理后的污泥与适量碳氮培养基混合，返回生物硫铁再生反应器，调节pH至7.4，再生培养4天，再离心。 取再生后的生物硫铁处理含铬废水，如此进行10个循环的还原—再生处理试验工艺。3.2实验材料SRB混合菌株：取自西南科技大学新区游泳池附近污泥SRB培养基：0.5g、NH4Cl 1.0g、1.0g、CaCl2·2H2O 0.1g、MgSO4·7H2O 2.0g、60%乳酸钠溶液6mL； 酵母提取物6.0g，蒸馏水模拟含铬水：Cr6+浓度为200mg∕l 3.3 实验设备 仪器型号 搅拌器EMS-3A 电子天平 马弗炉HY-1000C 行星球磨机QM-3SP04 水浴锅HH-2 紫外可见分光光度计721E 原子吸收分光光度计日立180-80 电加热鼓风干燥箱101-2 表1 主要仪器 3.4 实验方法 3.4.2 菌种纯化 污泥10lg：10mL 用无菌水稀释，充分振摇后，将悬浮液按体积比1：10 接种于含有50mL 增菌培养基的血清瓶中，35℃厌氧培养8d。

当培养基完全变黑时，说明SRB已大量繁殖，同时用无菌针头抽出的气体有臭鸡蛋味。按10%接种量多次转液培养基，稀释7倍由10 -1 至10 -7，用厌氧技术进行厌氧分离培养，9～10天后长出黑色菌落。挑取生长良好、颜色深黑色的单菌落至液体培养基中。重复稀释滚管—厌氧培养—挑菌—液体厌氧培养数次，即可获得纯种。3.4.2 微生物材料制备图2 微生物材料制备工艺流程称取硫酸盐还原菌沉淀30g，在马弗炉中450℃煅烧2h，在干燥器中冷却至室温，装袋； 按液固比2.5∶1取一定量煅烧后的生物硫化铁粉与水,搅拌混匀,分别加入不同质量分数的浓硫酸,保持水浴温度为100℃,充分搅拌,反应4h,再按液固比15∶1加一定量水稀释,反应1h,过滤、干燥、净化。四、核电厂废水生物处理系统实际性能验证4.1抗铬性能分析图3生物硫化铁对不同浓度含铬废水的去除效果如图3所示,当铬浓度在600mg/L以下时,生物硫化铁经过4～7d便能去除铬离子,而当铬浓度为800mg/L及以上时,生物硫化铁失去活性,不能进一步去除铬离子。 由此可见生物硫铁具有较强的抗铬能力，不仅能短时间耐受100mg/L的铬毒，而且能长期耐受600mg/L的含铬离子废水，并能将其还原、去除。

4.2 生物法处理系统效率分析 4.2.1 废水生物处理效果 图4 生物处理工艺对模拟核电站含铬废水的处理效果 由图4可知,铬离子几乎全部被还原,出水浓度为0.008～0.019 mg/L,去除率在99.99%以上;总Cr浓度为0.624～0.929 mg/L,去除率在99.9%以上。 4.2.2 含铬污泥成分分析 图5 含铬污泥成分XPS谱分析 由图5可知,污泥成分主要为铬、铁、氧、氮、钙、碳等,铬、铁含量与化学分析数据基本相符。 4.3 结论 1.生物材料对Cr(VI)具有较强的抵抗力。 不仅能短时间耐受600mg/L的Cr(VI)废水的毒性，而且能长时间耐受600mg/L的Cr(VI)废水并能将其还原、去除。2、该生物法处理系统处理Cr(VI)浓度为0.008~0.019mg/L、总铬浓度为0.624~0.929mg/L的含铬废水，均达到排放标准。3、该生物法处理系统处理含铬废水，能有效提高污泥中的铬含量和铬铁比，经过10个周期的处理，污泥中铬（Cr2O3）含量达40.47%左右，铬铁比达6.98。 污泥满足冶金级（湿法冶金铬）铬矿标准和化工级铬矿标准，可以资源化利用。

五、小结随着核电技术向第三代发展，我国对放射性物质的控制与排放提出了更高的要求。压水堆核电站放射性废液处理系统的合理设计是解决放射性废液安全问题的途径，也是放射性废液处理系统长期稳定连续运行的关键。核电站废水的微生物处理是该领域的一个新兴研究方向[4-3]。硫酸盐还原菌(SRB)能原位生成纳米级硫化铁化合物，形成生物硫铁复合材料(生物硫铁)，兼具生物处理和化学处理的优点，处理效果显著，出水可确保Cr(VI)达到排放标准[6]。利用生物硫铁处理含铬废水，会产生含铬、铁污泥。 若能将含铬污泥资源化利用，可减少二次污染，降低我国对铬进口的依赖。本文分析了核电站放射性废液的来源及特性，在此基础上设计了核电站放射性废液生物处理工艺，在保证系统长期稳定连续运行的同时，使放射性废液的排放符合合理、可行、尽量低的原则。但其弊端是，目前含铬污泥资源化处理技术多适用于含铁量较低的含铬污泥，铬与铁的分离还存在不少困难。不过，这也为下一步的探索和研究提供了方向。参考文献 [1] 侯炼. 特殊废水处理技术与工程实例[M]. 北京: 化学工业出版社，2003.1-2 [2] 陈福星，周立祥. 生物催化合成矿物对废水中Cr(VI)的吸附[J]. 中国环境科学，2006，26（1）：11-15 [3] 谢逸飞，李旭东，李福德. 生物硫铁纳米材料的特性分析及其处理高浓度含铬废水的研究[J]. 环境科学，2009，30（4）：1060-1065 [4] 谢梦琴，牛东杰，赵有才. 含铬污泥中铬和铁的分离研究[J]. 黑龙江科技学院学报，2003，13（4）：9-12。 [5] 国家环境保护总局科技标准司. 电镀污泥及铬渣资源化利用实用技术指南[M]. 北京：中国环境科学出版社，1997：8-18。 [6] Tusa ERY 离子年：废物...2007[C][7] Lehto JLRet al. 来自 Alk