核電廠非放射性氨氮廢水現(xiàn)狀及處理分析

摘 要：為核電廠非放射性氨氮廢水的達(dá)標(biāo)處理及廢水處理站工程的新建，分析核電廠非放射性氨氮廢水現(xiàn)狀及問題，并結(jié)合現(xiàn)有氨氮去除的工程應(yīng)用方法和核電廠自身的特點(diǎn)，分析和論證核電廠非放射性氨氮廢水處理工藝的選擇。結(jié)果表明，非放射生活性氨氮廢水處理工藝采用傳統(tǒng)的缺氧-好氧生化法；非放射生產(chǎn)性氨氮廢水處理，直接達(dá)標(biāo)排放時(shí)采用折點(diǎn)加氯法，回用至除鹽水系統(tǒng)時(shí)采用折點(diǎn)加氯法和離子交換法的聯(lián)合。

關(guān)鍵詞：核電廠；非放射性廢水；氨氮；處理工藝；現(xiàn)狀分析

中圖分類號(hào)：X799 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0170-04

Abstract： In order to achieve the standard treatment of non-radioactive ammonia nitrogen wastewater in nuclear power plants and the construction of wastewater treatment station， the present situation and problems of non-radioactive ammonia nitrogen wastewater in nuclear power plants are analyzed， and the selection of treatment process of non-radioactive ammonia nitrogen wastewater in nuclear power plants is analyzed and demonstrated in combination with the existing engineering application methods of ammonia nitrogen removal and the characteristics of nuclear power plants. The results show that the traditional anoxic-aerobic biochemical method is used for the treatment of non-radioactive domestic ammonia nitrogen wastewater. For the treatment of non-radioactive productive ammonianitrogen wastewater， the break-point chlorination method is used when it is discharged directly to the standard， and the combination of break-point chlorination method and ion exchange method is used when it is reused in the demineralized water system.

Keywords： nuclear power plant; non-radioactive wastewater; ammonia nitrogen; treatment process; current situation analysis

近年來，我國核電行業(yè)迎來新的發(fā)展高峰。2022年和2023年期間，國家分別批準(zhǔn)了10臺(tái)新建的核電機(jī)組。與此同時(shí)，隨著核電建設(shè)數(shù)量的增加，國家及地方環(huán)保部門對(duì)核電廠非放射性排放水的監(jiān)管和控制愈發(fā)嚴(yán)格，要求核電廠非放射性排水的二類污染物含量達(dá)到國家或地方排放標(biāo)準(zhǔn)的限制。其中，含氨氮的非放射性廢水因其在核電廠的來源較多、濃度較高等原因成為核電非放射廢水處理達(dá)標(biāo)排放的一個(gè)重要關(guān)注指標(biāo)。

本文通過對(duì)核電廠非放射性氨氮廢水的來源、水質(zhì)水量特點(diǎn)及處理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)用常用的廢水氨氮去除技術(shù)，提出了非放射性氨氮廢水的處理工藝及方法，為核電廠非放射性廢水氨氮的達(dá)標(biāo)處理提供設(shè)計(jì)及運(yùn)行參考。

1 核電廠非放射性氨氮廢水現(xiàn)狀及問題

核電廠非放射性氨氮廢水包括生活性氨氮廢水和生產(chǎn)性氨氮廢水，前者即核電廠的生活污水，后者可分為電廠正常運(yùn)行期間產(chǎn)生的氨氮廢水和電廠調(diào)試檢修期間產(chǎn)生的氨氮廢水。

核電廠產(chǎn)生的非放射性氨氮廢水的來源、特點(diǎn)及處理現(xiàn)狀見表1。

隨著我國環(huán)保政策的實(shí)施，要求現(xiàn)有和新建核電廠對(duì)非放射性廢水進(jìn)行雨污水分流改造和設(shè)計(jì)，直接導(dǎo)致現(xiàn)有直排廠區(qū)管網(wǎng)方式不能再執(zhí)行，并要求核電廠新建非放射性廢水處理站，對(duì)非放射性廢水進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理后排放或者回用。

2 污廢水氨氮處理方法

含氨氮污廢水的處理方法主要包括物化法和生化法，對(duì)于高濃度的含氨氮污廢水，需要采用2種方法的聯(lián)合或者某一方法的多種工藝聯(lián)合。

2.1 生化法

生化法處理氨氮污廢水是利用微生物的代謝過程，使污廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓ɑ蛏俨糠謿鈶B(tài)氮化物）而去除。目前，已在工程上實(shí)現(xiàn)較多應(yīng)用的去除氨氮的生化法主要有缺氧/好氧（A/O）工藝[1-3]、序批式活性污泥（SBR）工藝[4-6]、短程硝化反硝化（SHARON）工藝[7-8]，以及厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝等[9-10]。

A/O、SBR、SHARON的原理基本一致，主要包括以下2個(gè)步驟：①污廢水中的氨氮在（亞）硝化細(xì)菌的作用下，利用水中的氧氣作為電子受體，轉(zhuǎn)化為（亞）硝酸鹽，即（亞）硝化過程；②污廢水中的（亞）硝酸鹽在反硝化細(xì)菌的作用下，在缺氧狀態(tài)下，轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂蜌鈶B(tài)氮化物，即反硝化過程。

ANAMMOX的原理則是在厭氧氨氧化細(xì)菌的作用下，在厭氧條件下，以氨氮作為電子受體，（亞）硝酸鹽作為電子供體，使氨氮和硝酸鹽均轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程。與其他3種工藝相比，厭氧氨氧化工藝具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，包括較低的曝氣能耗、幾乎無須碳源、減少堿度消耗量，以及降低剩余污泥的處理和處置成本等。厭氧氨氧化工藝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如能耗、藥耗、產(chǎn)泥量少。然而，它也存在一些缺點(diǎn)，如污泥培養(yǎng)慢、反應(yīng)周期長等。

生化法去除污廢水中的氨氮，無須外加藥劑，運(yùn)行成本低，節(jié)能環(huán)保，可以將氨氮轉(zhuǎn)化為無毒無害的氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)最終去除。但由于是依靠微生物自身的代謝作用，一是需要較長的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致首次或停運(yùn)后再運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間長，占地面積較大；二是需要提供一定的可生物降解有機(jī)物，供微生物利用；三是微生物自身耐受氨氮質(zhì)量濃度有限（一般不超過300 mg/L），處理高質(zhì)量濃度氨氮有一定的局限性。

2.2 物化法

物化法處理氨氮廢水是利用物理、化學(xué)的方法，使污廢水中的氨氮被吸附或轉(zhuǎn)化為氮?dú)饣蛏沙恋淼榷コ?。目前，已在工程上?shí)現(xiàn)較多應(yīng)用的去除氨氮的生化法主要有吹脫法、折點(diǎn)加氯法、離子交換法，此外，化學(xué)反應(yīng)沉淀法也有少量的應(yīng)用。

2.2.1 吹脫法

吹脫法的原理是利用氨氮溶解的動(dòng)態(tài)平衡，以及氨氮的平衡濃度與實(shí)際濃度之間的差值，在弱堿性條件下，通過向污廢水中通入空氣，破壞原有的平衡態(tài)，使反應(yīng)向左側(cè)移動(dòng)，同時(shí)由于該過程空氣中氨氣的濃度一直小于平衡濃度，因此，水中的氨氮會(huì)通過氣水界面進(jìn)入空氣中從而去除氨氮。氨氮溶解的動(dòng)態(tài)平衡如下

NH3+H2O？葑NH4++OH-。

吹脫法適用于中高濃度氨氮的去除，其操作簡單，運(yùn)行成本較低，但氨氮從液相轉(zhuǎn)到氣相后，需要配套二次吸收、中和、最終處理等措施；此外，吹脫法受溫度、pH、氣液比影響特別大，冬季處理效果相對(duì)較差[11-13]。

2.2.2 折點(diǎn)加氯法

折點(diǎn)加氯法的原理是利用氨氮的還原性和有效氯（次氯酸鈉）的氧化性發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將氨氮氧化為氮?dú)舛コ?。所謂折點(diǎn)，就是當(dāng)污廢水中有效氯投加到某一量值點(diǎn)時(shí)，氨氮含量0 mg/L（或最低），游離性余氯含量也最低。當(dāng)有效氯投入量超過該折點(diǎn)后，水中的游離性余氯含量會(huì)上升。在折點(diǎn)時(shí)，污廢水中的氨氮被氧化成氮?dú)獗蝗コ?，具體的過程方程式如下

NH3+ClO-→NH2Cl+OH-，

NH2Cl+ClO-→NHCl2+OH-，

NH2Cl+NHCl2→N2↑+3H++3Cl-。

折點(diǎn)加氯法去除水中的氨氮反應(yīng)速度快，時(shí)間較短，操作便捷，效果穩(wěn)定，能夠使氨氮轉(zhuǎn)化為無毒無害的氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)最終去除，可用于不同濃度氨氮的去除；但反應(yīng)過程受一定的溫度、pH影響，并且反應(yīng)中過量的余量投加，需配置還原劑將其處理達(dá)標(biāo)[14-15]。

2.2.3 離子交換法

離子交換的原理是利用陽離子交換樹脂（H型或Na型），將NH4+與樹脂陽離子進(jìn)行交換，從而將NH4+去除，方程式如下

R--H++NH4+→R--NH4++H+

或R--Na++NH4+→R--NH4++Na+。

離子交換樹脂在達(dá)到交換容量后需要對(duì)其進(jìn)行再生處理，需配置整套樹脂再生單元，再者，樹脂在達(dá)到使用壽命后需要進(jìn)行更換，樹脂的價(jià)格較高，因此，該方法相對(duì)投資高、運(yùn)行復(fù)雜；然后，再生廢液需要進(jìn)行二次處理后方可排放；最后，實(shí)際污廢水中，尤其是工業(yè)廢水，往往含有復(fù)雜的陽離子成分，會(huì)影響氨氮的交換效果。因此，受制于以上局限性，工程上離子交換法一般用于雜質(zhì)離子少的低濃度氨氮廢水處理[16]。

2.2.4 化學(xué)反應(yīng)沉淀法

化學(xué)反應(yīng)沉淀法是利用可溶性沉淀劑鎂鹽、磷酸鹽與NH4+反應(yīng)生成難溶性MgNH4PO4·6H2O（MAP）沉淀，然后通過沉降作用從污水水中分離，使氨氮從液相轉(zhuǎn)到固相從而將氨氮去除，方程式如下

Mg2++PO43-+NH4++6H2O→MgNH4PO4·6H2O↓。

化學(xué)反應(yīng)沉淀法適用于中高濃度氨氮的去除，工藝簡單、反應(yīng)快、操作簡便，對(duì)于污廢水有同時(shí)脫氮除磷的需求也比較適用。但反應(yīng)過程受pH的影響，且需要配套沉淀分離設(shè)備，單獨(dú)去除氨氮時(shí)使用大量的化學(xué)藥劑，導(dǎo)致成本偏高，另外，沉淀產(chǎn)物MAP在工程上得不到太廣泛的利用，也是限制該方法的一個(gè)重要因素[17-18]。

3 核電廠非放射性廢水氨氮處理工藝分析及選擇

3.1 生活性氨氮廢水處理工藝

因核電廠的生活污水與常規(guī)市政生活污水差異性不大，目前，核電廠設(shè)計(jì)有生活污水處理站，大多通過采用傳統(tǒng)的缺氧-好氧工藝實(shí)現(xiàn)污水的脫氮處理，排水指標(biāo)能夠滿足國標(biāo)或者地方標(biāo)準(zhǔn)的要求[19-20]。

3.2 生產(chǎn)性氨氮廢水處理工藝選擇

根據(jù)核電廠生產(chǎn)性非放射性氨氮廢水的水質(zhì)進(jìn)行廢水氨氮處理工藝的選擇。因該廢水中幾乎不含有可降解性有機(jī)物，生化性差，因此，不能采用生化法進(jìn)行脫氮處理。

根據(jù)核電廠生產(chǎn)性非放射性氨氮廢水的水量特點(diǎn)，氨氮廢水、磷酸鹽廢水不同時(shí)段排放，單獨(dú)考慮去除氨氮，采用化學(xué)反應(yīng)沉淀法需額外投加磷酸鹽，成本較高，沉淀產(chǎn)物無理想的利用渠道，因此，不建議采用該方法。

采用吹脫法去除核電廠生產(chǎn)性氨氮，需要配套曝氣系統(tǒng)，需要將空氣帶出的氨氣二次處理，仍需配套處理設(shè)備，成本投入較大，因此，不建議采用該方法。

核電廠新建非放射性污水處理站根據(jù)不同排水去向采用如下方法：要求達(dá)標(biāo)排放時(shí)，采用折點(diǎn)加氯法去除氨氮；要求回用至除鹽水系統(tǒng)時(shí)，先采用折點(diǎn)加氯閥將氨氮降至低濃度，然后采用離子交換進(jìn)一步去除氨氮至少于0.5 mg/L，回用至除鹽水系統(tǒng)。采用上述方法是統(tǒng)籌考慮核電廠水島的設(shè)計(jì)及布置。首先，核電廠的海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)有10%的次氯酸鈉溶液，可以將該溶液直接引至廢水處理站使用，且核電廠設(shè)計(jì)有制氯站，保證有次氯酸鈉可以直接使用；其次，折點(diǎn)加氯法可以將氨氮直接氧化為無毒無害的氮?dú)馊コ瑹o須過多的配套設(shè)備設(shè)計(jì)，節(jié)約成本；最后，離子交換法產(chǎn)生的再生廢水可引至除鹽水系統(tǒng)隨除鹽水系統(tǒng)的離子交換樹脂再生廢水一并處理，也可降低成本。

4 結(jié)束語

由于國家環(huán)保政策的實(shí)施，國家和地方環(huán)保部門對(duì)核電廠非放射性排放水的監(jiān)管和控制愈發(fā)嚴(yán)格，核電廠非放射性氨氮廢水，尤其是生產(chǎn)性氨氮廢水的處理迫在眉睫。雖然處理氨氮廢水的方法有多種，并且實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，但對(duì)于核電廠來說，仍是一種新建工程?？紤]到核電廠的特殊性，不可盲目選取，需根據(jù)自身的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性分析和目的性、經(jīng)濟(jì)性的選擇。

結(jié)合核電廠自身整個(gè)水島系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置，選用折點(diǎn)加氯法作為氨氮去除的主工藝技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性，并且聯(lián)合離子交換法使用，可使非放射性生產(chǎn)性的氨氮廢水經(jīng)處理后回用至除鹽水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)核電廠水資源的綜合利用，節(jié)約核電廠的淡水資源。

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