内陆核电厂硼的排放控制

方 岚,刘新华,吴 浩,张志银

(1.秦山第三核电有限公司,浙江海盐 314300;2.环境保护部核与辐射安全中心,北京 100082;3.中国核电工程有限公司,北京 100840)

硼是高等动植物正常生命活动所必需的微量元素,但硼过量就会产生负面影响,甚至中毒。在植物所必需的微量元素中,硼对植物的适用性和致害性之间的差距是最小的,因此硼在农业环境中的允许浓度的变幅非常狭窄[1]。大量的动物试验结果表明,硼酸对动物有急性毒性、慢性毒性和生殖毒性。美国已将硼列为环境雌激素优先研究的化学品之一[2]。2007年11月,中美科技合作项目“硼污染对男性生殖健康的影响”研究成果表明,对于发生不良生殖健康事件(包括男性不育及其配偶自然流产、宫外孕、出生婴儿先天性缺陷等),硼暴露组显著高于对照组。因此建议对硼高暴露人群作长期跟踪观察研究,建议有关国家食品法规中应加上禁止在食品中使用硼砂或硼酸作添加剂,以保证食品安全[10]。

硼酸广泛用于玻璃、搪瓷、医药、化妆品等工业,并用作食物防腐剂、消毒剂和杀虫剂等。由于硼酸化合物具有较高的水溶性,进入环境的硼大部分进入水体,造成地表水和地下水的污染,从而危害动植物生长和人类健康。例如用含硼量5.4～11.5 mg/kg的井水灌溉番茄5次,番茄将全株萎焉[3]。而人和牲畜饮用含硼量超过10 mg/kg的井水,则会引发“硼肠炎”,出现常年腹泻的症状[4]。

在压水堆核电厂中,硼用于反应性的化学补偿控制,硼通过废液处理系统处理后,最终随核电厂含氚和放射性核素的废液一起排入环境。本文通过比较CPR1000和AP1000工艺废液处理系统的设计,估算了核电厂硼的排放浓度和排放总量,探讨了内陆核电厂废液处理系统的设计改进思路,并以污水硼排放限值、硼环境质量标准为评价依据,分析了硼排放对受纳水体的影响,最后对内陆核电厂硼的排放控制提出建议。

1 硼排放标准和环境质量标准

1.1 污水硼排放标准

GB 8978—1996《污水综合排放标准》和美国联邦法规(40CFR423)[5]发布时间较早,标准中没有制定硼排放限值。随着硼危害的研究,近年来我国部分省市制定了硼排放地方标准,参见表1。辽宁省是中国硼行业大省,硼企业污水中硼浓度较高,约为0.99～928 m g/kg[2],须处理后才能排放,因此辽宁省是较早制定污水硼排放限值,也是目前能够查到的对污水硼排放控制要求较严的省份之一。核电厂主冷却剂流出液中硼浓度约为0～2 700m g/kg[8],也应处理后才能排放。目前美国大部分核电厂均对硼的排放进行监测和记录,有的核电厂还制定了硼排放指标,如美国印地安角核电厂,其放射性废水经处理后排入哈德逊河,硼排放指标为小于1mg/kg。通过比较国内外相关标准的要求,本文取5 mg/kg的硼排放限值作为评价依据。

表1 污水中硼的排放限值Table 1 Boron discharge lim its of contam inated water

1.2 硼环境质量标准

世界卫生组织1984年前发布的《饮用水国际标准》或《饮用水卫生准则》均没有硼浓度限值,1993年的《饮用水卫生准则》中,建立了硼的基于健康的准则值0.3 mg/kg。考虑到天然高硼地区,使用常规的饮用水处理技术(絮凝、沉淀和过滤)达到该准则值有一定困难,因此在1998年发布的准则补充本中,将指标修订为0.5m g/kg(暂行准则值)。我国对地表水和饮用水等也规定了硼浓度限值,参见表2。为便于比较,表中列出了辽宁省宽甸地区地表水[2]和海水的硼浓度范围。

表2 硼环境质量标准Table2 Environmental quality standard of boron

2 核电厂工艺废液处理系统的设计

2.1 工艺废液处理系统的设计

我国正在建造的压水堆核电站主要为CPR1000和AP1000,本文主要比较这两种堆型工艺废液处理系统的设计情况。

CPR1000工艺废液(主冷却剂流出液)处理系统包括了硼回收系统,主冷却剂流出液分为可复用排水和不可复用排水。可复用排水是指主冷却剂系统排出的未被空气污染的含硼、氢和裂变产物的反应堆冷却剂,这部分液体通过硼回收系统蒸发处理后,最终返回主冷却剂系统复用。不可复用排水是指主冷却剂系统排出的已暴露在空气中,低化学含量的放射性废液。这部分液体送往废液处理系统的工艺废液收集槽,经过滤和离子交换处理后排放[6-7]。

AP1000没有硼回收系统,主冷却剂流出液全部通过过滤和离子交换处理后排放[8]。由于树脂交换容量有限,且树脂对硼的离子交换选择系数较小,树脂很容易被高浓度硼饱和而失去对硼的净化能力,因此主冷却剂流出液中含的硼基本上全部排入环境。

CPR1000电厂是通过回收复用部分硼的方法来减少硼的排放;AP1000电厂主要是通过简化系统设计、减少含硼废液的产生量来减少硼的排放。但不论哪种设计,压水堆核电厂向环境排放硼都是不可避免的。

2.2 核电厂硼酸排放量

两种堆型产生的废水量和硼酸排放量参见表3,表中数据说明如下：

1)CPR1000设计废水量取自《宁德核电厂三、四号机组初步安全分析报告》[6];现实废水量为国内某M 310核电厂最近六年的运行经验值。采用M 310的运行数据,是因为CPR1000和M 310废液处理系统的设计基本相同,CPR1000电站正在建设中尚无运行数据;

2)表中 CPR1000硼浓度取自国内某M 310电厂废液收集槽最近三年的运行数据,因为M 310电站不监测废液排放槽的硼浓度,废液处理系统也没有硼浓度设计值,只能根据上游废液收集槽的硼浓度估算硼的排放量;

3)CPR1000硼回收系统只考虑基本负荷运行模式下的废水量,且假设蒸发装置产生的蒸馏液全部排放,硼浓度取蒸馏液设计值5 mg/kg;

4)AP1000数据取自《Sanm en Nuclear Power Plant Phase 1 Units 1&2 Preliminary Safety Analyses Report》[8]及相关审评材料,硼浓度取燃料循环前12个月硼浓度平均值。

表3 核电厂硼酸排放量(1台机组)Table 3 Discharge amount of boric acid of nuclear power p lant(oneunit)

由表3可知：

1)当放射性废液年排放量为3 000 t左右时,CPR1000和AP1000每台机组每年向环境排放的硼酸量分别为 2.4 t和5.2 t,由于CPR1000电站部分硼被回收复用,部分硼通过蒸发装置处理成蒸残液,被固定在水泥固化体中,所以排放总量低于AP1000;

2)根据《三门核电一期工程环境影响报告书》[9]的计算,AP1000每台机组每年硼酸排放量为6 t(硼约为1 t),与表中估算值基本一致;

3)CPR1000设计废水量比现实废水量高5倍左右,比较保守;

4)AP1000设计废水量与CPR1000的现实废水量相当,因AP1000电站正在建设中尚无运行数据,因此其设计废水量的合理性和保守性还有待验证。

2.3 核电厂总排口硼排放浓度

本文参照GB 8978—1996《污水综合排放标准》第二类污染物的控制要求,以电站总排口进行硼排放控制评价。电厂总排口的硼浓度主要由废液处理系统的设计和海水循环冷却水(或内陆冷却塔排污水)的流量决定。表4为废液排放槽和电厂总排口硼的最高排放浓度估算值,表中数据说明如下：

1)滨海核电厂海水循环冷却水设计流量：CPR1000每台机组为54 m3/s(194 400 m3/h)[6],AP1000为77.67 m3/s(279 600 m3/h)[8];

2)内陆电厂每台机组冷却塔排污流量以6 000 gpm(1 362.75 m3/h)[8]计算,这是AP1000针对放射性核素和硼的稀释所要求的最小流量;

3)硼浓度为设计换料硼浓度：CPR1000为2 100 mg/kg[6],AP1000为2 700mg/kg[8];

4)废液排放泵设计流量：CPR1000为170m3/h[6],AP1000为22.71 m3/h[8];

5)表中计算值不考虑冷却水硼背景浓度以及冷却塔循环水浓缩倍率和厂用水的稀释流量;

6)同一厂址不同季节因冷却塔排污水流量等参数的改变,硼浓度计算结果也会有所不同。

表4 核电厂硼排放浓度(双机组厂址)Table 4 Discharge concentration of boron of nuclear power p lant(for tw o-unit site)

由表4可知：

1)滨海核电厂海水循环冷却水流量较大,两种堆型电厂总排口硼浓度均远小于5 mg/kg的排放限值;

2)两种堆型内陆核电厂总排口硼浓度均大于5mg/kg的排放限值;

3)若CPR1000工艺废液采用蒸发处理替代离子交换处理,则总排口硼浓度可从18m g/kg降至1mg/kg以下,满足排放要求。

此外根据M 310滨海核电厂放射性废液排放管理规定[7],要求至少有一台循环冷却水泵运行且循环冷却水稀释倍数≥500倍时,才允许放射性废液排放,此项规定对放射性核素和硼的排放均适用。因为当两台机组均失去循环冷却水时,CPR1000和AP1000总排口的硼浓度最高可达140 mg/kg和1 800 mg/kg,远高于5mg/kg的硼排放限值。内陆核电厂也应制定相应的管理要求控制放射性核素和硼的排放。

3 内陆核电厂硼的排放控制

内陆核电厂硼的排放控制工作主要包括两方面：一是保证电厂总排口硼浓度满足污水硼排放限值的要求;二是保证电厂受纳水体硼浓度满足环境质量标准的要求。前者主要取决于冷却塔排污流量和放射性废液处理系统的设计;后者则取决于排水硼浓度、受纳水体稀释能力和硼背景浓度等。

3.1 内陆核电厂废液处理系统设计改进

虽然GB 8978—1996《污水综合排放标准》中对硼的排放限值没有规定,但从便于废液处理系统的标准化设计、减少因将来国家污水硼排放标准制定后带来的设计改进问题,同时也从审管的角度出发,建议在国家标准制定前,设计单位至少应按5 mg/kg硼排放限值进行废液处理系统的设计。

按目前滨海电站废液处理系统的设计,两种堆型电站总排口的硼浓度均大于5 m g/kg,应进行设计改进以提高硼的去污因子。如AP1000硼最高浓度为30 mg/kg,根据运行经验取保守控制因子为0.5,则应提高的去污因子为12(DF=30/5/0.5=12)。针对不同厂址,随冷却塔排污流量等参数的改变,硼浓度计算值和应提高的去污因子也不同。

设计改进可从两方面考虑：一是降低硼的排放流量;二是提高废液处理系统对硼的去污因子。前者通过增大废液储存能力(如设置大贮罐等)和降低废液排放泵流量来实现;后者利用除硼的水处理技术来提高硼的去污因子。目前对硼净化能力较好的水处理技术有蒸发处理和反渗透膜处理等。CPR1000原废液处理系统设计有蒸发处理装置,如果将工艺废液采用蒸发处理替代离子交换处理,即能满足内陆核电厂硼的排放要求,但需要平衡蒸发器的处理能力,估算二次废物的产生量等。总之核电厂在进行废液处理系统的设计改进时,应综合考虑系统对放射性核素、氚和硼的净化能力,并对厂房布置、系统接口、废物产生量和能耗等因素进行综合考虑。

3.2 内陆核电厂硼排放对水环境的影响

当放射性废液排放量为3 000 t左右时,CPR1000每台机组每年向环境排放的硼酸量约为2.4 t(硼0.42 t),按每台机组冷却塔排污流量6 000 gpm(0.38m3/s)[8]、每年运行7 000 h,按连续排放完全稀释进行计算,电厂总排口中硼的年均浓度为0.04mg/kg。AP1000电厂运行期间,每年每台机组向环境排放的硼酸量约为5.2 t(硼0.91 t),电厂总排放口中硼年均浓度为 0.08 mg/kg,均低于 GB 3838—2002《地表水环境质量标准》“集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值”中硼的标准值0.5m g/kg。但根据国内M 310电厂的运行经验,每台机组硼酸的年消耗量在1.9～11.4 t之间,平均消耗量高于2.4 t的计算值,说明硼的排放量还受废液排放量以及机组运行工况等因素的影响。考虑到核电厂硼排放总量较大,受纳水体作为宝贵的淡水资源,可能同时兼有农业灌溉和人畜饮用等多种功能,且WHO硼健康准则值为0.3mg/kg,建议核电厂根据厂址特点制定更严格的水环境质量控制值。

硼排放对受纳水体的稀释要求取决于硼排放浓度、水环境质量标准以及受纳水体硼背景浓度等。受纳水体的稀释因子需用复杂的数学模型进行计算,本文假设受纳水体硼背景浓度为零,且不考虑其他河流参数的影响,简单估算了硼排放对受纳水体的稀释能力要求,参见表5。当总排口硼浓度限值为5mg/kg,四机组厂址要求河流保证流量大于26 m3/s,才能满足0.3m g/kg的硼健康准则值。因此内陆核电厂选址时,应考虑枯水季节含硼废液的排放问题,并估算受纳水体对硼的稀释能力,以评价厂址的可行性。

表5 对受纳水体的稀释能力要求(双机组厂址)Table5 Dilution requirement for the receiving water(for two-unitsite)

3.3 污水硼排放指标制定探讨

国家和地方污水硼排放标准的制定是一项复杂的工作,首先应分析硼对人类和环境的危害,包括硼进入人类食物链产生的直接影响和硼进入生物链产生的间接影响等,并综合考虑水资源的利用、经济的发展、水处理技术的发展等因素。内陆核电厂还应根据不同的厂址特点,制定更严格的企业内部的硼排放标准,包括排放浓度和排放总量等,对于超出环境吸收能力的多余硼量,还应考虑采用除硼的水处理技术进行处理。

4 结束语

硼是压水堆核电厂中与放射性废液一起排放的特征化学污染物,而且排放量较大。因此,有必要对核电厂硼的排放进行控制,以保证电厂总排口硼浓度满足污水排放限值要求,并保证电厂受纳水体硼浓度满足环境质量标准要求。

电厂正常运行期间,当放射性废液年排放量在3 000 t左右时,CPR1000和AP1000每台机组每年向环境排放的硼酸量分别为2.4 t和5.2 t左右,但根据M 310电厂运行经验,一台机组每年硼酸的最高排放量可达11.4 t,硼的排放量随废液排放量的增加而增加。按目前滨海电站废液处理系统的设计,CPR1000和AP1000内陆核电厂总排口硼最高浓度均大于5m g/kg,应进行废液处理系统的设计改进以适应内陆核电厂的排放要求。

电厂总排口硼排放浓度越高、受纳水体硼背景浓度越高、同一厂址机组越多,对河流保证流量的要求就越大。若总排口硼浓度限值为5m g/kg,对四机组厂址要求河流保证流量大于26m3/s,才能满足0.3 mg/kg的硼健康准则值。

最后提出以下几点建议：

1)开展污水硼排放限值的研究工作,在GB 8978《污水综合排放标准》或相关地方污水排放标准中增加硼的排放限值,为内陆核电厂废液处理系统的工艺设计和技术审评工作提供依据;

2)在未修订GB 8978—1996《污水综合排放标准》之前,设计单位至少应按5m g/kg的硼排放限值进行废液处理系统的设计。地方污水排放标准已有要求的,则执行地方污水排放标准;

3)考虑到核电厂硼排放总量较大,且WHO硼健康准则值为0.3mg/kg,建议核电厂根据厂址特点制定更严格的水环境质量控制值;

4)内陆核电厂选址时,应开展环境受纳水体硼的背景浓度调查,并考虑枯水季节含硼废液的排放问题,同时估算受纳水体对硼的稀释能力,以评价厂址的可行性;

5)内陆核电厂在进行废液处理系统设计改进时,应考虑系统对硼的净化能力,使改进后的废液处理系统既满足放射性核素和氚的排放要求,也满足硼的排放要求。

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[4] 郑泽群,等.西安产河地区硼污染研究[J].土壤通报,1980,3：38-40.

[5] 40 CFR 423,Protection of Environmen t,Steam Electric Power Generating Point Sou rce Category[S].40 CFR Ch.1(7-1-03 Edition).

[6] 宁德核电有限公司.宁德核电厂三、四号机组初步安全分析报告[R].2008.

[7] 岭东核电有限公司.岭澳核电站三、四号机组最终安全分析报告[R].2009.

[8] Sanmen Nuc lear Power Company Ltd.Sanmen Nuclear Power Plan t Phase1 Units 1&2 Preliminary Safety Analyses Report[R].2008.

[9] 三门核电有限公司.三门核电一期工程环境影响报告书(设计阶段)[R].2008.

[10]魏复盛,RobbinsW A,等.硼污染对男性生殖健康的影响[M].北京：中国环境出版社,2008：146-147.