核设施地面冲洗废水过滤系统优化研究

□冯 敏 赵 卷 任天屹

核设施放射性厂房在运行或检修过程中通常采用擦拭或生产水冲洗方式对被污染地面或设备表面进行清洗去污，由此产生了大量橙区地面冲洗水、运送废物的汽车房冲洗水等非工艺低放废水，这部分废水放射性水平较低，通常含有泥沙等固体杂质。这类废水一般需要过滤后送入低放废液蒸发系统进行蒸发浓缩处理。如果不采用过滤或者过滤工艺处理效果不佳，常常导致蒸发处理过程中蒸发器下出料口堵塞，使蒸发器不能正常卸料或可能导致蒸发器停运或直接损坏设备等，严重时甚至导致放射性废液泄漏，具有较大的安全隐患。

本文研究了一种地面冲洗废水过滤优化工艺，核心设备是过滤器，该过滤器集过滤、滤饼干燥、清洗为一体，工艺设备简单可靠，自动化程度高、二次废物量较少。试验过程中采用模拟料液代替核设施的地面冲洗废水，研究了过滤时间对过滤器压差、滤液出口流量以及滤饼厚度的影响，同时研究了干燥时间对滤饼含水率的影响。通过实验摸索出较佳的滤饼干燥时间和过滤器进出口压差控制范围，为该过滤系统的工程应用提供可参考的控制参数。

一、试验装置及试验过程

核设施地面冲洗废水过滤系统试验装置如图1所示。该系统由供料槽、过滤器、滤液收集槽、滤饼收集桶以及相应的输送泵等组成。设计装置的设计：试验装置的废液平均处理能力约为2m3/h，滤渣的含水率不大于40%。核心设备是过滤器，过滤器占地面积小，运行安全可靠，兼有过滤和干燥的功能，可以有效降低过滤后二次废物的体积。过滤器的滤芯材质是滤布，根据处理料液的性质选择合适过滤精度的滤布。本试验中滤布的过滤精度约20微米，滤布可以清洗。

图1 核设施地面冲洗废水过滤系统试验装置简图

过滤器的工作原理如下：废液输送至过滤器内，由外而内通过过滤器的滤材，杂质被拦截在滤材表面，干净的滤液进入滤液接收槽；当杂质积累到一定值即进出口压差达到程序设定值时，过滤完毕，通入压空对滤饼进行吹干，最后通过滤管反吹滤饼，滤饼自行脱落，排至滤饼收集槽。当滤材有破损或运行一段时间后过滤效果变差，可更换滤材。

试验过程：配料，开启设备，初步确定预过滤时间，形成有效滤饼层后进行正式过滤阶段，正式过滤包括：充液、滤布清洗、再充液、预过滤、正常过滤、压排、干燥、排渣。实验取样结束后继续下一周期。

过滤器的运行参数主要包括过滤器的进出口压差、滤液出口流量、操作时间等，过滤器的进出口压差通过压差变送器实时反馈，滤液出口流量通过流量计实时反馈，操作参数通过PLC画面设置控制。

试验目的：验证试验装置是否达到预定的设计指标；通过试验确定操作参数(过滤器压差、滤饼干燥时间等)。

试验中采用模拟料液代替实际的地面冲洗废水。在配制模拟料液时，采用石英砂模拟其中的固体颗粒物质，使废水中固含量范围为0.1%～5%。

进口固含量测试通过配料称重法得到；出口固含量测试通过对滤液取样、烘干称重法得到；滤饼含水率检测通过取样后对样品进行烘干称重法得到。固含量的计算公式如下：

(1)

(2)

二、结果与讨论

(一)过滤时间对过滤器压差的影响。图2是过滤时间对过滤器压差的影响曲线。待滤液是用800目的石英砂和生产水配制的模拟料液，固含量分别为0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%。从图2中可以看出：随着过滤时间的增加，压差增加。由于进料为气动隔膜泵，当气源不稳定或者系统中两台气动隔膜泵同时工作时，对于压差数值的测量是有影响的，数值有一定偏差，但是总体上是符合一定规律的。这是因为同样的滤布过滤时，在外力作用下，悬浮液中的连续相液体通过滤布的孔道，分散相固体颗粒被拦截在滤布上，固含量高的液体在相同的过滤时间内被滤布有效拦截固体颗粒的量更多，在滤布上形成的滤饼层更厚，滤液进口压力保持不变，则压差值增大。待滤液固含量越大，则过滤相同时间压差值越大，固含量分别为0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%的待滤液压差曲线都符合该规律。

图2 过滤时间对过滤器压差的影响

(二)过滤时间对过滤器滤液出口流量的影响。图3是过滤时间对过滤器出口流量的影响。待滤液是用800目的石英砂和生产水配制的模拟料液，固含量分别为0.1%、0.5%、1%、2%、3%、5%。如图3所示，在恒压过滤中，随着过滤时间的增加，固含量在0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%时的清液出口管线的瞬时流量降低。这是因为在恒压过滤过程中，当过滤压力和过滤介质阻力都不变的情况下，影响过滤流量的主要因素是滤饼的阻力。随着过滤时间的增加，滤饼厚度增加，从而使滤饼阻力不断增加，最终导致了过滤的瞬时流量随着过滤时间的增加而降低。待滤液固含量越高，则相同过滤时间内形成的滤饼厚度越厚，所以阻力越大，则出口流量越低。

图3 过滤时间对过滤器出口流量的影响

(三)过滤时间对过滤器滤饼厚度的影响。图4是过滤时间对滤饼厚度的影响曲线。500目石英砂和生产水配制2%固含量的模拟料液进行试验，进料压力2.5公斤。

如图4所示，随着过滤时间的增加，滤饼层厚度增加。这主要是因为同样的滤布过滤时，在外力作用下，悬浮液中连续相液体通过滤布孔道，分散相固体颗粒被拦截在滤布上，固含量相同的待滤液随着过滤时间的增加，被滤布有效拦截的固体颗粒量增加，所以在滤布上形成的滤饼层更厚。当然滤饼的厚度并不是一直随着过滤时间的增加而增加，当达到设定的终止压差，或者达到设定的过滤时间则过滤停止(压差优先，根据经验，过滤器进出口压差控制在100～350kPa。)，开始进行干燥排渣。

图4 过滤时间对滤饼厚度的影响

(四)干燥时间对滤饼含水率的影响。

图5是干燥时间对滤饼含水率的影响曲线图。500目石英砂和生产水配制2%固含量的模拟料液进行试验，试验基于相同的滤布和待滤液，过滤2小时，进气干燥时间分别是10min、15min、20min、25min和30min得到的数据。

图5 干燥时间对滤饼含水率的影响

从图5可以看出，随着干燥时间的增加，滤饼含水率降低。在滤饼干燥过程中会消耗压空，干燥时间越长压空耗气量越大，经济性变差，因此适宜的干燥时间较好。滤饼干燥30min，含水滤约为14%，远高于实验要求的40%含水率。滤饼干燥15min，滤饼含水率仍然满足<40%的要求，滤渣为干滤饼，满足后续固体废物处理的接收要求。根据大量试验研究，推荐15～20min的滤饼干燥时间。

三、结语

针对核设施运行或检修过程中产生的地面冲洗废水，本文研究了一种核设施地面冲洗废水过滤优化系统。该系统主要由供料槽、滤液收集槽、过滤器、滤饼收集桶以及相应的输送泵等组成。核心设备是过滤器，过滤器占地面积小，运行安全可靠，兼有过滤和干燥的功能，可以有效降低过滤后二次废物的体积。试验装置的废液平均处理能力约为2m3/h，滤渣的含水率不大于40%。

试验中选择了石英砂和生产水来配制模拟料液，模拟料液中固体颗粒物重量浓度分别为0.1%～5%。试验研究了不同工艺操作参数(过滤时间、干燥时间)对过滤效果的影响。研究结果表明：随着过滤时间的延长，压差不断增加，清液出口流量有降低的趋势，滤饼厚度有增加的趋势；随着滤饼干燥时间的延长，滤饼含水率降低。

通过试验最终确定合适的滤饼干燥时间为15～20min，过滤器的进出口压差控制在100～350kPa。