方 嵐,劉新華,吳 浩,張志銀

(1.秦山第三核電有限公司,浙江海鹽 314300;2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,北京 100082;3.中國核電工程有限公司,北京 100840)

硼是高等動植物正常生命活動所必需的微量元素,但硼過量就會產(chǎn)生負(fù)面影響,甚至中毒。在植物所必需的微量元素中,硼對植物的適用性和致害性之間的差距是最小的,因此硼在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的允許濃度的變幅非常狹窄[1]。大量的動物試驗結(jié)果表明,硼酸對動物有急性毒性、慢性毒性和生殖毒性。美國已將硼列為環(huán)境雌激素優(yōu)先研究的化學(xué)品之一[2]。2007年11月,中美科技合作項目“硼污染對男性生殖健康的影響”研究成果表明,對于發(fā)生不良生殖健康事件(包括男性不育及其配偶自然流產(chǎn)、宮外孕、出生嬰兒先天性缺陷等),硼暴露組顯著高于對照組。因此建議對硼高暴露人群作長期跟蹤觀察研究,建議有關(guān)國家食品法規(guī)中應(yīng)加上禁止在食品中使用硼砂或硼酸作添加劑,以保證食品安全[10]。

硼酸廣泛用于玻璃、搪瓷、醫(yī)藥、化妝品等工業(yè),并用作食物防腐劑、消毒劑和殺蟲劑等。由于硼酸化合物具有較高的水溶性,進(jìn)入環(huán)境的硼大部分進(jìn)入水體,造成地表水和地下水的污染,從而危害動植物生長和人類健康。例如用含硼量5.4～11.5 mg/kg的井水灌溉番茄5次,番茄將全株萎焉[3]。而人和牲畜飲用含硼量超過10 mg/kg的井水,則會引發(fā)“硼腸炎”,出現(xiàn)常年腹瀉的癥狀[4]。

在壓水堆核電廠中,硼用于反應(yīng)性的化學(xué)補償控制,硼通過廢液處理系統(tǒng)處理后,最終隨核電廠含氚和放射性核素的廢液一起排入環(huán)境。本文通過比較CPR1000和AP1000工藝廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計,估算了核電廠硼的排放濃度和排放總量,探討了內(nèi)陸核電廠廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)思路,并以污水硼排放限值、硼環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為評價依據(jù),分析了硼排放對受納水體的影響,最后對內(nèi)陸核電廠硼的排放控制提出建議。

1 硼排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.1 污水硼排放標(biāo)準(zhǔn)

GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》和美國聯(lián)邦法規(guī)(40CFR423)[5]發(fā)布時間較早,標(biāo)準(zhǔn)中沒有制定硼排放限值。隨著硼危害的研究,近年來我國部分省市制定了硼排放地方標(biāo)準(zhǔn),參見表1。遼寧省是中國硼行業(yè)大省,硼企業(yè)污水中硼濃度較高,約為0.99～928 m g/kg[2],須處理后才能排放,因此遼寧省是較早制定污水硼排放限值,也是目前能夠查到的對污水硼排放控制要求較嚴(yán)的省份之一。核電廠主冷卻劑流出液中硼濃度約為0～2 700m g/kg[8],也應(yīng)處理后才能排放。目前美國大部分核電廠均對硼的排放進(jìn)行監(jiān)測和記錄,有的核電廠還制定了硼排放指標(biāo),如美國印地安角核電廠,其放射性廢水經(jīng)處理后排入哈德遜河,硼排放指標(biāo)為小于1mg/kg。通過比較國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,本文取5 mg/kg的硼排放限值作為評價依據(jù)。

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

1.2 硼環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

世界衛(wèi)生組織1984年前發(fā)布的《飲用水國際標(biāo)準(zhǔn)》或《飲用水衛(wèi)生準(zhǔn)則》均沒有硼濃度限值,1993年的《飲用水衛(wèi)生準(zhǔn)則》中,建立了硼的基于健康的準(zhǔn)則值0.3 mg/kg?？紤]到天然高硼地區(qū),使用常規(guī)的飲用水處理技術(shù)(絮凝、沉淀和過濾)達(dá)到該準(zhǔn)則值有一定困難,因此在1998年發(fā)布的準(zhǔn)則補充本中,將指標(biāo)修訂為0.5m g/kg(暫行準(zhǔn)則值)。我國對地表水和飲用水等也規(guī)定了硼濃度限值,參見表2。為便于比較,表中列出了遼寧省寬甸地區(qū)地表水[2]和海水的硼濃度范圍。

表2 硼環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Table2 Environmental quality standard of boron

2 核電廠工藝廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 工藝廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計

我國正在建造的壓水堆核電站主要為CPR1000和AP1000,本文主要比較這兩種堆型工藝廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計情況。

CPR1000工藝廢液(主冷卻劑流出液)處理系統(tǒng)包括了硼回收系統(tǒng),主冷卻劑流出液分為可復(fù)用排水和不可復(fù)用排水?？蓮?fù)用排水是指主冷卻劑系統(tǒng)排出的未被空氣污染的含硼、氫和裂變產(chǎn)物的反應(yīng)堆冷卻劑,這部分液體通過硼回收系統(tǒng)蒸發(fā)處理后,最終返回主冷卻劑系統(tǒng)復(fù)用。不可復(fù)用排水是指主冷卻劑系統(tǒng)排出的已暴露在空氣中,低化學(xué)含量的放射性廢液。這部分液體送往廢液處理系統(tǒng)的工藝廢液收集槽,經(jīng)過濾和離子交換處理后排放[6-7]。

AP1000沒有硼回收系統(tǒng),主冷卻劑流出液全部通過過濾和離子交換處理后排放[8]。由于樹脂交換容量有限,且樹脂對硼的離子交換選擇系數(shù)較小,樹脂很容易被高濃度硼飽和而失去對硼的凈化能力,因此主冷卻劑流出液中含的硼基本上全部排入環(huán)境。

CPR1000電廠是通過回收復(fù)用部分硼的方法來減少硼的排放;AP1000電廠主要是通過簡化系統(tǒng)設(shè)計、減少含硼廢液的產(chǎn)生量來減少硼的排放。但不論哪種設(shè)計,壓水堆核電廠向環(huán)境排放硼都是不可避免的。

2.2 核電廠硼酸排放量

兩種堆型產(chǎn)生的廢水量和硼酸排放量參見表3,表中數(shù)據(jù)說明如下：

1)CPR1000設(shè)計廢水量取自《寧德核電廠三、四號機(jī)組初步安全分析報告》[6];現(xiàn)實廢水量為國內(nèi)某M 310核電廠最近六年的運行經(jīng)驗值。采用M 310的運行數(shù)據(jù),是因為CPR1000和M 310廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計基本相同,CPR1000電站正在建設(shè)中尚無運行數(shù)據(jù);

2)表中 CPR1000硼濃度取自國內(nèi)某M 310電廠廢液收集槽最近三年的運行數(shù)據(jù),因為M 310電站不監(jiān)測廢液排放槽的硼濃度,廢液處理系統(tǒng)也沒有硼濃度設(shè)計值,只能根據(jù)上游廢液收集槽的硼濃度估算硼的排放量;

3)CPR1000硼回收系統(tǒng)只考慮基本負(fù)荷運行模式下的廢水量,且假設(shè)蒸發(fā)裝置產(chǎn)生的蒸餾液全部排放,硼濃度取蒸餾液設(shè)計值5 mg/kg;

4)AP1000數(shù)據(jù)取自《Sanm en Nuclear Power Plant Phase 1 Units 1&2 Preliminary Safety Analyses Report》[8]及相關(guān)審評材料,硼濃度取燃料循環(huán)前12個月硼濃度平均值。

表3 核電廠硼酸排放量(1臺機(jī)組)Table 3 Discharge amount of boric acid of nuclear power p lant(oneunit)

由表3可知：

1)當(dāng)放射性廢液年排放量為3 000 t左右時,CPR1000和AP1000每臺機(jī)組每年向環(huán)境排放的硼酸量分別為 2.4 t和5.2 t,由于CPR1000電站部分硼被回收復(fù)用,部分硼通過蒸發(fā)裝置處理成蒸殘液,被固定在水泥固化體中,所以排放總量低于AP1000;

2)根據(jù)《三門核電一期工程環(huán)境影響報告書》[9]的計算,AP1000每臺機(jī)組每年硼酸排放量為6 t(硼約為1 t),與表中估算值基本一致;

3)CPR1000設(shè)計廢水量比現(xiàn)實廢水量高5倍左右,比較保守;

4)AP1000設(shè)計廢水量與CPR1000的現(xiàn)實廢水量相當(dāng),因AP1000電站正在建設(shè)中尚無運行數(shù)據(jù),因此其設(shè)計廢水量的合理性和保守性還有待驗證。

2.3 核電廠總排口硼排放濃度

本文參照GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》第二類污染物的控制要求,以電站總排口進(jìn)行硼排放控制評價。電廠總排口的硼濃度主要由廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計和海水循環(huán)冷卻水(或內(nèi)陸冷卻塔排污水)的流量決定。表4為廢液排放槽和電廠總排口硼的最高排放濃度估算值,表中數(shù)據(jù)說明如下：

1)濱海核電廠海水循環(huán)冷卻水設(shè)計流量：CPR1000每臺機(jī)組為54 m3/s(194 400 m3/h)[6],AP1000為77.67 m3/s(279 600 m3/h)[8];

2)內(nèi)陸電廠每臺機(jī)組冷卻塔排污流量以6 000 gpm(1 362.75 m3/h)[8]計算,這是AP1000針對放射性核素和硼的稀釋所要求的最小流量;

3)硼濃度為設(shè)計換料硼濃度：CPR1000為2 100 mg/kg[6],AP1000為2 700mg/kg[8];

4)廢液排放泵設(shè)計流量：CPR1000為170m3/h[6],AP1000為22.71 m3/h[8];

5)表中計算值不考慮冷卻水硼背景濃度以及冷卻塔循環(huán)水濃縮倍率和廠用水的稀釋流量;

6)同一廠址不同季節(jié)因冷卻塔排污水流量等參數(shù)的改變,硼濃度計算結(jié)果也會有所不同。

表4 核電廠硼排放濃度(雙機(jī)組廠址)Table 4 Discharge concentration of boron of nuclear power p lant(for tw o-unit site)

由表4可知：

1)濱海核電廠海水循環(huán)冷卻水流量較大,兩種堆型電廠總排口硼濃度均遠(yuǎn)小于5 mg/kg的排放限值;

2)兩種堆型內(nèi)陸核電廠總排口硼濃度均大于5mg/kg的排放限值;

3)若CPR1000工藝廢液采用蒸發(fā)處理替代離子交換處理,則總排口硼濃度可從18m g/kg降至1mg/kg以下,滿足排放要求。

此外根據(jù)M 310濱海核電廠放射性廢液排放管理規(guī)定[7],要求至少有一臺循環(huán)冷卻水泵運行且循環(huán)冷卻水稀釋倍數(shù)≥500倍時,才允許放射性廢液排放,此項規(guī)定對放射性核素和硼的排放均適用。因為當(dāng)兩臺機(jī)組均失去循環(huán)冷卻水時,CPR1000和AP1000總排口的硼濃度最高可達(dá)140 mg/kg和1 800 mg/kg,遠(yuǎn)高于5mg/kg的硼排放限值。內(nèi)陸核電廠也應(yīng)制定相應(yīng)的管理要求控制放射性核素和硼的排放。

3 內(nèi)陸核電廠硼的排放控制

內(nèi)陸核電廠硼的排放控制工作主要包括兩方面：一是保證電廠總排口硼濃度滿足污水硼排放限值的要求;二是保證電廠受納水體硼濃度滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。前者主要取決于冷卻塔排污流量和放射性廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計;后者則取決于排水硼濃度、受納水體稀釋能力和硼背景濃度等。

3.1 內(nèi)陸核電廠廢液處理系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)

雖然GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中對硼的排放限值沒有規(guī)定,但從便于廢液處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、減少因?qū)韲椅鬯鹋欧艠?biāo)準(zhǔn)制定后帶來的設(shè)計改進(jìn)問題,同時也從審管的角度出發(fā),建議在國家標(biāo)準(zhǔn)制定前,設(shè)計單位至少應(yīng)按5 mg/kg硼排放限值進(jìn)行廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計。

按目前濱海電站廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計,兩種堆型電站總排口的硼濃度均大于5 m g/kg,應(yīng)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)以提高硼的去污因子。如AP1000硼最高濃度為30 mg/kg,根據(jù)運行經(jīng)驗取保守控制因子為0.5,則應(yīng)提高的去污因子為12(DF=30/5/0.5=12)。針對不同廠址,隨冷卻塔排污流量等參數(shù)的改變,硼濃度計算值和應(yīng)提高的去污因子也不同。

設(shè)計改進(jìn)可從兩方面考慮：一是降低硼的排放流量;二是提高廢液處理系統(tǒng)對硼的去污因子。前者通過增大廢液儲存能力(如設(shè)置大貯罐等)和降低廢液排放泵流量來實現(xiàn);后者利用除硼的水處理技術(shù)來提高硼的去污因子。目前對硼凈化能力較好的水處理技術(shù)有蒸發(fā)處理和反滲透膜處理等。CPR1000原廢液處理系統(tǒng)設(shè)計有蒸發(fā)處理裝置,如果將工藝廢液采用蒸發(fā)處理替代離子交換處理,即能滿足內(nèi)陸核電廠硼的排放要求,但需要平衡蒸發(fā)器的處理能力,估算二次廢物的產(chǎn)生量等。總之核電廠在進(jìn)行廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)時,應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)對放射性核素、氚和硼的凈化能力,并對廠房布置、系統(tǒng)接口、廢物產(chǎn)生量和能耗等因素進(jìn)行綜合考慮。

3.2 內(nèi)陸核電廠硼排放對水環(huán)境的影響

當(dāng)放射性廢液排放量為3 000 t左右時,CPR1000每臺機(jī)組每年向環(huán)境排放的硼酸量約為2.4 t(硼0.42 t),按每臺機(jī)組冷卻塔排污流量6 000 gpm(0.38m3/s)[8]、每年運行7 000 h,按連續(xù)排放完全稀釋進(jìn)行計算,電廠總排口中硼的年均濃度為0.04mg/kg。AP1000電廠運行期間,每年每臺機(jī)組向環(huán)境排放的硼酸量約為5.2 t(硼0.91 t),電廠總排放口中硼年均濃度為 0.08 mg/kg,均低于 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》“集中式生活飲用水地表水源地特定項目標(biāo)準(zhǔn)限值”中硼的標(biāo)準(zhǔn)值0.5m g/kg。但根據(jù)國內(nèi)M 310電廠的運行經(jīng)驗,每臺機(jī)組硼酸的年消耗量在1.9～11.4 t之間,平均消耗量高于2.4 t的計算值,說明硼的排放量還受廢液排放量以及機(jī)組運行工況等因素的影響?？紤]到核電廠硼排放總量較大,受納水體作為寶貴的淡水資源,可能同時兼有農(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲用等多種功能,且WHO硼健康準(zhǔn)則值為0.3mg/kg,建議核電廠根據(jù)廠址特點制定更嚴(yán)格的水環(huán)境質(zhì)量控制值。

硼排放對受納水體的稀釋要求取決于硼排放濃度、水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及受納水體硼背景濃度等。受納水體的稀釋因子需用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算,本文假設(shè)受納水體硼背景濃度為零,且不考慮其他河流參數(shù)的影響,簡單估算了硼排放對受納水體的稀釋能力要求,參見表5。當(dāng)總排口硼濃度限值為5mg/kg,四機(jī)組廠址要求河流保證流量大于26 m3/s,才能滿足0.3m g/kg的硼健康準(zhǔn)則值。因此內(nèi)陸核電廠選址時,應(yīng)考慮枯水季節(jié)含硼廢液的排放問題,并估算受納水體對硼的稀釋能力,以評價廠址的可行性。

表5 對受納水體的稀釋能力要求(雙機(jī)組廠址)Table5 Dilution requirement for the receiving water(for two-unitsite)

3.3 污水硼排放指標(biāo)制定探討

國家和地方污水硼排放標(biāo)準(zhǔn)的制定是一項復(fù)雜的工作,首先應(yīng)分析硼對人類和環(huán)境的危害,包括硼進(jìn)入人類食物鏈產(chǎn)生的直接影響和硼進(jìn)入生物鏈產(chǎn)生的間接影響等,并綜合考慮水資源的利用、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、水處理技術(shù)的發(fā)展等因素。內(nèi)陸核電廠還應(yīng)根據(jù)不同的廠址特點,制定更嚴(yán)格的企業(yè)內(nèi)部的硼排放標(biāo)準(zhǔn),包括排放濃度和排放總量等,對于超出環(huán)境吸收能力的多余硼量,還應(yīng)考慮采用除硼的水處理技術(shù)進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

硼是壓水堆核電廠中與放射性廢液一起排放的特征化學(xué)污染物,而且排放量較大。因此,有必要對核電廠硼的排放進(jìn)行控制,以保證電廠總排口硼濃度滿足污水排放限值要求,并保證電廠受納水體硼濃度滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

電廠正常運行期間,當(dāng)放射性廢液年排放量在3 000 t左右時,CPR1000和AP1000每臺機(jī)組每年向環(huán)境排放的硼酸量分別為2.4 t和5.2 t左右,但根據(jù)M 310電廠運行經(jīng)驗,一臺機(jī)組每年硼酸的最高排放量可達(dá)11.4 t,硼的排放量隨廢液排放量的增加而增加。按目前濱海電站廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計,CPR1000和AP1000內(nèi)陸核電廠總排口硼最高濃度均大于5m g/kg,應(yīng)進(jìn)行廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)以適應(yīng)內(nèi)陸核電廠的排放要求。

電廠總排口硼排放濃度越高、受納水體硼背景濃度越高、同一廠址機(jī)組越多,對河流保證流量的要求就越大。若總排口硼濃度限值為5m g/kg,對四機(jī)組廠址要求河流保證流量大于26m3/s,才能滿足0.3 mg/kg的硼健康準(zhǔn)則值。

最后提出以下幾點建議：

1)開展污水硼排放限值的研究工作,在GB 8978《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》或相關(guān)地方污水排放標(biāo)準(zhǔn)中增加硼的排放限值,為內(nèi)陸核電廠廢液處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計和技術(shù)審評工作提供依據(jù);

2)在未修訂GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》之前,設(shè)計單位至少應(yīng)按5m g/kg的硼排放限值進(jìn)行廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計。地方污水排放標(biāo)準(zhǔn)已有要求的,則執(zhí)行地方污水排放標(biāo)準(zhǔn);

3)考慮到核電廠硼排放總量較大,且WHO硼健康準(zhǔn)則值為0.3mg/kg,建議核電廠根據(jù)廠址特點制定更嚴(yán)格的水環(huán)境質(zhì)量控制值;

4)內(nèi)陸核電廠選址時,應(yīng)開展環(huán)境受納水體硼的背景濃度調(diào)查,并考慮枯水季節(jié)含硼廢液的排放問題,同時估算受納水體對硼的稀釋能力,以評價廠址的可行性;

5)內(nèi)陸核電廠在進(jìn)行廢液處理系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)時,應(yīng)考慮系統(tǒng)對硼的凈化能力,使改進(jìn)后的廢液處理系統(tǒng)既滿足放射性核素和氚的排放要求,也滿足硼的排放要求。

[1] 劉同仇,等.農(nóng)業(yè)環(huán)境中硼毒害的幾個問題[J].華中農(nóng)學(xué)院學(xué)報,1983,6(3)：96-100.

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