Источниками антропогенного радиоактивного загрязнения поверхностных вод могут являться радиоактивные сточные воды, образующиеся при применении изотопов в технике и медицине; отходы топливного и охлаждающего циклов реакторов ядерных установок, радиоактивные выпадения после испытаний ядерных устройств на полигонах.
В процессе добычи урановой (U) и ториевой (Th) руд и их последующего обогащения и химической обработки методами осаждения, экстракции и полного обмена образуются жидкие отходы, которые в случае недостаточной их очистки и сброса в поверхностные водоисточники являются радиоактивными загрязнителями.
С увеличением количества атомных электростанций, даже при нормальных условиях их эксплуатации и тем более при аварийных мелких ситуациях, следует опасаться возможности повышения радиоактивного загрязнения охлаждающей воды во внешнем контуре, а следовательно — через нее и поверхностного водоисточника.
Содержание естественных радиоактивных изотопов, в частности урана и радия в поверхностных водах разных стран, колеблется в широких пределах: U = (0,02—14,0)х10-6 г/л и Ra = (0,01-86)х10-12 кюри/л.
На распределение радиоактивных потоков в водоемах оказывают существенное влияние пресноводная гидробионта, способная концентрировать наведенную радиоактивность и продукты распада радиоактивных веществ.
Для прогнозирования вероятных форм существования радиоактивных изотопов (уран, плутоний, торий, стронций, цезий и др.) в воде поверхностных и подземных водоисточников большое значение имеют данные по исходным формам нахождения изотопов в радиоактивных отходах и почвах среди изученных и применяемых методов очистки воды от радиоактивных загрязнений (в частности, стронция), находятся методы соосаждения радиоактивных элементов с кристаллическими осадками, их адсорбции на кристаллических осадках, умягчение, очистка с помощью сорбентов и ионообменных смол, электродиализ, флотация.
Механизм соосаждения сопровождается захватом радиоактивного элемента в результате его адсорбции на растущих гранях кристаллического осадка при выделении последнего из раствора. Принцип действия таких механизмов в системах при обработке воды различными коагулирующими соединениями могут служить системы
Процессы сокристаллизации характеризуются коэффициентом, показывающим, во сколько раз отношение между количеством микро- и макрокомпонентов в кристаллах больше или меньше, чем аналогичное отношение в равновесном растворе. Иными словами, характеризует ситуацию, происходит или нет концентрирование радиоактивных элементов в твердой фазе.
Удаление из воды изотопов стронция 90Sr и 89Sr можно осуществить в процессе умягчения воды содово-известковым способом при высокой температуре. Так, при концентрации стронция до 2-3 мг/л и доведении концентрации соды и извести в обрабатываемой воде до 20-150 мг/л при pH = 9,8-10,2 степень очистки по стронцию достигается в пределах от 75 до 85% соответственно.
Очистку воды от радиоактивных изотопов (в частности, цезия) полным обменом на смолах целесообразно сочетать с предварительной коагуляцией и фильтрованием через инертную и сорбционную загрузки. Имеются данные об эффективной очистке загрязненной воды с удельной радиоактивностью до 4*10-3 кюри /л, создаваемой изотопами 137Cs, 131J, 90Sr и свежеоблученного урана методом контактной коагуляции и фильтрования через две ступени песчаного фильтра с последующей обработкой на ионообменном фильтре со смешанной загрузкой (JR-120 в Н+ и Na+форме и АВ 47 в ОН— и Сl— форме) с толщиной слоя 150 см при скоростях фильтрования 6-8 м/ч.
При двухстадийном обессоливании радиоактивно-загрязненных вод в электродиализной установке при pH = 2,5-3,5 их P-активность снижалась с (1–50)* 10-7 до 1*10-9 кюри/л, а содержание 90Sr с (1-5)-10-8 до 1*10-11 кюри/л. Однако с экономической точки зрения этот метод целесообразно применять при относительно небольших производительностях очистных установок.
Наиболее простым и распространенным методом очистки больших количеств радиоактивно-загрязненных природных вод является адсорбция на сорбентах природного происхождения. Именно этот метод нашел наибольшее применение для защиты вод на водоочистных водопроводных станциях Днестровского каскада на водоочистных водопроводных станциях после чернобыльской катастрофы. Сорбция радиоактивных элементов осуществляется как в статических условиях (при вводе порошковых сорбентов типа перлит, доломит, диатомит в воду), так и в динамических условиях — при фильтровании воды через слой гранулированного сорбента с толщиной до 2,5 м.
При выборе сорбента учитывают помимо физико-химической его устойчивости в водной среде радиационную его стойкость и сообразность его возможной регенерации и проблему захоронения. Способность сорбционного материала поглощать тот или иной радиоактивный изотоп оценивается коэффициентом распределения Kd, определяемым по формуле
Kd=г/aр=(aо-ар)v/aрm
где г — масса твердой фазы; ар — равновесная удельная активность раствора; аo — удельная активность исходного раствора; v — объем жидкой фазы; m — масса сорбента.
В практике очистки воды от радиоактивных загрязнений используют природные неорганические сорбенты (доломит, вермикулит, монтмориллонит, бентонит и др.), искусственные неорганические сорбенты (ионообменные смолы) и природные органические сорбенты.
Наиболее широкое применение в практике находит полуобожженный доломит (магномасса).
На эффект сорбции различных изотопов влияет степень термической обработки доломита.
Влияние термической обработки доломита на его сорбционную способность
Ряд природных сорбентов обладают индивидуальной сорбционной активностью по отношению к тому или иному изотопу.
Так, широко применяемый на практике природный цеолит-клиноптиломит может извлечь до 99% 137Cs одним объемом из 5*104 объема воды, содержащей ~25 мг/л Са2+и Mg2+. Его объемная емкость в динамических условиях составляет ~1,6 мг-экв/г.
Одним из простейших методов очистки воды от радиоактивных загрязнений является ее фильтрование через дерновый луговой почвенный слой.
При толщине такого слоя 2-5 см фильтрация обеспечила очистку речной воды от 99Sr на 87-96% при остаточной концентрации изотопов в воде (4-6,5)* 10—13 кюри /л.
Очистка питьевой воды, содержащей в том числе и радиоактивные изотопы, на промышленных станциях реализуется, как правило, на многоступенчатых технологиях. Пример такой технологии, предназначенной для очистки поверхностных вод в чрезвычайных ситуациях от радиоактивных, бактериологических и химических загрязнений, приведен на рисунке.
Схема установки для очистки питьевой воды от радиоактивных, бактериологических и химических загрязнений
А — емкость для загрязненной воды; Б — фильтр с металлической стружкой; В — мелкопористый слоистый фильтр; Г — фильтр с активированным углем; Д — фильтр со смешанным слоем ионообменных смол; Е — приемник для очищенной воды.
Технологическая схема, включающая водонагреватель, почвенные сорбентные отстойники, намывные фильтры, электролизер, катионитовый фильтр в Na+ форме и дехлоратор, обеспечивает при удельном расходе обрабатываемой воды 10 м3/ч — не менее 99%- ный эффект очистки. При этом доза почвенного сорбента составляет не менее 20 г/л.
Следует отметить, что в преобладающем числе вариантов радиоактивного загрязнения водоисточника комплекс водоочистки включает в себя блоки объемной и контактной коагуляции, осветление во взвешенном слое или на зернистых фильтрах и доочистку на ионообменных смолах.