Установка пиковолновой обработки для обеззараживания сточных вод бактериологически опасных объектов

Ткаченко В. И., Дюльдя С. В., Научно-производственный комплекс «Возобновляемые источники энергии и ресурсосберегающие технологии» Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина
Клочков Е. П., Рисованый В. Д., Государственный научный центр «Научно-исследовательский институт атомных реакторов», Димитровград, Ульяновская обл., Россия

Пиковолновая (гамма-радиационная) обработка признана МАГАТЭ одним из наиболее эффективных способов обеспечения экологической безопасности продуктов, направленным, в конечном счете, на повышение качества жизни населения. Установки на основе этого способа применяют более полувека. Почти в 60 странах мира их используют для обработки пищевой, медицинской и сельскохозяйственной продукции, полимеров, парфюмерии и т. д.

Особое место занимают устройства, предназначенные для обработки жидких сред — технической воды теплообменников, бытовых сточных вод, сточных вод животноводческих комплексов и т. д. Основным гамма-излучателем этих устройств является радионуклид кобальта (⁶⁰Со), характеризующийся большой интенсивностью гамма-излучения и периодом полураспада 5,27 года. Поскольку цена ⁶⁰Со весьма высока (1,0—1,5 дол. США за 1 Ки активности), стоимость обработки воды сравнима с традиционными химическими методами — хлорированием, озонированием и др.

Существенное (в 2—5 раз) снижение затрат на сооружение и эксплуатацию таких установок можно достичь путем замены ⁶⁰Со более дешевыми радионуклидами европия: ¹⁵²Eu и ¹⁵⁴Eu. Природный европий активируется в атомных реакторах при использовании его по прямому назначению — как поглотителя нейтронов. Поэтому при изготовлении гамма-источников исключаются затраты на облучение европия, которые на 80—90 % определяют стоимость гамма-излучателя и в значительной степени — конечную стоимость гамма-установки.

На протяжении ряда лет разработки новых промышленных гамма-источников на основе радионуклидов европия ведутся в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (ГНЦ РФ «НИИАР», Россия) в тесном сотрудничестве со специалистами Всероссийского научно-исследовательского института технической физики и автоматизации (ВННИТФА, Россия) и Научно-производственного комплекса «Возобновляемые источники энергии и ресурсосберегающие технологии» Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» (НПК «ВИЭРТ» ННЦ «ХФТИ») НАН Украины. В ГНЦ РФ «НИИАР» созданы и сертифицированы в РФ европиевые гамма-источники серии ГИЕ на основе отработанных нейтронопоглощающих элементов российских атомных реакторов.

Период полураспада радионуклидов европия ¹⁵²Eu и ¹⁵⁴Eu больше, чем ⁶⁰Со (13,54 и 8,59 лет), а проникающая способность и интенсивность излучения сравнимы с ⁶⁰Со. Как показали проведенные в ННЦ «ХФТИ» ядерно-физические расчеты (рис. 1), при суммарной активности излучателя порядка 10⁶ Ки мощность поглощенной дозы в воде естественной плотности вполне достаточна для обеспечения непрерывной обработки (обеззараживания) больших объемов сточных вод бактериологически опасных объектов.

В ГНЦ РФ «НИИАР» на специально созданной установке проведены испытания по обработке речной воды и городских сточных вод с использованием гамма-источников на основе отработавших поглощающих элементов стержней СУЗ исследовательского реактора СМ-2. Облучение проводили до максимальной поглощенной дозы 1,6 кГр. Пиковолновая обработка обеспечила уменьшение коли-индекса воды более чем в 10⁶ раз. На рис. 2 приведены результаты обработки воды гамма-источниками на основе европия.

Процесс обеззараживания носит пороговый характер с инкубационной дозой и выходом на насыщение. В зависимости от качества исходной воды для дезинфекции требуется поглощенная доза 0,2—1,0 кГр. Наиболее эффективна пиковолновая обработка сильнозагрязненных сточных вод (см. рис. 2). Таким образом, экспериментально подтверждена возможность использования для обеззараживания воды новых, более экономичных гамма-источников на основе европия.

С учетом результатов проведенных экспериментов разработан проект модульной установки непрерывной пиковолновой обработки сточных вод. Схема модуля установки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема модуля пилотной гамма-установки для пиковолновой обработки сточных вод на основе источников гамма-излучения с радионуклидами европия:

1 — реакционная камера; 2 — облучатель; 3 — защитные плиты; 4 — каналы с защитными пробками; 5 — гидроакустическое устройство; 6 — приемная емкость; 7 — камера облучения
 

Подземное размещение установки обеспечивает радиационную и экологическую безопас­ность. Характеристики установки:
—   размеры рабочей камеры 4,0 х 4,0 х 2,0 м;
—   суммарная активность европиевых гамма-излучателей 6 МКи;
— производительность в режиме дезинфекции при снижении коли-индекса в 10⁶ раз — 4 300 м³/сут, при снижении коли-индекса в 10³—10⁴ раз — 6 000 м³/сут.

Благодаря большим периодам полураспада радионуклидов европия установка рассчитана на 25 лет эксплуатации без перезагрузки излучателя и при минимальном обслуживании. В зависимости от производительности стоимость обработки 1 м³ воды изменяется в пределах 0,2—0,4 дол. США.

Российские гамма-источники на основе радионуклидов европия можно с успехом применять не только для пиковолновой обработки жидких сред, но и в установках для стерилизации медицинских изделий (одноразовые шприцы, системы переливания крови), а также для обеззараживания твердых бактериологически опасных отходов медицинских учреждений (спецодежда, белье, бинты, вата и пр.). Пилотный проект установки для непрерывного облучения объектов, упакованных в европакеты, показан на рис. 4. Стандартная стерилизующая доза 25 кГр. Проект разработан совместными усилиями ученых и инженеров НПК «ВИЭРТ» ННЦ «ХФТИ» НАН Украины, ФГУП ГНЦ РФ «НИИАР» и ВНИИТФА при поддержке Министерства энергетики США.

Рис. 4. Общий вид пилотной европиевой гамма-установки непрерывной стерилизации объектов в европакетах (проект)