去除饮用水中的放射性核素

所有的放射性核素在衰变时都发出辐射。然而，并非所有的放射性核素都以可测量的数量存在于地表水和地下水中。

有两种常见的放射性核素，铀和镭(铀衰变链中的一种元素)，自然存在于世界各地的土壤和岩石中。例如，澳大利亚拥有世界上约30%的已知可采铀储量，俄罗斯拥有约9%。放射性核素发生的浓度决定了它们在水中的浓度。一般来说，地下水中的放射性核素污染物浓度高于地表水，深井中的放射性核素污染物浓度高于浅井中的放射性核素污染物浓度。

在饮用水中，放射性核素会导致癌症和许多其他健康问题，包括肾损伤和出生缺陷。因此，美国环境保护署(EPA)列出了常见放射性核素来源的最大污染物水平(MCLs)。(见下表)

如表中所示，允许的污染物水平非常低。世界卫生组织(WHO)在其指南中使用了一种不同的测量系统，贝克勒尔(Bq):对于镭226 (Ra 226)，指南限制的量为1 Bq/L (27.027 pCi/L)，对于镭228 (Ra 228)，它限制的量为0.1 Bq/L (2.7 pCi/L)。

放射性核素治疗:一个全国性的关注

根据美国地质调查局(U.S. Geological Survey)的文件，在美国48个相邻州中，超过一半的地下水被放射性核素严重污染。

如上图所示，氡，镭衰变链中的一个子元素，也能进入饮用水。然而，国家研究委员会和国家科学、工程和医学科学院已经确定，水中的氡对大多数水消费者的威胁不像室内空气中的氡气所带来的威胁那么严重。

EPA目前没有MCL标准来去除饮用水中的氡，但已经提出了两个标准:在没有实施多媒体缓解项目来控制室内空气和饮用水中的氡水平的州，标准为300 pCi/L;在有这些项目的州，标准为4,000 pCi/L。

地下水放射性核素的处理

水源超过EPA放射性核素指南的水处理厂(WTPs)可以从各种处理方法中选择，包括但不限于:

• 混合
• 离子交换
• 石灰软化
• 反渗透
• 预成型水合氧化锰(HMO)

混合

从技术上讲，混合是一种非处理方法，需要将含有放射性核素的水与不含放射性核素的水源稀释。根据美国环保署的材料，选择这种方法的设施应该确保所有来源的水在释放给下游客户之前完全混合。为了安全起见，应将污染水与无污染或极低污染水的比例设置为产生的污染物水平远低于EPA的MCLs。

离子交换

EPA材料表明，这种放射性核素处理可以去除高达99%的β， α，镭和铀污染物悬浮在水中，通过让水通过阳离子(正离子)或负离子(负离子)树脂介质结合污染物。Ra 226和Ra 228的交换树脂通常使用钠和钾，这也可以去除铁、钙、镁和锰等硬度元素。根据美国环保署的材料，这种方法可能因此对除放射性核素污染外还必须解决水硬度的设施很有吸引力。

尽管EPA已经将离子交换确定为放射性核素处理的最佳可用技术(BAT)和小系统符合技术(SSCT)，但有几个因素会限制其有效性。例如，硬度离子可以与镭离子竞争，这可以影响树脂介质的阳离子交换容量(CEC)。此外，根据美国环保署的材料，水源水中的镁和铁含量过高会堵塞树脂介质。

石灰软化

该过程也被epa确定为用于从源水中去除镭的BAT和SSCT。EPA材料表明，石灰软化可以去除50%到80%的Ra 226和Ra 228。过量的石灰软化，比传统的石灰软化更昂贵，需要更仔细的监测，提供了高达90%的镭去除率和高达99%的铀去除率。

用于石灰软化的设备在去除镭和铀的过程中也可以去除铁、锰和镁。在适当的条件下，它还可以去除砷。

了解更多关于从受地雷影响的水中去除砷的信息

美国环保署的材料表明，由于石灰软化会去除硬度和碱度，处理厂可能需要考虑在成品水中添加抑制管道和设备腐蚀的化学物质。

WesTech提供了几种支持石灰软化的澄清剂，包括它的CONTRAFLO®固体接触澄清器，CONTRAFAST®高速率增稠澄清剂,固体接触澄清器™。

反渗透

根据EPA的材料，这种BAT和SSCT工艺可以去除99%的大多数放射性核素污染物，包括EPA表中列出的所有放射性核素。反渗透(RO)技术使用半透膜去除水中溶解的污染物，如总溶解固体(TDS)、氯化物和硬度。反渗透的基本原理包括施加高压来抵消自然渗透压，将水从更浓缩的饲料溶液驱动到纯水渗透。溶解的杂质在这个过程中被去除。

预处理，如超滤，通常适用于含有悬浮固体、金属氧化物和胶体沉积物的水源，因为这些成分会污染反渗透膜。

WesTech提供反渗透系统它可以被设计成满足各种独特的要求，包括镭处理。这些系统与前后镭去除设备集成。

预成型含水氧化锰(HMO)过滤

HMO过滤是epa认可的SSCT镭处理方法，引入高锰酸钾(KMnO)的混合物₄)和硫酸锰(MnSO₄)在过滤前，将污水倒入进水中。(KMnO₄和MnSO₄结合生成HMO，一种吸附镭的化合物。)

设施有两种选择将HMO引入其进水流:它们可以注入KMnO₄和MnSO₄单独，或混合KMnO₄和MnSO₄成浆液，再注入浆液。后一种方法通常需要三个容器:一个用于溶解MnSO₄，一个用于混合溶解的MnSO₄和民盟₄，以及将所述泥浆从其中注入所述未经过滤的进水的日槽。

美国环保署的材料表明，这两种选择都可以去除高达90%的Ra 226和Ra 228。因为高铁水平会与HMO过滤中的镭离子竞争，一些设施可能需要在应用HMO处理之前去除多余的铁。

根据美国环保署的资料，使用地下水的社区通常已经在过滤水源以去除铁和锰。在现有的处理流程中添加HMO流程可以使他们在使用现有设备的同时处理放射性核素污染。

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乔治亚州处理设施HMO过滤的一个例子

劳伦斯维尔市位于佐治亚州格温内特县的中心地带。从1821年的第一口公共水井开始，伦敦金融城就有利用水井中的地下水来满足市民饮用水需求的传统。目前，它每天从7口活跃的生产井中抽取50万加仑(MGD)地下水，以帮助提供市民所需的2 MGD安全清洁饮用水。该公司从从拉尼尔湖取水的Gwinnet县购买剩余的1.5 MGD。

该市的长期目标是生产其客户所需的一半以上的水，从而减少对县里水的依赖。考虑到这一目标，纽约市为一个新的水处理设施招标，该设施有能力处理多达8口地下水井的水，从最近挖的5口井开始。五口井中有两口井的Ra 226和Ra 228含量加起来为14.0 pCi/L，略低于EPA MCL标准的三倍。

需要处理的次要元素是铁(1.0 mg/L)和锰(0.5 mg/L)。铁和锰的次级MCLs (SMCLs)分别为0.3 mg/L和0.05 mg/L。

获胜的解决方案需要处理城市地下水中的所有这些污染物。

中标的工程公司选择了AERALATER®II型包装处理厂它将曝气、滞留和过滤三个过程结合在一个单元中。该系统以去除地下水中常见污染物(包括铁和锰)的能力而闻名。它也能很好地与HMO工艺一起去除放射性核素。

HMO工艺先于除铁和除锰工艺。KMnO₄和MnSO₄分别送入AERALATER装置上游的进水中。静态混合器将这两种化学物质混合形成HMO浆液。稀释水将浆液带到AERALATER的过滤区，就在过滤器上方，在过滤前吸附Ra 226和Ra 228。

至于铁和锰，该装置包括一个诱导通风曝气器，使进水充满氧气。这会氧化可溶性铁，将其转化为不溶性铁，然后沉淀到系统的滞留槽中。为了处理进水中的锰成分，城市注入KMnO₄就在曝气器下面，它把锰沉淀到滞留槽里。

该系统的过滤器去除沉淀的铁和锰以及吸附的放射性核素。过滤器反冲洗从过滤介质中去除污染物的时间间隔由扬程损失测量控制，保持过滤介质清洁，并将污染物通过反冲洗废物阀送到废物中。

AERALATER II系统自2011年开始运行。在启动时，该设施使用了两个被污染的井。最近的干旱状况引起了人们对其中一座核电站放射性核素浓度的担忧，所以纽约市决定将其关闭。使用剩余污染井的水源水，Ra 226和Ra 228的进水水平约为2.8 pCi/L。纽约市的HMO系统可靠地减少了约42.9%的放射性核素，产生的废水中含有1.6 pCi/L。该系统处理铁水平<0.3 mg/L和锰水平<0.05 mg/L。

结论

根据环境工作组(EWG)自来水数据库，美国50个州的22000多家公用事业公司报告了其水源水中可检测到的镭含量。虽然并非所有这些水都需要处理，但这一统计数据表明，许多公用事业公司正面临并将继续面临处理饮用水中放射性核素污染物的需求。

参考文献

布鲁尔，鲁本·格雷格;8个铀储量最大的国家；杂耍小丑2017年10月18日

美国国家科学、工程和医学科学院;饮用水中的氡对健康的危害很小；来自国家科学院的消息1998年9月

美国环境保护署;饮用水中的放射性核素；环境保护署2015年7月

Walker, Bill and Mahotama, Wicitra;1.7亿美国人饮用放射性自来水——特朗普候选人伪造数据以掩盖癌症风险；环境工作小组2018年1月11日