放射性核素在人类疾病诊疗过程中发挥着越来越普遍和重要的作用，人们对核素诊疗的需求也越来越大。我国中长期发展规划要求在全国范围内每个县建设一个核医学科^[1]。核医学科在诊疗过程中会产生大量放射性废水，若处置不当，将对人类生存环境和公众健康造成影响^[2]。目前，核医学科产生的放射性废水主要是含¹³¹I废水^[3]。由于¹³¹I半衰期长达8.02 d，现有推流式衰变池受容积的限制，容易出现达不到国家排放标准要求的情况^[4]。

单纯衰变池贮存排放方法不仅存在建设成本高、占地面积大、静置周期长、废水处理容量受限等缺点，而且对新建医院意味着高昂的初始投资，对老医院则面临无地可建或可扩容的难题。为解决上述问题，南华大学研发了非接触式膜蒸馏废水净化处理技术^[5-7]，并采用该技术针对医院核医学科产生的最难处理的含¹³¹I废水达标排放方法进行了探讨。

材料与方法

1.非接触式膜蒸馏废水处理技术与装置：传统膜蒸馏技术存在膜表面易被污染、膜孔易润湿、寿命短、膜通量低且不稳定等问题^[8]，为克服这些缺点，南华大学提出了一种非接触式膜蒸馏方法。其实现方式为废水加热后在蒸发塔内生成大量饱和的湿蒸汽并汇聚于膜的热侧，而膜的冷侧回路连接有循环风机与冷凝系统，使其保持低温干燥状态，利用膜两侧的蒸汽压差完成跨膜传质，水分子通过膜孔形成净化液，无机盐及非挥发性离子被截留，从而净化废水。此方法由于被处理的废水不直接与膜接触，从而能够克服传统膜蒸馏技术的缺点，且废水经过蒸发和膜蒸馏两个净化过程，净化效果更好。

非接触式膜蒸馏装置基于膜蒸馏原理以及非接触式膜蒸馏方法设计而成^[9]，其由蒸发塔、膜组件、加热系统、冷凝系统、余热回收系统等构成，如图 1所示。该装置特点是将膜蒸馏组件置于蒸发塔内形成一体式结构，省略膜组件热侧循环回路，降低了热散失。在蒸发塔内，抽水泵将废水送至加热系统，废水加热至预设温度后经螺旋喷头向下喷出，在蒸发塔内形成近饱和湿空气环境，避免了废水直接与膜接触，提高了膜通量，延长了膜的寿命。一级膜组件热侧直接暴露于蒸发塔内高温高湿气体环境中，水蒸气在膜两侧水分子压力差作用下进入冷侧，由一级风机抽气流经二级膜组件热侧，进行二次膜蒸馏过程进一步净化，最终由二级风机送入冷凝系统冷却成净化液。

为降低装置能耗，设计了电磁加热器、壳式换热器、压缩机、板式换热器、蒸发器等多套元件实现热量循环利用。废水加热时，余热回收系统中的板式换热器与加热系统协同工作，高温高压的制冷剂在板式换热器中将其热量传递给低温废水，使其升温，从而回收了原本会被散失的制冷系统废热，显著减少了电加热的能耗。

2.膜蒸馏装置处理能力测试实验：本研究的实验分别在深圳肖传国医院与南华大学附属南华医院进行，运行装置处理核医学科衰变池中的含¹³¹I废水，记录装置的运行数据，并定期对衰变池中待处理废水、蒸发塔中浓缩废水、装置产出的净化液分别取样检测¹³¹I活度浓度。装置净化能力通常用截留率R(%)与净化系数DF两项指标来衡量^[10]，其计算公式如下：

$ R=\left(1-\frac{C_p}{C_f}\right) \times 100 \% $

(1)

$ D F=\frac{C_f}{C_p} $

(2)

式中，C_f为料液浓度，对应蒸发塔中浓缩废水的活度浓度，Bq/L；C_p为净化液的活度浓度，Bq/L。

3.排放方案的设计依据

(1) 排放标准：《核医学辐射防护与安全要求》(HJ 1188-2021)^[11]中规定含¹³¹I废水的排放须达到以下要求之一：暂存时间超过180 d；总α≤1 Bq/L、总β≤10 Bq/L、¹³¹I的放射性活度浓度≤10 Bq/L；单次排入普通下水道的废水中¹³¹I活度≤ 9×10⁵ Bq，每月排放的废水中¹³¹I总活度≤9×10⁶ Bq ^[12]。本研究的设计方案围绕每月总活度＜9×10⁶ Bq与活度浓度＜10 Bq/L两个方向开展。

(2) 示例医院情况：以南华大学附属南华医院为例，核医学科可同时接诊5位住院患者，每位患者每天产生约100 L废水。考虑此医院未来会增加收治患者数量上限，后续按每天均有5位与8位住院患者进行计算。

每位患者服用活度为5.55×10⁹ Bq的¹³¹I药物后住院3 d，住院期间约65%¹³¹I排入下水道，此类废水首先进入化粪池沉淀除臭，一段时间后流入衰变池，经院方检测，流入衰变池的废水初始活度浓度为6.63×10⁶ Bq/L。

(3) 膜蒸馏装置的运行工况：膜蒸馏装置运行时从衰变池中抽取废水进行净化处理，经处理后的液体称为净化液。蒸发塔内废水由于净化过程导致其浓度升高形成浓缩废水，为防止蒸发塔浓缩液浓度过高，装置每运行6 h排出蒸发塔(蒸发塔内废水体积200 L)内30%的浓缩废水。

4.方案建立的理论基础

(1) 达标排放方案的基本流程：本研究按照储存废水、处理废水、贮存净化液的步骤进行，按功能将衰变池划分为废水池、暂存池、净水池。废水池用于储存待处理的废水，装置从中抽取废水净化处理；暂存池用于临时储存装置运行期间的浓缩废水与核医学科每日排入的废水，避免装置抽入的废水浓度升高而影响净化效果，待装置运行结束后暂存池内废水全部排入废水池中；净水池用于贮存净化液，待其达到排放标准后排放。将上述步骤设为一个处理周期，本研究需保证在长期循环的处理周期中每次排放均符合标准。

(2) 废水池内废水活度浓度的计算方法：核医学科每日产生的废水贮存于废水池内，废水经处理后变为浓缩废水与净化液两部分，浓缩废水保留了大部分的¹³¹I返回废水池中，净化液带走的活度可忽略不计。因此废水池内总活度由核医学科每日排放废水的量与活度浓度决定。随时间增长，在自然衰变的作用下，废水池内总活度在装置处理前会达到衰变平衡。

设医院每天排入废水池中的含¹³¹I废水体积为V_排(L/d)，废水活度浓度为C₀(Bq/L)，t(d)为废水池启用时间，V_池(L)为废水池中贮存废水的体积，废水池内废水累积的¹³¹I活度浓度C_池(Bq/L)的变化规律满足：

$ \frac{\mathrm{d} C_{\text {池 }}(t)}{\mathrm{d} t}=\frac{C_0 V_{\text {排 }}}{V_{\text {池 }}}-\lambda C_{\text {池 }}(t) $

(3)

式中，V_池为处理周期内医院排入废水的体积加装置运行期间排出浓缩废水的体积，因此$\frac{C_0 V_{\text {排 }}}{V_{\text {池 }}} $在式中为常数。式(3)为废水池活度浓度的增长速率，其中λ为¹³¹I的衰变常数，λ≈0.086 4 d^-1。初始时刻C_池(0)=0，代入式(3)可得：

$ C_{\text {池 }}=\frac{C_0 V_{\text {排 }}}{\lambda V_{\text {池 }}}\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda t}\right) $

(4)

将式(4)中的时间取无穷大可得废水池内废水的饱和活度浓度C_池max。

(3) 蒸发塔内浓缩废水活度浓度的计算方法：装置运行过程中通过频繁补充废水使蒸发塔内废水水位保持在较小的变化范围内。

设蒸发塔内废水体积为V_塔(L)；蒸发塔第x次排废前浓缩废水活度浓度为C_排前x(Bq/L)；蒸发塔第x次排废后浓缩废水活度浓度为C_排后x(Bq/L)；装置运行时间为t_启(d)；排废间隔时间t_排(d)；废水池内废水在处理周期开始时的活度浓度固定为C_池max(Bq/L)；装置抽水速率为F(L/d)。

装置开始运行时蒸发塔内废水活度浓度等于C_池max，第一次排废前C_排前1为：

$ C_{\text {排前 } 1}=C_{\text {池 } \max } \mathrm{e}^{-\lambda t_{\text {排 }}}+\frac{F C_{\text {池 } \max } \mathrm{e}^{-\lambda t} \text { 启 }}{\lambda V_{\text {塔 }}}\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda t \text { 排 }}\right) $

(5)

装置在每次排废后都会迅速补充等体积的废水，排废的量为蒸发塔内浓缩废水体积的30%，因此第n次(n＞1)排废后蒸发塔浓缩废水活度浓度瞬时值C_排后n为：

$ C_{\text {排后 } n}=C_{\text {排前 } n}(1-0.3)+0.3 C_{\text {池 } \max } \mathrm{e}^{-\lambda t_{\text {启 } }} $

(6)

依此类推，后续运行过程中第n次(n＞1)排废前的蒸发塔内废水活度浓度为：

$ C_{\text {排前 } n}=C_{\text {排后 } n-1} \mathrm{e}^{-\lambda t_{\text {排 }}}+\frac{F C_{\text {池 } \max } \mathrm{e}^{-\lambda t} \text { 启 }}{\lambda V_{\text {塔 }}}\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda t_{\text {排 }}}\right) $

(7)

蒸发塔浓缩废水活度浓度的均值C_塔(Bq/L)可近似为：

$ \bar{C}_{\text {塔 }} \approx \frac{1}{2 n} \sum\limits_{i=1}^n\left(C_{\text {排前 } i}+C_{\text {排后 } i}\right) $

(8)

(4) 净水池内净化液活度浓度的计算方法：装置运行期间产生的净化液排往净水池，待装置运行结束后，池内的净化液开始静置衰变。设装置运行时间为t_启(d)，静置衰变时间为t_静(d)，产出净化液活度浓度C_净(Bq/L)，净水池内净化液活度浓度C_排(Bq/L)为：

$ C_{\text {排 }}=\frac{C_{\text {净 }}}{\lambda t_{\text {启 }}}\left(1-\mathrm{e}^{-\lambda t} \text { 启 }\right) \mathrm{e}^{-\lambda t_{\text {静 }}} $

(9)

结果

1. 装置对含¹³¹I废水处理能力的测试结果：双级非接触式膜蒸馏废水处理装置的净化能力的测试结果列于表 1。能耗与处理量测试结果列于表 2。

由表 1可得，在设置105℃条件下，装置对废水中¹³¹I的截留率均>99.99%，具有较强的净化能力。由表 2可得，在废水加热温度的设置上选择105℃相比100℃的每日处理量提高了60.6%，处理每吨水的耗电量降低32.1%。因此本研究采用105℃的实验数据作为计算参数：装置每天能净化1 500 L废水；净化系数作保守计算取3×10⁴。

2.废水活度浓度计算结果

(1) 废水池内废水活度浓度饱和值：以30 d作为一个处理周期，核医学科每日产生800 L活度浓度为6.63×10⁶ Bq/L的含¹³¹I废水，膜蒸馏装置在一个处理周期内需运行16 d，共排放4 040 L浓缩废水，因此在每个处理周期开始前，废水池中共有28 040 L废水。将参数代入式(4)中可得废水池内累积的¹³¹I活度浓度变化规律如图 2所示，饱和浓度最大值为：

$ C_{\text {池 } \max }=\frac{6.63 \times 10^6 \times 800}{0.0864 \times 28040}\left(1-\mathrm{e}^{-\infty}\right) \approx 2.19 \times 10^6(\mathrm{~Bq} / \mathrm{L}) $

(2) 蒸发塔内浓缩废水活度浓度的均值：将装置开始运行时蒸发塔内废水活度浓为2.19×10⁶Bq/L、蒸发塔内废水体积200 L、排废间隔时间6 h、装置抽水速率(净化液产生速率加排废速率)1 740 L/d代入式(5)~(7)，可得浓缩废水活度浓度变化规律如图 3所示，将每点的数据代入式(8)，求得均值为7.87×10⁶Bq/L。

3.按月总活度小于9×10⁶Bq标准的排放方案

(1) 处理流程：设计方案如图 4所示，核医学科每日产生的含¹³¹I废水排入暂存池中，在膜蒸馏装置停机期间，暂存池下方的电动阀打开，使暂存池内的废水全部流入废水池。待废水池储存一定量的废水后，电动阀关闭并启动膜蒸馏装置抽取废水池内废水进行净化处理。装置运行期间排出的浓缩废水通往暂存池，产出的净化液排往净水池。待废水池内的废水全部被处理后，关闭装置并打开电动阀，继续囤积废水。

(2) 池体体积及废水排放活度浓度的计算：由表 1可看出，在105℃的实验中，净化液与浓缩废水的活度浓度存在近似线性关系，因此，可通过浓缩废水的活度浓度与净化系数的比值来计算净化液的活度浓度近似值。将浓缩废水活度浓度均值7.87×10⁶Bq/L、净化系数3×10⁴代入式(2)中可得装置产出净化液的平均活度浓度为262.5 Bq/L。

本例以30 d作为一个处理周期，每个周期内膜蒸馏装置启动运行16 d，净水池中的净化液静置衰变14 d，代入式(9)求得排放时净水池内液体活度浓度为42.4 Bq/L，其体积为24 m³，总活度1.02×10⁶ Bq，满足总量排放要求。

为分析不同初始条件下衰变池所需体积大小与排放时总活度，将医院每天排出废水体积设为500与800 L，处理周期设为15与30 d，活度计算结果列于表 3，衰变池所需体积大小列于表 4。考虑装置的阶段性维护检修等情况，衰变池的体积以核医学科在处理周期内额外排放3 d废水的裕量进行设计。

由表 3可以看出，当设置的处理周期缩短时，最终排放总活度会增加，这是由于缩短处理周期会导致处理前的废水体积减小，而处理前的废水总活度从式(4)可以看出其只取决于医院每天排入的活度，因此缩短处理周期将导致装置运行时抽入的废水活度浓度增大，进而导致净化液活度浓度增大。另外，随着处理周期的缩短，净化液的静置时间也将缩短，这将进一步增加排放时的总活度。因此，处理周期设置在15~30 d为宜。

4. 按小于10 Bq/L标准的排放方案

(1) 处理流程：由于10 Bq/L的标准相对按月总量排放更严格，净化液需贮存更长的时间，因此本方案在图 4的基础上额外增加一个净水池，如图 5所示。净化液由两个净水池交替贮存与排放，其余流程与图 4相同。通过将净化液额外贮存衰变一个周期的时间，进一步降低排放时的活度浓度，最终达到低于10 Bq/L的效果。

(2) 池体体积及废水排放活度浓度的计算：本例计算步骤与按月总量排放方案类似，区别在于式(9)中计算最终排放时的活度浓度时需额外静置衰变一个周期的时间。将医院每天排出废水体积设为500 L与800 L，处理周期设为30 d，最终排放时液体活度浓度计算结果列于表 5，衰变池体积计算结果与表 4相同。本方案由于多设置一个净水池，贮存时间更长，以30 d作为一个处理周期可将废水中¹³¹I活度浓度降低至10 Bq/L以下，能满足核医学科的使用需求。

讨论

非接触式膜蒸馏技术在保持传统膜蒸馏净化效率接近100%的基础上，不仅克服了传统膜蒸馏技术蒸馏膜易被污染和润湿，导致废水处理能力逐渐降低、净化效果变差，以及蒸馏膜被废水中杂质划擦而破损，导致处理装置净化能力失效等技术缺陷，而且废水净化处理能力可根据实际需要进行设计，单台装置的处理能力也可以通过运行参数选择在一定范围内调节。研发的非接触式膜蒸馏装置的现场实验结果表明，体积为8.75 m³(2 520 mm×1 550 mm×2 240 mm)、蒸馏膜总面积约为5 m²的装置，对含¹³¹I废水的净化系数达4×10⁴，膜通量达13.2 kg·m^-2·h^-1，每日废水处理量最高达1.59 t，处理每吨水平均耗电388.4 kW·h，且连续运行3个月其净化能力与废水处理能力保持稳定。

医院核医学科含¹³¹I废水经非接触式膜蒸馏装置净化处理后可将活度浓度降低4个数量级，净化液直接用地面容器暂存产生的辐射剂量远低于环境本底水平，不会对环境产生影响。在按月总量排放方案中，当处理周期设置为30 d、核医学科每天产生的含¹³¹I废水为800 L时，若净化液不贮存直接排放，每月排放总活度为6.3×10⁶Bq，低于月总量限值。因此，本研究设计的排放方法具有一定灵活性。

基于非接触式膜蒸馏技术建立的医院核医学科含¹³¹I废水达标排放方法，与传统槽式排放方法相比，减小了衰变池体积、缩短了贮存时间，解决了传统排放方法存在的衰变池建设成本高、占地面积大、静置周期长、废水贮存容量受限等缺点。张琪等^[13]提出的RJ方程组在优化衰变池容量方面已取得进展，较传统方法节省约42%的衰变池体积，而本研究提出的方法可进一步缩减体积。以南华大学附属南华医院为例，其衰变池建设体积约317 m³，采用本研究排放方案(日产生废水500 L、处理周期30 d)后，仅需45 m³的衰变池即可满足排放要求，体积减小约85%。

基于非接触式膜蒸馏技术的核医学科含¹³¹I废水净化处理达标排放方法，其运行产生的次生废物每年仅为重量＜2.0 kg的更换蒸馏膜、每吨废水处理费用＜400元(成本合理)、每年更换一次蒸馏膜的维护成本约为1.5万元(包括两名维修工程师的差旅费)，为解决现有槽式排放方法衰变池体积过大、贮存时间过长、老医院增项场地受限等突出问题，保障我国核医学的快速发展提供了可靠技术支撑，具有广阔的推广应用前景。

利益冲突  无

作者贡献声明  王容海负责实验操作、采集并整理数据、撰写论文；肖德涛负责方案设计、指导实验、修改论文；李成林负责实验装置设计与优化；何正忠负责与院方协商实验场地