Mục lục bài viết

7 Phương pháp xử lý nước thải phóng xạ

Nước thải chứa chất phóng xạ là loại chất thải đặc biệt, phát sinh chủ yếu từ các hoạt động liên quan đến năng lượng hạt nhân, sản xuất vật liệu phóng xạ, điều trị ung thư và các quá trình nghiên cứu, sản xuất có sử dụng đồng vị phóng xạ. Do tính chất độc hại, khả năng phát xạ cao và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm lâu dài, việc xử lý hiệu quả loại nước thải này là yêu cầu cấp bách để đảm bảo an toàn cho con người và môi trường.

Nước thải phóng xạ phát sinh từ các nguồn:

Nhà máy điện hạt nhân (nước làm mát, rò rỉ nhiên liệu).
Cơ sở y tế (xạ trị, chẩn đoán hình ảnh).
Khai thác/quặng uranium.
Nghiên cứu khoa học.
Các chất phóng xạ điển hình: Uranium (U-235, U-238), Cesium-137 (Cs-137), Strontium-90 (Sr-90), Tritium (³H), Iodine-131 (I-131).

Nguy cơ:

Gây ung thư, đột biến gen do ion hóa tế bào.
Ô nhiễm nguồn nước, đất, chuỗi thức ăn.

2. Đặc điểm và nguồn gốc của nước thải chứa chất phóng xạ

Nước thải chứa chất phóng xạ có thể bao gồm:

Chất phóng xạ tự nhiên và nhân tạo: Như uranium, plutonium, cesium, strontium, iodine…
Nguồn gốc:
- Nhà máy điện hạt nhân (sản sinh từ quá trình làm mát và xử lý nhiên liệu hạt nhân)
- Các cơ sở nghiên cứu, sản xuất và y tế (sử dụng đồng vị phóng xạ như 18F-FDG trong chẩn đoán và điều trị ung thư)
- Các vụ tai nạn hạt nhân hoặc rò rỉ, các hoạt động khai thác và chế biến quặng chứa phóng xạ

Các thành phần này có thể tồn tại ở dạng hòa tan, lơ lửng hoặc liên kết với các hạt rắn trong nước thải, đòi hỏi phải có quy trình xử lý phù hợp theo đặc tính của từng loại.

Nước thải phóng xạ gây nguy hại tới môi trường

3. Các công nghệ xử lý nước thải chứa chất phóng xạ

3.1. Trao Đổi Ion (Ion Exchange)

Nguyên lý: Sử dụng nhựa trao đổi ion (zeolite, resin) để hấp thụ cation/anion phóng xạ.
Hiệu quả:
- Loại bỏ >99% Cs-137, Sr-90.
- Không hiệu quả với Tritium (³H).
Ưu điểm: Chi phí thấp, dễ vận hành.
Hạn chế: Nhựa thải chứa phóng xạ cần xử lý như chất thải rắn.

Công thức phản ứng:

3.2. Kết Tủa Hóa Học (Chemical Precipitation)

Nguyên lý: Thêm hóa chất (NaOH, KFe(CN)₆) để tạo kết tủa không tan.
Chất kết tủa điển hình:
- Cs: Sử dụng đồng hexacyanoferrat (Cu₂Fe(CN)₆).
- Sr: Kết tủa dạng SrCO₃ hoặc SrSO₄.
Hiệu quả: Giảm 90–95% U-238, Sr-90.

Phương trình kết tủa Sr:
CO₃ ²⁻

3.3. Hấp Phụ (Adsorption)

Vật liệu: Than hoạt tính, titanate nanotubes, graphene oxide, MOFs (Metal-Organic Frameworks).
Hiệu suất:
- Titanate hấp phụ >95% Cs-137.
- MOFs loại bỏ 99% U-238.
Ưu điểm: Vật liệu tái chế được.

3.4. Màng Lọc (Membrane Technology)

Loại màng:
- RO (Reverse Osmosis): Loại bỏ ion phóng xạ (hiệu suất 90–99%).
- NF (Nanofiltration): Tách uranium, cesium.
Hạn chế: Tiêu thụ năng lượng cao, màng dễ tắc.

3.5. Bay Hơi (Evaporation)

Nguyên lý: Cô đặc nước thải thành chất rắn chứa phóng xạ.
Hiệu quả: Giảm thể tích chất thải 90–95%.
Ứng dụng: Xử lý nước thải nhiễm Tritium (³H).

3.6. Đông Đặc (Vitrification)

Nguyên lý: Nung chất thải phóng xạ với thủy tinh ở 1,200–1,500°C để tạo khối rắn ổn định.
Ưu điểm: Ngăn rò rỉ phóng xạ hàng nghìn năm.
Hạn chế: Chi phí cực cao (10–50 triệu USD/thiết bị).

3.7. Công Nghệ Sinh Học (Bioremediation)

Vi sinh vật: Geobacter sulfurreducens khử uranium hòa tan (U⁶⁺ → U⁴⁺).
Thực vật: Cỏ lúa mạch hấp thụ Cs-137 qua rễ.
Hiệu quả: Giảm 60–80% U-238 trong đất.

4. Giải Pháp Tích Hợp

4.1. Hệ Thống Đa Tầng

Ví dụ tại Nhà máy Fukushima (Nhật Bản):

Lọc sơ bộ: Loại bỏ hạt rắn bằng lưới.
Xử lý hóa học: Kết tủa Sr, Cs bằng ferrocyanide.
Trao đổi ion: Loại bỏ Cs-137 bằng resin.
Bay hơi: Cô đặc nước thải chứa Tritium.
Lưu trữ: Chất thải rắn đựng trong thùng hợp kim zirconium.

4.2. Kết Hợp Công Nghệ Nano

Hạt nano từ tính Fe₃O₄ phủ chitosan: Hấp thụ U-238 và dễ tách bằng từ trường.
Nano titanium dioxide (TiO₂): Quang xúc tác phân hủy I-131.

4.3. Tích hợp hệ thống giám sát và kiểm soát

Để đảm bảo an toàn tuyệt đối, các hệ thống xử lý được tích hợp các thiết bị giám sát liên tục nồng độ phóng xạ và các chỉ số hóa học, từ đó điều chỉnh quá trình xử lý tự động. Điều này giúp phát hiện sớm các sự cố và tối ưu hóa hiệu suất vận hành.

4.4. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và hạt nhân

Trong các bệnh viện và cơ sở y tế sử dụng phóng xạ (ví dụ: sử dụng 18F-FDG trong chẩn đoán ung thư), các giải pháp xử lý nước thải được thiết kế riêng biệt với hệ thống chứa và xử lý bằng phương pháp bán rã, nhằm đảm bảo rằng hoạt độ phóng xạ giảm xuống mức an toàn trước khi xả ra môi trường.

5. Ưu điểm, hạn chế và thách thức

Ưu điểm:
- Giảm thiểu tối đa lượng chất phóng xạ trong nước thải, đảm bảo an toàn cho môi trường và sức khỏe cộng đồng.
- Các công nghệ hiện đại như màng lọc, trao đổi ion và xử lý điện hóa có hiệu suất cao và khả năng kết hợp linh hoạt.
Hạn chế:
- Chi phí đầu tư và vận hành của một số công nghệ (ví dụ: xử lý điện hóa, hệ thống màng lọc) có thể cao.
- Yêu cầu kỹ thuật vận hành và giám sát chặt chẽ để tránh sự cố ngoài ý muốn.
Thách thức:
- Xử lý hiệu quả các loại chất phóng xạ khác nhau, đặc biệt là các đồng vị khó tách như tritium.
- Đảm bảo tiêu chuẩn an toàn theo các quy định quốc tế (IAEA, EURATOM) và quốc gia (QCVN) trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

6. Kết luận

Việc xử lý nước thải chứa chất phóng xạ đóng vai trò then chốt trong bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Sự kết hợp giữa các công nghệ truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion với các giải pháp hiện đại như xử lý bằng vi sinh vật, quá trình màng và điện hóa giúp tạo ra các hệ thống xử lý hiệu quả, ổn định và an toàn. Đồng thời, tích hợp hệ thống giám sát và tự động hóa sẽ là hướng đi quan trọng để ứng phó với những thách thức ngày càng phức tạp của chất thải phóng xạ trong tương lai.

Các nhà nghiên cứu và chuyên gia luôn không ngừng cải tiến công nghệ, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả xử lý, nhằm hướng tới một môi trường sạch, an toàn và bền vững.

Tài Liệu Tham Khảo: