我国核医学发展具有很大的空间,核医学在医院诊断和治疗中的应用日益普遍。医疗建筑中放射性污染物的规模和数量也在不断增加,其低放射性污水必须进行适当的处理,使污水的放射性降低到国家规定的安全值以下方可排入水体或城市下水道。

医疗建筑设计中,由于核医学给排水设计的特殊性,设计人员往往将其转到辐射防护专项设计,对此不够了解和重视。在工程实践中,也遇到一些核医学的环境影响评价的问题。有必要加强对低放射性污水处理设计的认识,细化核医学工作场所的给排水设计,分析和解决工程设计中的问题,对于提高低放射性污水处理设计水平具有积极的意义。

在医疗建筑的辐射安全与防护中,主要有放射性诊断、放射性治疗和核医学。临床核医学是将放射性核素及射线应用于临床医学的诊断与治疗。目前我国临床核医学的应用以诊断核医学为主,按照放射性核素作用位置分为体外诊断(外照射)和体内诊断(内照射)^[1,2,3]。

电离辐射包括电磁辐射(X射线和γ射线)和粒子辐射,粒子辐射中的带电粒子有α粒子、β粒子和质子,这些在临床核医学中均有出现,其主要来源于放射性药物。按照使用目的不同可分为体外放射性药物和体内放射性药物2种,体内放射性药物又分为放射性治疗药物和放射性诊断药物2类。医疗建筑中出现最多的放射性药物为用于治疗甲状腺疾病的¹³¹I(释放γ射线和β射线)、用于治疗血液疾病³²P等。其放射性污水主要来自于核医学的治疗和诊断中,患者排泄物(尿液、粪便和呕吐物等)的低放射性生活污水为主,还有分装同位素的容器、杯皿、实验室清洗和标记化合物等排放的放射性废水^[4]。

放射性废物可以分为放射性气载废物、放射性液体废物、放射性固体废物。根据《放射性废物的分类》(GB 9133-1995)的规定,放射性液体废物分为3级,第I级(低放废液)的比活度浓度≤4×10⁶ Bq/L^[5]。在医疗建筑中,主要排放的为低放废液,即低放射性污水,需要对其进行污水处理。

作为医疗建筑放射性污水处理,其处理后需要满足清洁解控水平,即由国家审管部门规定的,以放射性浓度、放射性比活度和/或总活度表示的一组值,当辐射源等于或低于这些值后方可作为豁免废物^[6]。

医疗建筑中的低放射性污水的放射性浓度范围为3.7×10²～3.7×10⁵ Bq/L^[4]。其辐射物质日均值活度浓度的水污染物排放限值总α为1Bq/L,总β为10Bq/L^[7]。对于³²P的清洁解控水平活度浓度为1×10³ Bq/g,豁免活度为1×10⁵ Bq;¹³¹I活度浓度为1×10² Bq/g,豁免活度为1×10⁶ Bq^[6]。

在核医学控制区内,设有供接受候诊、治疗的病人使用的专用便器或专用浴室和厕所^[8,9,10]。低放射性生活污水排水量可以按现行的《建筑给水排水设计规范》(GB 50015)确定,也可按100～200L/(床·d)计算。当按卫生洁具数量计算排水量时,除了正常的冲洗排水量外,每次排泄物可按0.4L,每个患者平均使用2次确定。清洗的放射性废水可按医疗工艺提出的要求确定或估算,计算出最高日排水量和最大时小时排水量。

医疗建筑的放射性废物管理应以安全为核心、处置为目标。其处置的基本原则是采用妥善、优化的方式对放射性废物进行管理,使人类及其环境不论现在还是将来都能免受任何不可接受的危害。其基本方法有稀释、浓缩回收利用、衰变处理。医疗建筑的低放射性污水的处理一般有衰变法、稀释法和吸附离子交换法^[11]。但是,吸附离子交换法的成本较高,很少采用,其适用于污水量较小且相对清洁的放射性废水处理。稀释法对环境影响较大,只是将辐射进行了简单转移,不符合环境影响评价的要求。通常,采用衰变法来处理,通过长期的隔离使其自然衰变,形成核素的原子核数目逐渐减少,降低其离子辐射。

医疗建筑的放射性污水作为特殊污水应分类收集。低放射性污水经单独排水系统收集衰变处理后排入污水管网,含放射性的生活污水和试验冲洗废水应分开收集。中放、高放污水集中收集后外运处理。放射性的废液主要由衰变池储存。

常见的流程为低放射性生活污水经化粪池后,再进入衰变池,低放射性医学废水直接进入衰变池,进入衰变池的污水在停留处理后监测达标排放。

设化粪池的目的是为防止生活污水的杂质堵塞管道,化粪池主要起沉淀消化固体废物作用,为衰变池的预处理,一定程度上也增加了衰变的停留时间。但是,化粪池并不能完全保证表面固体杂质排出,且排出的污水、污泥均具有放射性。污泥清掏出的带有放射性的物质还是需要处理。因此,设计需要采用2个化粪池并联工作,来解决放射性污泥清掏的问题。其缺点是投资增加、占地面积大。事实上,化粪池的沉淀功能可以结合在衰变池内完成,因为其本身也需要定期清掏污泥。针对这一问题,现行医院工程实践中,往往采用带撕裂、粉碎装置的排水便器将粪便污水直接排入衰变池,或采用带撕裂装置污水泵提升,使固体杂质减小。图1为低放射性污水排水的处理流程。

池内如有沉渣难以排出,可进行酸化预处理后再排入下水道系统^[9,10];也可设置内置式高压水枪冲洗装置,防止污泥硬化淤积。

关于消毒问题,由于医疗建筑的污水排入下水道(市政污水管)前应进行消毒,若衰变池的污水排入基地内的室外污水管,就没有必要再进行消毒。

衰变池按照工作方式可分为间歇式和连续式。间歇式衰变池需由多组衰变池组成,共同进行工作,并设有相关的进出水阀门控制,采用间隙进水和排水。每组应能独立工作,并应确保完整的衰变时间。连续式衰变池内设导流墙(管),利用水不可压缩性的工程特性,推流式排放。

衰变池的设计应按使用的放射性核素的种类和强度确定,其容积的计算原则按最长半衰期核素(同位素)的10个半衰期计算或按同位素的衰变公式计算^[4]。放射性元素衰变的快慢是由原子核内部决定的,与外界的物理和化学状态(温度、压力、磁场等)几乎无关。核医学中粪、尿废物形式出现的常用放射性核素³² P(磷)的半衰期为14.3d,衰变类型为β^-;¹³¹I(碘)的半衰期为8.04d,衰变类型为β^-、γ。

放射性衰变的时间规律系单位时间内衰变的原子核数-dN/dt与此时现有的原子核数N成正比,见式(1)。

式中N———原子数;

t———时间,d;

λ———衰变系数,为核的放射性衰变或同质异能跃迁的概率,d^-1。

经积分,可得到放射性同位素的衰变规律,见式(2)^[2]。

式中A———t时刻后的放射性强度(放射性活度),Bq/L;

A₀———t=0时的放射性强度,Bq/L;

λ———衰变常数;

t———衰变时间,d。

从衰变公式可以看出,放射性强度随着时间的延长而减弱。

连续式衰变池的有效容积可按式(3)计算。

式中V_yx———连续式衰变池的有效总容积,m³;

Q_d———最高日放射性污水排水量,m³/d;

T_1/2———最长半衰期同位素的10个半衰期的时间(天数),d。

设衰变池的数量为n,单个衰变池的有效容积为V_i,按每个衰变池等体积考虑,单个衰变池所需排空的时间为t_i,每个间隙式衰变池的有效容积可按式(4)计算。

式中V_i———间隙式衰变池单个衰变池的有效容积,m³;

Q_d———最高日放射性污水排水量,m³/d;

T_1/2———最长半衰期同位素的10个半衰期的时间(天数),d;

n———间歇式衰变池的个数,个;

t_i———单个衰变池所需排空的时间,d,通常可按1d取值。

间隙式衰变池的总有效容积计算见式(5):

式中V_zyx———间隙式衰变池的总有效容积,m³。

当设有2个间歇式衰变池时,n=2,则V′_i=Q_d×T_1/2。单个衰变池的有效容积为连续式衰变池的有效容积,其总有效容积为连续式的2倍。当有10个半衰期与排空天数之和的多个衰变池组时,即n=T_1/2+t,则V′_i=Q_d,此时间歇式总有效容积方才与连续式衰变池的容积相当。

此外,间歇式衰变池的最小有效容积不应小于最高日排水量,并适当考虑停留时间较长造成底部会有部分容积被污泥占用。

衰变池内储存有放射性物质,需要考虑其辐射安全与防护,这一点在现行的规范、标准和指南中均未引起重视。此外,衰变池应考虑防腐与防渗的要求,特别是设置在地下的衰变池,既要防止放射性污水渗入地下产生辐射污染,又要考虑室外地下水进入衰变池,影响衰变的效果,其防腐与防渗可与辐射安全与防护相结合。

辐射防护体系包括实践的正当性(利益>风险)、防护与安全的最优化(ALARA)、剂量限值和潜在照射危险限值^[6]。辐射防护涉及综合性、边缘性的交叉领域,对于衰变池需要趋利避害,主要从自身的防护、设置的位置加以考虑,采用屏蔽是其有效的手段之一。需考虑多元性、冗余性、独立性和它们在运行过程中对人的辐射安全影响。

设计需要从防护的角度确定辐射防护的材料和厚度。在衰变池屏蔽中,混凝土和铅是适宜的材料。设置在地下的衰变池采用钢筋混凝土经济性好,外面采用铅板保护可降低成本,也可起到防腐、防渗的作用。设计可参考外辐射防护的技术措施,具体的方法有时间防护、距离防护和屏蔽防护,衰变池的外辐射管理目标应满足公众不大于0.5mSv/a(居留因子T取1)。衰变池的屏蔽计算可采用半值层和1/10值层来确定。半值层的计算可用式(6)表示。

式中HVL———半值厚度,将辐射强度降低到初始值一半时所需要的屏蔽材料的厚度,cm;

μ———屏蔽材料的线衰减系数。

一些材料典型的HVL和TVL值与辐射源、射线能量的关系,可从相关的手册中查到。HVL和TVL随着X射线或γ射线能量的增加而增加,其屏蔽材料的厚度也随之变化,同时混凝土屏蔽层比铅屏蔽所需的屏蔽层要厚。

根据设计经验,衰变池宜采用钢筋混凝土的结构形式,从衰变池防护的角度出发,建议医院常规规模的衰变池外壁的混凝土厚度采用600 mm,内部的导流隔墙采用350mm。其外壁采用2.0mm的铅板密封包裹,检修盖板可采用10～20mm的铅板保护,盖板与结构之间宜设橡胶圈密闭、隔震。外壁的保护应确保防水,在衰变池的底部也应进行整体防护。对于间歇式的衰变池,每个隔舱隔墙均需要包裹。这是因为每个隔舱的衰变时间、衰变工况是不一致的。进出衰变池结构处的管道应采用柔性防水套管。敷设在室外的压力排水管外包2.0mm厚的铅板,并在外侧套PVC的套管(粘胶连接),以阻隔废液产生的辐射。从加强防腐方面看,可对衰变池接触土壤的一侧刷沥青二度。

此外,衰变池的辐射防护需要进行监测和管理。按国家环境保护总局发布的《医院污水处理技术指南》要求,间歇衰变池在排放前监测;连续式衰变池每月监测1次;收集处理放射性污水的化粪池或处理池每半年清掏1次,清掏前应监测其放射性达标方可处置。

在衰变池形式的选择上,常常出现一些认识上的问题。连续式衰变池采用推流的原理,确保自进水到出水时间内的停留时间满足衰变所需要的时间。为防止水流在衰变池内部形成短流达不到应有的衰变停留时间,需要在池内设导流墙(管)的方式来引导水流,宜采用3～5级分隔。间歇式衰变池采用间隙进水和排水的方式,需采用多个或多格进行存储,如图2。在满足衰变时间后,该衰变池才能排水。它需要采用阀门控制进出水,当无法重力排放时,还需采用提升泵将污水排空。

间歇式衰变池的优点是抗冲击能力强,出水水质稳定可靠,如果发生放射性物质泄漏等事故,废水中的放射性物质增加时,可以通过延时排放来延长废水在衰变池中停留时间,确保废水衰变到允许的排放浓度后排出,避免造成放射性污染事故。其缺点是衰变池容积较大,占地面积大,造价高,需要设控制阀门和水泵,后期控制相对复杂、运行费用也高。连续式衰变池具有池容积小、占地面积小、造价低、操作简单、不需或很少维护等优点,是工程中常采用的方式,其缺点是抗冲击能力差。如果发生放射性物质泄漏等事故,废水中的放射性物质增加时,废水在衰变池中还未衰变到允许的排放浓度就不得不排出,会造成放射性污染事故。

间歇式衰变池和连续式衰变池这两种形式均可以采用,各有其特点和适用性,具体的特点和适用性见表1。

间歇式衰变池数量增加,可以减少总容积,逐步接近连续式的容积。但其控制的阀门会相应增加,管理难度也增加。间歇式衰变池个数的确定,要结合设计中的实际用地情况,经济性等多方面综合考虑。在实际的工程实践中,大多数还是采用连续式衰变池的形式。

此外,还出现了连续式衰变池的改进形式^[12],该衰变池是在原连续式衰变池的基础上,增加一个缓冲池和相应的附件(电磁阀、潜水泵等),见图3。

图3中前面的衰变池部分的有效容积仍按最长半衰期同位素10个半衰期放射性废水总排水量确定,缓冲池容积可按最长半衰期同位素3～5个半衰期放射性废水排水量确定。在运行过程中,当监测到某一时段出水的放射性物质超标,即打开电磁阀,让未完成处理的污水进入缓冲池继续衰变,达标后再排放。改进的衰变池,可兼具间歇式和连续式的优点。

在连续式衰变池内,存在导流墙分隔和导流管分隔的形式。采用导流墙的形式其水流的阻力较小,不容易形成堵塞。隔舱导流管的形式停留死角更小,但污泥更容易沉积。导流墙的形式对工程应用相对更合适。

采用导流墙进行导流时,需注意其进水、出水在垂直方向上要错开。若均从上部预留管道时,可将进水管插入衰变池的中间高度,确保水流在平面和垂直方向上尽量避免出现短流。对于隔舱分隔的情况,建议在水面的上部开设通气孔,让池内的大气可流动,减少水流的阻力;每个隔舱内均需考虑检测,导流管的管径不宜太小。

衰变池内除了需要设置检修人孔外,还需要考虑检修爬梯便于池内的清通、酸洗。进出衰变池的管道处需设置防水套管。向下设置的进水管在水位上的管道处宜设虹吸破坏孔,以防止污水的倒流。衰变池的底部应设有坡度,便于污泥的排放。其盖板宜有锁定装置,表面设有辐射防护标识。在衰变池的前后应设置检查井(监测井),用于抽样检测其放射性的强度。

值得注意的是,衰变池中的污水停留时间远远超过化粪池内的污水停留时间,衰变池内容易产生厌氧气体。由于其空间相对密闭,容易形成压力气体,产生爆炸的可能性,仅靠前后排水管内非满流部分来通气,效果不好。为防止环境污染和爆炸的危险,建议在衰变池内设通气管与大气相通,并考虑排放到一定的高度。

在间歇式衰变池中,需要对其管道连接与附件配置进行考虑。其进出水的阀门宜采用电动阀以便于控制^[13]。此外,考虑到衰变池排放需要放空留给下一周期使用,在衰变池内需要设置提升装置。

放射性污水收集管道设计的排水点与衰变池中间的距离应尽可能缩短,并避免水流的死区,便于检测和维修。在核医学工作场所的给水管道布置,应避免与放射性污水管道平行敷设。两者之间的距离不宜小于3m,且给水管应设在放射性污水管道的上方。管道交叉处应避开放射性污水管道的焊缝,并给污水管道加套管隔离。给水管道穿越辐射控制区处可做成S形,并避开射线束的方向与墙面成一定的角度。

含放射性同位素的污水一般呈现酸性,排放放射性的污水管道和阀门应采用耐腐蚀的材料,可选用不锈钢管、离心排水铸铁管或给水塑料管。

在衰变池规模较大的情况下,需要考虑放射性废气的净化处理。放射性废气中可能含有放射性气体、气溶胶、颗粒物和非放射性有害气体。废气的净化方式有多种,常用的有过滤、吸附、洗涤、滞留衰变等。放射性气体废物的排放中,通气管排出口的空气中放射性核素浓度应满足设定的空气导出浓度(公众照射)的要求。其中,³² P的浓度限值为2.84Bq/m³,¹³¹I的浓度限值为1.30Bq/m³。可在通气立管的顶部安装活性炭或其他专用过滤装置,过滤装置前后应留取样口进行采样和监测,以确定过滤效果。

医疗建筑中低放射性污水处理的重点在于衰变池的设计,针对设计中存在的问题进行深入分析,给出相关的设计方法。对于衰变池自身辐射防护的防护材料厚度,在今后的设计中还有待进一步深入进行完善和实践中进一步验证。