ИСТИНА

Дальнейшее развитие ядерной энергетики будет зависеть от решения проблемы безопасного обращения с радиоактивными отходами. Согласно рекомендациям МАГАТЭ жидкие радиоактивные отходы должны быть переведены в отверждённое состояние, только в таком состоянии они будут безопасны для человека и окружающей среды при длительном хранении или захоронении. Особую проблему для переработки представляют радиоактивные отходы, содержащие органические вещества - отработанные масла, экстрагенты, сцинтилляционные жидкости. Необходима разработка способов подготовки таких отходов перед цементированием с целью уменьшения их объёма и увеличения процента включаемости в цементную матрицу с сохранением прочностных характеристик компаунда, соответствующих нормативным требованиям. Поэтому тема диссертации Трегубовой Варвары Евгеньевны, посвященная исследованию поведения органических компонентов и радионуклидов в процессах биологической обработки гидрофобных жидких органических радиоактивных отходов является актуальной. Практически важным является определение параметров эмульсификации и биологического окисления органических радиоактивных отходов перед отверждением в цементную матрицу, а также исследование поведения радионуклидов в условиях данного процесса. Структура, анализ новизны и достоверности основных положений и результатов работы Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, включая 56 рисунков, 42 таблицы. Работа состоит из введения, 9 глав, заключения, приложения, список цитируемой литературы содержит 279 источников. Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы и основные задачи исследований. Первая глава посвящена обзору литературных данных по происхождению и составу органических радиоактивных отходов (РАО), методам обращения с указанной категорией отходов (хранение, окислительные способы обращения с органическими РАО, очистка, иммобилизационные способы обращения). Рассмотрены фундаментальные основы применения биотехнологий и существующие биотехнологические разработки в области переработки органических радиоактивных отходов. Особое внимание уделено обзору литературных данных по состоянию радионуклидов в жидких органических отходах, проанализированы механизмы иммобилизации радионуклидов биомассой микроорганизмов. На основе проведенного обзора литературных данных обоснована цель работы. Во второй главе описаны материалы и методы исследования. Приведены характеристики модельных органических РАО, использованных в работе, а также штаммов микроорганизмов с описанием характерных для каждого микроорганизма особенностей. При проведении исследований был использован широкий спектр современных методов. Анализ компонентного состава масел проводили методами ИК- и УФ-спектрометрии, эффективность потребления масла микроорганизмами - методом гравиметрии и амперометрическим методом с использованием биосенсора на основе электрода Кларка, измерение активности радионуклидов проводили методами низкофоновой спектрометрии, содержание металлов в биомассе - методом нейтронно-активационного анализа, для определения роста микроорганизмов и контроля нитрит-ионов были использованы оптические методы; концентрацию нитрата и рН определяли с помощью ион-селективного электрода, растворенный кислород – при помощи амперометрического сенсора; ХПК водной фазы определяли ускоренным методом по Ю. Лурье. Для моделирование процесса биодеградации была сконструирована лабораторная установка. Измерение прочности цементных компаундов проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51883-2002 сотрудники ФГУП «Радон» на испытательной машине Testing Cybertronic 500/50 kH. Используемые методы и методики исследования позволяют считать полученные результаты достоверными. Глава 3 посвящена изучению поведения радионуклидов в условиях, соответствующих процессу биодеградации. Исследовано распределение радионуклидов 238Pu, 241Аm,137Сs, 90Sr между органической, водной и твёрдой фазами. Показано, что распределение радионуклидов между фазами связано с переходом радионуклидов из органической в водную фазу (реэкстракция) и осадкообразованием. Переход радионуклидов в осадки обусловлен процессами гидролиза, свойственными америцию, плутонию и тяжелым продуктам их распада, и осаждения с присутствующими в водной фазе фосфатами. Установлено, что 238Pu не зависимо от рН раствора преимущественно переходит в твёрдую фазу: остаточное содержание в органической фазе не превышало 1 – 3 %, в водной фазе варьировалось в диапазоне 5 – 16%. 137Cs количественно реэкстрагируется в водную фазу и независимо от рН и не осаждается. Распределение стронция по фазам зависит от рН, в водной фазе при всех изученных значениях поддерживается стабильное содержание стронция ~ 30% от общего количества. Примерно постоянное содержание 241Am (на уровне 10% от введенной активности) устанавливается органической фазе, в водной фазе количество радионуклида заметно увеличивается в щелочной области рН предположительно за счёт соосаждения америция с фосфатами плутония. В главе 4 проведена оценка потребления гидрофобных и гидрофильных компонентов РАО, исследована скорость разложения органических компонентов микроорганизмами. В качестве характеристики процесса биодеградации РАО использовано относительное значение скорости потребления кислорода в среде при концентрации субстрата равной 1 г/л, которая напрямую коррелирует со скоростью потребления органических компонентов. Было установлено, что наибольшая скорость потребления из всех изученных субстратов характерна для простых гидрофобных субстратов: керосин и глицерин. С близкими скоростями потреблялись масло и ТБФ, наименьшая скорость потребления характерна для ЭДТА и оксалата. Проведённые исследования позволили сделать важный вывод о том, что величина средней потребленной концентрации убывает в ряду «бактерии + дрожжи»→ «бактерии-деструкторы»→ «дрожжи»→ «ПАВ-образующие бактерии». Установленные закономерности позволили выбрать культуры для более детального изучения. В пятой главе изучены основные физико-химические параметры биологической деструкции органических ЖРО, определены факторы, влияющие на процесс биологической деградации. Показано, что к таким факторам относятся температура, рН, дополнительные компоненты среды, содержащие азот и фосфор, экзогенные ПАВ. В качестве источника азота были исследованы органический белковый азот, мочевина, хлорид аммония. Проведённые исследования позволили установить оптимальные параметры биодеструкции органических РАО и на модельных низкоактивных отходах показать, что микроорганизмы культуры ОД11 способны расти на среде, имитировавшей НАО, без приготовления специальной среды. В главе 6 изучено поведение радионуклидов в контакте с биомассой. Проведена оценка химического и биологического вклада в очистку водной фазы от радионуклидов. Показано, что эффективность очистки водной фазы от радионуклидов с использованием биомассы, независимо от рН, уменьшается в ряду «241Am→238Pu→90Sr→137Cs». Наиболее эффективным сорбентом для 241Am являлась биомасса Ps. putida при рН=7, для 238Pu – биомасса S. cerevisiae при рН=9, для 90Sr – биомасса Ps. putida при рН=4, для 137Cs – биомасса Hm. mono при рН=7. В главе 7 приведены данные по изучению структурно-группового состава и физико-химических параметров масел, выбранных в качестве моделей органических РАО. Выполнен качественный анализ ИК-спектров исходных масел и после биодеградации, установлен их структурно-групповой состав, определено соотношение цепочечных и ароматических компонентов масел. Сделан важный вывод о том, что после процесса биологической деградации происходит снижение доли парафиновых и ароматических компонентов. На основе полученных данных установлена корреляция между структурно-групповым составом органической фазы и эффективностью ее микробиологической деградации, что позволило сделать теоретический расчет концентрации потребляемых компонентов (С потр, г/л) для оценки возможности биологической деградации реальных органических ЖРО. В главе 8 проведено моделирование процесса биологической деградации нерадиоактивных модельных отходов, сделана оценка влияния перемешивания, соотношения органической и водной фаз, установлены кинетические параметры роста культур. С учётом полученных результатов было проведено моделирование потребления реальных органических радиоактивных отходов. Были установлены оптимальные условия работы установки и показано, что смешанная культура ОД11 растёт и эффективно разлагает органическую фазу на средах со значительным содержанием радионуклидов. Степень очистки жидкой фазы от радионуклидов составила, %: 238Pu – 87,25, Σ β – 90, 51, 241Am – 99,9 , 137Cs - 2,43. В девятой главе исследована возможность включения продуктов биологической деградации органических ЖРО в цементный компаунд. Проведён сравнительный анализ прочностных характеристик, полученного продукта и описанных в литературе. Показано, что полученный компаунд по прочности и наполненности отходами сопоставим, а в некоторых случаях превосходит описанные в литературе образцы и может быть рассмотрен как матрица для иммобилизации органосодержащих ЖРО. К наиболее существенным результатам диссертации, имеющим научную новизну, относятся следующие положения: - Впервые изучено распределение радионуклидов 238Pu, 241Аm,137Сs, 90Sr в процессе биодеградации органических РАО между органической, водной фазами и клетками. - Подобраны микроорганизмы и оптимальные условия для биологического окисления органических компонентов РАО: вакуумных и трансформаторных масел, трибутилфосфата, сцинтилляционных жидкостей, ЭДТА, ацетатов и оксалатов. - Установлены закономерности процессов биологического окисления и эмульгирования РАО, проведены моделирование биодеградации органических РАО в лабораторной установке и апробация биодеструкции на реальных органических ЖРО. - Определены параметры сорбционной очистки органических растворов от радионуклидов и тяжелых металлов с использованием биомассы и минеральных компонентов среды. - Установлено, что применение предварительной биологической обработки органических ЖРО увеличивает включаемость отхода в твердую матрицу до 38 %, при этом в 2-3 раза позволяет уменьшить объем зацементированных отходов. Достоверность полученных экспериментальных данных сомнений не вызывает, так как они получены на современном исследовательском оборудовании, грамотно интерпретированы. Практическое значение результатов работы Практическая значимость работы Трегубовой В.Е. заключается в решении актуальной задачи разработки способов иммобилизации органических РАО в твердую матрицу для их последующего долговременного хранения или захоронения. Выполненная работа показывает возможности разработки биотехнологии, позволяющей перевести часть объема органических макрокомпонентов ЖРО в углекислый газ и уменьшить общий объем цементных компаундов, а также предлагает условия для её реализации. Предложена принципиальная схема утилизации органических РАО методом биотехнологии и произведён оценочный расчет стоимости биологической деградации органических РАО при различных вариантах работы технологической схемы.