世界鈾礦發(fā)展趨勢及我國鈾礦冶的固廢處理

世界鈾礦發(fā)展趨勢及我國鈾礦冶的固廢處理

1鈾礦使用的穩(wěn)定性隨著核電廠的發(fā)展，原子能需求日益增加。根據(jù)英國的世界核協(xié)會(WNA)于2005年6月采用態(tài)勢分析法對世界鈾的預(yù)測顯示:無論低位態(tài)勢還是高位態(tài)勢,其需求量都會呈持續(xù)增長狀態(tài),且分別在2015年和2020年達(dá)到需求旺盛期,全球需鈾量將從目前的6.7×104t/a增加至10×104t/a以上。預(yù)計到2020年,中國核電需天然鈾將達(dá)到3180～6540t。鈾礦冶在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢石和尾礦,一般按鈾礦品位0.1%計,將分別為(0.7～1.5)×103t/tU和1.2×103t/tU左右,并且含有多種天然放射性核素和其他有害物質(zhì)。隨著鈾礦品位的不斷降低,其廢石、尾礦的數(shù)量還會增加,因此鈾礦冶的固廢處理問題日益突出。我國于20世紀(jì)80年代末開始對常規(guī)鈾礦山、水冶廠進(jìn)行退役后的治理,截至2005年底,已完成了14個鈾礦冶退役治理工程。其中完成廢石治理900多萬t,尾礦治理約175萬t,正在治理廢石近1130萬t,尾礦約2500萬t。2水體、大氣、土壤污染在鈾礦采冶過程中,雖對固廢處理采取了一定的措施,但由于環(huán)境和其他因素的影響和制約,在一定地區(qū)和范圍內(nèi)對水體、大氣、土壤等都造成了污染。以某退役鈾礦冶為例,全面閉坑停產(chǎn)后,礦區(qū)內(nèi)尚遺留廢石9.4×104m3。尾礦9.22×104m3。其中61%地表面氡析出率超過0.74Bq/(m2·s)的管理權(quán)限,大部分地面環(huán)境貫穿輻射計量率超過當(dāng)?shù)乇镜?17.4×10-8Gy/h),對區(qū)域內(nèi)居民造成嚴(yán)重危害。2.1尾礦庫外排廢水中鈾、鋅離子含量排棄在地表的廢石被雨水淋浸后,通過地表的滲透作用進(jìn)入地下水,該礦區(qū)地下水中含鈾量可達(dá)2.0g/L。尾礦庫外排廢水中鈾含量可達(dá)0.456mg/L,鐳含量可達(dá)0.337Bq/L,鋅離子含量可達(dá)1.667mg/L。不僅破壞了水系的酸堿平衡,使水中的核素含量增加,還影響魚類和一些植物的生長,并可能通過生物鏈進(jìn)入到人體中,造成危害。2.2大氣遷移廢石和尾礦中的放射性物質(zhì)在大氣中的遷移,特別是氡的遷移,對大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染。某礦尾礦堆場氡析出率大致在0.89～38.5Bq/(m2·s),廢石場則在0.02～3.64Bq/(m2·s)。2.3土壤污染的危害廢石和尾礦由于雨水的淋洗,使廢石場和尾礦庫中流出的廢水含有大量的放射性核素,使土壤中的鈾、鐳等放射性核素含量劇增,造成土壤污染。不同土壤類型所含U、Ra、Th的含量不同,其氡的析出率也不同,見表1。3退役鉻開采的處理方法3.1采區(qū)水質(zhì)監(jiān)測為了保護(hù)地表水,應(yīng)在礦區(qū)附近建造必要的工程設(shè)施來攔截、疏導(dǎo)(如渠道、堤壩等),使之不能流入采區(qū),并在礦區(qū)存在的穩(wěn)定水體處(如河流、水庫等)建立水質(zhì)監(jiān)測點,進(jìn)行定期監(jiān)測和管理。3.2廢水污染物的凈化和廢水遷移對于滲流到地下的地下水對環(huán)境的影響通常采用的方法主要有三種。(1)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對現(xiàn)場地下水污染現(xiàn)狀進(jìn)行研究。研究中用到的評價方法主要有綜合指數(shù)法及概率統(tǒng)計法,Robert就新墨西哥Grants礦帶鈾礦冶對地下水環(huán)境的影響進(jìn)行了初步評價并提出了進(jìn)一步的監(jiān)測計劃。由于尾礦庫的嚴(yán)重滲漏及深井注入法處理廢水,周圍的地下水已經(jīng)受到了不同程度的污染,研究中發(fā)現(xiàn)主要污染物為Ra、Se、NO-3。Horst對巴西一個鈾礦冶場10a的監(jiān)測資料進(jìn)行了統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)對尾礦庫的廢水進(jìn)行中和處理可有效地降低滲漏水中各種污染物的濃度,除SO2?442-外,其他污染物對地下水的影響并不顯著。(2)運用定量分析模型預(yù)測鈾尾礦庫對地下水的影響。Perry和Deborah對鈾尾礦庫滲漏及污染物在包氣帶和地下水中的遷移進(jìn)行了研究,采用尾礦池地區(qū)的水文預(yù)算對滲漏量進(jìn)行估算。水流運動速度由達(dá)西定律直接求出,污染物遷移速度用水流速度除以延遲系數(shù)得出。(3)運用數(shù)學(xué)模型,將水流方程同質(zhì)量輸送方程聯(lián)立求解,可得到污染物在地下水中的濃度分布。岳維宏運用了簡化的流場模式,對放射性核素在包氣帶的運移采用一維模型,考慮一維流動二維彌散,預(yù)測核素對地下水的影響。Gureghian等用二維模型的數(shù)值解預(yù)測地下水流動和溶質(zhì)的遷移,流場的計算采用簡化模式。3.3土壤覆蓋降氡技術(shù)控制廢石和尾礦中的放射性物質(zhì)在大氣中的遷移,特別是氡的遷移。廢石和尾礦中氡的析出率一般在20%左右,最高可達(dá)43%。因此,只有對廢石和尾礦堆進(jìn)行治理,才能徹底解決這一問題?？刂柒櫸驳V氡析出率的有效方法就是對其表面進(jìn)行覆蓋。覆蓋材料選擇性很大,可以用土壤、砂礫石、巖石等固體天然材料,也可以用瀝青、混凝土、聚乙烯膜等人工材料與天然材料結(jié)合構(gòu)成,還可以用水做覆蓋層。表3列出了試驗所用的幾種覆蓋材料對氡析出率的控制效果。表4列出了某鈾礦尾礦庫采用不同土質(zhì)所做的覆土試驗結(jié)果。表3的試驗結(jié)果表明,砂漿和瀝青等材料對氡析出率的控制效果雖好,但大面積施工使用對地表生態(tài)恢復(fù)不利;農(nóng)用塑料膜控制氡析出率的效果也不錯,但它易破使用壽命短;用水覆蓋降氡會引起尾礦孔隙水與地下水交換,使地下水污染,對水環(huán)境造成影響。從表4看出,用土壤覆蓋,粘土的效果較好,砂壤土較差。我國多個鈾尾礦庫退役治理可行性研究表明,用土壤和砂礫石兩層材料覆蓋,經(jīng)濟(jì)實用,使用壽期長,地表生態(tài)也容易恢復(fù)。具體施工方法是:先用一定厚度的土壤覆蓋在尾礦表面降低氡的析出率,屏蔽γ輻射劑量率,阻隔雨水滲入尾礦,然后在土層上再鋪一層砂礫石,以便讓雨水排離尾礦堆表面,保護(hù)土壤免受風(fēng)雨侵蝕,防止鹽類物質(zhì)沿毛細(xì)管上升,有利于地表植被形成和自然生態(tài)面貌的恢復(fù)。影響土壤氡異常分布的因素一般有:①巖石或土壤中放射性元素(主要是鈾、鐳)的含量;②射氣系數(shù);③氡氣的擴(kuò)散、對流和抽吸等運移作用;④斷裂、裂隙等。此外,由于尾礦覆蓋材料用量大,所以對土壤資源缺少地區(qū)應(yīng)因地制宜就地取材,研究出合適的覆蓋材料,如廢石、石灰、煤灰或其它廢料與土壤混合的覆蓋材料,盡量少動用土壤資源,減少對土壤資源的過分依賴。例如,西南某鈾礦將部分小而分散的廢石堆集中到尾礦堆上,一方面從根本上清理了這些廢石,減少了污染源,便于退役后的管理;另一方面廢石起到了排水、阻擋生物侵?jǐn)_、降低尾礦差異性沉降、防止霜凍與干旱裂縫的作用,并使尾礦氡析出率從10.64Bq/(m2·s)降到2.8Bq/(m2·s),減少了廢石與尾礦的覆土用量。對于鈾水冶尾礦庫的治理,應(yīng)遵循輻射防護(hù)三原則:即實踐的正當(dāng)性、輻射防護(hù)的最優(yōu)化和劑量的限值。不僅考慮放射性核素對環(huán)境的影響和危害,同時也考慮排放有毒物質(zhì)對環(huán)境的影響與危害。其中最重要是降低尾礦表面222Ra的析出與屏蔽部分γ射線以及處理酸性滲出水,降低其對環(huán)境的影響,并且要防風(fēng)固砂避免尾礦的流失與揚(yáng)塵。最終使得治理后的鈾水冶尾礦表面的析出低于管理限值0.74Bq/(m2·s),保證尾礦滲出水水量減少、水質(zhì)有一定的改善,使治理后的尾礦庫對環(huán)境影響降到盡可能低,并長期處于安全與穩(wěn)定狀態(tài)。3.4綜合處理方法(1)做好整體規(guī)劃必須全面做好鈾礦冶的規(guī)劃工作,做到合理布局,統(tǒng)籌安排,生產(chǎn)和退役并重。盡可能減少污染源和污染物的大范圍運輸,將廢石就地處理可減少污染擴(kuò)大。企業(yè)和政府有關(guān)管理部門均應(yīng)做好整體規(guī)劃。退役治理要納入規(guī)劃、選址、設(shè)計、建造、生產(chǎn)和退役的全過程中,一旦生產(chǎn)結(jié)束,立即著手退役治理,使退役治理達(dá)到事半功倍的效果。(2)廢石、尾礦污染防治技術(shù)隨著現(xiàn)代采礦技術(shù)以及溶浸技術(shù)的發(fā)展,采用新工藝是減少污染源的有效途徑。也可以在一定程度上消除廢石、尾礦對地表的環(huán)境污染。應(yīng)注重對國內(nèi)外新技術(shù)的信息資料的收集和整理。(3)防止風(fēng)蝕,恢復(fù)生態(tài)大量的試驗和研究表明,在廢石和尾礦上加覆蓋物可以有效的降低氡的析出。同時,為穩(wěn)定覆蓋層,防止風(fēng)蝕雨蝕,在覆蓋面上植樹,形成人工植被,有益于生態(tài)平衡的恢復(fù)。在退役治理過程中,經(jīng)常出現(xiàn)所需資料缺乏或不全等問題,一些污染設(shè)施的確切位置不清楚,建議在生產(chǎn)過程中,注重環(huán)境影響相關(guān)信息和資料的收集、保管和整理,建立環(huán)境數(shù)據(jù)庫,為以后的退役治理工作奠定基礎(chǔ)。(4)加強(qiáng)退役治理工作的管理加強(qiáng)廢石場、尾礦庫的環(huán)境輻射檢測,特別是大氣氡和水體放射性核素的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立刻跟蹤監(jiān)測,查明其污染來源和原因,及時做好處理和補(bǔ)救措施,以防止重大事故的發(fā)生。加強(qiáng)退役治理工作的管理:一方面加強(qiáng)退役治理過程中各個環(huán)節(jié)的管理,確保監(jiān)測、設(shè)計和施工的質(zhì)量;另一方面應(yīng)對退役治理工作進(jìn)行全面的總結(jié),吸取有關(guān)經(jīng)驗和教訓(xùn),并應(yīng)用到在役鈾礦山與鈾水冶廠,將預(yù)防為主,防治結(jié)合的原則真正落到實處,有效地保護(hù)環(huán)境。4ra年產(chǎn)出情況退役鈾礦冶的固廢治理工作意義重大。某鈾礦冶退役后尾礦堆、廢石堆等污染地面進(jìn)行了覆蓋等處置后,有效抑制了222Ra的析出,屏蔽部分γ射線。治理前222Ra年析出總量為1.2×1013Bq,治理后為9.2×101