鄒兆莊，夏子通，張保增，王 瑋

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

鈾礦山污染場地治理技術(shù)初探

鄒兆莊，夏子通，張保增，王 瑋

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

通過對我國不同類型鈾礦山的生產(chǎn)過程、工藝流程等進(jìn)行分析，總結(jié)鈾礦山場地的污染特點(diǎn)，并對其污染程度進(jìn)行調(diào)研。結(jié)合對現(xiàn)有土壤修復(fù)技術(shù)的討論，論述適用于鈾礦山污染場地的土壤修復(fù)技術(shù)；初步探討我國鈾礦山污染場地修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向及趨勢，提出一種可行的修復(fù)技術(shù)。

鈾礦山；放射性污染；場地修復(fù)

在全球節(jié)能減排及能源安全的背景下，各國都在積極發(fā)展清潔的新能源，核電已成為能滿足用戶高質(zhì)量需求的一種能源。鈾是主要的核燃料，其供給依靠鈾礦冶系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，隨著鈾礦冶系統(tǒng)幾十年發(fā)展的累積和公眾環(huán)境敏感度的提升，礦冶系統(tǒng)的環(huán)境問題也困擾著產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，鈾礦山污染場地的修復(fù)工作遲滯不前，相關(guān)的修復(fù)技術(shù)研究相對滯后，目前國內(nèi)尚未形成鈾礦山污染場地修復(fù)的體系。加大針對放射性污染土壤修復(fù)技術(shù)的研發(fā)力度，是沖破困局的關(guān)鍵。

1 鈾礦冶

目前我國的鈾礦資源類型主要有火山巖型、花崗巖型、砂巖型和碳硅泥巖型等。

鈾礦山系統(tǒng)包括鈾礦開采和鈾選冶兩部分，我國鈾礦山總體工藝技術(shù)路線見圖1。

圖1 鈾礦山的總體工藝技術(shù)Fig.1 Overall technology of uranium m ine

1.1 礦山開采

鈾礦開采是生產(chǎn)鈾的第1步，它是在地質(zhì)勘探確定了鈾礦床的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其任務(wù)是把工業(yè)品位的鈾礦石從鈾礦床中開采出來。鈾礦開采主要分3個步驟：開拓、采準(zhǔn)和切割、回采。鈾礦開采的方式和方法見表1。具體采用何種采礦方法，應(yīng)經(jīng)過技術(shù)論證、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、防護(hù)和環(huán)保等綜合比較來確定。總的原則是：安全、合理、經(jīng)濟(jì)、最大限度地將鈾礦資源從地下開采出來。

表1 鈾礦開采方法Table 1 M ining and processmethodsofuranium m ine

1.2 選礦水冶

選礦是將鈾礦石中廢石篩除，以降低礦石運(yùn)輸和化學(xué)試劑成本。不同類型的礦石有不同的選礦方法，如放射性選礦法、重選法和磁選法等［1］。

水冶是將礦石中的鈾提取，加工提煉成主要成分為重鈾酸、重鈾酸鈉、硫酸鈾和鈾的氫氧化物等的天然鈾產(chǎn)品，即鈾化學(xué)濃縮物， 俗稱 “黃餅”。

2 鈾礦山污染場地

2.1 污染來源

鈾礦在開采、運(yùn)輸、選冶等各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的放射性 “三廢”，即廢水、廢氣和廢渣，對礦區(qū)及周圍環(huán)境會造成影響，嚴(yán)重情形可造成放射性污染，對工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們身體健康產(chǎn)生影響。

圖2 鈾礦山場地污染來源Fig.2 Pollution source of uranium m ine site

三廢問題是礦山治理的關(guān)鍵，然而，將礦山的環(huán)境問題歸結(jié)為三廢，多數(shù)研究將重點(diǎn)單純集中在三廢問題的處理上，卻忽略了三廢問題所指向的重點(diǎn)（土壤問題）。由圖2可見，外排水、浸漬水、淋濾水、水冶廠廢水等直接或間接的排放，廢礦石、水處理污泥、尾礦與土地的直接接觸或雨水沖刷造成的核素遷移，氡及其子體以及各類礦塵經(jīng)過大氣沉降，都可能使各類放射性核素在土壤中蓄積起來。三廢問題所造成的污染都趨于向土壤累積，因此研究放射性核素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鈾礦山場地的土壤修復(fù)技術(shù)研究是解決鈾礦山環(huán)境問題的關(guān)鍵。

2.2 污染物特征

2.2.1 廢氣

礦井廢氣主要來源于鈾礦開采過程中鑿巖、裝礦、放礦、出渣、掘進(jìn)等工序產(chǎn)生的放射性粉塵、222Rn及其子體。

堆浸水冶區(qū)的放射性廢氣主要有礦石破碎、篩分及輸送過程產(chǎn)生的含鈾礦塵、222Rn及其子體；拌酸區(qū)域、堆浸生產(chǎn)過程產(chǎn)生的222Rn及其子體、放射性氣溶膠和酸霧；水冶廠房產(chǎn)生的少量有機(jī)溶煤、放射性氣溶膠和酸霧。

固體廢棄物堆置產(chǎn)生的廢氣主要為222Rn、220Rn，排放源包括廢石場和尾礦庫。

氡及其子體是鈾礦山開采過程造成大氣污染的主要源頭，資料統(tǒng)計(jì)顯示［2］，一個中型鈾礦井，每天析出氡2.2×1011～7.6×1011Bq，礦井排出廢氣量可達(dá)2×105～6×105m3·h-1，其濃度達(dá)5×103～7×103Bq·m-3；氡及其子體α潛能值為1.7～11.0 MeV·L-1。此外，礦山廢石場還將以103Bq·d-1的速率析出氡及其子體。在礦區(qū)周圍500 m范圍內(nèi)室外大氣中氡濃度可達(dá)7～150 Bq·m-3，氡子體α潛能值為1.2～4.0 MeV·L-1。特別是露天開采爆破時，周圍大氣污染更為嚴(yán)重，氡濃度可高達(dá)5× 102Bq·m-3，分別高于對照區(qū)濃度的5～11倍。

2.2.2 廢水

鈾礦冶廢水包括礦井廢水、工藝廢水、尾礦庫滲水等。工藝廢水主要來自萃取后萃余水、洗滌水、尾液、沉淀上清液和過濾濾液等（表2）。

2.2.3 固體廢棄物

固體廢棄物主要為廢石、尾渣和廢水處理沉渣。

根據(jù)潘自強(qiáng)等［3］的估算，一個年產(chǎn)10萬t的鈾礦山，每年大約可產(chǎn)出10～60萬t廢石。我國鈾礦的品位較低，產(chǎn)生的廢石量較大。大量的廢石必然導(dǎo)致大片的山谷、綠地被占用，在水蝕、風(fēng)蝕的作用下，廢石中的放射性核素及其他有害物質(zhì)不斷淋浸和析出，使受污染的區(qū)域不斷延伸。有時廢石管理不嚴(yán)，被用作建材、路基，結(jié)果造成環(huán)境污染，使民房內(nèi)γ輻射劑量率和空氣氡濃度大大超過背景值，甚至室內(nèi)γ輻射劑量率達(dá)到30×10-8Gy·h-1，空氣氡濃度達(dá)到103Bq·m-3，在礦區(qū)的公路和鐵路周邊，由于礦石和廢石在運(yùn)輸過程中的散落，使兩側(cè)路基和農(nóng)田土壤中γ輻射劑量率高達(dá)8.5×10-7Gy·h-1，高出環(huán)境本底值1個數(shù)量級。

表2 鈾礦坑道廢水及其放射性物質(zhì)［2］Table 2 W aste water from uranium m ine tunnel and its radioactive elements［2］

3 治理方法和技術(shù)

放射性核素在土壤中累積的方式有：核素在礦物顆粒表面產(chǎn)生的吸附；核素與土壤中的腐植酸發(fā)生絡(luò)合作用；核素發(fā)生沉積反應(yīng)［4］。治理放射性污染土壤，可以采用3種方法：1）永久關(guān)閉該場所；2）控制或限制污染物；3）移除或徹底消除掉污染物［5］。土壤中放射性核素的遷移轉(zhuǎn)化主要依靠絡(luò)合作用和氧化還原反應(yīng)，由此決定放射性核素的遷移能力和最終歸宿，同時也是目前國際及國內(nèi)部分修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)。對任何放射性污染土壤的修復(fù)處理，其目的均在于控制并降低放射性核素對人類健康和環(huán)境威脅的風(fēng)險?；诖?，通過消除或減少污染源、阻止放射性核素暴露于環(huán)境的方式可以使輻射量達(dá)到人類可接受范圍［6］。

污染土壤修復(fù)技術(shù)的研發(fā)經(jīng)四十多年的發(fā)展，多個國家都制定了土壤修復(fù)計(jì)劃，在土壤修復(fù)技術(shù)及設(shè)備方面投巨資進(jìn)行研發(fā)，如美國的 “棕地計(jì)劃”，拿出專項(xiàng)資金成立 “超級基金”，對工業(yè)污染土地進(jìn)行修復(fù)。通過這些修復(fù)計(jì)劃，各國積累了豐富成熟的現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)與工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，形成許多技術(shù)公司和組織，繼而使土壤修復(fù)技術(shù)更快地發(fā)展。

我國這方面的研究起步較晚，在 “十五”期間才被列入發(fā)展計(jì)劃，研發(fā)水平和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)都與起步較早的發(fā)達(dá)國家差距巨大。近年來，環(huán)境保護(hù)部、科技部、自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等部門相繼對一些土壤修復(fù)科研項(xiàng)目和專題進(jìn)行了立項(xiàng)，有力促進(jìn)了土壤修復(fù)科學(xué)的發(fā)展。期間，以土壤修復(fù)、場地修復(fù)為主題的系列學(xué)術(shù)活動、會議也推動、引領(lǐng)了我國污染土壤修復(fù)技術(shù)的研發(fā)。土壤修復(fù)學(xué)已經(jīng)成為一門新興的環(huán)境科學(xué)分支學(xué)科，土壤修復(fù)學(xué)也將發(fā)展成為一門新興的土壤科學(xué)分支學(xué)科。

經(jīng)過多年的發(fā)展，土壤修復(fù)技術(shù)已形成包含生物修復(fù)、物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)等修復(fù)技術(shù)體系，并積累了不同污染類型場地土壤綜合工程修復(fù)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

3.1 生物修復(fù)技術(shù)

土壤生物修復(fù)技術(shù)，包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)、生物聯(lián)合修復(fù)等技術(shù)，近年來得到快速發(fā)展，其中植物修復(fù)技術(shù)可應(yīng)用到放射性污染土壤中。

植物修復(fù)是指利用植物承載和過量積累某種或某些元素的特性，或利用植物及其根系微生物與環(huán)境之間的相互作用，對污染物進(jìn)行吸附、吸收、轉(zhuǎn)移、降解和揮發(fā)，將有毒有害的污染物轉(zhuǎn)化為無毒、無害的物質(zhì)，最終使土壤功能得到恢復(fù)［7］。

國內(nèi)、外對重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)都進(jìn)行了研發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)將其應(yīng)用于As、Cd、Cu、Zn、Ni和Pb等重金屬污染土壤的修復(fù)。其工作原理見圖3。

圖3 土壤重金屬污染植物修復(fù)原理Fig.3 Principes of botany remedial technique for heavy metal polluting soil

放射性核素長期存在于土壤中，對人類及生物的健康造成很大的威脅。植物可從污染土壤中吸收并積累大量的放射性核素，因此用植物去除大面積低濃度的放射性核素污染是很有意義的方法。目前，全球范圍的相關(guān)研究與實(shí)踐正在不斷地推動著這種修復(fù)理論和技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，植物修復(fù)技術(shù)已衍生出多個分支領(lǐng)域。但是，植物修復(fù)從理論到技術(shù)都尚存在一些問題或制約因素。

3.2 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)是最先發(fā)展起來的修復(fù)技術(shù)之一，包括蒸汽浸提修復(fù)技術(shù)（圖4）、固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)、熱力學(xué)修復(fù)技術(shù)、熱解吸修復(fù)技術(shù)等，多用于有機(jī)污染土壤的修復(fù)。在鈾礦山放射性污染土壤修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用中，換土法是一種主流的選擇。采冶設(shè)施退役過程中，清挖被污染的土壤可以充填至停產(chǎn)的礦井中，這是一舉兩得的方案，既解決清挖土壤的處理問題，又解決了礦井填埋的問題，但缺點(diǎn)是工程量過大，成本偏高。

圖4 蒸汽浸提技術(shù)工藝流程Fig.4 Process of steam stripping technique

圖5 土壤固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)工藝流程Fig.5 Technique process of soil solidification/stabilization remediation

3.3 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)相對于物理修復(fù)技術(shù)發(fā)展較早，包括土壤固化/穩(wěn)定化技術(shù)、淋洗技術(shù)、氧化-還原技術(shù)、光催化降解技術(shù)和電動力學(xué)修復(fù)技術(shù)等。

3.3.1 固化/穩(wěn)定化技術(shù)

固化/穩(wěn)定化技術(shù)的原理是將污染物在土壤中固定、處于長期穩(wěn)定狀態(tài)，普遍應(yīng)用于重金屬污染土壤，適用于被多種重金屬復(fù)合污染的土壤，其修復(fù)流程見圖5。此技術(shù)的費(fèi)用低廉，用于非敏感區(qū)的土壤修復(fù)可顯著降低修復(fù)費(fèi)用。常用的固化穩(wěn)定劑有石灰、瀝青和水泥等，其中水泥應(yīng)用最為廣泛。在美國的超級基金項(xiàng)目中，大部分非有機(jī)污染場地采用固化-穩(wěn)定化技術(shù)處理。國內(nèi)一些冶煉企業(yè)場地重金屬污染土壤也采用了這種技術(shù)。此修復(fù)技術(shù)可應(yīng)用于放射性污染場地的治理。

3.3.2 化學(xué)淋洗技術(shù)

化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)是將水或酸/堿溶液、絡(luò)合劑或表面活性劑等化學(xué)藥劑注入到污染土壤中，清潔土壤中的污染物的技術(shù)。經(jīng)過處理后的土壤可再安全利用。這種異位修復(fù)技術(shù)已在許多國家應(yīng)用于工程性重金屬污染土壤修復(fù)，其工藝流程見圖6。

圖6 化學(xué)淋洗技術(shù)工藝流程Fig.6 Process of chem ical leaching technique

3.3.3 氧化-還原技術(shù)和光催化降解技術(shù)

土壤化學(xué)氧化-還原技術(shù)是通過向污染土壤中投入氧化劑或還原劑，使污染物變性來清潔土壤的技術(shù)，多用于土壤和地下水同時被有機(jī)物污染的修復(fù)；土壤光催化降解（光解）技術(shù)是一項(xiàng)新興的深度土壤氧化修復(fù)技術(shù)，也是氧化還原技術(shù)的一種，可應(yīng)用于農(nóng)藥等污染土壤的修復(fù)。

3.3.4 電動力學(xué)修復(fù)

電動力學(xué)修復(fù)是通過電化學(xué)和電動力學(xué)的復(fù)合作用驅(qū)動污染物富集到電極區(qū)，進(jìn)行集中處理或分離的技術(shù)。電動修復(fù)技術(shù)已進(jìn)入現(xiàn)場修復(fù)應(yīng)用。電動修復(fù)速度較快、成本較低，特別適用于小范圍的粘質(zhì)的多種重金屬污染土壤和可溶性有機(jī)物污染土壤的修復(fù)。

4 發(fā)展趨勢

在土壤修復(fù)方面，我國已有相當(dāng)多的研究，多集中在重金屬污染修復(fù)、有機(jī)物污染修復(fù)等方向，也有學(xué)者對放射性污染土壤的修復(fù)進(jìn)行研究，側(cè)重點(diǎn)是137Cs等人工放射性核素，但是針對天然放射性核素的修復(fù)技術(shù)略顯不足。鈾礦山場地的污染有其特殊性和復(fù)雜性，在對修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)時，應(yīng)同時考慮其放射性特性和重金屬特性。

本研究在進(jìn)行調(diào)研時，并未發(fā)現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用于鈾礦山污染場地修復(fù)技術(shù)的案例。在綜合調(diào)研了生物修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)等多種修復(fù)技術(shù)后認(rèn)為，生物修復(fù)具有可大面積應(yīng)用于低濃度污染土壤的修復(fù)的特性，而化學(xué)修復(fù)費(fèi)用低廉、效果明顯，可以利用生物-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)的方法來修復(fù)鈾礦山污染場地，其工藝流程可見圖7。

圖7 土壤淋洗-生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)工藝流程Fig.7 Process of soil leaching-biological joint remedial technique

此種方法綜合了生物和化學(xué)方法的特性，可以顯著地降低修復(fù)成本，提升修復(fù)效果，可為鈾礦冶設(shè)施退役工程提供參考。這種聯(lián)合修復(fù)技術(shù)也將是適用于鈾礦山污染場地修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向。

5 結(jié)語

隨著我國鈾礦事業(yè)的發(fā)展，公眾環(huán)保意識和鈾礦山環(huán)境安全關(guān)注度的不斷提高，做好放射性污染場地修復(fù)對于保護(hù)環(huán)境，改善民生環(huán)境具有重要社會意義。目前許多學(xué)者對放射性污染土壤的治理做了不同程度的研究，但立足生態(tài)文明建設(shè)和保護(hù)民生，系統(tǒng)地研究污染場地特征，厘清污染物遷移擴(kuò)散規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上形成治理技術(shù)方法體系的工作亟待開展。

［1］曹述棟，杜運(yùn)斌，潘英杰.鈾與核能［M］.北京:中國原子能出版社，2012:74－90.

［2］李德平，潘自強(qiáng)，龍尚翼，等.輻射防護(hù)手冊:第3分冊輻射安全［M］.北京:原子能出版社，1990: 188－189.

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［4］李社紅，鄭寶山，朱建明，等.額爾齊斯河流域及某稀有多金屬礦廢水鈾、釷含量分布及其環(huán)境影響［J］.礦物學(xué)報(bào)，2003，23（4）:308－312.

［5］IAEA.Technical Reports Series NO.442:Remediation of Sites with Mixed Contamination of Radioactive and Other Hazardous Substances［R］.Vienna:International Atomic Energy Agency，2006.

［6］IAEA.Closeout of uranium mines and mills:A review of current practices［R］.Vienna:International Atomic Energy Agency，1997.

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Prelim inary study on remediation technique for uranium m ine contam inated sites

ZOU Zhaozhuang，XIA Zitong，ZHANG Baozeng，WANGWei
（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

The peculiarity of uranium mine contaminated sites was summarized by the analysis on producing processes and fabrication techniques of different types of uranium mines in China，the contaminated level ofmines was investigated and surveyed. The applicative remediation technique of contaminated soil for the uranium mine contaminated siteswas expounded with the discussion of exiting remediation technique of contaminated soil.The direction and tendency of evolutionary of remediation technique of contaminated soil for the uranium mine contaminated sites in China were studied preliminarily and the proposal of feasible remediation technique was discussed.

uranium mine；radioactive contamination；site remediation

X53；X753

A

1672-0636（2015）01-0057-06

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.01.011

中國地質(zhì)調(diào)查局放射性礦山環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目 （12120113002800）

2014-10-30；

2014-12-22

鄒兆莊（1988—），男，山東濱州人，在讀碩士研究生，研究方向：環(huán)境地質(zhì)、環(huán)境影響評價、場地修復(fù)。

E-mail：zouzhaozhuang@163.com