米宇豪，以恒冠，廖運(yùn)璇，*，王 博，汪 萍

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

在地球地質(zhì)層中，存在著天然放射性物質(zhì)（Naturally Occurring Radioactive Materials，NORM）。這些物質(zhì)會(huì)隨著地球的各種物理化學(xué)作用而發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化，也可能因人類的活動(dòng)被濃縮、富集，進(jìn)而增加對(duì)工作人員與公眾的照射風(fēng)險(xiǎn)[1]。通常，因人類活動(dòng)而被增強(qiáng)的天然放射性物質(zhì)被稱為技術(shù)增強(qiáng)型天然放射性物質(zhì)（Technologically-Enhanced Naturally Occur?ring Radioactive Materials，TENORM）[2]。

地殼中的天然放射性核素主要為238U、232Th及其子體，它們往往以痕量的質(zhì)量濃度（1%）存在于油氣儲(chǔ)集層中。在油氣工業(yè)的生產(chǎn)過程中，放射性核素會(huì)隨著油、氣以及水的混合物移動(dòng)，并以各種形式累積于鹽垢、金屬垢和淤泥中[3]。這些放射性廢物中的NORM含量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過監(jiān)管要求中的行動(dòng)水平或豁免水平，并在設(shè)備的維護(hù)與運(yùn)輸?shù)冗^程中給工作人員和公眾帶來(lái)潛在的照射風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)油氣工業(yè)中的NORM實(shí)施有效的管理，尤其是要對(duì)NORM廢物進(jìn)行合理的處理與處置，以減少NORM廢物向環(huán)境擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，切實(shí)保護(hù)公眾安全和環(huán)境安全[4]。

油氣工業(yè)中的NORM問題已經(jīng)在國(guó)際上引起了重視，一些國(guó)家和國(guó)際組織相繼制定和發(fā)布了相關(guān)的規(guī)定和導(dǎo)則，如IAEA發(fā)布了《油氣工業(yè)中放射性廢物的輻射防護(hù)和管理》安全報(bào)告[5]、國(guó)際油氣生產(chǎn)商協(xié)會(huì)（IOGP）發(fā)布了《油氣工業(yè)中天然放射性物質(zhì)管理導(dǎo)則》[6]等，這些文件都對(duì)NORM廢物的處理與處置進(jìn)行了規(guī)范和要求。本文基于油氣工業(yè)中NORM廢物的特點(diǎn)，對(duì)它們的處理與處置所涉及的技術(shù)方法和相關(guān)管理要求進(jìn)行了介紹，為我國(guó)建立油氣工業(yè)NORM監(jiān)管體系提供借鑒和參考。

1 油氣工業(yè)中NORM廢物的特征

1.1 NORM廢物中的主要放射性核素

在未經(jīng)開采的油氣儲(chǔ)集層中，238U、232Th及其子體長(zhǎng)期處于平衡狀態(tài)。一旦油氣儲(chǔ)集層被開采，這種平衡會(huì)被迅速打破。由于油氣儲(chǔ)集層屬于還原性環(huán)境，U、Th元素傾向于以固態(tài)巖石的形式存在，不易溶于水相或油相。因此，在油氣開采過程中，238U、232Th仍主要存在于儲(chǔ)集層巖石中，地表提取物中只含有天然濃度的238U、232Th。

然而，對(duì)于兩個(gè)放射系中的Ra元素情況截然相反。無(wú)論是238U系的226Ra，還是232Th系的228Ra、224Ra，都由母體核素通過α衰變產(chǎn)生，α粒子引起的反沖效果增加了它們從固液交界面進(jìn)入井液的可能性。Ra更易溶于水，在開采過程中會(huì)隨著生產(chǎn)水流動(dòng)。當(dāng)Ra到達(dá)地表后，由于溫度、壓力、酸堿度等條件的變化，Ra會(huì)以硫酸鹽或碳酸鹽的形式沉積與結(jié)垢。基于上述原理，Ra的3種放射性同位素及其子體成為油氣工業(yè)中NORM廢物的主要源項(xiàng)。226Ra、228Ra、224Ra的半衰期分別約為1600年、6年和4天，224Ra會(huì)很快由于自身的衰變而消失，而226Ra的衰變速率遠(yuǎn)低于228Ra，因此，226Ra是NORM廢物中應(yīng)首先考慮的重要源項(xiàng)。

238U、232Th放射系中的Rn（氡）同位素也應(yīng)引起關(guān)注。Rn是一種惰性氣體元素，在開采過程中會(huì)隨著氣相的天然氣轉(zhuǎn)移到地表。232Th放射系中，220Rn（釷射氣）的半衰期只有約1 min，它會(huì)在到達(dá)地面后很快衰變殆盡。238U放射系中222Rn的半衰期約為4 d，它可能存在于液化天然氣處理設(shè)備、原油儲(chǔ)罐或天然氣傳輸管線中，最終衰變?yōu)閴勖^長(zhǎng)的210Pb。

在某些油氣田的生產(chǎn)水中，存在著Pb的穩(wěn)定同位素，這意味著210Pb也可能存在于一定形式的沉積物中。在這種沉積物中，210Pb的活度會(huì)遠(yuǎn)高于226Ra，意味著存在一種仍未被探明的獨(dú)立的Pb元素遷移機(jī)制[6]。

綜上所述，226Ra、228Ra、222Rn、210Pb及它們可能存在的子體（如圖1所示）是油氣工業(yè)NORM廢物中存在的主要放射性核素，應(yīng)在廢物處理與處置的過程中對(duì)它們進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

1.2 NORM廢物的主要存在形式

油氣工業(yè)中的主要NORM廢物可以大致分為垢和淤泥兩類。其中，垢可分為鹽垢和金屬垢，而金屬垢又包括刮屑和薄膜。這些NORM廢物可能以干態(tài)、濕態(tài)或干濕混合態(tài)的形式存在，或吸附于各種金屬設(shè)備內(nèi)部，或在設(shè)備維護(hù)過程中被收集到桶、箱等器皿中，或附著在工作服、手套、托盤等各種物質(zhì)表面。垢和淤泥可能含有的放射性核素如下：

圖1 238U（232Th）放射系中226Ra（228Ra）以下衰變鏈Fig.1 The decay chain of 238U(232Th)series behind 226Ra(228Ra)

（1）鹽垢。鹽垢的主要類型為硫酸鹽垢（BaSO4、SrSO4）和碳酸鹽垢（CaCO3），而Ra在化學(xué)性質(zhì)上與Ba、Sr、Ca類似，故Ra易與它們共沉淀，形成RaSO4、RaCO3甚至RaSiO4。因此，鹽垢中主要含有226Ra、228Ra。

（2）金屬垢。刮屑中會(huì)含有226Ra、228Ra，管道刮屑中還可能存在210Pb、210Po。薄膜常見于氣體處理設(shè)備的內(nèi)表面，由222Rn的衰變子體吸附而成，主要含有210Pb、210Po。

（3）淤泥。淤泥中也會(huì)含有226Ra、228Ra，沉積在儲(chǔ)罐底部、氣/油分離器、脫水容器、NGL（液化天然氣）儲(chǔ)罐等處的淤泥中還可能含有210Pb、210Po。

油氣工業(yè)常見NORM廢物中主要天然放射性核素的含量范圍見表1。一般而言，從淤泥到垢，有機(jī)成分的含量會(huì)逐漸減少（如圖2所示），這兩種形態(tài)廢物的產(chǎn)生量也會(huì)對(duì)后續(xù)處理、處置技術(shù)的選擇產(chǎn)生影響。

表1油氣工業(yè)常見NORM廢物中主要天然放射性核素的含量[6]Table 1 Activity of main natural radionuclidesin common NORM wastesin oil and gasindustry單位：Bq/g

圖2各類淤泥和垢的有機(jī)成分含量Fig.2 Amount of organics in all kinds of sludge and scale

此外，生產(chǎn)水也可能成為NORM廢物，主要含有226Ra、228Ra等放射性核素，但生產(chǎn)水的活度水平一般遠(yuǎn)低于上述幾種固體廢物，加之生產(chǎn)水常被循環(huán)使用、不外排，故本文不對(duì)生產(chǎn)水進(jìn)行討論。

2 油氣工業(yè)中NORM廢物的處理

2.1 典型的NORM廢物處理策略

NORM廢物的處理是NORM廢物管理的重要環(huán)節(jié)，有效的處理過程可以降低后續(xù)處置及相關(guān)輻射防護(hù)的難度。其中一種較為可行的NORM廢物處理策略如圖3所示。首先，要對(duì)NORM廢物進(jìn)行合理分類，既包括按照放射性比活度進(jìn)行分類，也包括根據(jù)不同處理手段的特點(diǎn)，按照廢物的物理與化學(xué)等特性進(jìn)行分類，這是實(shí)現(xiàn)廢物最小化的第一步。隨后，要對(duì)NORM廢物進(jìn)行減容處理。由于油氣工業(yè)中的NORM廢物多含有烴類物質(zhì)，易于燃燒，可以使用焚燒法對(duì)一些易燃廢物進(jìn)行處理，既能實(shí)現(xiàn)減容效果，又能將廢物墮化。尤其是對(duì)于淤泥類廢物產(chǎn)生量較大的情況，建立焚燒爐十分必要。但是，焚燒會(huì)導(dǎo)致焚燒灰中放射性核素的比活度升高，可能會(huì)引起相應(yīng)的輻射防護(hù)策略甚至處置策略的改變。在焚燒過程中，應(yīng)設(shè)置廢氣處理系統(tǒng)并監(jiān)測(cè)廢氣的放射性水平，還應(yīng)做好爐渣、灰燼、飛灰等廢物的收集工作，避免造成放射性物質(zhì)的泄漏和擴(kuò)散。需要注意的是，對(duì)于處理廢水使用的可燃樹脂，可考慮進(jìn)行焚燒處理。焚燒減容后，要使用水泥對(duì)焚燒灰等廢物進(jìn)行固化。而對(duì)于沒有沾染油污的廢物（如某些垢），相應(yīng)的處理辦法是直接固化。固化完成后，還要進(jìn)行廢物的放射性檢測(cè)，為后續(xù)處置方案的選擇提供依據(jù)。在實(shí)際操作過程中，可根據(jù)各方面的具體情況簡(jiǎn)化、省略或增加一些操作環(huán)節(jié)。

圖3一種可行的NORM廢物處理策略Fig.3 A practicablestrategy for NORM treatment

目前，多數(shù)國(guó)家油氣工業(yè)中產(chǎn)生的NORM廢物都沒有得到有效處理，大量NORM廢物仍被臨時(shí)存放于專用的容器或廢物坑中，這種情況蘊(yùn)含著潛在的輻射風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 NORM污染設(shè)備的去污

油氣工業(yè)存在大量被鹽垢、金屬垢、淤泥等NORM廢物污染的儀器設(shè)備，有必要對(duì)這些被污染的設(shè)備進(jìn)行去污處理，實(shí)現(xiàn)NORM廢物與儀器設(shè)備的分離。污染設(shè)備的去污過程本質(zhì)上是NORM廢物的預(yù)處理過程，能夠?qū)崿F(xiàn)NORM廢物的提取和轉(zhuǎn)移，便于開展后續(xù)處理操作。

針對(duì)各種核設(shè)施的放射性污染設(shè)備去污問題，人們已經(jīng)發(fā)展出了4大類主要去污方法：機(jī)械/物理法、化學(xué)法、電化學(xué)法和熔煉法，它們的相關(guān)特性詳見表2。

對(duì)于油氣工業(yè)NORM污染設(shè)備的去污，最經(jīng)濟(jì)有效的方法是噴水法，具體可分為自動(dòng)高壓噴水法和人工噴水法，前者常用于去除鉆桿等設(shè)備內(nèi)表面的垢，后者常用于清理各種污染設(shè)備和器具。進(jìn)行去污操作時(shí)，應(yīng)設(shè)立隔離作業(yè)區(qū)，嚴(yán)格控制NORM的擴(kuò)散，并注意對(duì)工作人員的有效防護(hù)。噴水去污會(huì)產(chǎn)生大量以水為載體的二次NORM廢物，主要包括被污染的油水混合物和被浸濕的垢。因此，必須建立水循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)廢水進(jìn)行一系列處理操作，以實(shí)現(xiàn)NORM廢物的進(jìn)一步提取和轉(zhuǎn)移。廢水的處理主要包括油水分離、過濾、除鹽（基于可燃離子交換樹脂）等過程，處理后的廢水被重新注入噴水系統(tǒng)、循環(huán)使用。

無(wú)論采用哪種去污手段，都應(yīng)注意避免NORM的擴(kuò)散，并為下一階段NORM廢物的處理做好準(zhǔn)備。

表2 4大類去污方法的特性[7,8]Table2 Thecharacteristicsof 4 decontamination methods[7,8]

2.3 NORM廢物的臨時(shí)貯存

在實(shí)現(xiàn)對(duì)NORM廢物的最終處置之前，一般都要對(duì)廢物進(jìn)行短期或臨時(shí)貯存。對(duì)于需要貯存的廢物，應(yīng)將其盛裝在一定的容器中，確保廢物的完整包容和有效隔離。所使用的容器應(yīng)由不與廢物發(fā)生作用的耐用材料制成，且容器要能夠適應(yīng)正常范圍內(nèi)的溫度變化并具有防水功能。容器應(yīng)貯存于干燥環(huán)境中，并將貯存地點(diǎn)的地面硬化，設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以防止任何潛在的泄漏或溢出發(fā)生而造成地下水、地表水或土壤污染。貯存過程中，應(yīng)將容器密封，不得以可能引起容器破裂或泄露的方式操作容器。在貯存地點(diǎn)應(yīng)設(shè)置醒目的輻射標(biāo)志和相關(guān)說(shuō)明，以清楚表明含有NORM廢物。應(yīng)定期對(duì)貯存地點(diǎn)進(jìn)行檢查，重點(diǎn)關(guān)注容器是否存在泄露和損壞現(xiàn)象，并做好相關(guān)記錄。

NORM廢物的臨時(shí)貯存只是一種過渡手段，絕非最終歸宿。長(zhǎng)時(shí)間的貯存將會(huì)增大NORM對(duì)公眾和環(huán)境的照射風(fēng)險(xiǎn)，因此，應(yīng)在臨時(shí)貯存的同時(shí)盡快考慮廢物的處置方式。

3 油氣工業(yè)中NORM廢物的處置

3.1 NORM廢物的處置

在油氣工業(yè)NORM廢物中一些放射性核素的半衰期很長(zhǎng)，最典型的是半衰期約為1600年的226Ra，所以，要選擇合理有效的處置方案，使公眾和環(huán)境的輻射安全在應(yīng)有的時(shí)間尺度內(nèi)得到充分保障。在設(shè)計(jì)處置方案時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循監(jiān)管機(jī)構(gòu)的規(guī)章制度或充分參考權(quán)威機(jī)構(gòu)的導(dǎo)則指南，還應(yīng)考慮利益相關(guān)公眾的意見，做好信息公開和公眾參與工作。

通常，根據(jù)放射性核素的種類、比活度、半衰期等特征，可以將放射性廢物分為高水平、中等水平和低水平3類，不同國(guó)家的分類方法略有差異[9]。我國(guó)《放射性廢物分類》（環(huán)境保護(hù)部公告2017年第65號(hào)）規(guī)定，放射性廢物分為極短壽命放射性廢物、極低水平放射性廢物、低水平放射性廢物、中水平放射性廢物和高水平放射性廢物5類，分別對(duì)應(yīng)貯存衰變后解控、填埋處置、近地表處置、中等深度處置、深地質(zhì)處置5類處置方式，且極短壽命放射性廢物和極低水平放射性廢物屬于低水平放射性廢物范疇[10]。油氣工業(yè)中的NORM廢物主要是低水平和極低水平放射性廢物，常用處置方法包括淺埋、填埋、地下注入和專用設(shè)施處置貯存，如圖4所示。

圖4油氣工業(yè)中NORM廢物的分類和處置策略Fig.4 Classification and disposal strategy of NORM wastes from oil and gasindustry

淺埋適用于比活度較低（如小于10 Bg/g）的NORM廢物，要使用至少約5 m厚的覆土覆蓋廢物，且要使覆土與周圍地形保持平整。填埋主要針對(duì)經(jīng)過水泥固化的NORM廢物，NORM廢物的比活度不能過高（如小于50 Bq/g），選擇填埋場(chǎng)地時(shí)應(yīng)考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且場(chǎng)地的水文特征應(yīng)當(dāng)限制廢物與地下水的接觸，從而最大限度地減少放射性核素（主要是226Ra）的轉(zhuǎn)移。地下注入又被稱為深井處置，主要指采用泥漿壓裂技術(shù)將NORM廢物注入廢棄的深井，以達(dá)到地質(zhì)封存的效果，原則上該方法對(duì)處置的廢物沒有比活度的限制。專用設(shè)施貯存主要指將NORM廢物送往近地表處置設(shè)施，即將NORM廢物視為低水平放射性廢物進(jìn)行處置。

處置方法的選擇往往需要依據(jù)NORM廢物的放射風(fēng)險(xiǎn)、處置技術(shù)的可行性、經(jīng)濟(jì)成本、監(jiān)管要求、公眾接受度等多方面因素進(jìn)行綜合考量，有時(shí)需要在多種因素之間進(jìn)行平衡和取舍。對(duì)于油氣工業(yè)NORM廢物，在放射風(fēng)險(xiǎn)方面，226Ra是主要放射性來(lái)源，226Ra及其子體發(fā)射的γ射線（見表3）引起的外照射風(fēng)險(xiǎn)和226Ra的氣態(tài)子體222Rn引起的吸入內(nèi)照射風(fēng)險(xiǎn)都是不容忽視的。

表3 226Ra及其子體的主要γ射線Table3 Themainγrays of 226Ra and itsprogenies

3.2 NORM廢物的排除和豁免

針對(duì)天然放射性核素，ICRP提供了一些相關(guān)的照射管理導(dǎo)則。由于環(huán)境中238U和232Th的比活度通常約為40 Bq/kg，并且有一個(gè)數(shù)量級(jí)或更大一些的漲落，建議將母體放射性核素的比活度是否處在1 000～10 000 Bq/kg的范圍作為確定這些放射性物質(zhì)的照射是否應(yīng)當(dāng)受制于監(jiān)管文件的依據(jù)。雖然這種情況下采用的依據(jù)是NORM中的比活度，但在考慮外照射和塵埃吸入內(nèi)照射時(shí)，這一范圍的比活度“將會(huì)產(chǎn)生每年近似1～2 mSv的有效劑量”。

《排除、豁免和解控概念的應(yīng)用》（IAEA RS-G-1.7）中規(guī)定，所有天然放射性核素的豁免比活度值為1 Bq/g，該值可以用于判斷實(shí)踐中的哪些材料能解除監(jiān)管控制，其劑量依據(jù)為1 mSv/a[11]。《國(guó)際輻射防護(hù)和輻射源安全基本安全標(biāo)準(zhǔn)》（IAEA GSR-part3）中對(duì)于天然來(lái)源的放射性核素豁免的劑量準(zhǔn)則和批量物質(zhì)的豁免比活度值也采用了跟RS-G-1.7同樣的標(biāo)準(zhǔn)[12]。

在《放射性廢物分類》（環(huán)境保護(hù)部公告2017年第65號(hào)）中，針對(duì)含天然放射性核素的大量物質(zhì)，采用年附加有效劑量不超過1mSv作為豁免劑量準(zhǔn)則[10]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《可免于輻射防護(hù)監(jiān)管的物料中放射性核素活度濃度》（GB 27742—2011）等效采用了IAEA RS-G-1.7，規(guī)定天然放射性核素的比活度豁免水平為1 Bq/g，其劑量依據(jù)也為1 mSv/a[13]?？梢钥闯?，我國(guó)目前針對(duì)天然放射性核素豁免的現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致，適用于油氣工業(yè)NORM廢物的排除和豁免管理。

從表1可以看出，油氣工業(yè)中的NORM廢物放射性比活度在10-3～104Bq/g，變化范圍較大。對(duì)于天然放射性核素比活度大于1 Bq/g的情形，需要納入輻射防護(hù)監(jiān)管；而對(duì)于比活度小于豁免值的情形，可以當(dāng)做普通廢物處理。因此，對(duì)油氣工業(yè)NORM廢物的管理，既做好廢物分類和管理工作，也要做好廢物的清潔解控工作，以減小廢物管理壓力，做到廢物最小化。

4 結(jié)論及建議

油氣工業(yè)會(huì)產(chǎn)生含有226Ra、228Ra、222Rn、210Pb等放射性核素的NORM廢物，主要以鹽垢、金屬垢、淤泥等形式存在。它們含有的以226Ra為代表的放射性核素的半衰期較長(zhǎng)，可能給工作人員帶來(lái)內(nèi)、外照射的風(fēng)險(xiǎn)，也可能威脅到公眾和環(huán)境的輻射安全，必須對(duì)其進(jìn)行合理的處理與處置。分類、減容、固化是一種可供參考的處理策略，而污染設(shè)備的去污是重要的預(yù)處理過程，有效的處理可以為后續(xù)的處置提供便利。廢物的臨時(shí)貯存可以作為一種過渡性的措施，但非長(zhǎng)久之計(jì)，必須盡快為廢物的處置尋找出路。

本文根據(jù)國(guó)際上油氣工業(yè)NORM廢物類型及放射性比活度情況，參考目前我國(guó)關(guān)于天然放射性廢物管理的相關(guān)要求，給出以下建議：

（1）鑒于油氣工業(yè)NORM廢物的放射性比活度變化范圍較廣，較高放射性水平的廢物需要按照放射性廢物的管理方式進(jìn)行管理，相應(yīng)的處置過程可以參照低水平或極低水平放射性廢物的處置進(jìn)行，而低于免管水平的廢物應(yīng)予以排除或豁免。目前，我國(guó)對(duì)油氣工業(yè)NORM廢物的相關(guān)放射性水平調(diào)查及分析評(píng)價(jià)的工作較少，獲取的數(shù)據(jù)不足，因此，需要根據(jù)情況開展特定油氣工業(yè)NORM廢物的調(diào)查工作，在實(shí)際工作的基礎(chǔ)上制定廢物管理方案，在滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)定的同時(shí)，得到現(xiàn)實(shí)情形下的最優(yōu)化策略。

（2）目前，我國(guó)在油氣工業(yè)中還沒有進(jìn)行輻射環(huán)境監(jiān)管，建議在油氣工業(yè)NORM廢物相關(guān)放射性水平調(diào)查及分析評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)上，找到適合我國(guó)NORM行業(yè)的監(jiān)管點(diǎn)，比如固廢的管理和液態(tài)流出物的管理辦法，形成具有行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)管體系。這樣既保證了我國(guó)油氣開發(fā)利用中的輻射環(huán)境安全，同時(shí)也為油氣工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)際接軌提供保證。

（3）建議在我國(guó)油氣工業(yè)NORM廢物的相關(guān)放射性水平調(diào)查的基礎(chǔ)上做好廢物管理的相關(guān)工作。對(duì)于可以再利用的污染金屬?gòu)U物，鼓勵(lì)在去污的基礎(chǔ)上集中進(jìn)行熔煉再利用。對(duì)于NORM廢物的處置工作，要做好行業(yè)規(guī)劃，統(tǒng)一籌劃，積極考慮針對(duì)整個(gè)油氣行業(yè)NORM廢物的處置出路。

（4）建議在前期調(diào)查和研究的基礎(chǔ)上，建立油氣工業(yè)輻射環(huán)境監(jiān)管名錄，并進(jìn)一步制定油氣工業(yè)NORM廢物監(jiān)管相關(guān)法規(guī)，出臺(tái)相關(guān)導(dǎo)則、技術(shù)文件規(guī)范油氣工業(yè)NORM廢物的處理處置活動(dòng)。