榮 耀，榮恪萱

(1.河南省核工業(yè)放射性核素檢測中心，河南 鄭州 440045;2.天津大學，天津 300072)

目前原地浸出(ISL)采鈾已成為鈾生產(chǎn)的主要方法，原地浸出采鈾的產(chǎn)量約占世界鈾產(chǎn)量的50%[1]。ISL采鈾具有經(jīng)濟回采很低品位礦石的能力，具有開發(fā)成本較低、勞動生產(chǎn)率高、作業(yè)安全性好、開發(fā)周期較短、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢。

ISL采鈾對環(huán)境有一定影響，對ISL采鈾后的礦山進行環(huán)境治理與修復是綠色礦山建設的重要環(huán)節(jié)。到目前為止，國外對ISL采鈾的主要公眾關注點是其對飲用水源的潛在污染。如果在采鈾過程中溶浸劑沒有得到適當控制，則有可能影響鄰近的地下水；如果在采鈾后地下水以污染狀態(tài)繼續(xù)留存，也有可能影響鄰近的地下水。因此，一些國家要求對采鈾后的地下水進行修復。

1 原地浸出采鈾方法和特點

目前，國際上主要采用2種ISL方法開采鈾礦，即酸法浸出和堿法浸出。澳大利亞、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和俄羅斯等國通常使用酸法浸出；美國則使用堿法浸出(因為大多數(shù)礦體中的碳酸鈣濃度大于1.5%，若采用酸法浸出將導致高酸耗)。浸出劑類型應根據(jù)礦體的地質(zhì)或地球化學性質(zhì)，以及地下水的水質(zhì)確定；開采后的地下水修復方法則取決于開采過程中使用的浸出劑類型。ISL浸出方法的技術(shù)特征見表1。

表1 ISL浸出方法的技術(shù)特征

2 國外ISL鈾礦山地下水主要修復方法

國外ISL鈾礦山在進行地下水修復時，對于酸法開采區(qū)域通常采用自然衰減進行修復；對于堿法開采區(qū)域通常采用抽水、處理、凈水再注入進行修復。修復過程中，也采用生物修復、化學還原劑還原以及增強的自然衰減等技術(shù)作為補充，或者聯(lián)合運用這些技術(shù)；目前部分技術(shù)仍處于研究試驗階段。國外ISL采鈾部分應用實例見表2。

表2 國外ISL采鈾應用實例和修復/關閉方法

3 美國堿法地浸礦山地下水修復

3.1 ISL地下水修復監(jiān)管[6]

根據(jù)聯(lián)邦和州法規(guī)，ISL采礦結(jié)束后，采礦者需要將開采區(qū)域含水層的地下水化學修復到本底水平；在最低限度內(nèi)，將采區(qū)內(nèi)的地下水修復至與采礦前的水質(zhì)一致，以便可以恢復以前的用途。

3.1.1 聯(lián)邦法規(guī)

1)美國核管理委員會(NRC)。美國核管理委員會根據(jù)美國聯(lián)邦法規(guī)的Title 10 Part 40中附錄A的標準5對采礦和修復進行管理。這些規(guī)定主要針對鈾選冶尾礦管理，NRC沒有針對ISL工藝生產(chǎn)或修復的規(guī)定。

NRC要求被許可方將ISL地下水修復到本底水平；如果不能達到本底值，則須達到替代濃度限值(ACL)，該替代濃度限值通常比本底值高。ACL必須表明所關注的元素不會對人類健康或環(huán)境構(gòu)成威脅，通常采用歸宿-運移模型(fate-transport)評估ACL對下游含水層的影響。

2)美國環(huán)境保護署(EPA)。為了獲得對ISL采礦的批準，運營商須根據(jù)美國《安全飲用水法案》及EPA地下注射控制大綱(UIC)，在采礦前獲得開采區(qū)域的“含水層豁免”。UIC規(guī)定見于美國聯(lián)邦法規(guī)的Title 40 Part 144和146。為獲取含水層豁免，運營商須表明含水層現(xiàn)在或?qū)聿挥糜谔峁╋嬘盟?，因為含水層被天然鈾及其衰變產(chǎn)物(包括鐳-226和氡-222)高度礦化，超過了環(huán)保署飲用水最大污染物水平限值。

3.1.2 州法規(guī)

每個州的ISL地下水修復均受到類似于聯(lián)邦法規(guī)的管制。對于沒有制定相關法規(guī)的州，聯(lián)邦機構(gòu)是主要監(jiān)管者；對于執(zhí)行聯(lián)邦法規(guī)優(yōu)先的州，州與NRC和/或EPA達成協(xié)議，在本州內(nèi)執(zhí)行對ISL的監(jiān)管，如德克薩斯州；也有的州實行雙重管理，如懷俄明州等。諸如懷俄明州、德克薩斯州和內(nèi)布拉斯加州這樣擁有ISL鈾礦山的州均有相關規(guī)定，明確要求在采礦后進行地下水修復，并要求盡可能修復到本底水平；如果不能實現(xiàn)，則修復到使用級標準(飲用水、畜牧或農(nóng)業(yè)用水)或執(zhí)行ACL。

3.2 堿法浸出地下水修復技術(shù)

采用堿性溶浸劑的井場在開采完成后，礦體的地下水中含有來自浸出劑的碳酸氫鹽、殘余鈾、鐳-226以及硒、砷等，地下水含有較高的總?cè)芙夤腆w(TDS)，應采用一些工藝技術(shù)來清除這些殘余組分，使地下水水質(zhì)修復到本底水平或采礦前用途的狀態(tài)。監(jiān)管機構(gòu)要求使用最佳實用技術(shù)(BPT)處理受污染的地下水，使其水質(zhì)達到背景值或本底條件。

在美國，屬于BPT的技術(shù)有地下水抽除(消除殘余采礦溶液)；抽水、處理和凈水回注(通常采用反滲透技術(shù)處理污染水)；化學還原(通過除氧和金屬沉淀創(chuàng)造還原環(huán)境)；生物修復。其他修復技術(shù)，如自然衰減，如果是獨立使用，則不被認為是BPT。

3.2.1 地下水抽除

地下水抽除是100%清除地下水，清除后不再注入。在地下水抽除過程中，井場會形成水力降落漏斗，吸納原生地下水并將浸出液隔離在井場中。地下水抽取的體積取決于運行過程影響的區(qū)域范圍、含水層水文特性和抽取能力。

抽取的體積以孔隙體積(PV)為單位數(shù)定義，PV與井場面積(ft2)、開采厚度(ft)、孔隙率(%)有關[6]。對于1個面積30英畝、礦化厚度20 ft、孔隙率25%的井場，1 PV=30英畝×43 560 ft2/英畝×20 ft×25%×7.48加侖/ft3=48.9百萬加侖。

地下水抽除體積一般為0.5～3.0 PV，必須通過深井注入、處理及地表排放或蒸發(fā)來合理處置清理過程產(chǎn)生的大量抽出水。目前認為該方法效果不佳，應用有限。

3.2.2 抽水、處理和凈水回注

抽水、處理和凈水回注修復技術(shù)可配合地下水抽除使用，也可獨立使用。在此階段，從井場抽取地下水，用離子交換法除鈾，然后通過反滲透單元(RO)處理，去除其中95%～98%的溶解組分后，將水重新注入井場。反復進行該過程，直到達到修復目標為止。修復過程產(chǎn)生的反滲透濃水則通過深井處置或其他方法進行處置。該階段一般需要進行5～15 PV。使用RO技術(shù)處理地下水對降低TDS的效果較好，但TDS的改善會達到臨界點。

按照美國的規(guī)定，要求在修復過程中系統(tǒng)維持一定的外排量。這一階段地下水的外排量為全部循環(huán)地下水的10%～30%。在RO階段開始時，被處理的地下水TDS高(2～5 g/L)，反滲透產(chǎn)生的凈水比例較小(70%再注入)，產(chǎn)生的濃水(30%)被排出系統(tǒng)另作處置。將反滲透產(chǎn)生的凈水回注入井場后，可降低井場地下水中的TDS。在RO階段運行后期，反滲透產(chǎn)生的凈水比例可高達90%，而濃水量可降低至10%。

3.2.3 化學還原

完成反滲透處理后，鈾、硒、砷等組分可能以高于本底濃度殘留在井場內(nèi)；而這些組分在含水層的氧化條件降低前不會減少，也可能繼續(xù)被浸出，添加化學還原劑可以有效地降低這些組分的濃度。工業(yè)使用的化學還原劑主要有硫化氫氣體、硫化鈉、亞硫酸鈉等，這些還原劑可作為除氧劑在注水前加入，也可在反滲透處理后注入井場。

3.2.4 生物修復

懷俄明州的1個ISL礦山使用了生物修復技術(shù)。生物修復利用礦體中天然存在的細菌提供相似的還原條件，實現(xiàn)與添加化學還原劑相同的效果。生物修復技術(shù)是有效的，特別是對于像硒和鈾這樣的組分；但主要表現(xiàn)為短期效果，長期效果不明顯。

使用生物修復技術(shù)前，應先在井場內(nèi)進行大量小型試驗，調(diào)整優(yōu)化技術(shù)參數(shù)后可在井場更大的區(qū)域內(nèi)應用。地下水生物修復技術(shù)具有良好的應用前景，可作為整體修復措施的一部分使用[7]。

3.2.5 地下水再循環(huán)和自然衰減

地下水再循環(huán)可將井場內(nèi)部的溶液混合，以分散可能存在的滲流峰值。該修復措施可以有選擇地使用。

自然衰減從未被監(jiān)管機構(gòu)認為是修復或BPT的主要方法。該方法對含水層不進行任何抽除，地下水中的污染物在向下游運移時簡單地衰減。歸宿-運移模型分析和最近的測試表明，下游環(huán)境對鐳-226、鈾和硒具有顯著的自然衰減能力。自然衰減在ISL修復中應得到更多的應用，特別是在采用了其他修復技術(shù)之后，事實上它也是NRC執(zhí)行ACL的基礎。

3.3 可實現(xiàn)的修復結(jié)果

盡管期望將所有組分都修復到背景水平，但由于采礦過程中的地球化學變化，實際上只有大約85%的地下水組分可修復到背景水平。如果不能達到背景水平，懷俄明州以采礦前的地下水使用類別作為修復標準，開采前礦體內(nèi)的地下水是不飲用類別，只適合工業(yè)用途，那么在修復后通常所有組分會滿足修復要求。

在地下水修復所監(jiān)測的30個化學組分中，通常有5～8個組分高于使用級標準，一般包括：鈾、硒、鐳-226、TDS、砷、錳。此時，必須通過建模分析，說明這些組分不會遷移到井場之外并影響可用的地下水，這是執(zhí)行ACL的基礎。在懷俄明州進行的所有修復模型預測都表明，在非飲用水礦體中殘留的高于飲用水標準的組分不會遷移到井場之外的地下水使其降低使用等級。

截至2009年，在美國沒有任何1項ISL修復措施能夠成功將含水層修復到本底狀態(tài)。通常在監(jiān)測末期，修復期間減少的污染物又通過緩慢解吸、再氧化以及從低滲透區(qū)向高滲透區(qū)緩慢移動等繼續(xù)增加[8]。這就需要進一步研究并應用新的修復技術(shù)，如生物修復和受監(jiān)控的自然衰減等。

由于地下水修復所需的費用占地浸鈾礦山環(huán)境治理及退役成本的很大一部分，因此，需要慎重估算必要的處理水量。估算地下水修復費用時，可以根據(jù)以前非常規(guī)鈾生產(chǎn)設施退役的經(jīng)驗，進行類比并確定一個保守的處理量[9]。

3.4 修復后穩(wěn)定性監(jiān)測

在所有修復階段完成后，需要進行一段時間的監(jiān)測，以確保井場得到修復，化學組分保持穩(wěn)定。這一時期的監(jiān)測稱為穩(wěn)定性監(jiān)測，通常持續(xù)1年。每2個月從監(jiān)測井中取樣1次，并在井場內(nèi)建立化學組分基準線，在監(jiān)測結(jié)束時評估變化趨勢。美國環(huán)保署擬將穩(wěn)定性監(jiān)測時間提高到12年，但仍在討論中。

監(jiān)測表明，大部分化學組分在1年后都基本保持穩(wěn)定，僅出現(xiàn)小幅波動；但其中的鈾濃度會增加。使用歸宿-運移模型分析表明，隨著時間的推移和地下水的遷移，鈾濃度實際上可以得到自然衰減。

3.5 歸宿-運移分析建模

使用歸宿-運移模型，可以分析在井場修復中不能降低到本底或使用級別水平的組分對下游地下水的影響程度。例如：在懷俄明州Irigaray井場修復模型分析中，分別使用了MODFLOW、MODPATH和MT3DMS軟件建立數(shù)值模型；該模型基于對流傳質(zhì)考慮組分凈化，將地球化學反應因素的影響降到最低，分析結(jié)果偏保守，對井場下游組分的預測過高。如果考慮地球化學輸入的話，PHREEQC模型可能更加適用[10]。

Irigaray井場修復分析模型的輸入?yún)?shù)為導水性、水力梯度、有效孔隙率、擴散性以及一些化學組分的分布系數(shù)，適用于鈾、硒、鐳-226和錳元素的分析。根據(jù)時間的推移，分析井場邊界之外的地下水是否符合標準要求。修復后的歸宿-運移模型分析如圖1所示。結(jié)果顯示，不能修復到本底或使用級別水平的鈾不會影響到下游的地下水。修復結(jié)束時，井場內(nèi)鈾質(zhì)量濃度為2.1 mg/L，井場外鈾質(zhì)量濃度(本底)為0.016 mg/L。

圖1 歸宿-運移模型分析鈾濃度變化[11]

3.6 ISL廢水管理與處置

美國ISL采鈾廢水的主要來源有：井場生產(chǎn)的抽大于注，通常為平均流量的0.5%～3.0%；越界流散控制；工藝廢水；地下水修復時抽取的溶浸液。這些廢水含有浸出液、放射性物質(zhì)和浸出的礦物質(zhì)，不同的廢液應考慮不同的處置方案。

廢水處置方案有[12]：1)蒸發(fā)池蒸發(fā)；2)處理與地表排放，不包括反滲透濃水、工藝水排放或工藝廢水；3)深井注射(EPA Ⅰ類注射)，適用于所有含鈾廢水，包括反滲透濃鹽水、工藝廢水，被認為是最有效的ISL廢水處置方法；4)淺井注射(EPA Ⅴ類注射)，只用于處理不影響較淺區(qū)域現(xiàn)有水質(zhì)的廢水；5)土地灌溉。

4 澳大利亞貝弗利/四英里鈾礦關閉修復

4.1 澳大利亞ISL管理導則

澳大利亞ISL管理導則由澳大利亞地球科學組織制定。每個ISL鈾礦的運行/修復方案都是獨有的，礦山修復的最佳實踐是：1)在可接受的時間內(nèi)實現(xiàn)環(huán)境影響最小化修復目標的技術(shù)應用；2)平衡不同的主動處理方案(包括基礎設施、能耗和廢水產(chǎn)生的影響)、自然衰減以及附加措施增強的自然衰減(附加措施包括地下水抽除、化學還原處理、生物修復等)。

4.2 地下水水質(zhì)

貝弗利/四英里鈾礦地下水水質(zhì)為不使用類別，采礦和凈化區(qū)域地下水質(zhì)參數(shù)：TDS為2～12 g/L；鈾質(zhì)量濃度為1 mg/L；鐳活度濃度為500 Bq/L；氟質(zhì)量濃度為20 mg/L。根據(jù)相關管理限值，該地下水不適合飲用、灌溉和牲畜使用。

4.3 酸法ISL中的化學/微生物因素及模型參數(shù)

酸法ISL的自然衰減受巖石-水相互作用以及硫酸鹽還原菌等微生物作用的共同影響。建立3D反應-運移模型所需參數(shù)的獲取途徑有：實驗室測試；通過ISL動態(tài)模擬，實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整與運行數(shù)據(jù)的對比(凈化效應明顯處)；監(jiān)測數(shù)據(jù)(監(jiān)測井)。

4.4 ISL礦山關閉的建模分析方法

建模分析步驟包括：1)礦床勘探/圈礦；2)三維結(jié)構(gòu)建模，劃定區(qū)域尺度和礦體，這個階段主要數(shù)據(jù)類型有地層、礦體輪廓/品位、地球物理/水文、礦物學(主要反應性礦物質(zhì))；3)三維水文建模，確定地下水徑流條件(區(qū)域尺度模型)；4)1D-3D反應-運移建模，在區(qū)域尺度地下水流場模型中嵌入ISL井場，進行ISL控制和優(yōu)化；5)采礦后的1D-3D反應-運移建模，建立采礦水體的3D水文地質(zhì)流場，在空間和時間上模擬自然衰減的1D-3D反應-運移，并對長期監(jiān)測進行評估；6)進行采礦后流體的歸宿預測(100年后流體賦存場景如圖2所示)及采后某組分羽流(如0～250年SO42-水平)時空模擬分析[13]。

圖2 ISL采后100年的流體賦存場景(白堊紀構(gòu)造，始新世含礦含水層)

4.5 采礦后監(jiān)測

根據(jù)水文流場條件，采礦后將部分的生產(chǎn)井轉(zhuǎn)化為監(jiān)測井；同時在井場外，特別是在下游方向設置專門的監(jiān)測井，用于衰減效果的監(jiān)測。

自然衰減(NA)效果是很明顯的，衰減效果已在ISL運行、實驗室試驗、廢棄井場的監(jiān)測中得到驗證。如果需要，還可實施增強衰減措施。

5 捷克Strá?鈾礦采鈾及修復

5.1 鈾礦床ISL采鈾概況

Strá?鈾礦床采用酸法地浸采鈾，1977年達到最大產(chǎn)能(約859.5 tU)，通過ISL共生產(chǎn)15 861.8 tU。

造成生態(tài)負荷較大的原因有：1)從水力學條件來看，相鄰區(qū)域存在2種完全不同的采礦方法(深井采礦、化學浸出)；2)采礦前對巖體水文地質(zhì)和水化學環(huán)境的勘查不足；3)采礦初期建井粗糙；4)在地下水和工藝溶劑管理方面存在缺陷。

5.2 地下水主要污染物

2015年，Cenomanian含水層面積為27.3 km2，受影響的地下水體積超過3.74億m3，SO42-總?cè)芙饬繛?03萬t，SO42-最大質(zhì)量濃度為50～60 g/L；Turonian含水層的局部隔離水體，受影響的地下水體積0.27億m3，SO42-總?cè)芙饬可儆? 500 t。SO42-、NH4+和Al3+是這2個含水層的主要污染物[14]。

5.3 修復目標

環(huán)境修復目標為：1)使巖體環(huán)境修復到確保波希米亞北部白堊紀土侖階含水層的持續(xù)可用狀態(tài)；2)鉆孔和地表設施退役；3)將井場地表納入生態(tài)系統(tǒng)，考慮區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和城市規(guī)劃。2011年在風險分析的基礎上，基于數(shù)百個逆數(shù)值計算、水文地質(zhì)、平流和反應性運移模型分析，確定了修復參數(shù)目標值并經(jīng)當局批準(表3)，此后每5年更新風險分析并重新得到確認[15]。

表3 地下水修復參數(shù)目標值

5.4 修復方法

主要修復方法：1)從地下抽取污染水并利用地表處理工藝進行處理，以得到工業(yè)用產(chǎn)品和生態(tài)可儲存產(chǎn)物；2)將污染物的原位固定和地下水化學條件擬合，用于后續(xù)受監(jiān)測的自然衰減(在整個修復過程完成后)。

5.5 修復監(jiān)測與管理

修復監(jiān)測和管理的主要手段包括：建立地下水監(jiān)測井網(wǎng)；巖心取樣分析；地球物理方法、編錄；水化學監(jiān)測、混合采樣、分區(qū)抽樣；數(shù)學建模(地下水流場、對流運移、反應性運移)；修復參數(shù)目標值的統(tǒng)計評價；確認/更改TVRP的風險分析。

6 結(jié)語與啟示

1)應加強對ISL采礦后的環(huán)境影響及地下水修復技術(shù)的研究，制定相關法規(guī)和標準，對修復工作做出規(guī)定并進行監(jiān)管。

2)應根據(jù)每個礦山開采使用的浸出類型、水文地質(zhì)條件、修復目標、成本等綜合研究確定其地下水修復方案，通常采用的技術(shù)有：地下水抽除；抽水、處理、凈水回注；化學還原；生物修復；自然衰減或修復后的自然衰減等。自然衰減(包括修復后的自然衰減)應采用歸宿-運移模型數(shù)值模擬方法，進行采礦后流體的歸宿預測及采后羽流時空模擬分析，并結(jié)合其他方法及相關標準，對下游含水層的風險進行評估和論證。