水氡的来源、危害以及控制措施研究

孙宜斌，蒋复量，王家炫，赵雪丽，龚 依，黄奕龙

(南华大学 环境保护与安全工程学院，湖南 衡阳 421001)



水氡的来源、危害以及控制措施研究

孙宜斌，蒋复量，王家炫，赵雪丽，龚 依，黄奕龙

(南华大学 环境保护与安全工程学院，湖南 衡阳 421001)

摘要：对近年来水氡问题的相关文献进行了综述，包括水氡的来源、危害及控制措施等几个方面。对于水氡的来源，主要是对氡的析出和溶解进行了较为详细的阐述，阐述了目前水氡对人体健康造成影响的两种方式；水氡的控制措施方面包括工程领域氡危害控制与生活领域氡危害控制措施，且指出了目前我国在建立水氡的标准上存在不足，以期提供参考。

关键词：水氡来源；氡析出；氡溶解系数；氡危害；氡控制措施

1引言

随着我国经济发展水平的不断提高，人们对于生产、生活中潜在危害的认识程度也需不断加深，如水氡。据统计，美国每年有至少169人因水氡危害而死亡，但在我国水氡尚未直接进入国家饮用水的安全标准[1]。提高人们对水氡的认识是目前提高公众对此类危险源重视程度的第一步。基于此，笔者通过文献调查来研究水氡的来源、危害以及控制措施。

2水氡的来源

水氡指溶解于水中的氡，其来源有两部分，分别是由水中含有的镭衰变得到的氡以及从土壤析出的氡析出到空气后溶解到水中。本部分重点阐述由土壤析出的氡溶解进水的过程。

2.1氡的析出

氡析出的过程中，产生可迁移的氡原子是氡析出的前提。镭原子衰变到氡原子时，氡原子与α粒子间由于动量守恒使得氡原子得到反冲动能，使得一些氡原子在离开镭原子后会继续运动一段距离。氡分子主要通过扩散过程使氡原子从浓度高处向浓度低处扩散。在扩散的同时，由于含氡流体在介质存在压力梯度，使该流体从高压力处向低压力处渗流。经过了扩散和渗流过程后，氡开始析出，其运移的方程为：

(1)

当考虑一维稳定状态时，可将上式简化为：

(2)

其中D为氡在介质中的扩散系数(m2/s)，C为介质孔隙中的氡浓度(Bq/m3)， V为流体的渗流速度(m/s)，λ为氡的衰变常数，A为介质中产生可移动氡的能力(Bq/m3s)，x为垂直于介质表面指向介质内部的计算坐标(m)，η为介质的孔隙度。当空间氡浓度为C0时，一维介质中稳定状态下的氡浓度分布为：

(3)

当取介质表面外法线方向为正时，氡在介质表面有两种通量，扩散通量以及渗流通量，因此介质表面上的氡的总通量为：

J=J1+J2=-DΔC+CV

(4)

在一维条件下，总通量为：

(5)

由于在(4)式氡在介质中浓度分布方程是以介质表面内法线为正的坐标计算的，而氡的通量计算是以介质外法线方向为正的，所以介质表面的氡析出率应写为：

(6)

代入后，可得稳定状态下一维介质表面的氡析出率为[2]：

(7)

以上是基于经典扩散理论的析出原理。然而扩散理论中氡在岩层里面迁移距离只有几十米，而实际工作中迁移距离可达数公里，因此氡析出原理的研究，并有以下理论，详见表1[3]。

经过对氡析出理论研究文献的调查，发现氡扩散理论目前是最广泛使用的，其次是渗流理论及流体搬运理论，其他理论目前研究尚未广泛运用在铀尾矿库氡析出等工程具体问题的研究上，可见目前在这方面的运用上有些脱节。

2.2氡的溶解

氡析出过程中，存在两个可能让氡溶解于水的过程，分别是在氡反冲过程和氡析出后的过程。氡反冲过程中如果土壤的含水率较高，容易使氡反冲进入水分子群中，然后被水分子水合带入地下水并通过地下水与地表水交换进入地表；析出后则是进入空气后溶解于水。

表1　氡析出相关理论一览

许多学者在大量实验的基础上提出氡的溶解原理，即气体间隙填充溶解和气体水喝作用溶解原理。张哲等证实了氡水中的溶解为气体水合作用，并提出以下溶解度系数随温度的关系[4]：

A=0.1057+0.405e-0.0502t

(8)

其中t为当时的温度且在空气中存在以下溶解度的关系：

(9)

其中Cwater和Cair分别为氡在水中以及在空气中的浓度。在此基础上，陈翔等人通过设计实验得出了氡的溶解度与压力变化的变化关系：即温度一定时，氡的溶解度系数随压力增大而增大[5]。但目前尚未有研究推导出压力与氡溶解系数的函数关系。由上述内容可见目前氡溶解的研究可注重于测量统计出氡在一定温度下与压力的经验函数关系。

3水氡的危害

1993年UNSCEAR报告指出，来自天然的辐射对公众的有效剂量为2.4mSv，其中氡及其子体占了54%。由此可见氡及其子体是公众受辐射伤害的主要来源。美国权威机构通过统计表明氡在肺癌诱因中是继烟草之后的第二位，且吸烟者受氡照射得肺癌率约为不吸烟者的10倍以上[6]。

氡对人体的伤害主要是通过其短命子体的α照射造成的，经过大量的事实数据已经得出氡气体及其子体对人体的主要伤害有肺癌、白血病以呼吸道损伤等。

水氡对人体的危害与氡不同，由于水氡问题并不存在于一些水质有保证的地区，对人体的危害并没有显得十分的突出，但研究表明喝入体内的水氡对人体存在伤害，且伤害位置与氡并不相同：根据常永如所做的实验研究估算了氡的剂量，得出胃接受的剂量最大的结论，且若每天饮用者喝入含氡量为400kBq/m3的水1L，则饮用者每年胃部受照剂量约为18mSv，所产生的年有效剂量当量约为1.08mSv[7]。国际放射防护委员(ICRP)新近建议:公众成员的年剂量限值应是1mSv，应取10mSv作为单个器官的年剂量限值[8]。显然，持续喝高氡水所致胃部辐射是不能接受的超剂量照射。

在地面水中，平均含有4Bq/L的溶解氡；公共供水中的平均氡浓度为20Bq/L，且根据地区供水质量不同导致高于这个数值，水中的氡很容易受到搅动等方式释放到空气中进而与空气混合，因此即使在非土壤氡浓度高的区域，空气的氡浓度也至少有2%来源于水，且根据美国水中氡危险性评估委员会分析指出，在美国每年有169人因水中氡死亡，其中89%是因为吸入从水中释放到空气中的氡导致肺癌死亡的[9]。

4水氡控制措施

水氡问题一般集中在土壤氡浓度较高或者一些铀尾矿库的附近。

4.1土壤氡浓度高地区的水氡控制措施

对于土壤氡浓度高的地区，应做到的是地区供水的监管。美国EPA在2000年发布了水氡的最大可替换值(AMCL)，即房屋内氡浓度低于0.148Bq/L时，水氡浓度最高不得超过148Bq/L；若高于则应采取室内降氡措施，如覆盖措施等；若没有降氡措施，则水氡浓度不得超过11Bq/L[10]。我国饮用水标准中曾规定过水氡浓度最高不得超过37kBq/m3，目前饮用水标准中使用的是总α辐射低于0.5Bq/L及总β不高于1.0Bq/L的规定[11]，但是这些规定是对于饮用水中氡浓度的规定，并没有对生活用水中氡浓度的控制标准，也没有考虑室内氡与水氡结合的因素。目前我国应该结合现有的室内氡浓度情况对生活用水的氡浓度标准进行深入研究，并将其应用在最新的国家标准中。

4.2铀尾矿库水氡控制措施

对于铀尾矿库来说，水氡的控制措施除了无法控制的地下渗流作用外，与常用的氡控制措施没有差别，具体有以下几种。

4.2.1覆盖法

由于氡在空气中依靠扩散和对流作用迁移，因此可以通过使用一些覆盖材料将尾矿库表面覆盖，常用的有黄土覆盖法及水覆盖法等，但是水覆盖法需注意溢出等情况。表2是某矿山覆盖效果的情况[12]。

表2　不同覆盖材料的降氡效果

4.2.2化学法

该方法使用化学物质与尾矿砂反应，形成一种抗风防水的壳状物质，以此防止尾矿砂流失及扬尘。常用物质有树脂粘合剂、石灰浆、水泥及硫酸处理过的黄铁矿等。另外还有使用防氡密封剂形成密封膜的方法。

4.2.3植被法

该方法直接在尾矿区域内种植植被，这样的方法既可以有效的延长上述两种方法的使用时间，而且能有效防止尾矿砂流失，是目前最常用的防氡治理方法[13]。实际上铀尾矿库一般综合上述方法来进行处理：先使用黄土等物质覆盖，随后在覆盖后使用化学物质或者直接在黄土上种植植被来进行处理。

4.3家庭水氡控制措施

对于生活用水，目前常用的有3个方法。①敞口保存：由于氡是以及子体是短寿命衰变元素，可以将水保存数小时后使用，实验表明该方法在水量不大或者水中氡超量不多的情况下6～7 h可以达到80%～90%的除氡效率。缺点在于生活中要使用水需要提前数小时储备，且部分氡会挥发到空气中导致室内空气氡浓度升高，因此并不实用。②活性炭吸附：活性炭对于氡分子有十分有效的吸附作用，且可重复使用，具有很强经济性，实验表明，当吸附时间在100 min左右时去除率可以达到98%，效果十分显著[14]。③使用水氡脱气装置：使用空气净化系统可以有效地治理室内氡以及水氡，在直接使用生活用水后启动净化系统可以有效降低由于使用水而扩散到空气中的氡[6]。缺点在于目前普及度很低，价格高昂，一般使用在会议室、宾馆、手术室等。

对于饮用水，常用方法有为加热饮用水以及敞口保存。由于氡在水中的溶解度与温度有十分重大的关系，通过加热可以有效地处理饮用水中的氡。根据一个对伊朗某旅游城市水质的研究[15]，得出从17℃开始提高约20℃可以将氡去除92%。

5结语

(1)目前对氡析出的研究应注重于实际应用，通过理论与实践的结合来进一步完善理论；对氡溶解的研究应注重在研究压力与溶解度之间的函数关系。

(2)水氡的危害目前常用数据是国外统计的数据，对于由于水氡问题导致健康影响的统计数据在国内并不多，可以在一些氡问题较为严重的地区开始统计试点，为之后的研究提供基础数据和依据。

(3)目前我国水氡浓度的标准并不全面，应通过研究建立生活用水氡浓度标准；在控制措施上，可以尝试从安全角度研究水氡问题，补充目前控制措施可能存在的缺陷。

参考文献：

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[15]A.Jalili-Majareshin，A.Behtash，D.Rezaei-Ochbelagh.Radon concentration in hot springs of the touristic city of Sarein and methods to reduce radon in water[J].Radiation Physics and Chemistry，2012，81(7):749～757.

Review onResearch Progress on the Source，Hazard and Control Methods of Water Radon

SunYibin， Jiang Fuliang， WangJiaxuan， ZhaoXueli， Gong Yi， Huang Yilong

(SchoolofEnvironmentProtectionandSafetyEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

Abstract:The hazards of water radon have caused the attention of researchers from abroad and at home，but the research results in this field are relativelyfew in China.This articlereviewsthe related literatures of water radon in recent years，includingthe sources，hazards and control methods of water radon.For the source of water radon，the article illustratesthe exhalation and dissolution of radon in details.For the hazards of water radon，the article combines with the domestic and foreign researches and expounds two ways of the influence of water radon on health.In terms of the control methods of water radon，the articleprovides the control of radon hazard in the field of engineering andlife.The article also proposesthat theestablishment of the standard of water radon has deficienciesin China.This study can provide references for related researchers.

Key words:source of water radon;radon exhalation;radon dissolution rate;radon hazards;radon control methods

文章编号：1674-9944(2016)02-0042-03

中图分类号：X832

文献标识码：A

作者简介：：孙宜斌(1995—)，男，上海人，南华大学环境保护与安全工程学院大学生。通讯作者：蒋复量(1978—)，男，湖南永州人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事矿山安全方面的研究。

基金项目：2015年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(编号：201510555013)；2015年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目(序号：242)

收稿日期：2015-11-17