矿产资源开发利用放射性固体废物数据库管理系统

张琪，曹晓舟,2，薛向欣,2

(1.东北大学冶金学院，沈阳， 110819；2.辽宁省硼资源综合开发利用工程研究中心，沈阳， 110819)

随着我国经济的快速发展，矿产资源开发利用行业迅速发展，产生了大量的废弃物，由于一些矿产资源如锆、铁、独居石、钨、铍常与放射性核素伴生，故开发利用过程中产生的废物中含有放射性核素。当其中的放射性核素含量超过国家规定限值则为放射性固体废物，其会以外照射方式或者通过其他途径进入人体而危害公众健康。研究表明，矿产资源共生放射性核素有232Th、226Ra、238U、222Rn 及其子体220Rn 以及220Rn的子体等[1-2]。随着矿物原料的加工，放射性核素会在不同的原料、中间产品、最终产品和废弃物中分离和富集。矿物加工过程中产生的放射性废物具有比活度小、产量多、影响大、分布广等特征，会使环境中放射性水平提高，继而危害人体健康，亟需处置[3-4]。

针对放射性废弃物的管理问题，国内外已开发出一些相关的管理系统，如国际原子能机构(International Atomic Energy Agency；IAEA)基于世界100多个国家的放射性废物管理相关信息开发出一套放射性废物管理数据库，提供了全球放射性固废管理信息共享平台[5];大亚湾核电厂、西北龙处置场、中国原子能科学研究院开发并应用了计算机固体废物管理系统[6-8]；毛鑫[9]、王昆鹏[10]、于晨[11]等人设计开发了用于检测与控制放射性污染的计算机软件系统；潘跃龙[12]、蒲超[13]等人开发了管理核电厂放射性废物的系统，实现核电厂产品容器的标准化、信息化和智能化管理。

但这些系统，仅仅是针对废物的暂存、处置，未与放射性固体废物中有值元素的综合利用和回收处置有效的结合，且大多只是针对于核电厂产生的放射性废物，并无针对于矿产资源开发利用过程中产生的放射性固废的管理系统[14]。对矿产资源开发利用过程中产生的放射性固体废物缺乏完善的监管体系，没有配套的管理系统，不能够从基本理论、技术和管理等方面根本上解决放射性环境的生态安全问题。

因此，本论文开发了一种基于矿产资源开发利用过程中产生的放射性固废的数据库管理系统。该放射性固废管理系统能够生成标识批次号，对放射性固废产生、回收、处置各过程节点进行跟踪管理，实现放射性废物中的有价值物质有效回收利用和剩余废物的妥善处置，达到放射性废物回收利用过程透明化、细节化。

1 放射性固体废物数据库管理系统设计思路

1.1 放射性固体废物管理流程

矿产资源放射性固体废弃物管理流程示于图1。矿产经过采选冶等过程产生放射性固废，一部分通过用萃取、离子交换等方法被回收作为原料重新利用；另一部分不能被回收的作为废弃物处置[15-16]。

图1 矿产资源放射性固体废弃物管理流程

1.2 放射性固体废物数据库管理系统需求分析

矿石在开采、精选、冶炼、加工过程产生的放射性固废从产生到最终处置包括产生、回收、处置等诸多环节，这些环节通常由不同的部门或单位负责。各部门对负责的相关工作进行信息记录和管理时存在对放射性固体废物的处置过程信息沟通不畅和大量重复工作等问题，带来安全隐患的同时降低了放射性固体废物的处置效率。为了解决和改善这类问题，我们重点开展矿产资源产生的放射性固废的数据库管理系统，协助企业实现放射性固废资源化、减量化、安全稳定无害化处置。

1.3 放射性固体废物数据块模块设计

针对于典型金属矿物如锆、独居石、钨、铍等在生产加工过程中产生的具有一定放射性和毒性、需要特殊处置的固废，我们依据其来源、生产工艺、目前所在区域、厂址、储存量、储存状况、放射性、毒性等信息分类，在处置/回收过程中，建立中间产品从来源到处置的特征数据库及相应的工艺节点，建立放射性固废综合利用数据库、回收处置过程的回收处置数据库，形成大型固体废物管理和综合利用数据库，建立智能数据服务系统和管理系统。放射性固体废物数据库管理系统开发逻辑图示于图2，首先搭建放射性固废数据库，再导入数据优化，最后形成一个数据库智能化管理系统，可协助改善我国的放射性固体废物辐射状况和环境污染状况。

图2 放射性固体废物数据库管理系统设计开发逻辑图

2 放射性固体废物数据库管理系统设计与实现

2.1 软件架构图

放射性固体废物数据库管理系统包含7个模块：用户权限管理模块、相关法律法规模块、放射性固废来源矿产管理模块、放射性固废管理模块、放射性固废和中间产物特性模块、放射性固废回收模块、放射性固废处置模块。我们对该7个模块进行构建，形成放射性固废数据库管理系统架构，使该7个模块达到跟踪放射性固废流向信息的目的，并帮助实现放射性固体废物的有效利用和妥善处理。放射性固体废物数据库管理系统软件架构图和每个模块包含的信息示于图3，工厂操作人员录入放射性固废矿批次源项、放射性固废信息及其物理化学特性、放射性固废回收和处置信息，数据库管理系统用户可以根据标识批次号对放射性固体废物进行流向跟踪和处理全过程查询。

图3 软件架构图

将上述7个模块与放射性核素数据库、来源矿产数据库、厂址信息数据库、放射性固废数据库、放射性固废和中间产物特征属性数据库、回收-处理工艺数据库连接，形成放射性固废管理及综合利用大数据库，建立多层次、可管理、异构的数据体系并构建网络化、智能化的管理系统。具体连接方式为放射性固废来源矿产管理模块与放射性核素数据库、来源矿产数据库连接；放射性固废管理模块与厂址信息数据库、放射性固废数据库连接；放射性固废和中间产物特性模块与放射性固废和中间产物特征属性数据库连接；放射性固废回收模块和处置模块与回收处理数据库连接。建立数据库集成，形成放射性固废管理及综合利用大数据库。放射性固废管理及综合利用大数据库的原理示于图4。

图4 放射性固废管理及综合利用大数据库关系图

2.2 系统核心功能模块之间的逻辑关系

图3中放射性固体废物数据库管理系统中7个模块的逻辑关系如下：

(1)用户权限管理模块主要功能是分配用户权限。针对不同人员设置不同权限，各类用户通过用户权限管理模块登录后，发布固体废物的流向信息，加快固体废物的循环处理，避免固体废物造成的环境污染和资源浪费问题。不同角色的用户共同参与放射性固废管理。

(2)相关法律法规模块能够查询到国家关于放射性固体废物的防治、管理、分类相关法规标准。

(3)放射性固废来源矿产管理模块、放射性固废管理模块、放射性固废和中间产物特性模块、放射性固废回收模块、放射性固废处置模块为依次递进关系。放射性固废来源矿产管理模块和放射性固废管理模块通过矿批次号相连；放射性固废管理模块与放射性固废和中间产物特性模块、放射性固废回收模块、放射性固废处置模块通过放射性固废批次号相连。该系统可实现对含放射性核素矿产资源开发利用过程中产生的放射性废物以及放射性固废回收、处置的信息的录入、查询、删减和更改的操作，构建放射性固废基本特性、物理化学特性、产生-回收-处置工艺路线、特征属性、毒性平衡等多样化数据库表单。

该放射性管理系统根据标识批次号对放射性固体废物进行流向跟踪，且能够根据标识批次号对固废处理全过程进行查询，达到了跟踪放射性固废流向信息的目的。

2.3 核心模块的功能

七个模块实现的功能：

(1)用户权限管理模块

不同角色的用户对数据库有不同的操作权限，操作权限通过账号进行管理。用户角色可分为数据库管理系统管理人员、各生产车间操作人员和企业行政部门工作人员。数据库管理系统管理人员有查询各个厂址放射性固废有关数据和文件管理的权限；车间操作人员具有增加、更改和删除数据，下载文件的权限；企业行政部门工作人员有查询数据和下载文件以及文件管理的权限。

(2)相关法律法规模块

相关法律法规模块能够查询到国家关于放射性固体废物的防治、管理、分类规定和制度。通过该模块可查询《中华人民共和国放射性污染防治法》《放射性废物安全管理条例》《放射性废物管理规定》《放射性废物分类》等多个管理条例文件。在客户端，用户输入查询信息后，查询信息将发送至服务器，服务器查找与查询信息匹配的放射性固废危害、处理方式及相关法律法规等信息并展示在客户端。

(3)放射性固废来源矿产管理模块

在放射性固废来源矿产管理模块，企业车间操作人员可使用放射性固废来源矿产管理模块录入矿产批次源项基本信息：主要核素、比活度、产地、开采时间、各元素含量、物相组成、有毒有害元素含量等信息。在录入矿产数据库之后，矿产数据库自动生成这批矿产的矿批次号，作为这批矿产的专属编码标识号，矿批次号可以用于追踪属于这批矿产的固废信息。固废和矿产批次以矿批次号相连，每一单矿产批次都可以生成一张带有条形码的源项表，便于车间进行管理。单号时间戳是指矿产数据库录入这批矿产的时间，由数据库自动生成，不需要手动录入。

(4)放射性固废管理模块

主要是针对典型的固废，录入其来源、生产工艺、物相组成、所在区域、生产厂址、储存量、储存状况、放射性、毒性分类等信息，同时按照放射性废物的比活度以及燃烧和压缩特性对固体废物进行分类：按照比活度大小将放射性废物分为豁免废物、极端寿命废物、极低水平放射性废物、低水平放射性废物、中水平放射性废物、高水平放射性废物；为方便以后固废的处理，将固体废物分为可燃废物、不可燃废物、可压缩废物等。

在放射性固废来源矿产模块录入矿产批次源项基本信息之后，操作人员可以通过放射性固废管理模块录入该矿产产生的放射性固废基本信息，录入其产生地点、产生工艺、主要核素、核素比活度、毒性、物相组成、可燃性、压缩性、重金属含量、目前所在地、产生日期、机组号等数据；放射性固废系统会自动生成单号时间戳；主要核素、核素比活度的数据连接到放射性固废和中间产物特征属性数据库，在放射性固废管理及综合利用大数据库中对放射性固废进行比活度大小分类；产生地点的信息连接到厂址信息数据库，可以根据厂址进行放射性固废信息数据收集和管理，在厂址级别进行报告和跟踪。

在点击放射性固废管理模块界面的确定按钮后，操作人员填写的所有关于这批放射性固废的数据都会被填进放射性固废管理及综合利用大数据库，大数据库会自动生成这批放射性固体废物的批次号，作为这批固废的专属编码标识号，可以用来追踪该批固废之后的回收利用全周期流程中产生的中间产物以及综合回收和处置流程。每一批放射性固体废物可生成条形码，通过电脑现场扫码，回收车间和处置车间可以用来追踪该批固废之后的回收利用全周期流程产生的中间产物，并追踪放射性固废的回收和处置流程。

(5)放射性固废和中间产物特性模块

在放射性固废和中间产物特性模块，除了矿产批次源项产生的放射性固废信息，放射性废物在各工艺环节中产生的中间产物的来源放射性固废批次、主要核素、核素比活度、物相组成、毒性、物理化学特性、有毒有害信息，该部门操作人员都要录入进放射性固废数据库和放射性固废和中间产物特征属性数据库，并通过车间电脑扫描放射性固废批次的条形码将中间产物与放射性固废批次号绑定。放射性固废以及固废处理/回收工艺过程中各节点中间产物实测的核素、辐射特性、毒性、物理化学特性、矿物特性等数据录入数据库后，系统对这些数据进行统计，可根据用户不同的查询生成相应文件。

(6)放射性固废回收模块

通过对放射性固废物理化学特性以及组成成分进行分析，判断其是否能够通过相应的方法回收有值元素，将放射性固废的剩余价值最大化，环境污染最小化，从而产生更高的经济价值。

在放射性固废回收模块界面，回收部门操作人员将回收放射性固废名称、回收工艺、回收量、回收车间和回收日期信息录入回收-处理数据库，回收-处理数据库系统自动生成回收批次号，并通过扫描放射性固废批次的条形码将放射性固废回收批次号与放射性固废批次号绑定，连接放射性固废管理模块与放射性固废回收模块。

(7)放射性固废处置模块

不能够回收利用的放射性固废和放射性固废在回收利用的过程中产生的不能够再回收利用的中间产物将进入处置环节被处置。通过收集、分类、浓缩、焚烧、压缩、去污、固化、包装、储存和运输等环节最终处置放射性固废。

在放射性固废处置模块界面，处置部门操作人员将不能够回收利用的放射性固废和被回收利用后残留的不可用的放射性固废的处理工艺、处理方式、处理量、处理车间和处理日期信息录入回收-处理数据库，回收-处理数据库系统自动生成处理批次号，并通过扫描放射性固废批次的条形码将处理批次号与放射性固废批次号绑定，连接放射性固废管理模块与放射性固废处置模块。

根据图3系统软件架构图的规划，放射性固废来源矿产管理模块、放射性固废管理模块、放射性固废和中间产物特性模块、放射性固废回收模块、放射性固废处置模块间的内部逻辑关系分析如图5所示。尾矿和矿渣等放射性固体废物通过放射性固废来源矿产管理模块发布相关数据后，进入放射性固体废物管理流程。矿批次号用于追踪属于这批矿产的固废信息，固废和矿产批次以矿批次号相连。放射性固废管理模块再进行相关操作后，进入回收模块，经过回收的工艺流程后，进入处置环节。每一批放射性固体废物也生成放射性固废批次号和条形码，通过电脑现场扫码，回收车间和处置车间可以用来追踪放射性固废的回收和处置流程，并追踪该批固废之后的回收利用全周期流程产生的中间产物。

图5 放射性固废管理系统子模块逻辑图

3 管理系统实例

3.1 实现功能的方法

本系统采用MySQL Workbench创建数据库，建立数据库表单，以及进行复杂的MySQL数据迁移，界面交互采用Python的Tkinter库创建GUI(图形用户界面)应用程序。放射性固体废物数据库管理系统的结构示意图示于图6，包括登陆系统模块、判断用户角色模块、界面交互模块、数据处理模块、数据管理模块、退出系统模块。首先输入登陆账号/密码，通过用户权限管理模块进行角色判断，进入系统交互界面界面，输入数据，进行数据处理和数据管理模块。界面交互模块，用于接收用户触发指定区域的触发指令，根据触发指令展示对应的子界面，并基于子界面展示的信息，接收用户选择和/或输入的数据；数据处理模块，用于对接收的数据添加当前时间信息，根据接收的数据的内容确定该数据的标识，并生成索引，索引是由标识组成的，将索引和时间信息的数据存储；数据管理模块，用于接收用户通过界面交互模块输入的查询指令，并基于查询指令与服务器交互，获取查询的信息并展示，查询指令包括索引。

图6 管理系统结构图

3.2 管理系统示意图

放射性固废数据库管理系统主界面示于图7，包括五个区域：菜单区域、来源矿产信息展示区域、放射性固废信息展示区域、快速查询展示区域、放射性物体关联知识查询区域。该五个区域是由包括用户权限管理模块、相关法律法规模块、放射性固废来源矿产管理模块、放射性固废管理模块、放射性固废和中间产物特性模块、放射性固废回收模块、放射性固废处置模块的七个模块搭建而成。

图7 界面交互示例

在放射性固废数据库管理系统界面交互中的五个区域主要包括的信息和实现的功能如下：

区域①为菜单区域，包括添加菜单区和查询菜单区。添加菜单区展示的菜单包括：来源矿产栏、放射性固废栏、产生厂址栏、工艺流程栏、中间产物栏、回收栏、处置栏。用户依据子界面展示的信息选中或输入矿产、固废、厂址、工艺流程、中间产物、回收、处置基本信息数据，系统自动生成索引，索引为批次号、年份、月份、厂址、核素或其他可实现标识功能的数据。在实际生产中，服务器还可以在接收到携带索引和当前时间信息的数据信息后，依据该索引生成专属批次条形码。查询菜单区展示的菜单包括：来源矿产栏、放射性固废栏、产生厂址栏、工艺流程栏、中间产物栏、回收栏、处置栏。依据上述索引，当用户在查询菜单区输入携带有索引的信息，该查询界面依据索引生成相应的查询指令，数据库接收查询指令，对于与索引信息具有相同或部分相同的索引信息的数据进行查找，查找成功后调出并展示在子界面中。

区域②为来源矿产信息展示区域，将用户查询或交互入数据库的矿产信息展示出来，来源矿产信息展示区域展示包括：矿产源项批次号、矿产名称、生产地点、产量、时间、主要核素、比活度。

区域③为放射性固废信息展示区域，用于展示数据库中的放射性固废信息。放射性固废信息展示区域包括：放射性固废批次号、放射性固废名称、产生厂址、产生流程、重量、体积、放射性强度分类、核素、毒性。

区域④为快速查询展示区域，快速查询展示区域接收到用户输入的携带有索引的信息，生成查询指令，并将查询指令发送到服务器后展示出来。

区域⑤为放射性物体关联知识查询区域，用于接收用户输入的查询信息，将查询信息发送服务器，以使服务器查找与查询信息匹配的放射性危害、处理方式及相关法律法规信息并在客户端展示。

4 结论

该放射性固体废物数据库管理系统包含用户权限管理模块、相关法律法规模块、放射性固废来源矿产管理模块、放射性固废管理模块、放射性固废和中间产物特性模块、放射性固废回收模块、放射性固废处置模块。七个模块与放射性核素数据库、来源矿产数据库、厂址信息数据库、放射性固废数据库、放射性固废和中间产物特征属性数据库、回收-处理工艺数据库连接，形成高度集成化的数据库管理系统。该系统记录的放射性固废信息数据有助于提高放射性固体废物处理的安全性，实现放射性废物最小化管理与辐射防护优化设计。该系统不仅能将更多同类型资源相关数据导入，也能为其他资源的利用提供参考。本放射性固体废物数据库管理系统的开发，可以在一定权限范围内服务社会，对改善我国的放射性固体废物辐射状况和环境污染状况具有重要意义。