工业城市水源水总α、总β放射性水平和年有效剂量估算研究

亓恒振,周丽丽,宋艳艳,谢银凤

(1.山东省淄博生态环境监测中心,山东 淄博 255000;2.淄博市生态环境局,山东 淄博 255000;3.山东省潍坊生态环境监测中心,山东 潍坊 261041)

0 引言

水是人类赖以生存的物质基础,人们的生产生活离不开它。流动的水既是作用介质,又是良好的溶剂和搬运剂,对地球元素迁移转化至关重要。土壤、岩石中的放射性核素可以经由水岩相互作用溶解和迁移。据联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)报告指出[1]:全球每人接受来自环境中的所有放射源的年平均剂量约为3.0 mSv/a,其中约2.4 mSv(占比80%)来自自然源,包括宇宙射线0.39 mSv,地球辐射0.48 mSv,吸入氡1.26 mSv,摄取食物和饮用水0.29 mSv;约0.6 mSv(占19.6%)来自医疗诊断辐射;剩下的约0.01 mSv(占比0.4%)来自于其他人工源,到目前为止天然辐射照射仍是人类所受辐射照射的主要形式。天然放射性有关的的α核素主要有238U、234U、230Th、226Ra、210Po、232Th和228Th等,β核素主要有210Pb、228Ra和40 K等[2]。水中含有的放射性物质可以通过饮水摄入体内,从而产生一定程度的内照射。淄博市工业门类齐全,是重要的工业城市,经济发展的同时,一些生产加工企业的涉水排放可能引起某些环境水体放射性水平的变化,因此对辖区内水源水进行放射性水平监测显得尤为重要。对水源水的辐射监督性监测一方面能够掌握水源放射性水平和动态变化趋势,另一方面为区域用水安全提供数据支撑。

1 材料与方法

(1)仪器与方法:检测仪器为FYFS-400X双通道低本底α/β测量仪(湖北方圆);测定方法参照《生活饮用水标准检验方法 放射性指标》(GB/T 5750.13-2006)[3]执行。

(2)采样与分析:依据年度监测工作计划针对丰水期和枯水期水源地各采集样品一次。样品采样参照《水质 采样技术指导》(HJ 494-2009)执行[4],采集5 L水样并硝酸酸化至pH<2后聚乙烯瓶保存,以获得满足测试的样品量和有效抑制放射性核素吸附。取2 L水样分次加入到2 000 ml烧杯中,电热板微沸状态下蒸发浓缩至50 ml左右,浓缩液连同沉淀物转移至恒重的蒸发皿中,少量蒸馏水洗涤烧杯,洗涤液并入蒸发皿加1 ml硫酸,然后置于水浴锅中小心加热蒸干,再次在电热板上加热赶尽酸雾,马弗炉内350℃下灰化,干燥器内冷却至室温,残渣称重、研磨并铺盘上机测试。

(3)质量控制:241Am α标准粉末源和40KCl β标准粉末源购自中国计量科学研究院;监测中心已通过检验检测机构资质认定,仪器设备均经质监部门检定校准,并按时完成期间核查;样品测量前先进行本底测定,标准源校正仪器,本底和计数效率符合要求再进行样品测量;监测人员均通过生态环境监测人员技术考核后持证上岗并定期参加相关技术培训;每批样品设置不少于20%平行样品同时监测。

(4)年有效剂量估算:年有效剂量估算公式[5]:DRw=Aw×IRw×IDF,其中DRw为年有效剂量当量(μSv/a),AW为总α/β活度浓度(Bq/L),IRw为年饮用水量(L/a),年饮用水量按照成人730 L、儿童350 L和婴儿250 L计算,IDF为剂量系数(mSv/Bq)。剂量估算中总α活度浓度主要考虑238U、234U、230Th、226Ra、210Po、232Th贡献,总β活度浓度主要考虑210Pb和228Ra贡献。剂量系数参考世界卫生组织《饮用水水质准则》(第四版),其中238U 4.5×10-5mSv/Bq,234U 4.9×10-5mSv/Bq,230Th 2.1×10-4mSv/Bq,226Ra 2.8×10-4mSv/Bq,210Po 1.2×10-3mSv/Bq,232Th 2.3×10-4mSv/Bq,228Th 7.2×10-5mSv/Bq,210Pb 6.9×10-4mSv/Bq,228Ra 6.9×10-4mSv/Bq。

(5)统计学方法 数据采用Excel 2016录入与整理。采用SPSS19.0软件进行统计分析,组间数据比较采用独立样本t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 水源水总α和总β

水源水丰水期和枯水期总α、总β活度浓度结果见表1:其中总α浓度范围为0.022～0.102 Bq/L和0.017～0.130 Bq/L,均值为0.045 Bq/L和0.062 Bq/L;总β浓度范围为0.052～0.223 Bq/L和0.065～0.275 Bq/L,均值为0.099 Bq/L和0.119 Bq/L。所有水源水样品总α和总β活度浓度均低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[6]标准限值0.5 Bq/L和1 Bq/L。单样本Kolmogorov-Smirnov检验显示丰水期枯水期数据均符合正态分布,丰水期总α和总β活度浓度一般小于枯水期,独立样本t检验结果显示均值差异并无统计学意义(P<0.05)。水源水总β结果常常大于总α,归因于环境水体中总β放射性主要来源于40K,而天然钾(40K)引起的放射性一般大于天然铀系、钍系衰变系列核素引起的放射性;另外α粒子(氦原子核)与β射线(电子)相比具有穿透力弱、自吸收强的特点也是不容忽视的因素[7]。15例水样中有2例SW14和SW15为地下水,总放射性数值较大,放射性水平高于其他地面水源水。王欢等[8]关于北京市生活饮用水、黄文暖等[9]关于广东省部分饮用水源水和崔建平等[10]关于呼和浩特市饮用水放射性的相关论述中也提到地下水放射性高于地面水情况存在。诸如氧化还原反应、吸附解吸反应、溶解沉淀反应和离子交换等水—岩化学作用可以促使地下岩石中的放射性核素迁移至水中,从而使地下水较地面水溶有更多放射性核素,导致地下水放射性高于地面水现象发生。

表1 水源水总α和总β放射性水平

2.2 与其他地区水源水的比较

如表2所示,将近年来北方和南方一些典型地区水源水放射性结果进行整理。本地水源水与这些研究区域的总α、β放射性水平进行比较发现:总α方面,本地水源水0.017～0.130与北京0.074～0.135、天津0.012～0.059、呼和浩特<0.016～0.520、郑州0.0138～0.1544、成都0.020～0.023、广东0.017～0.286、上海0.0174～0.0667和南宁<0.008～0.038波动范围基本一致,均值数值接近且无数量级差异;总β方面,本地水源水0.052～0.275与北京0.080～0.110、天津0.064～0.149、呼和浩特<0.028～0.394、郑州0.0015～0.3765、成都0.053～0.065、广东0.027～0.397、上海0.0904～0.401和南宁0.012～0.130分布范围一致,均值亦无较大差别。数据显示各研究区域水源水放射性水平处于正常天然本底波动范围,无人工放射性核素影响。

表2 与其他地区水源水放射性水平比较

2.3 主要α衰变和β衰变核素所致年有效剂量估算

“国际辐射防护和辐射源安全基本安全标准中规定食品和饮用水引起照射的个人剂量准则为每年1 mSv,WHO则根据国际放射防护委员会的建议将饮用水放射性核素指导水平的个人剂量准则确定为0.1 mSv/a,也即100 μSv/a[16]。选取丰水期和枯水期总α和总β数值较大者进行估算,主要α衰变核素和β衰变核素年有效剂量估算结果见表3和表4,剂量估算范围分别为:238U 0.43～4.27、234U 0.47～4.65、230Th 2.00～19.9、226Ra 2.66～26.6、210Po 11.4～114、232Th 2.18～21.8、210Pb 11.2～139和228Ra 11.2～139 μSv/a。放射性水平较高的两个地下水源SW14和SW15剂量估算结果偶有大于准则值的情况,即210Po成人114 μSv/a、210Pb成人117和139 μSv/a、228Ra 成人117和139 μSv/a五个估算结果略高于准则值,其他水源水天然核素估算结果均小于准则值。WHO认为一些典型的水处理工艺诸如混凝、砂滤、活性炭、沉淀软化、离子交换和反渗透等可以有效去除水中的放射性核素,特别提到混凝、沉淀以及砂滤结合使用的水处理系统对原水中悬浮放射性物质的去除率可达100%[17]。因此,除了持续获得水源水的动态放射性数据之外,水厂严格落实水处理各项工艺并加强管网末梢水的放射性水平监测是减少和消除居民因饮水所致内照射剂量的有效手段。

表3 水源水主要α衰变核素所致年有效剂量 μSv/a

表4 水源水主要β衰变核素所致年有效剂量 μSv/a

如图1和图2所示,将天然α核素和β核素所致年有效剂量估算均值进行柱状图展示,α核素估算值大小排序:210Po226Ra232Th230Th234U238U,210Po和226Ra估算均值较大,其他核素估算均值较小,最大值与最小值相差一个数量级;β核素210Pb和228Ra估算均值相等。210Po、226Ra、210Pb和228Ra是天然放射性核素中剂量估算结果比较大的核素,显示出水源水的天然核素构成中若存在这些核素则可能带来更多的居民内照射剂量结果。蒋衍对辽宁省饮用水调查发现天然核素中的210Pb和210Po亦是居民内照射剂量贡献最大者[18]。我国《电离辐射防护和辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)的放射性核素毒性分组中210Po、226Ra和228Ra属于极毒组,210Pb属于高毒组[19]。鉴于此,除了掌握水源水总放射性水平动态变化以外,生态环境监测机构也应积极加强核与辐射监测能力建设[20],优先掌握水源水中诸如210Po、226Ra、210Pb和228Ra等典型单一核素的浓度水平,做好居民安全饮水的辐射防护工作。

图1 主要α衰变核素所致年有效剂量均值比较

图2 主要β衰变核素所致年有效剂量均值比较

3 结语

(1)辖区内15个水源水枯水期和丰水期总α、总β放射性结果显示所有水样均不超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)总α 0.5 Bq/L和总β 1.0 Bq/L指导值要求,枯水期总α、总β均值大于丰水期,独立样本t检验结果显示均值差异并无统计学意义。与近年来北方和南方一些典型地区水源水总放射性比较发现,本地总放射性结果与这些地区分布范围基本一致,数值并无数量级差异,且均值无较大差别,显示这些典型地区水源水放射性水平处于正常天然本底波动范围,无人工放射性核素影响。

(2)饮水所致内照射年有效剂量估算中大部分剂量结果小于WHO建议值0.1 mSv/a,两例地下水样品SW14和SW15中210Po、210Pb和228Ra三种核素成人饮水估算结果存在大于建议值情况,结合WHO《饮用水水质准则》中关于典型的水处理工艺可以有效去除水中溶解性放射性核素的论述部分,水厂应严格落实水处理各项工艺并加强管网和末梢水的放射性监测。210Po、226Ra、210Pb和228Ra四种天然核素的年有效剂量估算结果数值较大,且四种核素属于极毒组和高毒组核素,建议除了获得水源水的总放射性动态数据结果以外,也将这些剂量估算值较大的核素纳入辐射监管范围,以做好居民安全饮水的辐射防护工作。