甘肃省某石煤提钒企业伴生放射性污染的调查及分析

王福军,王海山,郝建国,方 鹏,马宏达,魏晋祥,梁晓烨,丁晶洁,刘作业

(1.甘肃省核与辐射安全中心,兰州 730000; 2.兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000)

0 引言

甘肃处于多个构造单元的结合叠置地带,成矿条件好、种类多,煤炭储量丰富,有5个富煤带和15个重点产煤县[1]。由于复杂的成矿过程及物质的迁移,部分石煤可能伴有放射性核素,主要为40K、铀系和钍系核素。

在石煤开发、利用过程中,从业人员因接触矿石、废料等产生附加天然辐射照射剂量,需要对相关环境的γ辐射空气吸收剂量率、空气氡浓度等进行监控,避免人员过多的剂量暴露。企业加工、生产的各个环节可能使一种或多种核素在产品和废渣等材料中浓缩、富集,并随着材料的流通造成更大范围内的影响。伴生放射性石煤的开发、利用过程中也会产生含有放射性的废气、废水和固体废物,增加了公众的天然辐射剂量。安徽歙县对石煤矿区的γ辐射空气吸收剂量率、空气氡活度浓度、固体介质和地表、地下水中238U、232Th、226Ra、40K含量及水中总α、总β等数据进行了详细调查,发现在石煤开发过程中放射性污染普遍存在,应进行污水处理,并限制废煤渣及矿区土壤作为建筑主体材料[2]。江西上饶石煤矿区γ辐射水平的研究发现,矿区的γ辐射空气吸收剂量率高出江西平均水平的1.6～5.0倍,表明石煤开发会导致一定区域内γ辐射水平的明显变化[3]。澳大利亚对29座矿井的研究发现,伴生矿开采过程中238U和232Th衰变系的放射性核素活性浓度接近1 000 Bq/kg的监管参考水平,远高于其它矿种;同时,由于通风率不同导致氡在矿井某处产生积累,某地下矿井中氡活度浓度的变化范围为100～800 Bq/m3,因此在平均氡浓度低于限值的情况下,不排除局部的氡浓度可能高于限值水平的现象[4];浙江省部分石煤矿的放射性调查发现,放射性核素含量随季节不存在明显变化,而在相同条件下的氡浓度则表现出夏高冬低的特点,且氡导致的内照射是矿工受到辐照剂量的主要来源,需要加强通风降低氡浓度[5]。

了解石煤开发利用过程中的放射性物质的含量及对环境和公众的影响,对石煤的合理开发利用及污染防治有着十分重要的意义。本文对甘肃省内的石煤企业开展了相关监测,并以某石煤提钒企业为例进行了重点分析,研究石煤开发利用过程中的伴生放射性污染情况。

1 测试方法与执行标准

本次放射性调查依照国家或行业标准进行,测量仪器均在正常工作条件下按照操作流程操作,各监测项目的对象及对应标准、采用的仪器及仪器探测下限如表1所示。土壤、矿石、废渣等固体样品的放射性活度浓度测量通过测试样品能谱、计算机解谱分析样品中的放射性核素活度浓度。水体和生物样品中U的含量低,半衰期长,很难通过放射性射线测量获得相应核素的活度浓度,因此采用元素分析方法给出其元素含量。γ辐射剂量率测量仪探测射线的能量范围是48 keV～4.4 MeV,剂量率量程上限为100 μSv/h。

表1 放射性调查的对象、标准、测量仪器及其探测下限

2 放射性活度测量

石煤矿的放射性监测主要是对石煤开发利用过程中产生的石煤、煤矸石、煤废渣等固体材料中的放射性核素活度浓度进行测量分析。我们对甘肃省武威、金昌、白银及酒泉矿区煤堆放区、煤矸石堆放区和煤渣堆放区进行了多点随机采样测量分析,测量238U、232Th、226Ra、40K等放射性核素活度浓度。238U和226Ra为铀系元素,衰变将产生多种放射性核素,同时具有α、β和γ放射性。此外,钾元素以化合物的形式在自然界中广泛存在,40K在其中呈均匀分布,丰度为0.118%。40K具有β和γ放射性。分析结果如表2所示。

表2 甘肃省石煤伴生矿放射性核素水平

作为对比参照,对甘肃省内环境土壤样品进行了随机采样分析。测试结果见表3。将矿区样品与甘肃省环境样品的放射性活度平均水平相比较,发现武威的石煤矿中伴生有丰富的铀系元素,这与武威所处的地质环境有关。相比而言,金昌、白银、酒泉等地的石煤生产企业中,原矿、矸石、废渣等样品中的矿及其附带产物中的238U活度浓度相对较低,但仍远超甘肃省天然放射性核素的平均水平。4个矿区226Ra的活度浓度均高于甘肃省平均水平,而232Th 和40K的活度浓度与甘肃省内的环境本底差别不大。

表3 甘肃省环境中天然放射性核素的水平活度浓度(Bq/kg)

3 照射剂量分析

以甘肃省某石煤提钒企业为例,分析石煤综合利用过程中从业人员受到的照射剂量和矿区周围公众受到照射剂量。

3.1 工作人员外照射剂量估算

石煤综合利用一般包括石煤露天采矿工程、石煤发电工程、石煤灰提钒工程、灰渣综合利用工程[6],如图1所示为该企业的工艺流程图。石煤提钒的前置工艺是将含钒石煤焙烧,燃烧释放的热量用于发电。燃煤电厂产生的高品质含钒干灰去钒厂提钒,低品位干灰及锅炉底渣进入综合利用单位或贮灰场。提钒工艺产生的浸出渣和沉淀物以及灰场的灰渣将被用作砖、混凝土等建材材料和矿井回填材料。石煤开发利用过程中,放射性污染源主要有废气、废水和固体废弃物。放射性废气主要为采矿过程中产生的粉尘和氡及电厂烟囱排放的飞灰。放射性废水主要有矿坑涌水、生产废水及电厂沉煤池排放的含煤废水。放射性固体废物主要是土岩剥离物、松散层和低品位石煤等剥离物、电厂锅炉粉煤灰、底渣和污水处理站水处理渣,提钒过程中浸出渣、中和还原工段净化渣、萃余液处理渣、沉钒尾液处理渣。

图1 某企业石煤综合利用工程总体工艺流程图

对含钒石煤的矿石原料和产品进行了取样分析,原料和产品各取3个批次的样品,每个批次分成3份,取测量的平均值,结果见表4。测量表明,原料和产品中放射性核素活度浓度均低于《有色金属矿产品的天然放射性限值》(GB 20664—2006)中规定的活度浓度限值,原料属于不受限制进行开发利用的物质,产品可正常流通。

企业产生的废渣主要为浸出渣、净化渣和沉淀渣,同样取3个批次的样品,每个批次分成3份,取测量的平均值,结果见表5。根据国家标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010),作为建筑主体材料,当天然放射性核素226Ra、232Th、40K的活度浓度同时满足内照射指数IRa≤1.0和外照射指数Iγ≤1.0(根据标准中的公式,通过相应核素的放射性比活度计算得到)时,其产销和使用不受限制。由表5可知,浸出渣的两个指标均超标,不能直接用于建筑主体材料。生产工艺流程导致沉淀渣和净化渣中的铀活度浓度较高,表5中数据也是如此,因此本项目中产生的尾渣不能随意处置,需根据国家环境保护标准《伴生放射性物料贮存及固体废物填埋辐射环境保护技术规范(试行)》(HJ 1114—2020)规定,集中运送至废渣场保存,由石煤提钒开发利用企业做好尾渣的管理工作。

表5 废渣中放射性活度浓度的检测结果 (Bq/kg)

由企业的工艺流程可知,在矿石的开采及整个工艺中,随着矿石和废料的流转会伴随有γ外照射的产生,并对外环境产生辐射影响。表6列出了不同的工作场所的γ射线空气吸收剂量率,测量中对于每个监测对象取5个监测点位的平均值,由于矿堆堆积具有较大的随机性,测量获得的矿堆中央不同点位的γ射线空气吸收剂量率差异较大,导致了标准差较大。按照联合国原子辐射影响科学委员会(UNSCEAR)2000年报告附录A[7],X-γ射线产生的外照射人均年有效剂量当量按下列公式计算:

表6 主要工作场所工作人员外照射剂量

HE·γ=Dγ×t×0.7×10-6

(1)

其中,HE·γ为γ射线外照射人均年有效剂量当量,mSv;Dγ为 γ射线空气吸收剂量率,nGy/h;t为γ射线照射时间,h;0.7为剂量换算系数,Sv/Gy。公司工人每年工作270天,停留时间8 h(车间内工人每天工作8 h,采矿人员每天矿井内工作2.5 h,渣堆上工作人员每天工作2.5 h),根据式(1)计算出工人的外照射剂量列于表6,该辐照剂量未扣除天然本底水平。

3.2 工作人员内照射剂量估算

放射性矿石开采和粉碎过程中会造成氡的大量析出,测试表明矿井内的氡浓度水平往往远高于地表氡浓度水平[8]。当氡气通过呼吸进入人体后,氡衰变产生的α射线会对人体产生内照射。氡气作为惰性气体,大部分会经过呼吸道排出,在人体内停留的时间较短。但是氡衰变的产物(氡子体)则是固体颗粒,会沉积在呼吸道表面,造成长期的内照射。氡气及其子体的吸入是造成矿场工作人员发生肺癌的主要原因[9]。表7列出了主要工作场所的氡浓度的监测结果,由监测数据可知矿井洞内的监测数据不满足国标《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》(GB 23727—2009)中“地面作业场所中空气平衡当量氡浓度不应大于2 700 Bq/m3”的要求。主要原因是监测时矿井刚开始建设通风系统尚未建好,空气不流通,导致氡气扩散至洞口,局部地方氡浓度偏高。根据氡浓度的监测结果估算了工作人员因吸入氡子体所导致的内照射剂量:

表7 主要工作场所工作人员内照射剂量

(2)

表7中给出了据此计算出的工作人员内照射剂量,结合表6中的外照射剂量结果,所计算出的工作人员年有效剂量当量(内照射和外照射之和),剂量估算均未扣除天然本底水平。根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002),职业照射连续五年的年平均有效剂量限值为20 mSv。为遵循辐射防护最优化原则,甘肃省内核技术利用单位职业照射年有效剂量管理约束值按职业照射剂量限值的1/4执行,即5 mSv/a。该企业为伴生放射性矿开发利用企业,工作人员暂未列入辐射工作职业人员管理,参照核技术利用单位职业人员5 mSv剂量约束值的规定。由表7可知,各监测点位所致工作人员年有效剂量当量均满足低于职业年有效剂量5 mSv限值的规定。其中矿井洞内监测点位氡浓度平均值偏高,导致年有效剂量接近限值5 mSv,且由于矿井洞内氡浓度不均匀,部分监测点位的氡浓度会使得年有效剂量略高于剂量约束值5 mSv,但在采取通风、密闭氡尘源后,检测点位处氡浓度所致工作人员年有效剂量有所降低。

3.3 公众照射剂量

矿场对公众产生的外照射主要是废渣场对路过的牧民产生的γ辐射。矿场位于戈壁荒漠地带,周围人烟稀少,仅在2.6 km处有一户牧民。废渣场周围有围墙避免牧民靠近,并设有电离辐射警告标志,因此牧民来此处放牧的概率较低。按照最大概率估算,假设牧民每日放牧都经过废渣堆,并在渣堆附近停留1小时,每年放牧365天。废渣堆的γ射线空气吸收剂量率如表6所示,为514.3～665.7 nGy/h,废渣堆最大剂量率665.7 nGy/h,根据公式(1)可算出牧民(公众)每年附加的外照射剂量为0.170 mSv。内照射主要来源于公众吸入氡气及其子体,所产生的年有效剂量当量。评价区常年风向以西风为主,该户牧民处于下风处。氡气经扩散稀释后,氡气带来的实际吸附剂量趋近于零,因此仅需考虑公众在废渣堆附近放牧时受到的内照射剂量。如表7所示,此处氡气最大辐射剂量值为24 Bq/m3。同样按照每年放牧365天,每日放牧经过废渣堆,并在渣堆上停留1小时,根据公式2可算出牧民(公众)每年附加的内照射剂量为0.011 mSv。

综上所述,公众年有效剂量当量(内照射和外照射之和)为0.181 mSv。《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定公众照射的年平均有效剂量限值为 1 mSv。剂量约束值通常取公众照射剂量限值10%～30%(即0.1～0.3 mSv/a)的范围,省内核技术利用单位的公众人员年有效剂量约束值一般取0.25 mSv/a。本项目同样取0.25 mSv作为场所周围公众人员年有效剂量管理约束值。实际运行中,废渣场周围有围墙避免牧民靠近,渣场运行中要对废渣进行覆盖,因此废渣对公众产生的年有效剂量将远远低于剂量约束值要求。

4 环境质量现状的分析

石煤矿对环境的辐射污染主要以氡气及放射性粉尘、放射性固体废物、放射性液体废物的形式,通过各种途径向环境转移,污染环境。同样以省内某石煤提钒企业的监测数据和企业运行机制,分析放射性污染向环境转移的可能性。

4.1 环境空气影响分析

放射性废气主要来源于氡气的排放和采矿过程产生的放射性粉尘。镭衰变产生的氡气(222Rn),在矿石开采、原料和尾渣堆放、工艺过程中会释放出来,通过排风扩散到外环境中。我们对矿区周围环境评价区的氡气进行了监测,结果见表8。监测结果表明,评价区室内空气中的氡浓度小于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB 18871—2002)规定的400 Bq/m3(已建住宅氡持续照射的控制水平)的限值。评价区室外空气中的氡浓度水平与甘肃省环境本底水平一致(3.3～40.6 Bq/m3),测量表明石煤矿的开发利用对环境中氡浓度的影响不大。

表8 周围环境氡浓度监测数据

除氡气以外,矿石开采会在矿井中产生大量粉尘。企业通过对石煤堆场建设围棚及洒水进行降尘,经扬尘污染在线监测系统测量,降尘效率为70%以上,年扬尘排放量为12 t。渣场的降尘措施为利用渣场产生的渗滤液及铁选厂尾矿库澄清水定时洒水,降尘效率为70%以上,年排放量为129 t。煤堆场采取的措施为修建围墙及顶棚,并洒水降尘,降尘效率为70%以上,扬尘排放量为5.75 t。上述措施的实施使得矿区扬尘大幅削减,企业周边无居民区、自然保护区、水源地等敏感目标,废气排放对环境空气影响较小。

4.2 水环境影响分析

该企业周围没有常年性河流,无地表水体,地下水极度贫乏。企业运行产生的废水包括生产废水和生活污水。其中渣场产生的渗滤液被收集后,通过水泵送回渣场用于洒水降尘,回收利用不外排。工艺废水全部经废水处理站处理后,约有70%的水可回收使用,剩余30%的工艺浓水进入蒸发池。浓水通过管线排入渣场附近蒸发池,浓水量为94 772 t/a(90 507 m3/a)。蒸发池占地面积40 000 m2,容积105m3,可完全容纳排入的浓水,由年蒸发量3 400 mm可知,年蒸发量大于年浓水量,水量全部可以蒸发完。蒸发池池底及池壁铺设HDPE防渗膜,该膜具良好的抗老化、抗紫外线、抗分解能力,可裸露使用。蒸发池产生的沉淀物废渣中的放射性核素活度浓度在表 5中已列出,堆至废渣场统一管理。生活污水处理后用于绿化,实现全厂废、污水均不排放,对地下水环境基本无影响。对矿区的饮用水、生活用水的总α、β剂量率进行测量[10],结果如表9所示。生活用水和饮用水中总α、β剂量率均低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)中规定。

表9 矿区饮用水、生活用水监测结果

4.3 土壤以及植物中放射性核素监测

为了监测矿区对于环境的影响,我们对厂区周围土壤中的天然238U、226Ra、232Th、40K、以及总α、总β进行了取样监测,监测结果如表10所示。

表10 评价区环境土壤监测结果

在厂区北500 m采样时,样品中有少量矿石,故此检测点位的土壤中238U、232Th含量相对较高,但未明显高于甘肃省环境中天然放射性核素含量水平。总体来说,整个评价区土壤中238U、226Ra、232Th、40K含量基本上为本底水平,但矿区对于评价区环境的放射性水平有明显影响。同时我们还对厂区东北2 600 m处牧民家周围生物样品(骆驼刺)进行了取样检测,检测结果如表11所示。可以发现,评价区生物样品中放射性核素含量远低于《食品中放射性物质限制浓度标准》(GB 14882—1994)中放射性核素含量限值。

表11 评价区生物样品检测结果

简而言之,调查发现石煤矿的开发及废气排放对环境中氡浓度和空气质量的影响总体可控;产生的废水经处理后,可以循环利用,而生活与饮用水中总α、β剂量率也能满足国标要求。企业周边的土壤及植物中的核素含量和放射性水平的测量分析也未发现明显异常。

5 石煤伴生矿开发利用中辐射环境污染防治管理建议

调查中发现,省内石煤开发利用存在以下几个主要问题:伴生放射性矿监管相应的法律法规不完善,缺乏配套的管理实施细则;放射性污染防护宣传教育薄弱;石煤生产企业对石煤矿产的综合利用能力差,生产工艺落后,增加了废弃物料;伴生矿企业放射性污染防护不到位;对伴生放射性物料和伴生放射性固体废物的贮存和处理,没有符合相应辐射环境保护原则和技术要求的设施。

因此,需要相关企业在生产过程中加强辐射防护,重视辐射安全教育和管理,辐射监管部门加强企业的辐射安全监管。特别是煤废渣等材料的管理,严禁流入建筑市场。根据甘肃省石煤伴生矿的放射性污染现状,为强化伴生放射性矿物资源开发利用项目的辐射环境管理,需按照《伴生放射性物料贮存及固体废物填埋辐射环境保护技术规范(试行)》(HJ 1114—2020)要求,建立符合相应辐射环境保护原则和技术要求的贮存和处理设施;加强伴生放射性矿污染防护宣传教育和科普工作;督促相关企业提升防污配套设施和生产工艺,推广石煤的综合利用开发;科技主管部门联合企业、科研院所,在石煤的综合利用新工艺、石煤提铀技术、“三废”治理和利用技术、放射性污染在线监测技术等领域加强科研攻关力度。