内蒙古某矿山开采主要污染物治理与环境保护研究

任锦荣，王 浩，闫纪帆，张振强

（1.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000；2.内蒙古鲁新能源开发有限责任公司，内蒙古 锡林郭勒 026321；3.核工业二四〇研究所，辽宁 沈阳 110032）

地浸采铀工艺集采冶于一体，具有工艺简单、污染少[1-4]、矿山建设周期短、基建投资少、现代化程度高、劳动强度低、效率高等优点。该工艺只有地面钻探工程、浸出液输送与处理工程，不需要常规矿山开采工艺中挖掘地下井巷、提升矿石、井下通风、地下排水、地表矿石磨碎、搅拌与浸出等工程，员工工作以监测设施、设备，调节各项技术参数为主，极大地降低了工作强度，改善了工作环境[5]，保证了采矿工作的安全性。地浸采铀矿山建设周期一般为1.0～1.5 a，为常规铀矿建设周期的四分之一；地浸采铀矿山基建投资为常规矿山基建投资的50%～70%[6]。地浸采铀工艺的低成本、高效益使得低品位矿（品位万分之一及以下）实现经济开采[7]，并使铀矿中伴生的Se、Sc、Mo、Ge、V、Re 等元素得以综合回收、利用[8]。我国地浸采铀方法主要包括酸法、碱法和中性（CO2+O2）工艺[9]。中性（CO2+O2）地浸采铀工艺需注入含CO2和O2的浸出剂，对地下水及环境的污染少，是国内外地浸采铀的发展方向[10]。内蒙古自治区某铀矿从2006 年开始采用中性（CO2+O2）地浸采铀工艺，通对矿山的污染产生及防治进行长期的跟踪研究，可知其主要污染源有抽注液孔施工产生的废井液（钻孔施工和管道安装破坏地表、工艺事故的溶液流失对地表水产生影响）和工艺废水及氡气。前人对氡[11]、地下水防治[12]做了较深入的研究，本文重点对钻孔泥浆、工艺废水和蒸发池残渣方面开展研究。

1 矿区概况

矿区东西长5.50 km，南北宽3.50 km，周围地表为第四系部分沙化的草原，地势由西南向东北逐渐倾斜，地形标高一般为158～166 m，地面坡度小于6°。地貌组合以平川地为主体，高度不超过10 m 的固定沙丘、半固定沙丘、坨沼甸相间。矿区多年平均蒸发量为1 774.2 mm，多年平均降雨量为373.6 mm。矿体产于姚家组地层，埋深为212～315 m。岩性为以中砂岩、细砂岩为主，胶结疏松。砂体连通性好，倾角为5°～9°。顶底板均为泥岩，具有完整的泥-砂-泥地层结构，主要含矿层渗透系数平均为0.025～0.223 m/d。

2 铀矿区地浸工艺主要污染物

CO2+O2原地浸出采铀工艺包括铀的浸出和含铀浸出液处理两部分[13]，主要污染源有废井液、工艺废水和废气（图1）。本文重点对废井液、工艺废水和蒸发池残渣进行研究。

图1 主要污染源产生流程图Fig.1 Flow diagram of main pollution sources

2.1 废井液

废井液主要是水基钻井液（WBM），成分为钠基膨润土、半乳甘露聚糖植物胶、腐殖酸钾改性物、分散剂、增黏剂、加重剂、聚丙烯酰胺凝剂[13]。废井液中除钻井液外，还有污水、污油及钻屑，是一种多相胶体悬浮体系，含有难以自然降解的污染物和岩矿屑放射性物质[14]。

2.1.1 废井液主要来源

废井液主要包括以下几种来源：一是废弃钻井液污水，主要包括完井后的废弃钻井液以及散落的废弃钻井液；二是废弃机械污水，主要包括完井后钻井泵拉杆冲洗水、洗井外排废水等；三是各种岩屑，主要为钻井过程中产生大量的细粒岩屑；四是其他废液，主要包括部分酸化洗井废水、天然降雨侵入增加的废水等。

2.1.2 废井液主要组成

废井液为弱碱性（pH 值平均9.08），有机质含量少（烧失量质量分数平均为6.78%、总有机碳质量分数平均为1.40）；主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁等成分，其他氧化物及有害化合物含量较少；重金属含量相对较少，成分比较简单，其中，Pb 为17.06×10-6、As 为15.81×10-6、Cd＜5.0×10-6、Hg＜0.03×10-6、Cr 为22.1×10-6[14]。

2.1.3 废井液产生量

生产过程中抽液井、注液井及监测井的施工过程中会产生一定量的废井液。抽液井单井废井液产生量约为20.30 m3，其中，在到达含矿层后含放射性泥浆产生量约为3.00 m3；注液井和监测井单井废井液产生量约为10.45 m3，其中，在到达含矿层后含放射性泥浆产生量约为2.00 m3。生产期间废井液的总产生量约为25 500 m3，其中，含放射性泥浆废井液约为4 200.00 m3。对于单个抽液井含矿段产生的含放射性泥浆量中约有0.35 m3为含矿层泥浆，其余为生产工艺中必须使用的非放射性泥浆。按照含矿层平均品位0.034 0%计算，抽液井产生的放射性泥浆中U、226Ra、Cl-情况见表1。注液井和监测井计算方法和结果与抽液井大体相同。由此可见，生产钻孔产生的废井液放射性水平较低，U 平均浓度为38 mg/L，226Ra 平均活度浓度为79 Bq/L（表1）。

表1 抽液井废井液组分Table 1 Component of drilling waste well fluid in liquid-pumping wells

2.2 工艺废水

工艺废水主要有树脂转型废水、树脂反冲废水、产品洗涤废水等[14]。各种废水的水质情况见表2。对树脂转型废水进行反渗透处理，将树脂反冲水、产品洗涤废水排至蒸发池，自然蒸发。

表2 各种废水的水质组分Table 2 Component of water quality in various wastewaters

2.2.1 树脂转型废水

树脂转型废水主要来源是由于抽大于注而产生的不能回注的吸附尾液。废水中的污染物主要为U天然、226Ra 和Cl-等，其中，U天然浓度为0.14 mg/L，226Ra活度浓度为1.06 Bq/L，Cl-浓度为4.00 g/L。

2.2.2 反渗透浓水及其他放射性废水

反渗透浓水、树脂反冲废水、产品洗涤废水及冲洗地面水等放射性废水约81.35 m3/d。

1）反渗透浓水。污染物主要为U天然、226Ra 和Cl-等，其中，U天然浓度为0.10 mg/L，226Ra 活度浓度为2.42 Bq/L，Cl-浓度为4.49 g/L，废水直接排至蒸发池蒸发。

2）树脂反冲废水。污染物主要为U天然、226Ra 和Cl-等，其中，U天然浓度为0.10～0.30 mg/L，226Ra 活度浓度为1.00～3.00 Bq/L，Cl-浓度为0.50～1.00 g/L，废水直接排至蒸发池蒸发。

3）产品洗涤废水。污染物主要为U天然、226Ra 等，其中，U天然浓度为1.00～3.00 mg/L，226Ra 活度浓度为3.00～10.00 Bq/L，Cl-浓度为0.25 g/L，废水直接排至蒸发池蒸发。

4）洗井水、冲洗地面水及其他放射性废水。洗井水、冲洗地面水污染物主要为U天然、226Ra 等。其中，U天然浓度为1.00～3.00 mg/L，226Ra 活度浓度为3.00～5.00 Bq/L，废水直接排至蒸发池蒸发。放射性废水不外排，全部输送至蒸发池蒸发处理。

2.3 蒸发池残渣

蒸发池采用夯土式结构，池壁坡度1∶2，单个蒸发池池长80 m、宽50 m、深1.5 m；新防渗层，蒸发池之间通过分配管道和阀门控制进入蒸发池的废水量，蒸发池之间设连通管。蒸发池防渗层下设置检漏设施，防止蒸发池的泄漏污染区域地下水[15]。

参考通辽地区月均蒸发量和降水量情况，新建蒸发池月蒸发废水量见表3，同时加入蒸发池废水月接收量，蒸发池废水月排入量与月蒸发废水量之差即为蒸发池中的剩余废水量，根据剩余废水量估算蒸发池容积的使用情况。

表3 蒸发池月废水产生量和蒸发废水量Table 3 Monthly wastewater output and evaporation capacity in evaporation pond 单位：m3

由表3 可知，所有蒸发池中剩余总水量最大值为5 817.1 m3，此时单个蒸发池平均水量为969.5 m3，出现在每年的三月，原因主要是冬季的蒸发量相比降水量小。蒸发池总容积为36 000 m3，保守考虑每个蒸发池泄漏发生在池内剩余水量最大的三月，此时将其池内废水量通过潜水泵输送至其他蒸发池，总容量约30 000 m3，有足够的容量容纳所有蒸发池中遗留的5 817.1 m3废水量，可为泄漏蒸发池的维修提供时间和空间的保障。蒸发池残渣主要为土工膜以上的物质构成，分别为30 cm 厚的黏土和砖块，残渣质量约为13 000 t。

3 环保措施与效果

3.1 废井液的处置

废井液包括矿层段和非矿层段。非矿层段可分为高固相和低固相两种（图2）。矿层段钻井液添加试剂后进行固井处理。对于非矿层钻井液采用固液分离处理，处理后的含固相较多的钻井液进行地表固化处理；含固相较少的钻井液进行净化回用处理[14]。

图2 废井液处理技术路线Fig.2 Technical route of drilling waste well liquid treatment

3.1.1 矿层段废井液固井处理

选择4#矿渣作固化剂，矿渣添加质量分数为35%～40%，24 h 固井，强度大于2 MPa，可满足固井需求；激活助剂选择G 级水泥；固井配比为：100%废钻孔泥浆+40%矿渣微粉+10%液碱+5%G 级水泥。随着固化剂加入量的增加，固化强度迅速增高。矿层段废井液固井浆体完全固化后，其强度可满足地浸工艺钻孔固井质量要求。通过采用该固井技术，既对矿层段废井液进行了处理，又提供了固井材料，从而降低了地浸工艺钻孔的施工成本。

3.1.2 非矿层段钻井液固井处理

1）高固相钻井液地表固化处理。选用硫酸亚铁为絮凝剂，其水溶液呈弱酸性，符合该地土壤和农作物的需求；净水剂选用聚合氯化铝，净水效果和经济性好于聚丙烯酰胺；石灰作为主要固化剂，固化剂药剂用量为20 kg/m2。

2）低固相钻井液。采用低固相钻井液回用技术，回用率达60%，节约新钻孔泥浆配制的成本。

3.1.3 处理效果

矿层段钻孔废泥浆固井，转化处理的固井液浆体减少了固井过程对套管的损伤，且满足固井质量的要求，降低了对环境的影响。高固相废井液地表固化处理，减少废弃钻孔泥浆坑的数量，保护了生态环境。低固相废井液回用技术，回用率达60%，节约新钻井泥浆配制的成本。

3.2 废水的治理措施

3.2.1 树脂转型废水

1）废水处理工艺。对含有Cl-较高的树脂转型废水进行反渗透处理，处理规模为60 m3/h，处理工艺参数见表4。先进行加药除氧预处理，预处理后的废水依次经过精度为55 μm 的机械过滤器、20 μm 的袋式过滤器、5 μm 的袋式过滤器过滤，过滤后的废水进入反渗透装置进行反渗透处理，处理后的浓水输送至蒸发池自然蒸发，淡水回用于生产或用于厂区。

表4 反渗透处理工艺参数Table 4 Technological parameters of reverse osmosis treatment

2）废水处理效果。反渗透技术处理采铀工艺废水设备稳定性较好，出水水质稳定，水处理效果较好（表5），废水中各种污染物的处理效率均可达90%以上，处理后淡水中放射性核素U天然浓度＜0.05 mg/L，226Ra 活度浓度＜1.1 Bq/L，满足《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》（GB 23727—2020）中第一取水点水质的要求，处理后的淡水水质各项非放射性指标均满足《城市污水再生利用-城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）的相关要求，可用于厂区洒水和绿化。

表5 反渗透废水处理效果Table 5 Results of reverse osmosis treatment of wastewater

处理后产生的浓水约为46.8 m3/d，浓水中U天然浓度为0.5～1.0 mg/L，226Ra 活度浓度为5～10 Bq/L，Cl-浓度约为2 300 mg/L。反渗透处理产生的淡水约为140.40 m3/d，其中，107.602 m3/d 的淡水返回配制溶浸剂，1.04 m3/d 的淡水回用于滤饼洗涤，其余31.75 m3/d的淡水用于厂区洒水及绿化。

3.2.2 反渗透浓水、树脂反冲废水、产品洗涤废水及冲洗地面水等放射性废水

反渗透浓水、树脂反冲废水、产品洗涤废水及冲洗地面水等放射性废水排放到蒸发池，产生的放射性固体废物主要为蒸发池残渣，堆置于蒸发池中暂存，待退役时集中处置。蒸发池残渣量及残渣放射性水平分析如下所述。

1）残渣U天然总活度。根据蒸发池蒸发的水量及蒸发池结构，估算了生产结束后由于放射性废水蒸发遗留的U天然总活度，计算方法见式（1）。

式中：Q为生产期间放射性废水蒸发遗留的U天然总活度，Bq；W为生产期间蒸发的总水量，m3；Cw为蒸发废水中U天然的浓度，mg/L，取吸附尾液浓度1.5 mg/L；25.2 为1 mg U天然对应的活度，Bq/1 mg U天然。生产期间蒸发的总水量为81.35×340×13=359 567 m3；蒸发池放射性废水蒸发遗留的U天然总活度为1.36×1010Bq/L。

2）残渣比活度。对蒸发池残渣中U天然和226Ra 等进行监测，监测结果见表6。由表6 可知，U天然比活度为249.09～603.15 Bq/kg，平均比活度为426.90 Bq/kg，换算质量浓度为20.12～48.72 μg/g，平均质量浓度为34.48 μg/g。226Ra 比活度为332.00～1 334.00 Bq/kg，平均比活度为696.67 Bq/kg，低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB 18871—2002）豁免水平。由此可见，生产结束后蒸发池残渣的放射性水平不高，其退役治理可按照铀矿冶行业常规放射性固废开展，如集中挖除统一填埋或分别就地掩埋等，蒸发池残渣经处理后不会对周围环境产生明显的影响。

表6 蒸发池残渣放射性核素活度浓度Table 6 Concentration of radionuclide activity in evaporation pond residue

4 结论

通过固井、地表固化和回收方式对废井液进行处理，对树脂转型废水进行反渗透处理，对反渗透浓水、树脂反冲等废水排至蒸发池蒸发等措施，内蒙古某铀矿床CO2+O2地浸开采污染物得到很好的治理和控制，各项指标符合《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》（GB 23727—2020）、《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB 18871—2002）等规定，不会对环境产生影响。

1）废井液放射性较低，U天然平均浓度为38 mg/L，226Ra 活度浓度平均为79 Bq/L，无需专门处理。矿层段钻孔废泥浆固井，转化处理的固井液浆减少了固井过程对套管的损伤，且满足固井质量的要求，降低了对环境的影响。高固相废井液地表固化处理，减少废弃钻孔泥浆坑的数量，保护了生态环境。低固相废井液回用技术，回用率达60%，节约新钻井泥浆配制的成本。

2）树脂转型水反渗透处理后U天然浓度＜0.05 mg/L，226Ra 活度浓度＜1.1 Bq/L。

3）蒸发池残渣中U天然平均比活度为426.90 Bq/L，226Ra 平均比活度为696.67 Bq/kg；工艺废水和残渣符合相关标准的要求。