铀矿山污染场地治理技术初探

邹兆庄，夏子通，张保增，王 玮

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

铀矿山污染场地治理技术初探

邹兆庄，夏子通，张保增，王 玮

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

通过对我国不同类型铀矿山的生产过程、工艺流程等进行分析，总结铀矿山场地的污染特点，并对其污染程度进行调研。结合对现有土壤修复技术的讨论，论述适用于铀矿山污染场地的土壤修复技术；初步探讨我国铀矿山污染场地修复技术的发展方向及趋势，提出一种可行的修复技术。

铀矿山；放射性污染；场地修复

在全球节能减排及能源安全的背景下，各国都在积极发展清洁的新能源，核电已成为能满足用户高质量需求的一种能源。铀是主要的核燃料，其供给依靠铀矿冶系统的持续运转。然而，随着铀矿冶系统几十年发展的累积和公众环境敏感度的提升，矿冶系统的环境问题也困扰着产业的可持续发展，铀矿山污染场地的修复工作迟滞不前，相关的修复技术研究相对滞后，目前国内尚未形成铀矿山污染场地修复的体系。加大针对放射性污染土壤修复技术的研发力度，是冲破困局的关键。

1 铀矿冶

目前我国的铀矿资源类型主要有火山岩型、花岗岩型、砂岩型和碳硅泥岩型等。

铀矿山系统包括铀矿开采和铀选冶两部分，我国铀矿山总体工艺技术路线见图1。

图1 铀矿山的总体工艺技术Fig.1 Overall technology of uranium m ine

1.1 矿山开采

铀矿开采是生产铀的第1步，它是在地质勘探确定了铀矿床的基础上进行的，其任务是把工业品位的铀矿石从铀矿床中开采出来。铀矿开采主要分3个步骤：开拓、采准和切割、回采。铀矿开采的方式和方法见表1。具体采用何种采矿方法，应经过技术论证、技术经济、防护和环保等综合比较来确定。总的原则是：安全、合理、经济、最大限度地将铀矿资源从地下开采出来。

表1 铀矿开采方法Table 1 M ining and processmethodsofuranium m ine

1.2 选矿水冶

选矿是将铀矿石中废石筛除，以降低矿石运输和化学试剂成本。不同类型的矿石有不同的选矿方法，如放射性选矿法、重选法和磁选法等［1］。

水冶是将矿石中的铀提取，加工提炼成主要成分为重铀酸、重铀酸钠、硫酸铀和铀的氢氧化物等的天然铀产品，即铀化学浓缩物， 俗称 “黄饼”。

2 铀矿山污染场地

2.1 污染来源

铀矿在开采、运输、选冶等各环节产生的放射性 “三废”，即废水、废气和废渣，对矿区及周围环境会造成影响，严重情形可造成放射性污染，对工、农业生产和人们身体健康产生影响。

图2 铀矿山场地污染来源Fig.2 Pollution source of uranium m ine site

三废问题是矿山治理的关键，然而，将矿山的环境问题归结为三废，多数研究将重点单纯集中在三废问题的处理上，却忽略了三废问题所指向的重点（土壤问题）。由图2可见，外排水、浸渍水、淋滤水、水冶厂废水等直接或间接的排放，废矿石、水处理污泥、尾矿与土地的直接接触或雨水冲刷造成的核素迁移，氡及其子体以及各类矿尘经过大气沉降，都可能使各类放射性核素在土壤中蓄积起来。三废问题所造成的污染都趋于向土壤累积，因此研究放射性核素在土壤中的迁移转化规律，并在此基础上进行铀矿山场地的土壤修复技术研究是解决铀矿山环境问题的关键。

2.2 污染物特征

2.2.1 废气

矿井废气主要来源于铀矿开采过程中凿岩、装矿、放矿、出渣、掘进等工序产生的放射性粉尘、222Rn及其子体。

堆浸水冶区的放射性废气主要有矿石破碎、筛分及输送过程产生的含铀矿尘、222Rn及其子体；拌酸区域、堆浸生产过程产生的222Rn及其子体、放射性气溶胶和酸雾；水冶厂房产生的少量有机溶煤、放射性气溶胶和酸雾。

固体废弃物堆置产生的废气主要为222Rn、220Rn，排放源包括废石场和尾矿库。

氡及其子体是铀矿山开采过程造成大气污染的主要源头，资料统计显示［2］，一个中型铀矿井，每天析出氡2.2×1011～7.6×1011Bq，矿井排出废气量可达2×105～6×105m3·h-1，其浓度达5×103～7×103Bq·m-3；氡及其子体α潜能值为1.7～11.0 MeV·L-1。此外，矿山废石场还将以103Bq·d-1的速率析出氡及其子体。在矿区周围500 m范围内室外大气中氡浓度可达7～150 Bq·m-3，氡子体α潜能值为1.2～4.0 MeV·L-1。特别是露天开采爆破时，周围大气污染更为严重，氡浓度可高达5× 102Bq·m-3，分别高于对照区浓度的5～11倍。

2.2.2 废水

铀矿冶废水包括矿井废水、工艺废水、尾矿库渗水等。工艺废水主要来自萃取后萃余水、洗涤水、尾液、沉淀上清液和过滤滤液等（表2）。

2.2.3 固体废弃物

固体废弃物主要为废石、尾渣和废水处理沉渣。

根据潘自强等［3］的估算，一个年产10万t的铀矿山，每年大约可产出10～60万t废石。我国铀矿的品位较低，产生的废石量较大。大量的废石必然导致大片的山谷、绿地被占用，在水蚀、风蚀的作用下，废石中的放射性核素及其他有害物质不断淋浸和析出，使受污染的区域不断延伸。有时废石管理不严，被用作建材、路基，结果造成环境污染，使民房内γ辐射剂量率和空气氡浓度大大超过背景值，甚至室内γ辐射剂量率达到30×10-8Gy·h-1，空气氡浓度达到103Bq·m-3，在矿区的公路和铁路周边，由于矿石和废石在运输过程中的散落，使两侧路基和农田土壤中γ辐射剂量率高达8.5×10-7Gy·h-1，高出环境本底值1个数量级。

表2 铀矿坑道废水及其放射性物质［2］Table 2 W aste water from uranium m ine tunnel and its radioactive elements［2］

3 治理方法和技术

放射性核素在土壤中累积的方式有：核素在矿物颗粒表面产生的吸附；核素与土壤中的腐植酸发生络合作用；核素发生沉积反应［4］。治理放射性污染土壤，可以采用3种方法：1）永久关闭该场所；2）控制或限制污染物；3）移除或彻底消除掉污染物［5］。土壤中放射性核素的迁移转化主要依靠络合作用和氧化还原反应，由此决定放射性核素的迁移能力和最终归宿，同时也是目前国际及国内部分修复技术的基础。对任何放射性污染土壤的修复处理，其目的均在于控制并降低放射性核素对人类健康和环境威胁的风险。基于此，通过消除或减少污染源、阻止放射性核素暴露于环境的方式可以使辐射量达到人类可接受范围［6］。

污染土壤修复技术的研发经四十多年的发展，多个国家都制定了土壤修复计划，在土壤修复技术及设备方面投巨资进行研发，如美国的 “棕地计划”，拿出专项资金成立 “超级基金”，对工业污染土地进行修复。通过这些修复计划，各国积累了丰富成熟的现场修复技术与工程应用经验，形成许多技术公司和组织，继而使土壤修复技术更快地发展。

我国这方面的研究起步较晚，在 “十五”期间才被列入发展计划，研发水平和应用经验都与起步较早的发达国家差距巨大。近年来，环境保护部、科技部、自然科学基金委、中国科学院等部门相继对一些土壤修复科研项目和专题进行了立项，有力促进了土壤修复科学的发展。期间，以土壤修复、场地修复为主题的系列学术活动、会议也推动、引领了我国污染土壤修复技术的研发。土壤修复学已经成为一门新兴的环境科学分支学科，土壤修复学也将发展成为一门新兴的土壤科学分支学科。

经过多年的发展，土壤修复技术已形成包含生物修复、物理修复和化学修复等修复技术体系，并积累了不同污染类型场地土壤综合工程修复技术应用经验。

3.1 生物修复技术

土壤生物修复技术，包括微生物修复、植物修复、生物联合修复等技术，近年来得到快速发展，其中植物修复技术可应用到放射性污染土壤中。

植物修复是指利用植物承载和过量积累某种或某些元素的特性，或利用植物及其根系微生物与环境之间的相互作用，对污染物进行吸附、吸收、转移、降解和挥发，将有毒有害的污染物转化为无毒、无害的物质，最终使土壤功能得到恢复［7］。

国内、外对重金属污染土壤的植物修复技术都进行了研发和应用，已经将其应用于As、Cd、Cu、Zn、Ni和Pb等重金属污染土壤的修复。其工作原理见图3。

图3 土壤重金属污染植物修复原理Fig.3 Principes of botany remedial technique for heavy metal polluting soil

放射性核素长期存在于土壤中，对人类及生物的健康造成很大的威胁。植物可从污染土壤中吸收并积累大量的放射性核素，因此用植物去除大面积低浓度的放射性核素污染是很有意义的方法。目前，全球范围的相关研究与实践正在不断地推动着这种修复理论和技术应用的快速发展，植物修复技术已衍生出多个分支领域。但是，植物修复从理论到技术都尚存在一些问题或制约因素。

3.2 物理修复技术

物理修复是最先发展起来的修复技术之一，包括蒸汽浸提修复技术（图4）、固化/稳定化修复技术、热力学修复技术、热解吸修复技术等，多用于有机污染土壤的修复。在铀矿山放射性污染土壤修复技术的应用中，换土法是一种主流的选择。采冶设施退役过程中，清挖被污染的土壤可以充填至停产的矿井中，这是一举两得的方案，既解决清挖土壤的处理问题，又解决了矿井填埋的问题，但缺点是工程量过大，成本偏高。

图4 蒸汽浸提技术工艺流程Fig.4 Process of steam stripping technique

图5 土壤固化/稳定化修复技术工艺流程Fig.5 Technique process of soil solidification/stabilization remediation

3.3 化学修复技术

化学修复技术相对于物理修复技术发展较早，包括土壤固化/稳定化技术、淋洗技术、氧化-还原技术、光催化降解技术和电动力学修复技术等。

3.3.1 固化/稳定化技术

固化/稳定化技术的原理是将污染物在土壤中固定、处于长期稳定状态，普遍应用于重金属污染土壤，适用于被多种重金属复合污染的土壤，其修复流程见图5。此技术的费用低廉，用于非敏感区的土壤修复可显著降低修复费用。常用的固化稳定剂有石灰、沥青和水泥等，其中水泥应用最为广泛。在美国的超级基金项目中，大部分非有机污染场地采用固化-稳定化技术处理。国内一些冶炼企业场地重金属污染土壤也采用了这种技术。此修复技术可应用于放射性污染场地的治理。

3.3.2 化学淋洗技术

化学淋洗修复技术是将水或酸/碱溶液、络合剂或表面活性剂等化学药剂注入到污染土壤中，清洁土壤中的污染物的技术。经过处理后的土壤可再安全利用。这种异位修复技术已在许多国家应用于工程性重金属污染土壤修复，其工艺流程见图6。

图6 化学淋洗技术工艺流程Fig.6 Process of chem ical leaching technique

3.3.3 氧化-还原技术和光催化降解技术

土壤化学氧化-还原技术是通过向污染土壤中投入氧化剂或还原剂，使污染物变性来清洁土壤的技术，多用于土壤和地下水同时被有机物污染的修复；土壤光催化降解（光解）技术是一项新兴的深度土壤氧化修复技术，也是氧化还原技术的一种，可应用于农药等污染土壤的修复。

3.3.4 电动力学修复

电动力学修复是通过电化学和电动力学的复合作用驱动污染物富集到电极区，进行集中处理或分离的技术。电动修复技术已进入现场修复应用。电动修复速度较快、成本较低，特别适用于小范围的粘质的多种重金属污染土壤和可溶性有机物污染土壤的修复。

4 发展趋势

在土壤修复方面，我国已有相当多的研究，多集中在重金属污染修复、有机物污染修复等方向，也有学者对放射性污染土壤的修复进行研究，侧重点是137Cs等人工放射性核素，但是针对天然放射性核素的修复技术略显不足。铀矿山场地的污染有其特殊性和复杂性，在对修复技术进行研发时，应同时考虑其放射性特性和重金属特性。

本研究在进行调研时，并未发现有实际应用于铀矿山污染场地修复技术的案例。在综合调研了生物修复、化学修复、物理修复等多种修复技术后认为，生物修复具有可大面积应用于低浓度污染土壤的修复的特性，而化学修复费用低廉、效果明显，可以利用生物-化学联合修复的方法来修复铀矿山污染场地，其工艺流程可见图7。

图7 土壤淋洗-生物联合修复技术工艺流程Fig.7 Process of soil leaching-biological joint remedial technique

此种方法综合了生物和化学方法的特性，可以显著地降低修复成本，提升修复效果，可为铀矿冶设施退役工程提供参考。这种联合修复技术也将是适用于铀矿山污染场地修复技术的发展方向。

5 结语

随着我国铀矿事业的发展，公众环保意识和铀矿山环境安全关注度的不断提高，做好放射性污染场地修复对于保护环境，改善民生环境具有重要社会意义。目前许多学者对放射性污染土壤的治理做了不同程度的研究，但立足生态文明建设和保护民生，系统地研究污染场地特征，厘清污染物迁移扩散规律，并在此基础上形成治理技术方法体系的工作亟待开展。

［1］曹述栋，杜运斌，潘英杰.铀与核能［M］.北京:中国原子能出版社，2012:74－90.

［2］李德平，潘自强，龙尚翼，等.辐射防护手册:第3分册辐射安全［M］.北京:原子能出版社，1990: 188－189.

［3］潘自强，王志波，陈竹舟，等.中国核工业30年辐射环境质量评价［J］.中国核科技报告，1989，（1）:2－28.

［4］李社红，郑宝山，朱建明，等.额尔齐斯河流域及某稀有多金属矿废水铀、钍含量分布及其环境影响［J］.矿物学报，2003，23（4）:308－312.

［5］IAEA.Technical Reports Series NO.442:Remediation of Sites with Mixed Contamination of Radioactive and Other Hazardous Substances［R］.Vienna:International Atomic Energy Agency，2006.

［6］IAEA.Closeout of uranium mines and mills:A review of current practices［R］.Vienna:International Atomic Energy Agency，1997.

［7］骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势［J］.化学进展，2009，21（Z1）:558－565.

Prelim inary study on remediation technique for uranium m ine contam inated sites

ZOU Zhaozhuang，XIA Zitong，ZHANG Baozeng，WANGWei
（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

The peculiarity of uranium mine contaminated sites was summarized by the analysis on producing processes and fabrication techniques of different types of uranium mines in China，the contaminated level ofmines was investigated and surveyed. The applicative remediation technique of contaminated soil for the uranium mine contaminated siteswas expounded with the discussion of exiting remediation technique of contaminated soil.The direction and tendency of evolutionary of remediation technique of contaminated soil for the uranium mine contaminated sites in China were studied preliminarily and the proposal of feasible remediation technique was discussed.

uranium mine；radioactive contamination；site remediation

X53；X753

A

1672-0636（2015）01-0057-06

10.3969/j.issn.1672-0636.2015.01.011

中国地质调查局放射性矿山环境地质调查项目 （12120113002800）

2014-10-30；

2014-12-22

邹兆庄（1988—），男，山东滨州人，在读硕士研究生，研究方向：环境地质、环境影响评价、场地修复。

E-mail：zouzhaozhuang@163.com