铝土矿开发利用放射性特征分析

贝新宇，张保增

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

伴生放射性矿在开采、 冶炼、 加工和利用过程中， 天然放射性核素被迁移、 浓集和扩散， 将对工作人员和环境造成一定程度的影响［1-2］。在铝工业生产中，世界各地原料铝土矿中铀系放射性核素活度浓度可达10～9 000 Bq·kg-1、 钍系可达35～1 400 Bq·kg-1、40K 活度浓 度 可 达10 ～600 Bq·kg-1［3］；澳 大 利亚铝土矿中238U 活度浓度为60～300 Bq·kg-1、232Th 活度浓度为40～800 Bq·kg-1［4］。但我国当前对铝土矿开发利用过程放射性影响研究较少。

目前世界上95%的铝业公司都在使用拜耳法生产氧化铝［5］，该方法在行业内具有代表性。 因此， 针对我国采用拜耳法生产的某铝土矿开发利用企业开展研究。 通过现场踏勘和放射性水平调查， 揭示采矿工程、 选矿工程、 氧化铝生产环节放射性特征， 明确影响程度， 提出对工作人员及环境的辐射防护建议， 可为同类项目实施过程保障人员健康和环境安全提供重要借鉴。

1 项目依据

现阶段我国尚未颁布专门针对铝土矿开发利用辐射防护的标准， 在全面梳理现有相关标准基础上， 选取如下标准作为评估的参考依据： 《有色金属矿产品的天然放射性限值》（GB 20664—2006）［6］、《铀矿地质辐射环境影响评价要求》（EJ/T 977—95）［7］、《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）［8］。

主要标准限值见表1。

2 源项分析

该铝土矿开发利用企业生产工艺包括采矿工程、 选矿工程、 氧化铝生产等。 为揭示放射性影响特征， 首先针对这些环节的放射性源项开展分析。

2.1 采矿工程

根据矿区地质特点、 矿体赋存条件等特征， 该企业的铝土矿采用露天机械开采、 公路-汽车（铲运机）开拓运输。对工作人员的放射性影响主要为氡气（222Rn）、钍射气（220Rn）吸入产生的内照射和γ 外照射。 此外， 原矿在采区与洗矿厂之间运输过程如发生洒落等现象，可能对周围环境产生一定影响。

2.2 选矿工程

铝土矿选矿采用先洗后破， 二洗一手选（泥团）、 三洗一手选洗矿和三段一闭路的破碎工艺流程。 选矿工程与辐射相关的工艺环节主要为精矿堆存和排泥库。 精矿和黄泥释放氡气（222Rn）、钍射气（220Rn），并对工作人员产生γ 外照射； 选矿厂底流送入排泥库沉淀澄清后，澄清水可能存在放射性异常。

2.3 氧化铝生产

氧化铝生产采用拜耳法。 首先在高温高压条件下以NaOH 溶液溶出铝土矿， 使其中的氧化铝水合物反应得到铝酸钠溶液， 铁、硅等杂质进入赤泥； 向彻底经过分离赤泥后的铝酸钠溶液添加药剂， 在不断搅拌和逐渐降温的条件下进行分解， 析出氢氧化铝， 并得到含大量氢氧化钠的母液； 母液经过蒸发浓缩后再返回用于溶出新一批铝土矿； 氢氧化铝经焙烧脱水后得到产品氧化铝［9］。

与辐射相关的工艺环节主要为均化库、磨矿车间、 赤泥堆场和生产废水。 均化库、磨矿车间矿石粉尘及赤泥释放氡气（222Rn）、钍射气（220Rn），并会对工作人员产生γ 外照射；赤泥沉降水、生产废水可能存在放射性异常。

3 放射性调查

伴生放射性铝土矿都或多或少含有天然放射性物质， 因此根据各工艺流程源项分析及潜在影响，各生产环节放射性调查内容为γ辐射剂量率、222Rn/220Rn 浓度、 物料中放射性核素活度浓度。

3.1 γ 辐射剂量率

对该铝土矿开发利用企业各生产环节完成了百余个γ 辐射剂量率测量， 包括采矿工程露天采场的原矿和表土、 选矿工程选矿厂精矿和排泥库黄泥、 氧化铝生产环节均化库精矿、赤泥堆场赤泥等，测量结果见表2。

其中采矿工程分为3 个期次， 分别为一期工程、 二期工程、 三期工程， 为便于期次内纵向比较和期次间横向比较， 测量了各期次原矿、 表土的γ 辐射剂量率。 针对3 个期次的采矿工程， 设置三期选矿工程。 氧化铝生产环节则根据工艺流程和实际生产布置，以主要车间为对象进行测量。

采矿工程各期次间原矿γ 辐射剂量率基本处于同一水平； 表土略低于原矿， 在本底涨落范围内。 原矿γ 辐射剂量率高于当地本底值， 最高值分别约为本底高值的2.3、2.2和2.3 倍。

选矿工程各期次精矿γ 辐射剂量率总体处于同一水平， 高于当地本底值， 最高值分别为本底高值的1.9、1.8 和2.3 倍。排泥库γ辐射剂量率低于选矿厂存矿点， 总体在本底涨落范围内。

氧化铝生产环节中均化库、 赤泥堆场γ辐射剂量率高于当地本底值， 最高值分别为本底高值的1.8、2.9 倍。 磨矿车间、 产品过滤车间等工艺环节γ 辐射剂量率在本底涨落范围内。

主要生产环节原矿及精矿γ 辐射剂量率虽然高于当地本底值， 但大部分测值低于《铀矿地质辐射环境影响评价要求》（EJ/T 977—95）。

3.2 222Rn、 220Rn 浓度

针对各生产环节， 根据实际生产情况及测量可达性条件， 在进行γ 辐射剂量率测量的同时， 完成数十个222Rn、220Rn 浓度测量，结果见表3。

表2 主要生产环节γ 辐射剂量率测量结果Table 2 Measured results of gamma radiation dose rate in main production area

表3 主要生产环节222Rn、 220Rn 浓度测量结果Table 3 Measured results of 222Rn， 220Rn concentration of main production areas

选矿厂222Rn 浓度为5.72～11.4 Bq·m-3，220Rn浓度为11.4～91.5 Bq·m-3，220Rn 浓度最高约为222Rn 的16 倍。 排泥库222Rn 浓度为17.2～22.9 Bq·m-3，220Rn 浓度为34.3～126 Bq·m-3，220Rn 浓度最高约为222Rn 的7 倍。选矿工艺主要环节220Rn 浓度高于222Rn。

氧化铝生产各工艺环节222Rn 浓度为5.72 ～45.8 Bq·m-3，220Rn 浓 度 为22.9 ～160 Bq·m-3，220Rn 浓度最高约为222Rn 的10 倍。均化库222Rn、220Rn 浓度水平相对较高， 其次为赤泥堆场； 产品过滤车间、 赤泥过滤车间通风条件较好，测值水平相对较低。

3.3 物料核素含量

对各生产环节的主要物料进行取样、 分析测试： 包括采矿工程各期次原矿， 选矿工程存矿点精矿、 排泥库黄泥， 氧化铝生产环节均化库精矿、赤泥、铁精矿、废水（赤泥沉降水、工业废水处理站处理后废水），共百余个样品。各物料放射性核素含量见表4。

采矿工程： 原矿中238U、232Th 和226Ra 活度浓度总体高于当地本底值，40K 活度浓度在本底涨落范围内。表土中238U、232Th、226Ra 活度浓度低于原矿。

选矿工程： 精矿中238U、232Th 和226Ra 活度浓度高于当地本底值，40K 活度浓度总体在本 底 涨 落 范 围 内。238U、232Th、226Ra、40K、210Pb 和210Po 活度浓度低于《有色金属矿产品的天然放射性限值》（GB 20664—2006）。 黄泥样品中238U、232Th、226Ra 活度浓度总体低于精矿，但部分测点高于当地本底值。

氧化铝生产环节：均化库精矿238U、232Th和226Ra 活度浓度高于当地本底值。Al（OH）3、Al2O3、 铁精矿等矿产品中， 铁精矿放射性水平较高，但低于《有色金属矿产品的天然放射性 限 值》（GB 20664—2006）。 赤 泥 中238U、232Th 和226Ra 活度浓度水平总体高于均化库精矿， 亦高于当地本底值。 赤泥沉降水放射性水平相对较高，210Po、210Pb 活度浓度分别为2.05、3.32 Bq·L-1。

表4 主要生产环节物料核素分析测试结果Table 4 Nuclide analysis results of main production areas

4 放射性特征

根据主要生产环节放射性调查结果， 总结采矿工程、 选矿工程、 氧化铝生产环节放射性特征， 提出全流程放射性指数概念，以便于对各环节放射性水平进行归一化比较。

4.1 采矿工程

原矿γ 辐射剂量率高于本底值， 表土γ辐射剂量率水平低于原矿。参考《铀矿地质辐射环境影响评价要求》（EJ/T 977—95）， 铀矿地质勘探设施退役后γ 辐射剂量率扣除本底应不超过17.4×10-8Gy·h-1，原矿γ 辐射剂量率虽然高于本底值，但大部分测值低于《铀矿地质辐射环境影响评价要求》（EJ/T 977—95）。

原矿中238U、232Th、226Ra 活度浓度总体高于本底值， 但在前文提到的世界各地原料铝土矿核素活度浓度［3］范围内。原矿中238U 活度浓度基本与澳大利亚铝土矿［4］处于同一水平、232Th 活度浓度低于澳大利亚铝土矿。

表土中238U、232Th、226Ra 活度浓度水平低于原矿。

4.2 选矿工程

选矿厂精矿γ 辐射剂量率总体处于同一水平，高于本底值，但大部分测值低于《铀矿地质辐射环境影响评价要求》（EJ/T 977—95）。排泥库黄泥的γ 辐射剂量率水平低于选矿厂精矿， 在本底涨落范围内。 选矿工艺主要环节220Rn 浓度高于222Rn 浓度。

选矿厂精矿中238U、232Th、226Ra 活度浓度总体高于本底值。黄泥中238U、232Th、226Ra 活度浓度低于选矿厂精矿， 部分测点高于本底值。

4.3 氧化铝生产

赤泥堆场γ 辐射剂量率水平最高、 其次为均化库精矿， 均高于本底值； 磨矿车间、产品过滤车间等工艺环节γ 辐射剂量率在本底涨落范围内。除赤泥外，氧化铝生产环节γ辐射剂量测值低于《铀矿地质辐射环境影响评价要求》（EJ/T 977—95）。

均化库222Rn、220Rn 浓度相对较高， 其次为赤泥堆场。 氧化铝生产主要工艺环节220Rn浓度高于222Rn 浓度。

均化库精矿、赤泥中238U、232Th、226Ra 活度浓度水平总体高于本底值； 铁精矿238U、232Th、226Ra、40K、210Pb、210Po 活 度 浓 度 低 于《有色金属矿产品的天然放射性限值》（GB 20664—2006）。

赤泥沉降水放射性水平相对较高； 处理后废水中238U、总α 浓度偏高。

4.4 全流程放射性指数

根据放射性特征分析， 为便于综合比较各生产环节放射性影响程度， 确定优先关注点， 将生产全流程放射性水平进行归一化处理。提出放射性指数（I）概念，以放射性指数大小表征放射性影响关注度。

式中：I—放射性指数；C—特定核素活度浓度平均值，Bq·kg-1；a—测值中超本底数值比例，%； b—测值中异常数值比例，%； n1、n2—各自权重。

根据上述公式计算各238U、232Th、226Ra 及各工艺环节放射性指数 （表5）。 各核素在各工艺环节的含量， 超出本底部分权重按30%计、异常部分权重按70%计。放射性核素按影响重要程度排序为226Ra、238U、232Th， 需首要关注环节为赤泥堆场， 其次为选矿厂、 铁精矿车间、均化库。

5 铝土矿开发利用中的辐射防护

针对工艺流程特点及主要生产环节放射性特征， 铝土矿开发利用应从如下方面进行一般性的有效辐射防护。

5.1 工作人员防护措施

工作人员避免在工作场所进餐， 注意保护皮肤的清洁完整。 选矿、 氧化铝生产环节工作人员应穿戴防护用品（如穿工作服，戴手套、口罩等）并经常清洗，防护用品不带回生活区。加强均化库通风。

表5 放射性核素含量及工艺环节放射性指数分布Table 5 Radioactive nuclide quantity and radioactive index distribution of main production areas

5.2 矿石等运输防护措施

原矿、 矿石和废渣（赤泥等）在运输过程中应有防撒漏、 防扬尘的措施， 在运输起点和终点之间， 不进行装卸作业， 不允许搭载其他无关人员。 对于运输设施（槽车等）应严加管理和维护，杜绝交通事故的发生。

5.3 废水处理措施

赤泥沉降水和处理后废水放射性指标相对偏高， 后续生产中需定期监测， 并确保废水全部回用，不外排。

5.4 废渣污染防治措施

赤泥防护是重点和难点， 密切跟踪关于赤泥的审管要求并确保赤泥坝稳定性。 后续开展进一步深入研究确定赤泥、 废水处理沉渣等废渣的放射性筛选水平。

6 结论

通过对铝土矿开发利用过程中采矿、 选矿、 氧化铝生产环节放射性水平综合测量及全面分析可知， 上述环节个别部位有放射性水平较高的特征， 但总体低于所选择的参考标准。 同时通过分析筛选出开发利用过程可能存在潜在放射性异常及需要重点关注的区域。

1）各环节物料中，赤泥放射性水平相对较高。 后续生产过程中需加强跟踪监测及进一步评估。

2）个别黄泥样品活度浓度偏高，选矿厂浓缩池底流送入排泥库沉淀澄清后， 应考虑增设澄清水放射性处理工序并定期检测。

3）生产过程中针对氧化铝生产环节的废水处理沉渣加强监测，妥善处理。