淺析鋯鈦礦選礦工藝的輻射防護和輻射環(huán)境安全

蘇超麗，梁明浩，鄧 飛，程曉波，戴家鋮

（廣東省環(huán)境輻射監(jiān)測中心，廣州 510300）

伴生放射性礦開采和選冶過程中，核素遷移和富集給工作人員、公眾和環(huán)境造成的輻射影響很早就得到業(yè)內(nèi)高度的重視。早在1991 年，湖北、湖南、安徽、江西和浙江開展了石煤伴生礦開發(fā)利用的輻射影響調(diào)查研究。1999年，廣東和四川等省開展了伴生放射性礦的輻射環(huán)境影響調(diào)查［1-6］。2007年、2017年全國第一、第二次污染源普查也都將伴生放射性礦放射性污染源列入普查對象。國家相關部門也相繼出臺了一系列法規(guī)標準［7-9］。

我國80%的鋯鈦礦位于廣東省，主要分布在湛江和茂名等沿海區(qū)域。本文對廣東省典型的4家鋯鈦礦選礦企業(yè)的工作場所和環(huán)境的放射性水平進行了監(jiān)測，研究分析了鋯鈦礦選礦工藝過程中的輻射防護和輻射環(huán)境安全影響，并對該類企業(yè)的輻射防護和輻射環(huán)境安全管理提出了建議，可供相關部門監(jiān)督執(zhí)法參考。

1 物料中放射性水平

1.1 選礦工藝

鋯鈦礦重選廠工藝較簡單，主體建筑布局基本相似，污染治理措施也類似。鋯鈦礦重選廠的主要工藝流程見圖1。

圖1 生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production Process

各廠的主體工程主要有：鈦鐵礦車間（A廠設有單獨的濕式磁選車間，其他三個廠磁選與鈦鐵礦車間布設在一起）、電選車間、搖床水選車間、產(chǎn)品倉庫和副產(chǎn)品（獨居石等）倉庫等［5］。

輔助工程主要有：原料堆曬場、中礦堆場、尾礦堆場、三級沉淀池和循環(huán)水池等。生產(chǎn)工藝流程詳見文獻［5］。

1.2 原料來源及產(chǎn)品組分

本文所選4 個鋯鈦礦重選廠的規(guī)模不盡相同，年選礦量分別為12.5、4.0、4.5、4.2萬t，各廠日加工分離礦量為105～300t，工作人員17～80人，分別冠名為A、B、C、D廠。原料來源、選礦量及產(chǎn)品組分等參數(shù)見表1。由于鋯鈦礦原礦的來源不同，其中各種礦石的含量也不同。從原料來源和產(chǎn)品組分可以看出，原料中的主要成分是鈦鐵礦，獨居石的含量較少（0.02%～0.7%）。

表1 原料來源及產(chǎn)品組分Table 1 Raw material sources and product components

1.3 各類物料放射性水平分析

為了解放射性核素在選礦活動中的走向，本文測量了鋯鈦礦選礦廠不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)原料、產(chǎn)品、副產(chǎn)品及尾砂等固體物料中的放射性核素活度濃度，監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 固體物料的放射性核素活度濃度Table 2 Radionuclide activity concentration of solid materials

由表2 可見，鋯鈦伴生礦有較高的放射性水平，核素的活度濃度超過了豁免水平1 Bq/g。在選礦過程中，原礦中的放射性核素發(fā)生了轉(zhuǎn)移，大部分富集在獨居石和鋯英砂中，特別是富集在獨居石中的含量較高，部分核素的活度濃度超過了10 Bq/g。因此，鋯鈦礦選礦企業(yè)應當重點加強對獨居石的管理，不僅需要做好獨居石臺賬，防止產(chǎn)品流失，還應按照放射性物料做好獨居石的日常輻射防護管理工作。

2 放射性污染物的產(chǎn)生

2.1 廢水

選礦過程中用水量較大，每噸礦物分選需用水約2 t，但是選礦用水經(jīng)沉淀后循環(huán)使用，不外排。盡管工藝廢水不外排，但考慮到選礦廠露天場地集雨面積大，且降雨量大并集中，暴雨季節(jié)可能導致循環(huán)水溢出進入環(huán)境，因此，本文對4家選礦廠的工藝循環(huán)水使用前后的總放射性水平也進行了測量（未取到A 廠使用前的廠區(qū)內(nèi)井水），監(jiān)測結(jié)果見表3。

由表3 監(jiān)測結(jié)果可見，工藝廢水中的總α 和總β 放射性活度使用前后無明顯變化，且均滿足廣東省地方標準《水污染物排放限值》中總放射性排放濃度的要求（總α＜1.0 Bq/L，總β＜10 Bq/L）。這一結(jié)果說明此類礦物在用水重力選礦過程中放射性核素的可溶性差，事實上，此類礦的成因即決定了它的溶浸性能（在數(shù)百萬年水沖刷作用下，因密度差異而逐漸集聚，已與低密度硅砂分離）。

表3 工藝循環(huán)水的總α和總β水平Table 3 Total α and β levels of process circulating water

2.2 廢氣

項目產(chǎn)生的放射性廢氣主要包括電選和磁選車間微量的粉塵，以及礦物中鐳-226衰變產(chǎn)生的氡氣。電選和磁選車間的粉塵（礦塵）經(jīng)布袋除塵或在密閉空間進行，不外排，氡氣經(jīng)排風扇吹風稀釋或自然排放。生產(chǎn)車間和廠界粉塵濃度監(jiān)測結(jié)果見表4，烘干爐煙塵排放監(jiān)測結(jié)果見表5，工作場所和邊界氡濃度監(jiān)測結(jié)果見表6。

表4 生產(chǎn)車間、廠界粉塵濃度Table 4 Dust concentration in workshop and boundary

表5 烘干爐煙塵監(jiān)測結(jié)果Table 5 Dust monitoring results of drying furnace

表6 生產(chǎn)車間、廠界、周圍村莊空氣中氡濃度范圍Table 6 Concentration range of radon in the air of work?shop,factory boundary and surrounding villages

B 廠驗收期間門口正在施工改造，揚塵量較大，采樣點距施工點約5 m，廠界粉塵（TSP）量0.3 mg/m3；C廠南邊界外為磚廠，粉塵濃度較廠內(nèi)生產(chǎn)車間高。由粉塵濃度監(jiān)測結(jié)果可見，TSP 濃度滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095—2012）二級標準要求（＜0.3 mg/m3）。

從表4、表5 的結(jié)果來看，生產(chǎn)車間和廠界的TSP濃度較低，烘干爐中煙塵的顆粒物濃度較高，主要與使用的燃料有關，礦物的比重較大，煙塵中含有放射性礦物的比例可能很少，但相關單位仍應按照《伴生放射性礦開發(fā)利用環(huán)境輻射監(jiān)測和信息公開辦法》對烘干爐窯的煙塵中放射性水平進行監(jiān)測。

由于氡和氡子體被包裹在礦砂中，釋放速率慢，而倉庫的空間大，通風效果好，故工作場所中氡濃度較低，所有測點空氣中氡濃度均小于50 Bq/m3，滿足《電離輻射防護及輻射源安全基本要求》（GB 18871—2002）和《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制標準》（GB 50325—2020）的控制要求。

2.3 放射性固體廢物

鋯鈦礦選礦廠的固體廢棄物為尾砂，其放射性水平較低（見表2），放射性核素經(jīng)過各種選礦工序后都進入了產(chǎn)品或副產(chǎn)品中。尾沙中的放射性水平與廣東省土壤一致，甚至略低，遠低于清潔解控水平，因此，鋯鈦礦選礦廠沒有放射性固體廢物產(chǎn)生。

2.4 廠區(qū)及周圍環(huán)境輻射水平

各選礦廠廠區(qū)及周圍環(huán)境的γ劑量率監(jiān)測結(jié)果見表7。

由表7 可見，雖然4 家生產(chǎn)企業(yè)的原礦來源不同，規(guī)模不一，但各車間的放射性水平基本相當，普遍高于周圍村莊，辦公室和廠內(nèi)宿舍等非生產(chǎn)區(qū)域的γ劑量率與廠外周圍村莊原野處于同一水平，周圍村莊等居民點的與當?shù)乇镜姿揭恢拢?0］。

從表7 的檢查結(jié)果來看，原料庫堆場和產(chǎn)品庫的γ 劑量率很高，特別是獨居石倉庫的γ 劑量率高達100 μGy/h；，電磁選車間γ劑量率較高，有的達到了μGy/h量級，由此推斷，應該是物料在車間有灑落。搖床水選車間的γ 劑量率較小，主要原因是礦石隨搖床振動而被水推動，分散量小、單位面積礦量少且被水屏蔽。辦公室和場內(nèi)宿舍的γ劑量率很低，與外環(huán)境的本底值基本一致，說明未受到污染。部分單位的廠界γ 劑量率偏高，原因應該是物料運輸或堆放管理不善，廠界受到一定污染。

表7 鋯鈦礦重選廠及周圍環(huán)境γ劑量率監(jiān)測結(jié)果Table 7 Monitoring results of gamma dose rate in zircon titanium gravity concentration plant and surrounding environment

2.5 獨居石的輻射安全管理

由于獨居石的放射性水平較高，所以，鋯鈦礦選礦廠應加強對獨居石的輻射安全管理，本文建議：建庫暫存，并保持良好的通風，獨居石暫存庫一般設置在人員活動少的區(qū)域；建立獨居石出入庫臺賬，記錄銷售去向；由于獨居石的外照射水平很高，所以氡濃度引起的內(nèi)照射也不應被忽視，應加強對獨居石副產(chǎn)品包裝崗位和出入獨居石倉庫工作人員的輻射防護管理，相關工作人員應接受省生態(tài)環(huán)境部門授權(quán)的培訓機構(gòu)考核并取得輻射工作人員上崗證。一般情況下，輻射工作人員每年近距離接觸獨居石的時間為數(shù)十小時，工作期間佩戴個人劑量計并定期送檢，個人劑量計單次（約90 d）監(jiān)測最大值均小于0.5 mSv，2015—2018年4家選礦廠輻射工作人員年受照劑量最大值為1.5 mSv。

3 溶浸試驗

盡管幾家選礦廠工藝循環(huán)水監(jiān)測的總放射性水平不高，使用前后總放射性水平變化不大，均符合排放標準，但本文為了驗證工藝循環(huán)水監(jiān)測結(jié)果的可靠性，選取放射性水平較高的鋯英砂和獨居石進行浸泡試驗，以確定鋯鈦礦重選工程可能出現(xiàn)的環(huán)境風險概率。試驗按照一般使用條件和極端酸性（酸雨）條件進行［11］。

試驗選用B 廠的井水作為試驗用水，測量其總α和總β值，再將水樣一分為二，一份直接浸泡礦樣，一份使用HNO3和H2SO4模擬酸雨（調(diào)成pH=2.5，以下稱酸化水）做浸泡試驗，試驗過程如下：

將約300 g 獨居石和鋯英砂分別置于1 L 燒杯中，分別加入試驗用水和酸化水各500 ml，攪拌，每隔約24 h再次攪拌，直至第30日，將水與礦砂分離，對分離后的水樣按照文獻［8］測量其總放射性水平，分析結(jié)果見表8。

表8 浸泡礦砂前后水樣的總α和總β水平Table 8 The total α and β levels of water samples before and after mineral sand soaking

試驗結(jié)果表明：未經(jīng)酸化的選礦水樣浸泡礦石前后其總α 和總β 基本沒變化，而使用酸化水浸泡后水樣的總α 和總β 均有升高，特別是浸泡獨居石后的酸化水，明顯有放射性核素溶出，總α超過廣東省地方標準《水污染物排放限值》（DB44/T26—2001）規(guī)定的排放限值。

因此正常的工藝循環(huán)水放射性指標滿足排放要求，但若用酸性水選礦，重復利用過程中將有放射性核素溶出。

4 結(jié)論與建議

鋯鈦礦伴生有較高水平的放射性物質(zhì)，選礦過程中的工藝廢水中放射性水平較低，尾礦沙的放射性水平很低，與土壤中的放射性水平基本一致。原礦中的放射性物質(zhì)在選礦過程中進入到了鋯英砂、鈦鐵礦、金紅石和獨居石等產(chǎn)品或副產(chǎn)品中，特別是獨居石的放射性水平較高。廠區(qū)辦公區(qū)域和廠內(nèi)宿舍的γ劑量率和廠區(qū)外環(huán)境的γ劑量率與本底基本一致，未受到明顯污染。重選車間和電磁選車間的γ劑量率偏高，氡濃度也明顯高于環(huán)境中氡的濃度，應加強車間物料管理和通風。原礦堆放場和獨居石倉庫的γ劑量率很高，特別是獨居石暫存庫，γ 劑量率接近100 μGy/h，應加強對相關工作人員的輻射防護。

從對4家鋯鈦礦選礦廠的物料、工作場所、流出物和外環(huán)境的放射性監(jiān)測結(jié)果來看，正常情況下對環(huán)境的輻射影響不大。但由于大部分物料的放射性水平較高，在部分廠區(qū)和廠界已經(jīng)受到了一定放射性污染。因此，要加強對相關物料的管理，原礦不能露天堆放，以防止產(chǎn)生揚塵，污染廠區(qū)。選礦廠應加強對各類產(chǎn)品和副產(chǎn)品的管理，建立臺賬，暫存庫的要求應該滿足《伴生放射性物料貯存及固體廢物填埋輻射環(huán)境保護技術規(guī)范》(HJ 1114)的要求。應加強對工作人員的輻射防護管理，特別是對近距離接觸放射性水平較高物料的工作人員，應建立職業(yè)照射檔案。