礦產資源開發利用放射性固體廢物數據庫管理系統

張琪，曹曉舟,2，薛向欣,2

(1.東北大學冶金學院，沈陽， 110819；2.遼寧省硼資源綜合開發利用工程研究中心，沈陽， 110819)

隨著我國經濟的快速發展，礦產資源開發利用行業迅速發展，產生了大量的廢棄物，由于一些礦產資源如鋯、鐵、獨居石、鎢、鈹常與放射性核素伴生，故開發利用過程中產生的廢物中含有放射性核素。當其中的放射性核素含量超過國家規定限值則為放射性固體廢物，其會以外照射方式或者通過其他途徑進入人體而危害公眾健康。研究表明，礦產資源共生放射性核素有232Th、226Ra、238U、222Rn 及其子體220Rn 以及220Rn的子體等[1-2]。隨著礦物原料的加工，放射性核素會在不同的原料、中間產品、最終產品和廢棄物中分離和富集。礦物加工過程中產生的放射性廢物具有比活度小、產量多、影響大、分布廣等特征，會使環境中放射性水平提高，繼而危害人體健康，亟需處置[3-4]。

針對放射性廢棄物的管理問題，國內外已開發出一些相關的管理系統，如國際原子能機構(International Atomic Energy Agency；IAEA)基于世界100多個國家的放射性廢物管理相關信息開發出一套放射性廢物管理數據庫，提供了全球放射性固廢管理信息共享平臺[5];大亞灣核電廠、西北龍處置場、中國原子能科學研究院開發并應用了計算機固體廢物管理系統[6-8]；毛鑫[9]、王昆鵬[10]、于晨[11]等人設計開發了用于檢測與控制放射性污染的計算機軟件系統；潘躍龍[12]、蒲超[13]等人開發了管理核電廠放射性廢物的系統，實現核電廠產品容器的標準化、信息化和智能化管理。

但這些系統，僅僅是針對廢物的暫存、處置，未與放射性固體廢物中有值元素的綜合利用和回收處置有效的結合，且大多只是針對于核電廠產生的放射性廢物，并無針對于礦產資源開發利用過程中產生的放射性固廢的管理系統[14]。對礦產資源開發利用過程中產生的放射性固體廢物缺乏完善的監管體系，沒有配套的管理系統，不能夠從基本理論、技術和管理等方面根本上解決放射性環境的生態安全問題。

因此，本論文開發了一種基于礦產資源開發利用過程中產生的放射性固廢的數據庫管理系統。該放射性固廢管理系統能夠生成標識批次號，對放射性固廢產生、回收、處置各過程節點進行跟蹤管理，實現放射性廢物中的有價值物質有效回收利用和剩余廢物的妥善處置，達到放射性廢物回收利用過程透明化、細節化。

1 放射性固體廢物數據庫管理系統設計思路

1.1 放射性固體廢物管理流程

礦產資源放射性固體廢棄物管理流程示于圖1。礦產經過采選冶等過程產生放射性固廢，一部分通過用萃取、離子交換等方法被回收作為原料重新利用；另一部分不能被回收的作為廢棄物處置[15-16]。

圖1 礦產資源放射性固體廢棄物管理流程

1.2 放射性固體廢物數據庫管理系統需求分析

礦石在開采、精選、冶煉、加工過程產生的放射性固廢從產生到最終處置包括產生、回收、處置等諸多環節，這些環節通常由不同的部門或單位負責。各部門對負責的相關工作進行信息記錄和管理時存在對放射性固體廢物的處置過程信息溝通不暢和大量重復工作等問題，帶來安全隱患的同時降低了放射性固體廢物的處置效率。為了解決和改善這類問題，我們重點開展礦產資源產生的放射性固廢的數據庫管理系統，協助企業實現放射性固廢資源化、減量化、安全穩定無害化處置。

1.3 放射性固體廢物數據塊模塊設計

針對于典型金屬礦物如鋯、獨居石、鎢、鈹等在生產加工過程中產生的具有一定放射性和毒性、需要特殊處置的固廢，我們依據其來源、生產工藝、目前所在區域、廠址、儲存量、儲存狀況、放射性、毒性等信息分類，在處置/回收過程中，建立中間產品從來源到處置的特征數據庫及相應的工藝節點，建立放射性固廢綜合利用數據庫、回收處置過程的回收處置數據庫，形成大型固體廢物管理和綜合利用數據庫，建立智能數據服務系統和管理系統。放射性固體廢物數據庫管理系統開發邏輯圖示于圖2，首先搭建放射性固廢數據庫，再導入數據優化，最后形成一個數據庫智能化管理系統，可協助改善我國的放射性固體廢物輻射狀況和環境污染狀況。

圖2 放射性固體廢物數據庫管理系統設計開發邏輯圖

2 放射性固體廢物數據庫管理系統設計與實現

2.1 軟件架構圖

放射性固體廢物數據庫管理系統包含7個模塊：用戶權限管理模塊、相關法律法規模塊、放射性固廢來源礦產管理模塊、放射性固廢管理模塊、放射性固廢和中間產物特性模塊、放射性固廢回收模塊、放射性固廢處置模塊。我們對該7個模塊進行構建，形成放射性固廢數據庫管理系統架構，使該7個模塊達到跟蹤放射性固廢流向信息的目的，并幫助實現放射性固體廢物的有效利用和妥善處理。放射性固體廢物數據庫管理系統軟件架構圖和每個模塊包含的信息示于圖3，工廠操作人員錄入放射性固廢礦批次源項、放射性固廢信息及其物理化學特性、放射性固廢回收和處置信息，數據庫管理系統用戶可以根據標識批次號對放射性固體廢物進行流向跟蹤和處理全過程查詢。

圖3 軟件架構圖

將上述7個模塊與放射性核素數據庫、來源礦產數據庫、廠址信息數據庫、放射性固廢數據庫、放射性固廢和中間產物特征屬性數據庫、回收-處理工藝數據庫連接，形成放射性固廢管理及綜合利用大數據庫，建立多層次、可管理、異構的數據體系并構建網絡化、智能化的管理系統。具體連接方式為放射性固廢來源礦產管理模塊與放射性核素數據庫、來源礦產數據庫連接；放射性固廢管理模塊與廠址信息數據庫、放射性固廢數據庫連接；放射性固廢和中間產物特性模塊與放射性固廢和中間產物特征屬性數據庫連接；放射性固廢回收模塊和處置模塊與回收處理數據庫連接。建立數據庫集成，形成放射性固廢管理及綜合利用大數據庫。放射性固廢管理及綜合利用大數據庫的原理示于圖4。

圖4 放射性固廢管理及綜合利用大數據庫關系圖

2.2 系統核心功能模塊之間的邏輯關系

圖3中放射性固體廢物數據庫管理系統中7個模塊的邏輯關系如下：

(1)用戶權限管理模塊主要功能是分配用戶權限。針對不同人員設置不同權限，各類用戶通過用戶權限管理模塊登錄后，發布固體廢物的流向信息，加快固體廢物的循環處理，避免固體廢物造成的環境污染和資源浪費問題。不同角色的用戶共同參與放射性固廢管理。

(2)相關法律法規模塊能夠查詢到國家關于放射性固體廢物的防治、管理、分類相關法規標準。

(3)放射性固廢來源礦產管理模塊、放射性固廢管理模塊、放射性固廢和中間產物特性模塊、放射性固廢回收模塊、放射性固廢處置模塊為依次遞進關系。放射性固廢來源礦產管理模塊和放射性固廢管理模塊通過礦批次號相連；放射性固廢管理模塊與放射性固廢和中間產物特性模塊、放射性固廢回收模塊、放射性固廢處置模塊通過放射性固廢批次號相連。該系統可實現對含放射性核素礦產資源開發利用過程中產生的放射性廢物以及放射性固廢回收、處置的信息的錄入、查詢、刪減和更改的操作，構建放射性固廢基本特性、物理化學特性、產生-回收-處置工藝路線、特征屬性、毒性平衡等多樣化數據庫表單。

該放射性管理系統根據標識批次號對放射性固體廢物進行流向跟蹤，且能夠根據標識批次號對固廢處理全過程進行查詢，達到了跟蹤放射性固廢流向信息的目的。

2.3 核心模塊的功能

七個模塊實現的功能：

(1)用戶權限管理模塊

不同角色的用戶對數據庫有不同的操作權限，操作權限通過賬號進行管理。用戶角色可分為數據庫管理系統管理人員、各生產車間操作人員和企業行政部門工作人員。數據庫管理系統管理人員有查詢各個廠址放射性固廢有關數據和文件管理的權限；車間操作人員具有增加、更改和刪除數據，下載文件的權限；企業行政部門工作人員有查詢數據和下載文件以及文件管理的權限。

(2)相關法律法規模塊

相關法律法規模塊能夠查詢到國家關于放射性固體廢物的防治、管理、分類規定和制度。通過該模塊可查詢《中華人民共和國放射性污染防治法》《放射性廢物安全管理條例》《放射性廢物管理規定》《放射性廢物分類》等多個管理條例文件。在客戶端，用戶輸入查詢信息后，查詢信息將發送至服務器，服務器查找與查詢信息匹配的放射性固廢危害、處理方式及相關法律法規等信息并展示在客戶端。

(3)放射性固廢來源礦產管理模塊

在放射性固廢來源礦產管理模塊，企業車間操作人員可使用放射性固廢來源礦產管理模塊錄入礦產批次源項基本信息：主要核素、比活度、產地、開采時間、各元素含量、物相組成、有毒有害元素含量等信息。在錄入礦產數據庫之后，礦產數據庫自動生成這批礦產的礦批次號，作為這批礦產的專屬編碼標識號，礦批次號可以用于追蹤屬于這批礦產的固廢信息。固廢和礦產批次以礦批次號相連，每一單礦產批次都可以生成一張帶有條形碼的源項表，便于車間進行管理。單號時間戳是指礦產數據庫錄入這批礦產的時間，由數據庫自動生成，不需要手動錄入。

(4)放射性固廢管理模塊

主要是針對典型的固廢，錄入其來源、生產工藝、物相組成、所在區域、生產廠址、儲存量、儲存狀況、放射性、毒性分類等信息，同時按照放射性廢物的比活度以及燃燒和壓縮特性對固體廢物進行分類：按照比活度大小將放射性廢物分為豁免廢物、極端壽命廢物、極低水平放射性廢物、低水平放射性廢物、中水平放射性廢物、高水平放射性廢物；為方便以后固廢的處理，將固體廢物分為可燃廢物、不可燃廢物、可壓縮廢物等。

在放射性固廢來源礦產模塊錄入礦產批次源項基本信息之后，操作人員可以通過放射性固廢管理模塊錄入該礦產產生的放射性固廢基本信息，錄入其產生地點、產生工藝、主要核素、核素比活度、毒性、物相組成、可燃性、壓縮性、重金屬含量、目前所在地、產生日期、機組號等數據；放射性固廢系統會自動生成單號時間戳；主要核素、核素比活度的數據連接到放射性固廢和中間產物特征屬性數據庫，在放射性固廢管理及綜合利用大數據庫中對放射性固廢進行比活度大小分類；產生地點的信息連接到廠址信息數據庫，可以根據廠址進行放射性固廢信息數據收集和管理，在廠址級別進行報告和跟蹤。

在點擊放射性固廢管理模塊界面的確定按鈕后，操作人員填寫的所有關于這批放射性固廢的數據都會被填進放射性固廢管理及綜合利用大數據庫，大數據庫會自動生成這批放射性固體廢物的批次號，作為這批固廢的專屬編碼標識號，可以用來追蹤該批固廢之后的回收利用全周期流程中產生的中間產物以及綜合回收和處置流程。每一批放射性固體廢物可生成條形碼，通過電腦現場掃碼，回收車間和處置車間可以用來追蹤該批固廢之后的回收利用全周期流程產生的中間產物，并追蹤放射性固廢的回收和處置流程。

(5)放射性固廢和中間產物特性模塊

在放射性固廢和中間產物特性模塊，除了礦產批次源項產生的放射性固廢信息，放射性廢物在各工藝環節中產生的中間產物的來源放射性固廢批次、主要核素、核素比活度、物相組成、毒性、物理化學特性、有毒有害信息，該部門操作人員都要錄入進放射性固廢數據庫和放射性固廢和中間產物特征屬性數據庫，并通過車間電腦掃描放射性固廢批次的條形碼將中間產物與放射性固廢批次號綁定。放射性固廢以及固廢處理/回收工藝過程中各節點中間產物實測的核素、輻射特性、毒性、物理化學特性、礦物特性等數據錄入數據庫后，系統對這些數據進行統計，可根據用戶不同的查詢生成相應文件。

(6)放射性固廢回收模塊

通過對放射性固廢物理化學特性以及組成成分進行分析，判斷其是否能夠通過相應的方法回收有值元素，將放射性固廢的剩余價值最大化，環境污染最小化，從而產生更高的經濟價值。

在放射性固廢回收模塊界面，回收部門操作人員將回收放射性固廢名稱、回收工藝、回收量、回收車間和回收日期信息錄入回收-處理數據庫，回收-處理數據庫系統自動生成回收批次號，并通過掃描放射性固廢批次的條形碼將放射性固廢回收批次號與放射性固廢批次號綁定，連接放射性固廢管理模塊與放射性固廢回收模塊。

(7)放射性固廢處置模塊

不能夠回收利用的放射性固廢和放射性固廢在回收利用的過程中產生的不能夠再回收利用的中間產物將進入處置環節被處置。通過收集、分類、濃縮、焚燒、壓縮、去污、固化、包裝、儲存和運輸等環節最終處置放射性固廢。

在放射性固廢處置模塊界面，處置部門操作人員將不能夠回收利用的放射性固廢和被回收利用后殘留的不可用的放射性固廢的處理工藝、處理方式、處理量、處理車間和處理日期信息錄入回收-處理數據庫，回收-處理數據庫系統自動生成處理批次號，并通過掃描放射性固廢批次的條形碼將處理批次號與放射性固廢批次號綁定，連接放射性固廢管理模塊與放射性固廢處置模塊。

根據圖3系統軟件架構圖的規劃，放射性固廢來源礦產管理模塊、放射性固廢管理模塊、放射性固廢和中間產物特性模塊、放射性固廢回收模塊、放射性固廢處置模塊間的內部邏輯關系分析如圖5所示。尾礦和礦渣等放射性固體廢物通過放射性固廢來源礦產管理模塊發布相關數據后，進入放射性固體廢物管理流程。礦批次號用于追蹤屬于這批礦產的固廢信息，固廢和礦產批次以礦批次號相連。放射性固廢管理模塊再進行相關操作后，進入回收模塊，經過回收的工藝流程后，進入處置環節。每一批放射性固體廢物也生成放射性固廢批次號和條形碼，通過電腦現場掃碼，回收車間和處置車間可以用來追蹤放射性固廢的回收和處置流程，并追蹤該批固廢之后的回收利用全周期流程產生的中間產物。

圖5 放射性固廢管理系統子模塊邏輯圖

3 管理系統實例

3.1 實現功能的方法

本系統采用MySQL Workbench創建數據庫，建立數據庫表單，以及進行復雜的MySQL數據遷移，界面交互采用Python的Tkinter庫創建GUI(圖形用戶界面)應用程序。放射性固體廢物數據庫管理系統的結構示意圖示于圖6，包括登陸系統模塊、判斷用戶角色模塊、界面交互模塊、數據處理模塊、數據管理模塊、退出系統模塊。首先輸入登陸賬號/密碼，通過用戶權限管理模塊進行角色判斷，進入系統交互界面界面，輸入數據，進行數據處理和數據管理模塊。界面交互模塊，用于接收用戶觸發指定區域的觸發指令，根據觸發指令展示對應的子界面，并基于子界面展示的信息，接收用戶選擇和/或輸入的數據；數據處理模塊，用于對接收的數據添加當前時間信息，根據接收的數據的內容確定該數據的標識，并生成索引，索引是由標識組成的，將索引和時間信息的數據存儲；數據管理模塊，用于接收用戶通過界面交互模塊輸入的查詢指令，并基于查詢指令與服務器交互，獲取查詢的信息并展示，查詢指令包括索引。

圖6 管理系統結構圖

3.2 管理系統示意圖

放射性固廢數據庫管理系統主界面示于圖7，包括五個區域：菜單區域、來源礦產信息展示區域、放射性固廢信息展示區域、快速查詢展示區域、放射性物體關聯知識查詢區域。該五個區域是由包括用戶權限管理模塊、相關法律法規模塊、放射性固廢來源礦產管理模塊、放射性固廢管理模塊、放射性固廢和中間產物特性模塊、放射性固廢回收模塊、放射性固廢處置模塊的七個模塊搭建而成。

圖7 界面交互示例

在放射性固廢數據庫管理系統界面交互中的五個區域主要包括的信息和實現的功能如下：

區域①為菜單區域，包括添加菜單區和查詢菜單區。添加菜單區展示的菜單包括：來源礦產欄、放射性固廢欄、產生廠址欄、工藝流程欄、中間產物欄、回收欄、處置欄。用戶依據子界面展示的信息選中或輸入礦產、固廢、廠址、工藝流程、中間產物、回收、處置基本信息數據，系統自動生成索引，索引為批次號、年份、月份、廠址、核素或其他可實現標識功能的數據。在實際生產中，服務器還可以在接收到攜帶索引和當前時間信息的數據信息后，依據該索引生成專屬批次條形碼。查詢菜單區展示的菜單包括：來源礦產欄、放射性固廢欄、產生廠址欄、工藝流程欄、中間產物欄、回收欄、處置欄。依據上述索引，當用戶在查詢菜單區輸入攜帶有索引的信息，該查詢界面依據索引生成相應的查詢指令，數據庫接收查詢指令，對于與索引信息具有相同或部分相同的索引信息的數據進行查找，查找成功后調出并展示在子界面中。

區域②為來源礦產信息展示區域，將用戶查詢或交互入數據庫的礦產信息展示出來，來源礦產信息展示區域展示包括：礦產源項批次號、礦產名稱、生產地點、產量、時間、主要核素、比活度。

區域③為放射性固廢信息展示區域，用于展示數據庫中的放射性固廢信息。放射性固廢信息展示區域包括：放射性固廢批次號、放射性固廢名稱、產生廠址、產生流程、重量、體積、放射性強度分類、核素、毒性。

區域④為快速查詢展示區域，快速查詢展示區域接收到用戶輸入的攜帶有索引的信息，生成查詢指令，并將查詢指令發送到服務器后展示出來。

區域⑤為放射性物體關聯知識查詢區域，用于接收用戶輸入的查詢信息，將查詢信息發送服務器，以使服務器查找與查詢信息匹配的放射性危害、處理方式及相關法律法規信息并在客戶端展示。

4 結論

該放射性固體廢物數據庫管理系統包含用戶權限管理模塊、相關法律法規模塊、放射性固廢來源礦產管理模塊、放射性固廢管理模塊、放射性固廢和中間產物特性模塊、放射性固廢回收模塊、放射性固廢處置模塊。七個模塊與放射性核素數據庫、來源礦產數據庫、廠址信息數據庫、放射性固廢數據庫、放射性固廢和中間產物特征屬性數據庫、回收-處理工藝數據庫連接，形成高度集成化的數據庫管理系統。該系統記錄的放射性固廢信息數據有助于提高放射性固體廢物處理的安全性，實現放射性廢物最小化管理與輻射防護優化設計。該系統不僅能將更多同類型資源相關數據導入，也能為其他資源的利用提供參考。本放射性固體廢物數據庫管理系統的開發，可以在一定權限范圍內服務社會，對改善我國的放射性固體廢物輻射狀況和環境污染狀況具有重要意義。