鋁土礦開發(fā)利用放射性特征分析

貝新宇，張保增

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

伴生放射性礦在開采、 冶煉、 加工和利用過程中， 天然放射性核素被遷移、 濃集和擴(kuò)散， 將對工作人員和環(huán)境造成一定程度的影響［1-2］。在鋁工業(yè)生產(chǎn)中，世界各地原料鋁土礦中鈾系放射性核素活度濃度可達(dá)10～9 000 Bq·kg-1、 釷系可達(dá)35～1 400 Bq·kg-1、40K 活度濃 度 可 達(dá)10 ～600 Bq·kg-1［3］；澳 大 利亞鋁土礦中238U 活度濃度為60～300 Bq·kg-1、232Th 活度濃度為40～800 Bq·kg-1［4］。但我國當(dāng)前對鋁土礦開發(fā)利用過程放射性影響研究較少。

目前世界上95%的鋁業(yè)公司都在使用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁［5］，該方法在行業(yè)內(nèi)具有代表性。 因此， 針對我國采用拜耳法生產(chǎn)的某鋁土礦開發(fā)利用企業(yè)開展研究。 通過現(xiàn)場踏勘和放射性水平調(diào)查， 揭示采礦工程、 選礦工程、 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性特征， 明確影響程度， 提出對工作人員及環(huán)境的輻射防護(hù)建議， 可為同類項(xiàng)目實(shí)施過程保障人員健康和環(huán)境安全提供重要借鑒。

1 項(xiàng)目依據(jù)

現(xiàn)階段我國尚未頒布專門針對鋁土礦開發(fā)利用輻射防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)， 在全面梳理現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上， 選取如下標(biāo)準(zhǔn)作為評估的參考依據(jù)： 《有色金屬礦產(chǎn)品的天然放射性限值》（GB 20664—2006）［6］、《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價(jià)要求》（EJ/T 977—95）［7］、《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）［8］。

主要標(biāo)準(zhǔn)限值見表1。

2 源項(xiàng)分析

該鋁土礦開發(fā)利用企業(yè)生產(chǎn)工藝包括采礦工程、 選礦工程、 氧化鋁生產(chǎn)等。 為揭示放射性影響特征， 首先針對這些環(huán)節(jié)的放射性源項(xiàng)開展分析。

2.1 采礦工程

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)、 礦體賦存條件等特征， 該企業(yè)的鋁土礦采用露天機(jī)械開采、 公路-汽車（鏟運(yùn)機(jī)）開拓運(yùn)輸。對工作人員的放射性影響主要為氡氣（222Rn）、釷射氣（220Rn）吸入產(chǎn)生的內(nèi)照射和γ 外照射。 此外， 原礦在采區(qū)與洗礦廠之間運(yùn)輸過程如發(fā)生灑落等現(xiàn)象，可能對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

2.2 選礦工程

鋁土礦選礦采用先洗后破， 二洗一手選（泥團(tuán)）、 三洗一手選洗礦和三段一閉路的破碎工藝流程。 選礦工程與輻射相關(guān)的工藝環(huán)節(jié)主要為精礦堆存和排泥庫。 精礦和黃泥釋放氡氣（222Rn）、釷射氣（220Rn），并對工作人員產(chǎn)生γ 外照射； 選礦廠底流送入排泥庫沉淀澄清后，澄清水可能存在放射性異常。

2.3 氧化鋁生產(chǎn)

氧化鋁生產(chǎn)采用拜耳法。 首先在高溫高壓條件下以NaOH 溶液溶出鋁土礦， 使其中的氧化鋁水合物反應(yīng)得到鋁酸鈉溶液， 鐵、硅等雜質(zhì)進(jìn)入赤泥； 向徹底經(jīng)過分離赤泥后的鋁酸鈉溶液添加藥劑， 在不斷攪拌和逐漸降溫的條件下進(jìn)行分解， 析出氫氧化鋁， 并得到含大量氫氧化鈉的母液； 母液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后再返回用于溶出新一批鋁土礦； 氫氧化鋁經(jīng)焙燒脫水后得到產(chǎn)品氧化鋁［9］。

與輻射相關(guān)的工藝環(huán)節(jié)主要為均化庫、磨礦車間、 赤泥堆場和生產(chǎn)廢水。 均化庫、磨礦車間礦石粉塵及赤泥釋放氡氣（222Rn）、釷射氣（220Rn），并會對工作人員產(chǎn)生γ 外照射；赤泥沉降水、生產(chǎn)廢水可能存在放射性異常。

3 放射性調(diào)查

伴生放射性鋁土礦都或多或少含有天然放射性物質(zhì)， 因此根據(jù)各工藝流程源項(xiàng)分析及潛在影響，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性調(diào)查內(nèi)容為γ輻射劑量率、222Rn/220Rn 濃度、 物料中放射性核素活度濃度。

3.1 γ 輻射劑量率

對該鋁土礦開發(fā)利用企業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)完成了百余個(gè)γ 輻射劑量率測量， 包括采礦工程露天采場的原礦和表土、 選礦工程選礦廠精礦和排泥庫黃泥、 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)均化庫精礦、赤泥堆場赤泥等，測量結(jié)果見表2。

其中采礦工程分為3 個(gè)期次， 分別為一期工程、 二期工程、 三期工程， 為便于期次內(nèi)縱向比較和期次間橫向比較， 測量了各期次原礦、 表土的γ 輻射劑量率。 針對3 個(gè)期次的采礦工程， 設(shè)置三期選礦工程。 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)則根據(jù)工藝流程和實(shí)際生產(chǎn)布置，以主要車間為對象進(jìn)行測量。

采礦工程各期次間原礦γ 輻射劑量率基本處于同一水平； 表土略低于原礦， 在本底漲落范圍內(nèi)。 原礦γ 輻射劑量率高于當(dāng)?shù)乇镜字担?最高值分別約為本底高值的2.3、2.2和2.3 倍。

選礦工程各期次精礦γ 輻射劑量率總體處于同一水平， 高于當(dāng)?shù)乇镜字担?最高值分別為本底高值的1.9、1.8 和2.3 倍。排泥庫γ輻射劑量率低于選礦廠存礦點(diǎn)， 總體在本底漲落范圍內(nèi)。

氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均化庫、 赤泥堆場γ輻射劑量率高于當(dāng)?shù)乇镜字担?最高值分別為本底高值的1.8、2.9 倍。 磨礦車間、 產(chǎn)品過濾車間等工藝環(huán)節(jié)γ 輻射劑量率在本底漲落范圍內(nèi)。

主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)原礦及精礦γ 輻射劑量率雖然高于當(dāng)?shù)乇镜字担?但大部分測值低于《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價(jià)要求》（EJ/T 977—95）。

3.2 222Rn、 220Rn 濃度

針對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)， 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況及測量可達(dá)性條件， 在進(jìn)行γ 輻射劑量率測量的同時(shí)， 完成數(shù)十個(gè)222Rn、220Rn 濃度測量，結(jié)果見表3。

表2 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)γ 輻射劑量率測量結(jié)果Table 2 Measured results of gamma radiation dose rate in main production area

表3 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)222Rn、 220Rn 濃度測量結(jié)果Table 3 Measured results of 222Rn， 220Rn concentration of main production areas

選礦廠222Rn 濃度為5.72～11.4 Bq·m-3，220Rn濃度為11.4～91.5 Bq·m-3，220Rn 濃度最高約為222Rn 的16 倍。 排泥庫222Rn 濃度為17.2～22.9 Bq·m-3，220Rn 濃度為34.3～126 Bq·m-3，220Rn 濃度最高約為222Rn 的7 倍。選礦工藝主要環(huán)節(jié)220Rn 濃度高于222Rn。

氧化鋁生產(chǎn)各工藝環(huán)節(jié)222Rn 濃度為5.72 ～45.8 Bq·m-3，220Rn 濃 度 為22.9 ～160 Bq·m-3，220Rn 濃度最高約為222Rn 的10 倍。均化庫222Rn、220Rn 濃度水平相對較高， 其次為赤泥堆場； 產(chǎn)品過濾車間、 赤泥過濾車間通風(fēng)條件較好，測值水平相對較低。

3.3 物料核素含量

對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主要物料進(jìn)行取樣、 分析測試： 包括采礦工程各期次原礦， 選礦工程存礦點(diǎn)精礦、 排泥庫黃泥， 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)均化庫精礦、赤泥、鐵精礦、廢水（赤泥沉降水、工業(yè)廢水處理站處理后廢水），共百余個(gè)樣品。各物料放射性核素含量見表4。

采礦工程： 原礦中238U、232Th 和226Ra 活度濃度總體高于當(dāng)?shù)乇镜字担?0K 活度濃度在本底漲落范圍內(nèi)。表土中238U、232Th、226Ra 活度濃度低于原礦。

選礦工程： 精礦中238U、232Th 和226Ra 活度濃度高于當(dāng)?shù)乇镜字担?0K 活度濃度總體在本 底 漲 落 范 圍 內(nèi)。238U、232Th、226Ra、40K、210Pb 和210Po 活度濃度低于《有色金屬礦產(chǎn)品的天然放射性限值》（GB 20664—2006）。 黃泥樣品中238U、232Th、226Ra 活度濃度總體低于精礦，但部分測點(diǎn)高于當(dāng)?shù)乇镜字怠?/p>

氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)：均化庫精礦238U、232Th和226Ra 活度濃度高于當(dāng)?shù)乇镜字?。Al（OH）3、Al2O3、 鐵精礦等礦產(chǎn)品中， 鐵精礦放射性水平較高，但低于《有色金屬礦產(chǎn)品的天然放射性 限 值》（GB 20664—2006）。 赤 泥 中238U、232Th 和226Ra 活度濃度水平總體高于均化庫精礦， 亦高于當(dāng)?shù)乇镜字怠?赤泥沉降水放射性水平相對較高，210Po、210Pb 活度濃度分別為2.05、3.32 Bq·L-1。

表4 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)物料核素分析測試結(jié)果Table 4 Nuclide analysis results of main production areas

4 放射性特征

根據(jù)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性調(diào)查結(jié)果， 總結(jié)采礦工程、 選礦工程、 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性特征， 提出全流程放射性指數(shù)概念，以便于對各環(huán)節(jié)放射性水平進(jìn)行歸一化比較。

4.1 采礦工程

原礦γ 輻射劑量率高于本底值， 表土γ輻射劑量率水平低于原礦。參考《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價(jià)要求》（EJ/T 977—95）， 鈾礦地質(zhì)勘探設(shè)施退役后γ 輻射劑量率扣除本底應(yīng)不超過17.4×10-8Gy·h-1，原礦γ 輻射劑量率雖然高于本底值，但大部分測值低于《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價(jià)要求》（EJ/T 977—95）。

原礦中238U、232Th、226Ra 活度濃度總體高于本底值， 但在前文提到的世界各地原料鋁土礦核素活度濃度［3］范圍內(nèi)。原礦中238U 活度濃度基本與澳大利亞鋁土礦［4］處于同一水平、232Th 活度濃度低于澳大利亞鋁土礦。

表土中238U、232Th、226Ra 活度濃度水平低于原礦。

4.2 選礦工程

選礦廠精礦γ 輻射劑量率總體處于同一水平，高于本底值，但大部分測值低于《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價(jià)要求》（EJ/T 977—95）。排泥庫黃泥的γ 輻射劑量率水平低于選礦廠精礦， 在本底漲落范圍內(nèi)。 選礦工藝主要環(huán)節(jié)220Rn 濃度高于222Rn 濃度。

選礦廠精礦中238U、232Th、226Ra 活度濃度總體高于本底值。黃泥中238U、232Th、226Ra 活度濃度低于選礦廠精礦， 部分測點(diǎn)高于本底值。

4.3 氧化鋁生產(chǎn)

赤泥堆場γ 輻射劑量率水平最高、 其次為均化庫精礦， 均高于本底值； 磨礦車間、產(chǎn)品過濾車間等工藝環(huán)節(jié)γ 輻射劑量率在本底漲落范圍內(nèi)。除赤泥外，氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)γ輻射劑量測值低于《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價(jià)要求》（EJ/T 977—95）。

均化庫222Rn、220Rn 濃度相對較高， 其次為赤泥堆場。 氧化鋁生產(chǎn)主要工藝環(huán)節(jié)220Rn濃度高于222Rn 濃度。

均化庫精礦、赤泥中238U、232Th、226Ra 活度濃度水平總體高于本底值； 鐵精礦238U、232Th、226Ra、40K、210Pb、210Po 活 度 濃 度 低 于《有色金屬礦產(chǎn)品的天然放射性限值》（GB 20664—2006）。

赤泥沉降水放射性水平相對較高； 處理后廢水中238U、總α 濃度偏高。

4.4 全流程放射性指數(shù)

根據(jù)放射性特征分析， 為便于綜合比較各生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性影響程度， 確定優(yōu)先關(guān)注點(diǎn)， 將生產(chǎn)全流程放射性水平進(jìn)行歸一化處理。提出放射性指數(shù)（I）概念，以放射性指數(shù)大小表征放射性影響關(guān)注度。

式中：I—放射性指數(shù)；C—特定核素活度濃度平均值，Bq·kg-1；a—測值中超本底數(shù)值比例，%； b—測值中異常數(shù)值比例，%； n1、n2—各自權(quán)重。

根據(jù)上述公式計(jì)算各238U、232Th、226Ra 及各工藝環(huán)節(jié)放射性指數(shù) （表5）。 各核素在各工藝環(huán)節(jié)的含量， 超出本底部分權(quán)重按30%計(jì)、異常部分權(quán)重按70%計(jì)。放射性核素按影響重要程度排序?yàn)?26Ra、238U、232Th， 需首要關(guān)注環(huán)節(jié)為赤泥堆場， 其次為選礦廠、 鐵精礦車間、均化庫。

5 鋁土礦開發(fā)利用中的輻射防護(hù)

針對工藝流程特點(diǎn)及主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性特征， 鋁土礦開發(fā)利用應(yīng)從如下方面進(jìn)行一般性的有效輻射防護(hù)。

5.1 工作人員防護(hù)措施

工作人員避免在工作場所進(jìn)餐， 注意保護(hù)皮膚的清潔完整。 選礦、 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)工作人員應(yīng)穿戴防護(hù)用品（如穿工作服，戴手套、口罩等）并經(jīng)常清洗，防護(hù)用品不帶回生活區(qū)。加強(qiáng)均化庫通風(fēng)。

表5 放射性核素含量及工藝環(huán)節(jié)放射性指數(shù)分布Table 5 Radioactive nuclide quantity and radioactive index distribution of main production areas

5.2 礦石等運(yùn)輸防護(hù)措施

原礦、 礦石和廢渣（赤泥等）在運(yùn)輸過程中應(yīng)有防撒漏、 防揚(yáng)塵的措施， 在運(yùn)輸起點(diǎn)和終點(diǎn)之間， 不進(jìn)行裝卸作業(yè)， 不允許搭載其他無關(guān)人員。 對于運(yùn)輸設(shè)施（槽車等）應(yīng)嚴(yán)加管理和維護(hù)，杜絕交通事故的發(fā)生。

5.3 廢水處理措施

赤泥沉降水和處理后廢水放射性指標(biāo)相對偏高， 后續(xù)生產(chǎn)中需定期監(jiān)測， 并確保廢水全部回用，不外排。

5.4 廢渣污染防治措施

赤泥防護(hù)是重點(diǎn)和難點(diǎn)， 密切跟蹤關(guān)于赤泥的審管要求并確保赤泥壩穩(wěn)定性。 后續(xù)開展進(jìn)一步深入研究確定赤泥、 廢水處理沉渣等廢渣的放射性篩選水平。

6 結(jié)論

通過對鋁土礦開發(fā)利用過程中采礦、 選礦、 氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)放射性水平綜合測量及全面分析可知， 上述環(huán)節(jié)個(gè)別部位有放射性水平較高的特征， 但總體低于所選擇的參考標(biāo)準(zhǔn)。 同時(shí)通過分析篩選出開發(fā)利用過程可能存在潛在放射性異常及需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

1）各環(huán)節(jié)物料中，赤泥放射性水平相對較高。 后續(xù)生產(chǎn)過程中需加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測及進(jìn)一步評估。

2）個(gè)別黃泥樣品活度濃度偏高，選礦廠濃縮池底流送入排泥庫沉淀澄清后， 應(yīng)考慮增設(shè)澄清水放射性處理工序并定期檢測。

3）生產(chǎn)過程中針對氧化鋁生產(chǎn)環(huán)節(jié)的廢水處理沉渣加強(qiáng)監(jiān)測，妥善處理。