伴生矿开发利用对环境的放射性影响及污染防治措施
冯奕达 张保生
摘要：包头白云鄂博矿是典型的放射性伴生矿， 也是包头钢铁和稀土两大支柱产业的主要原料来源。在伴生矿的开采、冶炼、加工等工艺过程中，放射性核素被不同程度的富集和贫化，从而对环境造成放射性污染。本文通过大量监测数据和调研，从白云鄂博伴生矿的生产工艺出发，对生产区及尾矿坝地区进行放射性现状监测，得出伴生矿开发利用过程中对环境的放射性影响，探究放射性核素的迁移规律，并提出污染防治措施。
关键词：伴生矿；开发；放射性影响；污染防治
中图分类号：X591 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0076-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.046
Abstract： Baotou Baiyunebo mine is a typical radioactive associated mine and is the main source of raw materials for Baotou steel and rare earth. In the process of mining， smelting and processing of associated minerals， radionuclides are enriched and depleted in different degrees， thus causing radioactive pollution to the environment. In this paper， through a large number of monitoring data and research， starting from the production process of Baiyunebo associated minerals， the production and the present situation of tailings dam area for radioactive monitoring， draw associated ore in the process of development and utilization of the environmental impact of radioactive， explore the radionuclide migration patterns， and pollution prevention and control measures are put forward.
Key words：Associated ore；Development；Radioactive effects；Pollution prevention
伴生礦是含有较高天然放射性水平核素的非铀矿，白云鄂博伴生矿的开发利用除提取所需的矿用成分外，同时还将伴生的铀、钍、镭、钾等具有较高放射性水平的核素暴露到地面环境中，导致环境天然放射性物质浓度及其照射水平有所增高，从而造成包头市及黄河地区的环境受到放射性污染[1]。随着经济的快速发展，包头稀土已经成为举世瞩目的稀土工业基地，有着重要的战略地位，因此，探究伴生矿开发利用过程中的放射性环境影响，将会为国家对伴生矿的管理、环境污染防治对策提供基础资料和科学依据，进一步提高伴生矿的合理开发和利用。
1 调查内容和方法
1.1 调查内容
（1）按照伴生矿开发利用工艺流程[2]，采集白云矿矿石、铁精矿、稀土精矿、选矿尾矿、稀土冶炼渣、高炉渣、稀土产品等样品，进行天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的放射性比活度及总放射性水平分析，探究放射性核素在开发利用过程中迁移情况。主要工艺路线和污染物产生见图1。
（2）调查伴生矿开发利用过程中生产区和尾矿坝的辐射环境现状，重点调查因子：γ辐射空气吸收剂量率、空气气溶胶氡、钍子体α潜能值、水体、土壤放射性水平。
1.2 方法和仪器
（1）陆地瞬时γ辐射空气吸收剂量率：采用FH40G型多功能γ辐射测量仪进行测量。测点距附近高大建筑物的距离需大于30m，测量时仪器的有效中心离地面1m高。（2）气溶胶：气溶胶的采集是用气溶胶大流量采样器，瞬时流量一般调为1.05m3/min，滤膜用规格为Φ90mm的玻璃纤维滤膜，在检查确认无漏光现象后，将完好无损的滤膜编号、登记、称重，采样时间为7天。（3）水体样品：地下水选取生产区和尾矿坝附近居民点井水水源进行取样监测。废水按照生产工艺，选取不同阶段的生产废水。（4）固体样品：土壤的采集点为白云矿区和尾矿坝周围γ辐射空气吸收剂量率测线点最大值与本底值处，采取表层10cm土壤样品，每个样品采样量约1kg。矿石、原料、产品、废渣等固体采用多点混合方法进行采集。分析方法和仪器结合实际情况，按照国家和行业标准优化仪器使用和方法。具体见表1。
2 调查结果及分析
2.1 天然放射性转移分布规律
白云鄂博矿石经开采、破碎、选矿后，选出铁精矿与稀土精矿，尾矿排至包钢尾坝库堆存待开发利用，铁精矿用于生产人造矿供高炉炼铁，铁水供转炉炼钢，高炉渣排至高炉渣场堆存，稀土精矿用于生产稀土中间合金、氯化稀土及稀土深加工产品。对各样品的监测结果见表2。
监测结果显示，白云鄂博伴生矿在钢铁和稀土的选冶利用中，矿石中的放射性核素在物料、产品和“三废”（主要是废渣）中重新分布，通过核素的放射性比活度可知，总放射性水平主要由钍提供，且随选矿的完成主要分布在稀土精矿和尾矿，最终集中在稀土废渣和炼铁高炉渣中，少部分进入废水和粉尘中，稀土产品中238U、232Th、226Ra、40Ka比活度均低于测限值以下，说明稀土产品中几乎不含放射性核素。铁精矿中的钍较原矿有所贫化，铁精矿经烧结、球团、高炉炼铁后，最终富集于高炉渣中，极少量随高炉尘带走，生铁中已基本不含天然放射性钍。
2.2 生产区及尾矿坝地区环境放射性现状及影响分析
为了掌握白云鄂博伴生矿在开发利用过程中对环境的影响，对伴生矿加工生产区和尾矿坝周围进行了较全面的监测，监测结果如下。
2.2.1 环境γ辐射空气吸收剂量率监测结果分析
环境γ辐射空气吸收剂量率监测在白云鄂博矿区外围、金属深加工园区及尾矿坝周边共布设测线点155个，并重点对稀土厂内各车间进行了监测，监测结果未扣除宇宙射线影响值，监测结果表明，白云鄂博矿区外围的环境γ辐射空气吸收剂量率均值为108nGy/h，所测值均在《中国环境天然放射性水平》[3]包头市城区、郊区环境调查值（31.0～140.1nGy/h）范围内；由于生产原料和废渣的影响，加工园区与稀土厂各车间环境γ辐射水平明显偏高，均值在137.74～234.67nGy/h，最高值在临时堆渣场内过道，高达1323.0nGy/h，但污染范围较为集中；尾矿坝西侧至南侧污染较为严重，坝外环境γ辐射剂量率均值在105.7～500.2nGy/h，最高值为932.4nGy/h，是包头市区本底值（62nGy/h）的10倍，分析原因是坝内尾矿粉常年受风向影响随风飘散造成。
2.2.2 空气气溶胶氡、钍子体α潜能值监测结果分析
在白云鄂博城区、包头金属加工园区稀土厂门口、包钢尾矿坝周围布设空气气溶胶监测点10个，监测结果表明，尾矿坝附近测点的空气气溶胶氡、钍子体α潜能值较其他测点和包头市城区平均测值高，氡子体为17.5～28.7nJ/m3，钍子体为15.2～27.1nJ/m3，两种子体的α潜能值均在标准限值范围内（氡子体α潜能值32nJ/m3、钍子体α潜能值97nJ/m3）[4] 钍、氡子体比值为0.7～1.0，超包头市区钍、氡子体比值（0.5）0.4～1倍，由此可见，白云鄂博伴生矿的开发利用已经对环境造成一定放射性污染，放射性钍是包头市的特异性环境污染因子。
2.2.3 水体放射性水平监测结果分析
地表水共设监测点 7个，主要是加工生产区附近水源地和尾矿坝内及渗出水，监测结果表明，生产区附近水源地总α测值范围为0.13～0.45Bq/L、总β测值范围为0.15～0.27Bq/L，均在《生活饮用水卫生标准》[5]（GB5749-2006）限值内（总α限值0.5Bq/L，总β限值1.0Bq/L），238U、232Th、226Ra、40Ka含量均在《中国环境天然放射性水平》调查范围之内；尾矿坝内水质总α测值為1.25Bq/L，总β测值为0.67Bq/L，总α超《污水综合排放标准》[6]（GB8978-1996）限值（总β限值1.0Bq/L，总β限值10.0Bq/L）0.25倍；防渗沟渗出水与泄洪渠渗出水总α、总β放射性比活度均在《污水综合排放标准》（GB8978-1996）标准限值内。地下水监测点4个，监测结果表明，其中尾矿坝附近打拉亥上村1号井中地下水总α测值范围为（0.51～1.34Bq/L）略高于《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），不应作为饮用水水源，核素含量其余点位测值均在本底值范围内。
2.2.4 土壤放射性环境质量监测结果分析
在白云鄂博矿区外围和尾矿坝下风向围墙外共设14个土壤监测点，由监测结果可知，尾矿坝下风向围墙外土壤中238U、232Th、226Ra、40Ka含量与包头地区处于同一水平，均在本底值范围内；白云矿区北侧围栏外土壤中钍的放射性比活度范围为134.41～230.18Bq/kg，超包头地区一般环境土壤本底值（20.3～97.9Bq/kg）一倍，其他核素和总放射性水平与“十二五”期间平均值相比没有明显变化，属于正常波动范围内，均在包头地区一般环境土壤本底值范围值内。
3 结论
伴生矿开发利用过程中天然放射性主要由钍提供，其他核素对伴生矿的放射性影响极较小，通过伴生矿的开采、冶炼、加工等工艺环节，钍在稀土精矿、尾矿、稀土废渣和高炉渣中得到了不同程度的富集，铁精矿中的钍较原矿有所贫化，最终主要集中在稀土废渣和高炉渣中，少量进入废水和粉尘中，稀土产品中几乎不含钍。因此，必须对稀土生产遗留污染及时进行治理，对已关停稀土生产加工企业的放射性污染状况进行全面摸查，全面清理遗留的原料和废渣，对受到污染的设施和场地进行退役治理。伴生矿的开发利用已使包头和白云区局部辐射环境质量受到影响，主要体现在以下几个方面：包钢尾矿坝南侧、稀土精矿库和渣堆场周围的γ辐射空气吸收剂量率；白云鄂生产区和尾矿坝附近空气气溶胶氡、钍子体α潜能值；尾矿坝内水、周边地下水和白云生产区附近水源总放射性水平；白云生产区北侧土壤中钍含量。放射性污染防治的重点是生产过程中产生的固态和气态污染物，最大的污染源是尾矿坝。
4 防治措施及建议
白云矿开发利用的放射性污染归根结底是由于其中所含的钍引起的，从污染控制角度讲，最有效的方式是减少钍含量较高矿石的开采或将其中的钍作为资源回收利用。达到保护钍资源和减少放射性污染的目标。积极寻找解决白云鄂博铁矿区的水源途径，一旦水源得到解决，建议将选矿全部健在白云鄂博矿区，并将尾矿坝退役封存，退役后原地封存保护，上面覆盖土壤回复植被，做到一旦需要可有计划开发利用，打到消除污染，保护资源的目的。对尾矿坝西、南部污染区进行治理；对尾矿坝坝体安全性进行全面评价，确保不出现溃坝事故，保护坝体安全和稳定，对尾矿库渗漏水和地下水进行连续长期监测；建立尾矿坝周围环境的放射性及有害物监测制度，开展周围环境的监测。预防发生异常情况，采取有效对策，进一步完善事故环境风险应急预案，加强应急演练，防止污染事故的发生。稀土厂临时贮渣厂要设有防渗漏、防雨淋、防飞扬即三防措施，并设有电离辐射标志，建议建库贮存稀土企业放射性废渣，或存入包头放射性废物库内。 建议加强放射性污染防治监测，将采矿破碎等生产环节纳入辐射防护管理体系。建议将放射性污染防治监测作为一项日常性工作，并纳入考核体系。在包头市环保监管部门的主导下，制定系统的放射性污染防治监测计划并有效实施。
参考文献
[1]徐光宪，师昌绪.关于保护白云鄂博矿钍和稀土资源避免黄河和包头受放射性污染的紧急呼吁[J].中国科学院院刊，2005，20（06）：448-450.
[2]刘瑛霞.包钢结构调整总体发展规划本部实施项目放射性专项环境影响报告书[R].包头：2006.
[3]潘三铭.包头地区环境天然贯穿辐射水平调查研究[Z].国家环境保护局.中国环境放射性水平.北京，1995：8.
[4]核工业标准化研究所.GB18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].北京：中国标准出版社，2002.
[5]GB5749-2006， 生活饮用水卫生标准[S].
[6]GB8978-1996， 污水综合排放标准[S].
收稿日期：2018-04-16
作者简介：冯奕达（1993-），男，硕士，研究方向为伴生矿开发利用中放射性钍的环境影响。
摘要：包头白云鄂博矿是典型的放射性伴生矿， 也是包头钢铁和稀土两大支柱产业的主要原料来源。在伴生矿的开采、冶炼、加工等工艺过程中，放射性核素被不同程度的富集和贫化，从而对环境造成放射性污染。本文通过大量监测数据和调研，从白云鄂博伴生矿的生产工艺出发，对生产区及尾矿坝地区进行放射性现状监测，得出伴生矿开发利用过程中对环境的放射性影响，探究放射性核素的迁移规律，并提出污染防治措施。
关键词：伴生矿；开发；放射性影响；污染防治
中图分类号：X591 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0076-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.046
Abstract： Baotou Baiyunebo mine is a typical radioactive associated mine and is the main source of raw materials for Baotou steel and rare earth. In the process of mining， smelting and processing of associated minerals， radionuclides are enriched and depleted in different degrees， thus causing radioactive pollution to the environment. In this paper， through a large number of monitoring data and research， starting from the production process of Baiyunebo associated minerals， the production and the present situation of tailings dam area for radioactive monitoring， draw associated ore in the process of development and utilization of the environmental impact of radioactive， explore the radionuclide migration patterns， and pollution prevention and control measures are put forward.
Key words：Associated ore；Development；Radioactive effects；Pollution prevention
伴生礦是含有较高天然放射性水平核素的非铀矿，白云鄂博伴生矿的开发利用除提取所需的矿用成分外，同时还将伴生的铀、钍、镭、钾等具有较高放射性水平的核素暴露到地面环境中，导致环境天然放射性物质浓度及其照射水平有所增高，从而造成包头市及黄河地区的环境受到放射性污染[1]。随着经济的快速发展，包头稀土已经成为举世瞩目的稀土工业基地，有着重要的战略地位，因此，探究伴生矿开发利用过程中的放射性环境影响，将会为国家对伴生矿的管理、环境污染防治对策提供基础资料和科学依据，进一步提高伴生矿的合理开发和利用。
1 调查内容和方法
1.1 调查内容
（1）按照伴生矿开发利用工艺流程[2]，采集白云矿矿石、铁精矿、稀土精矿、选矿尾矿、稀土冶炼渣、高炉渣、稀土产品等样品，进行天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的放射性比活度及总放射性水平分析，探究放射性核素在开发利用过程中迁移情况。主要工艺路线和污染物产生见图1。
（2）调查伴生矿开发利用过程中生产区和尾矿坝的辐射环境现状，重点调查因子：γ辐射空气吸收剂量率、空气气溶胶氡、钍子体α潜能值、水体、土壤放射性水平。
1.2 方法和仪器
（1）陆地瞬时γ辐射空气吸收剂量率：采用FH40G型多功能γ辐射测量仪进行测量。测点距附近高大建筑物的距离需大于30m，测量时仪器的有效中心离地面1m高。（2）气溶胶：气溶胶的采集是用气溶胶大流量采样器，瞬时流量一般调为1.05m3/min，滤膜用规格为Φ90mm的玻璃纤维滤膜，在检查确认无漏光现象后，将完好无损的滤膜编号、登记、称重，采样时间为7天。（3）水体样品：地下水选取生产区和尾矿坝附近居民点井水水源进行取样监测。废水按照生产工艺，选取不同阶段的生产废水。（4）固体样品：土壤的采集点为白云矿区和尾矿坝周围γ辐射空气吸收剂量率测线点最大值与本底值处，采取表层10cm土壤样品，每个样品采样量约1kg。矿石、原料、产品、废渣等固体采用多点混合方法进行采集。分析方法和仪器结合实际情况，按照国家和行业标准优化仪器使用和方法。具体见表1。
2 调查结果及分析
2.1 天然放射性转移分布规律
白云鄂博矿石经开采、破碎、选矿后，选出铁精矿与稀土精矿，尾矿排至包钢尾坝库堆存待开发利用，铁精矿用于生产人造矿供高炉炼铁，铁水供转炉炼钢，高炉渣排至高炉渣场堆存，稀土精矿用于生产稀土中间合金、氯化稀土及稀土深加工产品。对各样品的监测结果见表2。
监测结果显示，白云鄂博伴生矿在钢铁和稀土的选冶利用中，矿石中的放射性核素在物料、产品和“三废”（主要是废渣）中重新分布，通过核素的放射性比活度可知，总放射性水平主要由钍提供，且随选矿的完成主要分布在稀土精矿和尾矿，最终集中在稀土废渣和炼铁高炉渣中，少部分进入废水和粉尘中，稀土产品中238U、232Th、226Ra、40Ka比活度均低于测限值以下，说明稀土产品中几乎不含放射性核素。铁精矿中的钍较原矿有所贫化，铁精矿经烧结、球团、高炉炼铁后，最终富集于高炉渣中，极少量随高炉尘带走，生铁中已基本不含天然放射性钍。
2.2 生产区及尾矿坝地区环境放射性现状及影响分析
为了掌握白云鄂博伴生矿在开发利用过程中对环境的影响，对伴生矿加工生产区和尾矿坝周围进行了较全面的监测，监测结果如下。
2.2.1 环境γ辐射空气吸收剂量率监测结果分析
环境γ辐射空气吸收剂量率监测在白云鄂博矿区外围、金属深加工园区及尾矿坝周边共布设测线点155个，并重点对稀土厂内各车间进行了监测，监测结果未扣除宇宙射线影响值，监测结果表明，白云鄂博矿区外围的环境γ辐射空气吸收剂量率均值为108nGy/h，所测值均在《中国环境天然放射性水平》[3]包头市城区、郊区环境调查值（31.0～140.1nGy/h）范围内；由于生产原料和废渣的影响，加工园区与稀土厂各车间环境γ辐射水平明显偏高，均值在137.74～234.67nGy/h，最高值在临时堆渣场内过道，高达1323.0nGy/h，但污染范围较为集中；尾矿坝西侧至南侧污染较为严重，坝外环境γ辐射剂量率均值在105.7～500.2nGy/h，最高值为932.4nGy/h，是包头市区本底值（62nGy/h）的10倍，分析原因是坝内尾矿粉常年受风向影响随风飘散造成。
2.2.2 空气气溶胶氡、钍子体α潜能值监测结果分析
在白云鄂博城区、包头金属加工园区稀土厂门口、包钢尾矿坝周围布设空气气溶胶监测点10个，监测结果表明，尾矿坝附近测点的空气气溶胶氡、钍子体α潜能值较其他测点和包头市城区平均测值高，氡子体为17.5～28.7nJ/m3，钍子体为15.2～27.1nJ/m3，两种子体的α潜能值均在标准限值范围内（氡子体α潜能值32nJ/m3、钍子体α潜能值97nJ/m3）[4] 钍、氡子体比值为0.7～1.0，超包头市区钍、氡子体比值（0.5）0.4～1倍，由此可见，白云鄂博伴生矿的开发利用已经对环境造成一定放射性污染，放射性钍是包头市的特异性环境污染因子。
2.2.3 水体放射性水平监测结果分析
地表水共设监测点 7个，主要是加工生产区附近水源地和尾矿坝内及渗出水，监测结果表明，生产区附近水源地总α测值范围为0.13～0.45Bq/L、总β测值范围为0.15～0.27Bq/L，均在《生活饮用水卫生标准》[5]（GB5749-2006）限值内（总α限值0.5Bq/L，总β限值1.0Bq/L），238U、232Th、226Ra、40Ka含量均在《中国环境天然放射性水平》调查范围之内；尾矿坝内水质总α测值為1.25Bq/L，总β测值为0.67Bq/L，总α超《污水综合排放标准》[6]（GB8978-1996）限值（总β限值1.0Bq/L，总β限值10.0Bq/L）0.25倍；防渗沟渗出水与泄洪渠渗出水总α、总β放射性比活度均在《污水综合排放标准》（GB8978-1996）标准限值内。地下水监测点4个，监测结果表明，其中尾矿坝附近打拉亥上村1号井中地下水总α测值范围为（0.51～1.34Bq/L）略高于《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），不应作为饮用水水源，核素含量其余点位测值均在本底值范围内。
2.2.4 土壤放射性环境质量监测结果分析
在白云鄂博矿区外围和尾矿坝下风向围墙外共设14个土壤监测点，由监测结果可知，尾矿坝下风向围墙外土壤中238U、232Th、226Ra、40Ka含量与包头地区处于同一水平，均在本底值范围内；白云矿区北侧围栏外土壤中钍的放射性比活度范围为134.41～230.18Bq/kg，超包头地区一般环境土壤本底值（20.3～97.9Bq/kg）一倍，其他核素和总放射性水平与“十二五”期间平均值相比没有明显变化，属于正常波动范围内，均在包头地区一般环境土壤本底值范围值内。
3 结论
伴生矿开发利用过程中天然放射性主要由钍提供，其他核素对伴生矿的放射性影响极较小，通过伴生矿的开采、冶炼、加工等工艺环节，钍在稀土精矿、尾矿、稀土废渣和高炉渣中得到了不同程度的富集，铁精矿中的钍较原矿有所贫化，最终主要集中在稀土废渣和高炉渣中，少量进入废水和粉尘中，稀土产品中几乎不含钍。因此，必须对稀土生产遗留污染及时进行治理，对已关停稀土生产加工企业的放射性污染状况进行全面摸查，全面清理遗留的原料和废渣，对受到污染的设施和场地进行退役治理。伴生矿的开发利用已使包头和白云区局部辐射环境质量受到影响，主要体现在以下几个方面：包钢尾矿坝南侧、稀土精矿库和渣堆场周围的γ辐射空气吸收剂量率；白云鄂生产区和尾矿坝附近空气气溶胶氡、钍子体α潜能值；尾矿坝内水、周边地下水和白云生产区附近水源总放射性水平；白云生产区北侧土壤中钍含量。放射性污染防治的重点是生产过程中产生的固态和气态污染物，最大的污染源是尾矿坝。
4 防治措施及建议
白云矿开发利用的放射性污染归根结底是由于其中所含的钍引起的，从污染控制角度讲，最有效的方式是减少钍含量较高矿石的开采或将其中的钍作为资源回收利用。达到保护钍资源和减少放射性污染的目标。积极寻找解决白云鄂博铁矿区的水源途径，一旦水源得到解决，建议将选矿全部健在白云鄂博矿区，并将尾矿坝退役封存，退役后原地封存保护，上面覆盖土壤回复植被，做到一旦需要可有计划开发利用，打到消除污染，保护资源的目的。对尾矿坝西、南部污染区进行治理；对尾矿坝坝体安全性进行全面评价，确保不出现溃坝事故，保护坝体安全和稳定，对尾矿库渗漏水和地下水进行连续长期监测；建立尾矿坝周围环境的放射性及有害物监测制度，开展周围环境的监测。预防发生异常情况，采取有效对策，进一步完善事故环境风险应急预案，加强应急演练，防止污染事故的发生。稀土厂临时贮渣厂要设有防渗漏、防雨淋、防飞扬即三防措施，并设有电离辐射标志，建议建库贮存稀土企业放射性废渣，或存入包头放射性废物库内。 建议加强放射性污染防治监测，将采矿破碎等生产环节纳入辐射防护管理体系。建议将放射性污染防治监测作为一项日常性工作，并纳入考核体系。在包头市环保监管部门的主导下，制定系统的放射性污染防治监测计划并有效实施。
参考文献
[1]徐光宪，师昌绪.关于保护白云鄂博矿钍和稀土资源避免黄河和包头受放射性污染的紧急呼吁[J].中国科学院院刊，2005，20（06）：448-450.
[2]刘瑛霞.包钢结构调整总体发展规划本部实施项目放射性专项环境影响报告书[R].包头：2006.
[3]潘三铭.包头地区环境天然贯穿辐射水平调查研究[Z].国家环境保护局.中国环境放射性水平.北京，1995：8.
[4]核工业标准化研究所.GB18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].北京：中国标准出版社，2002.
[5]GB5749-2006， 生活饮用水卫生标准[S].
[6]GB8978-1996， 污水综合排放标准[S].
收稿日期：2018-04-16
作者简介：冯奕达（1993-），男，硕士，研究方向为伴生矿开发利用中放射性钍的环境影响。
