某稀土伴生放射性廢渣庫閉庫封場(chǎng)設(shè)計(jì)

張賀飛，杜 娟

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

稀土是伴生放射性礦產(chǎn)資源之一，通常與鈾系、釷系的天然放射性核素共生。在稀土冶煉過程中，90%以上的放射性核素會(huì)富集在廢渣、尾礦等固體廢物中，導(dǎo)致產(chǎn)生大量放射性水平遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)乇镜姿降膹U物，需要對(duì)其妥善處理。位于內(nèi)蒙古地區(qū)的某廢渣庫是經(jīng)相關(guān)單位批準(zhǔn)建設(shè)的，可接收稀土工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的伴生放射性稀土廢渣。該廢渣庫已達(dá)到設(shè)計(jì)庫容，需進(jìn)行閉庫封場(chǎng)處理[1-4]。

封場(chǎng)工程作為固體廢物填埋處理處置設(shè)施最后的一項(xiàng)工程建設(shè)內(nèi)容，封場(chǎng)工程的成敗關(guān)系著填埋物能否徹底與外界環(huán)境隔離、實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的目的[5-6]。科學(xué)合理的封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層既可隔離污染、保障設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行，又可減少后期填埋設(shè)施維護(hù)工作量。

由于中國尚未出臺(tái)指導(dǎo)伴生放射性廢渣庫閉庫封場(chǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而現(xiàn)有關(guān)于放射性廢物填埋設(shè)施的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范又不適用于伴生放射性廢物的處置。因此，通過對(duì)比危險(xiǎn)廢物、極低水平放射性廢物和低中水平放射性廢物填埋場(chǎng)(廢渣庫)的封場(chǎng)要求，提出伴生放射性廢渣庫封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

1.1 廢渣庫概況

待封場(chǎng)的庫區(qū)地形為北高南低、西高東低，地形標(biāo)高約1 118.94～1 089.07 m，最大高差約30 m，自然坡度17%。庫區(qū)東西向?qū)?30～220 m，南北向長65～190 m，為不規(guī)則的“梯形”形狀，面積約2.25萬m2。庫區(qū)防滲結(jié)構(gòu)采用雙人工襯層，設(shè)計(jì)庫容為28.0萬t。廢渣庫如圖1所示。

1.2 稀土廢渣放射性

根據(jù)調(diào)查，內(nèi)蒙古地區(qū)混合型稀土礦采用硫酸強(qiáng)化焙燒工藝(第三代酸法)冶煉，原礦中96%的釷系核素均富集到廢渣中，廢渣具有較高的放射性水平。其放射性指標(biāo)見表1。

表1 稀土廢渣比活度

2 封場(chǎng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

封場(chǎng)工程的基本功能和目標(biāo)：嚴(yán)格遵守輻射防護(hù)三原則和保護(hù)后代原則；為填埋物和人群、植物、動(dòng)物的隔離提供一個(gè)物理屏障，改善感官不良印象；控制放射性氣載流出物遷移擴(kuò)散，減少無組織排放；最大限度地減少地表水的滲入量，實(shí)現(xiàn)雨污分流；為植被生長提供適宜的土壤環(huán)境，有利于生態(tài)恢復(fù)和美化環(huán)境。

3 封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層對(duì)比

3.1 封場(chǎng)覆蓋層

填埋場(chǎng)封場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地表水徑流、排水防滲、填埋氣體的收集、生態(tài)恢復(fù)、填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性及土地利用等因素。典型封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由廢物堆體表面至頂表面順序?yàn)榕艢鈱?、防滲層、排水層、植被層。

以下列舉《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18598—2001)[7]、《極低水平放射性廢物的填埋處置》(GB/T28178—2011)[8]和《低中水平放射性廢物近地表處置設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)定——非巖洞型處置》(EJ 1109.1—2000)[9]中對(duì)封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層要求。

3.1.1 危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)對(duì)封場(chǎng)覆蓋的要求

GB18598—2001要求最終覆蓋層應(yīng)為多層結(jié)構(gòu)，應(yīng)包括以下部分：1)底層(排氣層)。厚度不小于200 mm，由透氣性好的顆粒物質(zhì)組成；2)防滲層。天然材料防滲層厚度不小于500 mm、也可采用復(fù)合防滲層，人工合成材料層不小于1.0 mm，天然材料層厚度不小于300 mm；3)排水層及排水管網(wǎng)。透水能力不應(yīng)小于0.1 cm/s，一般鋪設(shè)300 mm卵石；4)保護(hù)層。保護(hù)層厚度不應(yīng)小于200 mm，由粗礫性堅(jiān)硬鵝卵石組成；5)植被恢復(fù)層。植被層厚度不應(yīng)小于600 mm，土質(zhì)應(yīng)有利于植物生長和場(chǎng)地恢復(fù)[10]。危險(xiǎn)廢物填埋物覆蓋結(jié)構(gòu)要求如圖2所示。

3.1.2 極低水平放射性廢物的填埋處置設(shè)施封場(chǎng)覆蓋要求

根據(jù)GB/T28178—2011的要求，填埋場(chǎng)關(guān)閉覆蓋層的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件、人員和動(dòng)物的活動(dòng)情況，其結(jié)構(gòu)層組成由下至上依次為天然土壤層、壓實(shí)黏土層、排水層(上下包裹土工布)、礫石層(防生物層)和覆蓋土層及植被。根據(jù)該規(guī)范，封場(chǎng)底部的天然土壤層主要是用于填充廢物包裹之間的空隙，防止封場(chǎng)后因包裹破碎而引發(fā)沉降。極低水平放射性廢物填埋設(shè)施封場(chǎng)覆蓋要求如圖3所示。

3.1.3 低中水平放射性廢物近地表處置設(shè)施閉庫封場(chǎng)覆蓋的要求

EJ 1109.1—2000中提出，覆蓋層的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足防滲、防生物侵?jǐn)_的要求，并能抵抗由于地表自然過程所帶來的剝蝕；覆蓋層應(yīng)由多種材料分層設(shè)置，按其功能可分為核素阻滯層、擋水層、導(dǎo)水層、防生物闖入層、穩(wěn)定層、植被層和(或)抗風(fēng)蝕層等。低中水平放射性固體廢物庫封場(chǎng)覆蓋要求如圖4所示。

3.1.4 不同填埋場(chǎng)封場(chǎng)對(duì)比

不同固體廢棄物填埋場(chǎng)封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層見表2。

表2 不同固體廢棄物填埋場(chǎng)封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層對(duì)比

注：①低、中水平放射性廢物封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層來自實(shí)際工程案例；②天然防滲材料k≤10-7cm/s。

從上述關(guān)于固體廢棄物填埋場(chǎng)封場(chǎng)技術(shù)規(guī)范的要求和工程實(shí)例來看，根據(jù)填埋物的不同，封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層也有所差異。危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)中，各種填埋物反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氣體，因此需要設(shè)置排氣層。與放射性相關(guān)的處置設(shè)施的封場(chǎng)覆蓋層均考慮對(duì)填埋物的保護(hù)，設(shè)置了防生物闖入層；而在最新的《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)——征求意見稿》中不再要求設(shè)置保護(hù)層，筆者認(rèn)為是由于在排水層采用的顆粒材料多為卵礫石等硬質(zhì)天然材料，兼?zhèn)浔Ｗo(hù)層的作用。封場(chǎng)放射性廢物又有其特殊性，除考慮雨污分流、生物干擾外，還應(yīng)考慮屏蔽填埋物中輻射，因此，其封場(chǎng)覆蓋層厚度要通過相應(yīng)計(jì)算確定。

綜上所述，固體廢物填埋場(chǎng)中填埋物中的污染持續(xù)時(shí)間越長，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響越大，其封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層越嚴(yán)格，尤其是低、中水平放射性廢物近地表處置場(chǎng)封場(chǎng)，除不需要設(shè)置導(dǎo)氣層外，其他結(jié)構(gòu)層的要求均更為嚴(yán)格。

以上封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)對(duì)稀土伴生放射性廢渣庫閉庫封場(chǎng)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。稀土廢渣放射性比活度為4.4×104～2.4×105Bq/kg。若依據(jù)EJ 1109.1—2000中封場(chǎng)要求，封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)過于保守，會(huì)造成封場(chǎng)費(fèi)用過高；而GB51220—2017和GB18598—2001中又沒有考慮屏蔽輻射的要求，因此，稀土伴生放射性廢渣庫閉庫封場(chǎng)設(shè)計(jì)需綜合考慮以上3種固體廢物封場(chǎng)要求。

4 稀土伴生放射性廢渣庫閉庫封場(chǎng)設(shè)計(jì)

廢渣庫的封場(chǎng)首先要考慮對(duì)稀土廢渣放射性的屏蔽效果，本研究所涉及的稀土主要為釷系核素，主要產(chǎn)生220Rn。封場(chǎng)覆蓋結(jié)構(gòu)層的材料及厚度既要滿足屏蔽220Rn的析出，又要滿足降低γ輻射劑量率的要求。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，廢渣中220Rn析出率為3.87 Bq/(m2·s)。0.56 mm厚HDPE膜防氡效果達(dá)99.2%。由此計(jì)算，只要封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層中采用厚度大于0.56 mm的HDPE膜，其氡析出率將小于0.031 Bq/(m2·s)，遠(yuǎn)低于GB14586中規(guī)定的小于0.74 Bq/(m2·s)的要求。另外，由于220Rn的擴(kuò)散度遠(yuǎn)小于222Rn，因此，覆蓋層厚度計(jì)算時(shí)只考慮屏蔽γ輻射劑量率即可。

4.1 覆蓋層厚度與屏蔽γ輻射劑量率關(guān)系

根據(jù)γ射線在屏蔽材料中的減弱規(guī)律，覆蓋層厚度與屏蔽γ輻射劑量率的關(guān)系式為

(1)

式中：X1—覆蓋層夯實(shí)后土的厚度，cm；Hi—覆蓋前的γ輻射劑量率平均值，Gy/h；Ho—γ輻射劑量率的控制值Gy/h；Δ1/2—半值層厚度，即γ輻射劑量率減弱一半所需的覆蓋層厚度，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出該地區(qū)的半值層厚度約為25 cm。

取Hi和Ho分別為3.58×10-6和1.09×10-7Gy/h，計(jì)算后取X1=126 cm。最終確定廢渣庫的覆蓋層厚度為1 400 mm。此覆蓋層厚度是以單一材料(黏土)作為覆蓋材料計(jì)算而得。

4.2 封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)

放射性廢物填埋場(chǎng)封場(chǎng)還要考慮對(duì)放射性屏蔽的要求，根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，廢渣庫封場(chǎng)覆蓋層總厚度要求不小于1 400 mm。本工程封場(chǎng)覆蓋結(jié)構(gòu)層確定為防滲層、排水層、生物阻隔層、植被層，廢渣庫終場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層如圖5所示。

封場(chǎng)覆蓋層中防滲層采用復(fù)合防滲，人工合成材料可保證廢渣堆體初期沉降時(shí)防滲性能；而天然材料則能保證防滲性能長期穩(wěn)定。其他各結(jié)構(gòu)層天然材料總厚度約1 400 mm，包括900 mm厚黏土、300 mm厚碎石和200 mm厚中粗砂。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，碎石和中粗砂壓實(shí)后的密度均大于黏土壓實(shí)密度，兩種材料對(duì)γ輻射的屏蔽效果均可等效為同等厚度的黏土。因此，該封場(chǎng)覆蓋方案可滿足廢渣庫安全穩(wěn)定和輻射屏蔽的要求。

5 結(jié)論和建議

在實(shí)際工程中借鑒GB18598—2001、GB/T28178—2011和EJ1109.1—2000等相對(duì)比較成熟的固體廢棄物填埋場(chǎng)封場(chǎng)設(shè)計(jì)，取長補(bǔ)短，確定稀土廢渣庫封場(chǎng)結(jié)構(gòu)層組成、厚度和材料，既保證閉庫后安全穩(wěn)定運(yùn)行，又兼顧經(jīng)濟(jì)合理可行。該工程的實(shí)施對(duì)伴生放射性廢渣庫閉庫封場(chǎng)設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義，也對(duì)稀土伴生放射性庫封場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定有重要的參考價(jià)值。

在今后的設(shè)計(jì)中可探討排水層和阻隔層合并的可行性，兩種結(jié)構(gòu)層要求和使用材料基本一致，可通過對(duì)材料及厚度的要求實(shí)現(xiàn)排水層既能導(dǎo)排滲水又能防止外界生物干擾。

為更好地指導(dǎo)稀土工業(yè)的發(fā)展，建議相關(guān)部門盡快制定關(guān)于伴生放射性廢渣處理處置的標(biāo)準(zhǔn)，使得稀土工業(yè)發(fā)展適應(yīng)當(dāng)前環(huán)保的要求。