國外地浸鈾礦山地下水修復(fù)技術(shù)

榮 耀，榮恪萱

(1.河南省核工業(yè)放射性核素檢測中心，河南 鄭州 440045;2.天津大學(xué)，天津 300072)

目前原地浸出(ISL)采鈾已成為鈾生產(chǎn)的主要方法，原地浸出采鈾的產(chǎn)量約占世界鈾產(chǎn)量的50%[1]。ISL采鈾具有經(jīng)濟(jì)回采很低品位礦石的能力，具有開發(fā)成本較低、勞動生產(chǎn)率高、作業(yè)安全性好、開發(fā)周期較短、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢。

ISL采鈾對環(huán)境有一定影響，對ISL采鈾后的礦山進(jìn)行環(huán)境治理與修復(fù)是綠色礦山建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。到目前為止，國外對ISL采鈾的主要公眾關(guān)注點(diǎn)是其對飲用水源的潛在污染。如果在采鈾過程中溶浸劑沒有得到適當(dāng)控制，則有可能影響鄰近的地下水；如果在采鈾后地下水以污染狀態(tài)繼續(xù)留存，也有可能影響鄰近的地下水。因此，一些國家要求對采鈾后的地下水進(jìn)行修復(fù)。

1 原地浸出采鈾方法和特點(diǎn)

目前，國際上主要采用2種ISL方法開采鈾礦，即酸法浸出和堿法浸出。澳大利亞、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和俄羅斯等國通常使用酸法浸出；美國則使用堿法浸出(因?yàn)榇蠖鄶?shù)礦體中的碳酸鈣濃度大于1.5%，若采用酸法浸出將導(dǎo)致高酸耗)。浸出劑類型應(yīng)根據(jù)礦體的地質(zhì)或地球化學(xué)性質(zhì)，以及地下水的水質(zhì)確定；開采后的地下水修復(fù)方法則取決于開采過程中使用的浸出劑類型。ISL浸出方法的技術(shù)特征見表1。

表1 ISL浸出方法的技術(shù)特征

2 國外ISL鈾礦山地下水主要修復(fù)方法

國外ISL鈾礦山在進(jìn)行地下水修復(fù)時，對于酸法開采區(qū)域通常采用自然衰減進(jìn)行修復(fù)；對于堿法開采區(qū)域通常采用抽水、處理、凈水再注入進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)過程中，也采用生物修復(fù)、化學(xué)還原劑還原以及增強(qiáng)的自然衰減等技術(shù)作為補(bǔ)充，或者聯(lián)合運(yùn)用這些技術(shù)；目前部分技術(shù)仍處于研究試驗(yàn)階段。國外ISL采鈾部分應(yīng)用實(shí)例見表2。

表2 國外ISL采鈾應(yīng)用實(shí)例和修復(fù)/關(guān)閉方法

3 美國堿法地浸礦山地下水修復(fù)

3.1 ISL地下水修復(fù)監(jiān)管[6]

根據(jù)聯(lián)邦和州法規(guī)，ISL采礦結(jié)束后，采礦者需要將開采區(qū)域含水層的地下水化學(xué)修復(fù)到本底水平；在最低限度內(nèi)，將采區(qū)內(nèi)的地下水修復(fù)至與采礦前的水質(zhì)一致，以便可以恢復(fù)以前的用途。

3.1.1 聯(lián)邦法規(guī)

1)美國核管理委員會(NRC)。美國核管理委員會根據(jù)美國聯(lián)邦法規(guī)的Title 10 Part 40中附錄A的標(biāo)準(zhǔn)5對采礦和修復(fù)進(jìn)行管理。這些規(guī)定主要針對鈾選冶尾礦管理，NRC沒有針對ISL工藝生產(chǎn)或修復(fù)的規(guī)定。

NRC要求被許可方將ISL地下水修復(fù)到本底水平；如果不能達(dá)到本底值，則須達(dá)到替代濃度限值(ACL)，該替代濃度限值通常比本底值高。ACL必須表明所關(guān)注的元素不會對人類健康或環(huán)境構(gòu)成威脅，通常采用歸宿-運(yùn)移模型(fate-transport)評估ACL對下游含水層的影響。

2)美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)。為了獲得對ISL采礦的批準(zhǔn)，運(yùn)營商須根據(jù)美國《安全飲用水法案》及EPA地下注射控制大綱(UIC)，在采礦前獲得開采區(qū)域的“含水層豁免”。UIC規(guī)定見于美國聯(lián)邦法規(guī)的Title 40 Part 144和146。為獲取含水層豁免，運(yùn)營商須表明含水層現(xiàn)在或?qū)聿挥糜谔峁╋嬘盟驗(yàn)楹畬颖惶烊烩櫦捌渌プ儺a(chǎn)物(包括鐳-226和氡-222)高度礦化，超過了環(huán)保署飲用水最大污染物水平限值。

3.1.2 州法規(guī)

每個州的ISL地下水修復(fù)均受到類似于聯(lián)邦法規(guī)的管制。對于沒有制定相關(guān)法規(guī)的州，聯(lián)邦機(jī)構(gòu)是主要監(jiān)管者；對于執(zhí)行聯(lián)邦法規(guī)優(yōu)先的州，州與NRC和/或EPA達(dá)成協(xié)議，在本州內(nèi)執(zhí)行對ISL的監(jiān)管，如德克薩斯州；也有的州實(shí)行雙重管理，如懷俄明州等。諸如懷俄明州、德克薩斯州和內(nèi)布拉斯加州這樣擁有ISL鈾礦山的州均有相關(guān)規(guī)定，明確要求在采礦后進(jìn)行地下水修復(fù)，并要求盡可能修復(fù)到本底水平；如果不能實(shí)現(xiàn)，則修復(fù)到使用級標(biāo)準(zhǔn)(飲用水、畜牧或農(nóng)業(yè)用水)或執(zhí)行ACL。

3.2 堿法浸出地下水修復(fù)技術(shù)

采用堿性溶浸劑的井場在開采完成后，礦體的地下水中含有來自浸出劑的碳酸氫鹽、殘余鈾、鐳-226以及硒、砷等，地下水含有較高的總?cè)芙夤腆w(TDS)，應(yīng)采用一些工藝技術(shù)來清除這些殘余組分，使地下水水質(zhì)修復(fù)到本底水平或采礦前用途的狀態(tài)。監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求使用最佳實(shí)用技術(shù)(BPT)處理受污染的地下水，使其水質(zhì)達(dá)到背景值或本底條件。

在美國，屬于BPT的技術(shù)有地下水抽除(消除殘余采礦溶液)；抽水、處理和凈水回注(通常采用反滲透技術(shù)處理污染水)；化學(xué)還原(通過除氧和金屬沉淀創(chuàng)造還原環(huán)境)；生物修復(fù)。其他修復(fù)技術(shù)，如自然衰減，如果是獨(dú)立使用，則不被認(rèn)為是BPT。

3.2.1 地下水抽除

地下水抽除是100%清除地下水，清除后不再注入。在地下水抽除過程中，井場會形成水力降落漏斗，吸納原生地下水并將浸出液隔離在井場中。地下水抽取的體積取決于運(yùn)行過程影響的區(qū)域范圍、含水層水文特性和抽取能力。

抽取的體積以孔隙體積(PV)為單位數(shù)定義，PV與井場面積(ft2)、開采厚度(ft)、孔隙率(%)有關(guān)[6]。對于1個面積30英畝、礦化厚度20 ft、孔隙率25%的井場，1 PV=30英畝×43 560 ft2/英畝×20 ft×25%×7.48加侖/ft3=48.9百萬加侖。

地下水抽除體積一般為0.5～3.0 PV，必須通過深井注入、處理及地表排放或蒸發(fā)來合理處置清理過程產(chǎn)生的大量抽出水。目前認(rèn)為該方法效果不佳，應(yīng)用有限。

3.2.2 抽水、處理和凈水回注

抽水、處理和凈水回注修復(fù)技術(shù)可配合地下水抽除使用，也可獨(dú)立使用。在此階段，從井場抽取地下水，用離子交換法除鈾，然后通過反滲透單元(RO)處理，去除其中95%～98%的溶解組分后，將水重新注入井場。反復(fù)進(jìn)行該過程，直到達(dá)到修復(fù)目標(biāo)為止。修復(fù)過程產(chǎn)生的反滲透濃水則通過深井處置或其他方法進(jìn)行處置。該階段一般需要進(jìn)行5～15 PV。使用RO技術(shù)處理地下水對降低TDS的效果較好，但TDS的改善會達(dá)到臨界點(diǎn)。

按照美國的規(guī)定，要求在修復(fù)過程中系統(tǒng)維持一定的外排量。這一階段地下水的外排量為全部循環(huán)地下水的10%～30%。在RO階段開始時，被處理的地下水TDS高(2～5 g/L)，反滲透產(chǎn)生的凈水比例較小(70%再注入)，產(chǎn)生的濃水(30%)被排出系統(tǒng)另作處置。將反滲透產(chǎn)生的凈水回注入井場后，可降低井場地下水中的TDS。在RO階段運(yùn)行后期，反滲透產(chǎn)生的凈水比例可高達(dá)90%，而濃水量可降低至10%。

3.2.3 化學(xué)還原

完成反滲透處理后，鈾、硒、砷等組分可能以高于本底濃度殘留在井場內(nèi)；而這些組分在含水層的氧化條件降低前不會減少，也可能繼續(xù)被浸出，添加化學(xué)還原劑可以有效地降低這些組分的濃度。工業(yè)使用的化學(xué)還原劑主要有硫化氫氣體、硫化鈉、亞硫酸鈉等，這些還原劑可作為除氧劑在注水前加入，也可在反滲透處理后注入井場。

3.2.4 生物修復(fù)

懷俄明州的1個ISL礦山使用了生物修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)利用礦體中天然存在的細(xì)菌提供相似的還原條件，實(shí)現(xiàn)與添加化學(xué)還原劑相同的效果。生物修復(fù)技術(shù)是有效的，特別是對于像硒和鈾這樣的組分；但主要表現(xiàn)為短期效果，長期效果不明顯。

使用生物修復(fù)技術(shù)前，應(yīng)先在井場內(nèi)進(jìn)行大量小型試驗(yàn)，調(diào)整優(yōu)化技術(shù)參數(shù)后可在井場更大的區(qū)域內(nèi)應(yīng)用。地下水生物修復(fù)技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，可作為整體修復(fù)措施的一部分使用[7]。

3.2.5 地下水再循環(huán)和自然衰減

地下水再循環(huán)可將井場內(nèi)部的溶液混合，以分散可能存在的滲流峰值。該修復(fù)措施可以有選擇地使用。

自然衰減從未被監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)為是修復(fù)或BPT的主要方法。該方法對含水層不進(jìn)行任何抽除，地下水中的污染物在向下游運(yùn)移時簡單地衰減。歸宿-運(yùn)移模型分析和最近的測試表明，下游環(huán)境對鐳-226、鈾和硒具有顯著的自然衰減能力。自然衰減在ISL修復(fù)中應(yīng)得到更多的應(yīng)用，特別是在采用了其他修復(fù)技術(shù)之后，事實(shí)上它也是NRC執(zhí)行ACL的基礎(chǔ)。

3.3 可實(shí)現(xiàn)的修復(fù)結(jié)果

盡管期望將所有組分都修復(fù)到背景水平，但由于采礦過程中的地球化學(xué)變化，實(shí)際上只有大約85%的地下水組分可修復(fù)到背景水平。如果不能達(dá)到背景水平，懷俄明州以采礦前的地下水使用類別作為修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，開采前礦體內(nèi)的地下水是不飲用類別，只適合工業(yè)用途，那么在修復(fù)后通常所有組分會滿足修復(fù)要求。

在地下水修復(fù)所監(jiān)測的30個化學(xué)組分中，通常有5～8個組分高于使用級標(biāo)準(zhǔn)，一般包括：鈾、硒、鐳-226、TDS、砷、錳。此時，必須通過建模分析，說明這些組分不會遷移到井場之外并影響可用的地下水，這是執(zhí)行ACL的基礎(chǔ)。在懷俄明州進(jìn)行的所有修復(fù)模型預(yù)測都表明，在非飲用水礦體中殘留的高于飲用水標(biāo)準(zhǔn)的組分不會遷移到井場之外的地下水使其降低使用等級。

截至2009年，在美國沒有任何1項(xiàng)ISL修復(fù)措施能夠成功將含水層修復(fù)到本底狀態(tài)。通常在監(jiān)測末期，修復(fù)期間減少的污染物又通過緩慢解吸、再氧化以及從低滲透區(qū)向高滲透區(qū)緩慢移動等繼續(xù)增加[8]。這就需要進(jìn)一步研究并應(yīng)用新的修復(fù)技術(shù)，如生物修復(fù)和受監(jiān)控的自然衰減等。

由于地下水修復(fù)所需的費(fèi)用占地浸鈾礦山環(huán)境治理及退役成本的很大一部分，因此，需要慎重估算必要的處理水量。估算地下水修復(fù)費(fèi)用時，可以根據(jù)以前非常規(guī)鈾生產(chǎn)設(shè)施退役的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行類比并確定一個保守的處理量[9]。

3.4 修復(fù)后穩(wěn)定性監(jiān)測

在所有修復(fù)階段完成后，需要進(jìn)行一段時間的監(jiān)測，以確保井場得到修復(fù)，化學(xué)組分保持穩(wěn)定。這一時期的監(jiān)測稱為穩(wěn)定性監(jiān)測，通常持續(xù)1年。每2個月從監(jiān)測井中取樣1次，并在井場內(nèi)建立化學(xué)組分基準(zhǔn)線，在監(jiān)測結(jié)束時評估變化趨勢。美國環(huán)保署擬將穩(wěn)定性監(jiān)測時間提高到12年，但仍在討論中。

監(jiān)測表明，大部分化學(xué)組分在1年后都基本保持穩(wěn)定，僅出現(xiàn)小幅波動；但其中的鈾濃度會增加。使用歸宿-運(yùn)移模型分析表明，隨著時間的推移和地下水的遷移，鈾濃度實(shí)際上可以得到自然衰減。

3.5 歸宿-運(yùn)移分析建模

使用歸宿-運(yùn)移模型，可以分析在井場修復(fù)中不能降低到本底或使用級別水平的組分對下游地下水的影響程度。例如：在懷俄明州Irigaray井場修復(fù)模型分析中，分別使用了MODFLOW、MODPATH和MT3DMS軟件建立數(shù)值模型；該模型基于對流傳質(zhì)考慮組分凈化，將地球化學(xué)反應(yīng)因素的影響降到最低，分析結(jié)果偏保守，對井場下游組分的預(yù)測過高。如果考慮地球化學(xué)輸入的話，PHREEQC模型可能更加適用[10]。

Irigaray井場修復(fù)分析模型的輸入?yún)?shù)為導(dǎo)水性、水力梯度、有效孔隙率、擴(kuò)散性以及一些化學(xué)組分的分布系數(shù)，適用于鈾、硒、鐳-226和錳元素的分析。根據(jù)時間的推移，分析井場邊界之外的地下水是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。修復(fù)后的歸宿-運(yùn)移模型分析如圖1所示。結(jié)果顯示，不能修復(fù)到本底或使用級別水平的鈾不會影響到下游的地下水。修復(fù)結(jié)束時，井場內(nèi)鈾質(zhì)量濃度為2.1 mg/L，井場外鈾質(zhì)量濃度(本底)為0.016 mg/L。

圖1 歸宿-運(yùn)移模型分析鈾濃度變化[11]

3.6 ISL廢水管理與處置

美國ISL采鈾廢水的主要來源有：井場生產(chǎn)的抽大于注，通常為平均流量的0.5%～3.0%；越界流散控制；工藝廢水；地下水修復(fù)時抽取的溶浸液。這些廢水含有浸出液、放射性物質(zhì)和浸出的礦物質(zhì)，不同的廢液應(yīng)考慮不同的處置方案。

廢水處置方案有[12]：1)蒸發(fā)池蒸發(fā)；2)處理與地表排放，不包括反滲透濃水、工藝水排放或工藝廢水；3)深井注射(EPA Ⅰ類注射)，適用于所有含鈾廢水，包括反滲透濃鹽水、工藝廢水，被認(rèn)為是最有效的ISL廢水處置方法；4)淺井注射(EPA Ⅴ類注射)，只用于處理不影響較淺區(qū)域現(xiàn)有水質(zhì)的廢水；5)土地灌溉。

4 澳大利亞貝弗利/四英里鈾礦關(guān)閉修復(fù)

4.1 澳大利亞ISL管理導(dǎo)則

澳大利亞ISL管理導(dǎo)則由澳大利亞地球科學(xué)組織制定。每個ISL鈾礦的運(yùn)行/修復(fù)方案都是獨(dú)有的，礦山修復(fù)的最佳實(shí)踐是：1)在可接受的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)環(huán)境影響最小化修復(fù)目標(biāo)的技術(shù)應(yīng)用；2)平衡不同的主動處理方案(包括基礎(chǔ)設(shè)施、能耗和廢水產(chǎn)生的影響)、自然衰減以及附加措施增強(qiáng)的自然衰減(附加措施包括地下水抽除、化學(xué)還原處理、生物修復(fù)等)。

4.2 地下水水質(zhì)

貝弗利/四英里鈾礦地下水水質(zhì)為不使用類別，采礦和凈化區(qū)域地下水質(zhì)參數(shù)：TDS為2～12 g/L；鈾質(zhì)量濃度為1 mg/L；鐳活度濃度為500 Bq/L；氟質(zhì)量濃度為20 mg/L。根據(jù)相關(guān)管理限值，該地下水不適合飲用、灌溉和牲畜使用。

4.3 酸法ISL中的化學(xué)/微生物因素及模型參數(shù)

酸法ISL的自然衰減受巖石-水相互作用以及硫酸鹽還原菌等微生物作用的共同影響。建立3D反應(yīng)-運(yùn)移模型所需參數(shù)的獲取途徑有：實(shí)驗(yàn)室測試；通過ISL動態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整與運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比(凈化效應(yīng)明顯處)；監(jiān)測數(shù)據(jù)(監(jiān)測井)。

4.4 ISL礦山關(guān)閉的建模分析方法

建模分析步驟包括：1)礦床勘探/圈礦；2)三維結(jié)構(gòu)建模，劃定區(qū)域尺度和礦體，這個階段主要數(shù)據(jù)類型有地層、礦體輪廓/品位、地球物理/水文、礦物學(xué)(主要反應(yīng)性礦物質(zhì))；3)三維水文建模，確定地下水徑流條件(區(qū)域尺度模型)；4)1D-3D反應(yīng)-運(yùn)移建模，在區(qū)域尺度地下水流場模型中嵌入ISL井場，進(jìn)行ISL控制和優(yōu)化；5)采礦后的1D-3D反應(yīng)-運(yùn)移建模，建立采礦水體的3D水文地質(zhì)流場，在空間和時間上模擬自然衰減的1D-3D反應(yīng)-運(yùn)移，并對長期監(jiān)測進(jìn)行評估；6)進(jìn)行采礦后流體的歸宿預(yù)測(100年后流體賦存場景如圖2所示)及采后某組分羽流(如0～250年SO42-水平)時空模擬分析[13]。

圖2 ISL采后100年的流體賦存場景(白堊紀(jì)構(gòu)造，始新世含礦含水層)

4.5 采礦后監(jiān)測

根據(jù)水文流場條件，采礦后將部分的生產(chǎn)井轉(zhuǎn)化為監(jiān)測井；同時在井場外，特別是在下游方向設(shè)置專門的監(jiān)測井，用于衰減效果的監(jiān)測。

自然衰減(NA)效果是很明顯的，衰減效果已在ISL運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、廢棄井場的監(jiān)測中得到驗(yàn)證。如果需要，還可實(shí)施增強(qiáng)衰減措施。

5 捷克Strá?鈾礦采鈾及修復(fù)

5.1 鈾礦床ISL采鈾概況

Strá?鈾礦床采用酸法地浸采鈾，1977年達(dá)到最大產(chǎn)能(約859.5 tU)，通過ISL共生產(chǎn)15 861.8 tU。

造成生態(tài)負(fù)荷較大的原因有：1)從水力學(xué)條件來看，相鄰區(qū)域存在2種完全不同的采礦方法(深井采礦、化學(xué)浸出)；2)采礦前對巖體水文地質(zhì)和水化學(xué)環(huán)境的勘查不足；3)采礦初期建井粗糙；4)在地下水和工藝溶劑管理方面存在缺陷。

5.2 地下水主要污染物

2015年，Cenomanian含水層面積為27.3 km2，受影響的地下水體積超過3.74億m3，SO42-總?cè)芙饬繛?03萬t，SO42-最大質(zhì)量濃度為50～60 g/L；Turonian含水層的局部隔離水體，受影響的地下水體積0.27億m3，SO42-總?cè)芙饬可儆? 500 t。SO42-、NH4+和Al3+是這2個含水層的主要污染物[14]。

5.3 修復(fù)目標(biāo)

環(huán)境修復(fù)目標(biāo)為：1)使巖體環(huán)境修復(fù)到確保波希米亞北部白堊紀(jì)土侖階含水層的持續(xù)可用狀態(tài)；2)鉆孔和地表設(shè)施退役；3)將井場地表納入生態(tài)系統(tǒng)，考慮區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和城市規(guī)劃。2011年在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，基于數(shù)百個逆數(shù)值計(jì)算、水文地質(zhì)、平流和反應(yīng)性運(yùn)移模型分析，確定了修復(fù)參數(shù)目標(biāo)值并經(jīng)當(dāng)局批準(zhǔn)(表3)，此后每5年更新風(fēng)險(xiǎn)分析并重新得到確認(rèn)[15]。

表3 地下水修復(fù)參數(shù)目標(biāo)值

5.4 修復(fù)方法

主要修復(fù)方法：1)從地下抽取污染水并利用地表處理工藝進(jìn)行處理，以得到工業(yè)用產(chǎn)品和生態(tài)可儲存產(chǎn)物；2)將污染物的原位固定和地下水化學(xué)條件擬合，用于后續(xù)受監(jiān)測的自然衰減(在整個修復(fù)過程完成后)。

5.5 修復(fù)監(jiān)測與管理

修復(fù)監(jiān)測和管理的主要手段包括：建立地下水監(jiān)測井網(wǎng)；巖心取樣分析；地球物理方法、編錄；水化學(xué)監(jiān)測、混合采樣、分區(qū)抽樣；數(shù)學(xué)建模(地下水流場、對流運(yùn)移、反應(yīng)性運(yùn)移)；修復(fù)參數(shù)目標(biāo)值的統(tǒng)計(jì)評價(jià)；確認(rèn)/更改TVRP的風(fēng)險(xiǎn)分析。

6 結(jié)語與啟示

1)應(yīng)加強(qiáng)對ISL采礦后的環(huán)境影響及地下水修復(fù)技術(shù)的研究，制定相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，對修復(fù)工作做出規(guī)定并進(jìn)行監(jiān)管。

2)應(yīng)根據(jù)每個礦山開采使用的浸出類型、水文地質(zhì)條件、修復(fù)目標(biāo)、成本等綜合研究確定其地下水修復(fù)方案，通常采用的技術(shù)有：地下水抽除；抽水、處理、凈水回注；化學(xué)還原；生物修復(fù)；自然衰減或修復(fù)后的自然衰減等。自然衰減(包括修復(fù)后的自然衰減)應(yīng)采用歸宿-運(yùn)移模型數(shù)值模擬方法，進(jìn)行采礦后流體的歸宿預(yù)測及采后羽流時空模擬分析，并結(jié)合其他方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對下游含水層的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估和論證。