內(nèi)蒙古某礦山開采主要污染物治理與環(huán)境保護(hù)研究

任錦榮，王 浩，閆紀(jì)帆，張振強(qiáng)

（1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.內(nèi)蒙古魯新能源開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026321；3.核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110032）

地浸采鈾工藝集采冶于一體，具有工藝簡(jiǎn)單、污染少[1-4]、礦山建設(shè)周期短、基建投資少、現(xiàn)代化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。該工藝只有地面鉆探工程、浸出液輸送與處理工程，不需要常規(guī)礦山開采工藝中挖掘地下井巷、提升礦石、井下通風(fēng)、地下排水、地表礦石磨碎、攪拌與浸出等工程，員工工作以監(jiān)測(cè)設(shè)施、設(shè)備，調(diào)節(jié)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為主，極大地降低了工作強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境[5]，保證了采礦工作的安全性。地浸采鈾礦山建設(shè)周期一般為1.0～1.5 a，為常規(guī)鈾礦建設(shè)周期的四分之一；地浸采鈾礦山基建投資為常規(guī)礦山基建投資的50%～70%[6]。地浸采鈾工藝的低成本、高效益使得低品位礦（品位萬分之一及以下）實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采[7]，并使鈾礦中伴生的Se、Sc、Mo、Ge、V、Re 等元素得以綜合回收、利用[8]。我國(guó)地浸采鈾方法主要包括酸法、堿法和中性（CO2+O2）工藝[9]。中性（CO2+O2）地浸采鈾工藝需注入含CO2和O2的浸出劑，對(duì)地下水及環(huán)境的污染少，是國(guó)內(nèi)外地浸采鈾的發(fā)展方向[10]。內(nèi)蒙古自治區(qū)某鈾礦從2006 年開始采用中性（CO2+O2）地浸采鈾工藝，通對(duì)礦山的污染產(chǎn)生及防治進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤研究，可知其主要污染源有抽注液孔施工產(chǎn)生的廢井液（鉆孔施工和管道安裝破壞地表、工藝事故的溶液流失對(duì)地表水產(chǎn)生影響）和工藝廢水及氡氣。前人對(duì)氡[11]、地下水防治[12]做了較深入的研究，本文重點(diǎn)對(duì)鉆孔泥漿、工藝廢水和蒸發(fā)池殘?jiān)矫骈_展研究。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)東西長(zhǎng)5.50 km，南北寬3.50 km，周圍地表為第四系部分沙化的草原，地勢(shì)由西南向東北逐漸傾斜，地形標(biāo)高一般為158～166 m，地面坡度小于6°。地貌組合以平川地為主體，高度不超過10 m 的固定沙丘、半固定沙丘、坨沼甸相間。礦區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 774.2 mm，多年平均降雨量為373.6 mm。礦體產(chǎn)于姚家組地層，埋深為212～315 m。巖性為以中砂巖、細(xì)砂巖為主，膠結(jié)疏松。砂體連通性好，傾角為5°～9°。頂?shù)装寰鶠槟鄮r，具有完整的泥-砂-泥地層結(jié)構(gòu)，主要含礦層滲透系數(shù)平均為0.025～0.223 m/d。

2 鈾礦區(qū)地浸工藝主要污染物

CO2+O2原地浸出采鈾工藝包括鈾的浸出和含鈾浸出液處理兩部分[13]，主要污染源有廢井液、工藝廢水和廢氣（圖1）。本文重點(diǎn)對(duì)廢井液、工藝廢水和蒸發(fā)池殘?jiān)M(jìn)行研究。

圖1 主要污染源產(chǎn)生流程圖Fig.1 Flow diagram of main pollution sources

2.1 廢井液

廢井液主要是水基鉆井液（WBM），成分為鈉基膨潤(rùn)土、半乳甘露聚糖植物膠、腐殖酸鉀改性物、分散劑、增黏劑、加重劑、聚丙烯酰胺凝劑[13]。廢井液中除鉆井液外，還有污水、污油及鉆屑，是一種多相膠體懸浮體系，含有難以自然降解的污染物和巖礦屑放射性物質(zhì)[14]。

2.1.1 廢井液主要來源

廢井液主要包括以下幾種來源：一是廢棄鉆井液污水，主要包括完井后的廢棄鉆井液以及散落的廢棄鉆井液；二是廢棄機(jī)械污水，主要包括完井后鉆井泵拉桿沖洗水、洗井外排廢水等；三是各種巖屑，主要為鉆井過程中產(chǎn)生大量的細(xì)粒巖屑；四是其他廢液，主要包括部分酸化洗井廢水、天然降雨侵入增加的廢水等。

2.1.2 廢井液主要組成

廢井液為弱堿性（pH 值平均9.08），有機(jī)質(zhì)含量少（燒失量質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為6.78%、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.40）；主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵等成分，其他氧化物及有害化合物含量較少；重金屬含量相對(duì)較少，成分比較簡(jiǎn)單，其中，Pb 為17.06×10-6、As 為15.81×10-6、Cd＜5.0×10-6、Hg＜0.03×10-6、Cr 為22.1×10-6[14]。

2.1.3 廢井液產(chǎn)生量

生產(chǎn)過程中抽液井、注液井及監(jiān)測(cè)井的施工過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的廢井液。抽液井單井廢井液產(chǎn)生量約為20.30 m3，其中，在到達(dá)含礦層后含放射性泥漿產(chǎn)生量約為3.00 m3；注液井和監(jiān)測(cè)井單井廢井液產(chǎn)生量約為10.45 m3，其中，在到達(dá)含礦層后含放射性泥漿產(chǎn)生量約為2.00 m3。生產(chǎn)期間廢井液的總產(chǎn)生量約為25 500 m3，其中，含放射性泥漿廢井液約為4 200.00 m3。對(duì)于單個(gè)抽液井含礦段產(chǎn)生的含放射性泥漿量中約有0.35 m3為含礦層泥漿，其余為生產(chǎn)工藝中必須使用的非放射性泥漿。按照含礦層平均品位0.034 0%計(jì)算，抽液井產(chǎn)生的放射性泥漿中U、226Ra、Cl-情況見表1。注液井和監(jiān)測(cè)井計(jì)算方法和結(jié)果與抽液井大體相同。由此可見，生產(chǎn)鉆孔產(chǎn)生的廢井液放射性水平較低，U 平均濃度為38 mg/L，226Ra 平均活度濃度為79 Bq/L（表1）。

表1 抽液井廢井液組分Table 1 Component of drilling waste well fluid in liquid-pumping wells

2.2 工藝廢水

工藝廢水主要有樹脂轉(zhuǎn)型廢水、樹脂反沖廢水、產(chǎn)品洗滌廢水等[14]。各種廢水的水質(zhì)情況見表2。對(duì)樹脂轉(zhuǎn)型廢水進(jìn)行反滲透處理，將樹脂反沖水、產(chǎn)品洗滌廢水排至蒸發(fā)池，自然蒸發(fā)。

表2 各種廢水的水質(zhì)組分Table 2 Component of water quality in various wastewaters

2.2.1 樹脂轉(zhuǎn)型廢水

樹脂轉(zhuǎn)型廢水主要來源是由于抽大于注而產(chǎn)生的不能回注的吸附尾液。廢水中的污染物主要為U天然、226Ra 和Cl-等，其中，U天然濃度為0.14 mg/L，226Ra活度濃度為1.06 Bq/L，Cl-濃度為4.00 g/L。

2.2.2 反滲透濃水及其他放射性廢水

反滲透濃水、樹脂反沖廢水、產(chǎn)品洗滌廢水及沖洗地面水等放射性廢水約81.35 m3/d。

1）反滲透濃水。污染物主要為U天然、226Ra 和Cl-等，其中，U天然濃度為0.10 mg/L，226Ra 活度濃度為2.42 Bq/L，Cl-濃度為4.49 g/L，廢水直接排至蒸發(fā)池蒸發(fā)。

2）樹脂反沖廢水。污染物主要為U天然、226Ra 和Cl-等，其中，U天然濃度為0.10～0.30 mg/L，226Ra 活度濃度為1.00～3.00 Bq/L，Cl-濃度為0.50～1.00 g/L，廢水直接排至蒸發(fā)池蒸發(fā)。

3）產(chǎn)品洗滌廢水。污染物主要為U天然、226Ra 等，其中，U天然濃度為1.00～3.00 mg/L，226Ra 活度濃度為3.00～10.00 Bq/L，Cl-濃度為0.25 g/L，廢水直接排至蒸發(fā)池蒸發(fā)。

4）洗井水、沖洗地面水及其他放射性廢水。洗井水、沖洗地面水污染物主要為U天然、226Ra 等。其中，U天然濃度為1.00～3.00 mg/L，226Ra 活度濃度為3.00～5.00 Bq/L，廢水直接排至蒸發(fā)池蒸發(fā)。放射性廢水不外排，全部輸送至蒸發(fā)池蒸發(fā)處理。

2.3 蒸發(fā)池殘?jiān)?/h3>

蒸發(fā)池采用夯土式結(jié)構(gòu)，池壁坡度1∶2，單個(gè)蒸發(fā)池池長(zhǎng)80 m、寬50 m、深1.5 m；新防滲層，蒸發(fā)池之間通過分配管道和閥門控制進(jìn)入蒸發(fā)池的廢水量，蒸發(fā)池之間設(shè)連通管。蒸發(fā)池防滲層下設(shè)置檢漏設(shè)施，防止蒸發(fā)池的泄漏污染區(qū)域地下水[15]。

參考通遼地區(qū)月均蒸發(fā)量和降水量情況，新建蒸發(fā)池月蒸發(fā)廢水量見表3，同時(shí)加入蒸發(fā)池廢水月接收量，蒸發(fā)池廢水月排入量與月蒸發(fā)廢水量之差即為蒸發(fā)池中的剩余廢水量，根據(jù)剩余廢水量估算蒸發(fā)池容積的使用情況。

表3 蒸發(fā)池月廢水產(chǎn)生量和蒸發(fā)廢水量Table 3 Monthly wastewater output and evaporation capacity in evaporation pond 單位：m3

由表3 可知，所有蒸發(fā)池中剩余總水量最大值為5 817.1 m3，此時(shí)單個(gè)蒸發(fā)池平均水量為969.5 m3，出現(xiàn)在每年的三月，原因主要是冬季的蒸發(fā)量相比降水量小。蒸發(fā)池總?cè)莘e為36 000 m3，保守考慮每個(gè)蒸發(fā)池泄漏發(fā)生在池內(nèi)剩余水量最大的三月，此時(shí)將其池內(nèi)廢水量通過潛水泵輸送至其他蒸發(fā)池，總?cè)萘考s30 000 m3，有足夠的容量容納所有蒸發(fā)池中遺留的5 817.1 m3廢水量，可為泄漏蒸發(fā)池的維修提供時(shí)間和空間的保障。蒸發(fā)池殘?jiān)饕獮橥凉つひ陨系奈镔|(zhì)構(gòu)成，分別為30 cm 厚的黏土和磚塊，殘?jiān)|(zhì)量約為13 000 t。

3 環(huán)保措施與效果

3.1 廢井液的處置

廢井液包括礦層段和非礦層段。非礦層段可分為高固相和低固相兩種（圖2）。礦層段鉆井液添加試劑后進(jìn)行固井處理。對(duì)于非礦層鉆井液采用固液分離處理，處理后的含固相較多的鉆井液進(jìn)行地表固化處理；含固相較少的鉆井液進(jìn)行凈化回用處理[14]。

圖2 廢井液處理技術(shù)路線Fig.2 Technical route of drilling waste well liquid treatment

3.1.1 礦層段廢井液固井處理

選擇4#礦渣作固化劑，礦渣添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%，24 h 固井，強(qiáng)度大于2 MPa，可滿足固井需求；激活助劑選擇G 級(jí)水泥；固井配比為：100%廢鉆孔泥漿+40%礦渣微粉+10%液堿+5%G 級(jí)水泥。隨著固化劑加入量的增加，固化強(qiáng)度迅速增高。礦層段廢井液固井漿體完全固化后，其強(qiáng)度可滿足地浸工藝鉆孔固井質(zhì)量要求。通過采用該固井技術(shù)，既對(duì)礦層段廢井液進(jìn)行了處理，又提供了固井材料，從而降低了地浸工藝鉆孔的施工成本。

3.1.2 非礦層段鉆井液固井處理

1）高固相鉆井液地表固化處理。選用硫酸亞鐵為絮凝劑，其水溶液呈弱酸性，符合該地土壤和農(nóng)作物的需求；凈水劑選用聚合氯化鋁，凈水效果和經(jīng)濟(jì)性好于聚丙烯酰胺；石灰作為主要固化劑，固化劑藥劑用量為20 kg/m2。

2）低固相鉆井液。采用低固相鉆井液回用技術(shù)，回用率達(dá)60%，節(jié)約新鉆孔泥漿配制的成本。

3.1.3 處理效果

礦層段鉆孔廢泥漿固井，轉(zhuǎn)化處理的固井液漿體減少了固井過程對(duì)套管的損傷，且滿足固井質(zhì)量的要求，降低了對(duì)環(huán)境的影響。高固相廢井液地表固化處理，減少?gòu)U棄鉆孔泥漿坑的數(shù)量，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。低固相廢井液回用技術(shù)，回用率達(dá)60%，節(jié)約新鉆井泥漿配制的成本。

3.2 廢水的治理措施

3.2.1 樹脂轉(zhuǎn)型廢水

1）廢水處理工藝。對(duì)含有Cl-較高的樹脂轉(zhuǎn)型廢水進(jìn)行反滲透處理，處理規(guī)模為60 m3/h，處理工藝參數(shù)見表4。先進(jìn)行加藥除氧預(yù)處理，預(yù)處理后的廢水依次經(jīng)過精度為55 μm 的機(jī)械過濾器、20 μm 的袋式過濾器、5 μm 的袋式過濾器過濾，過濾后的廢水進(jìn)入反滲透裝置進(jìn)行反滲透處理，處理后的濃水輸送至蒸發(fā)池自然蒸發(fā)，淡水回用于生產(chǎn)或用于廠區(qū)。

表4 反滲透處理工藝參數(shù)Table 4 Technological parameters of reverse osmosis treatment

2）廢水處理效果。反滲透技術(shù)處理采鈾工藝廢水設(shè)備穩(wěn)定性較好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，水處理效果較好（表5），廢水中各種污染物的處理效率均可達(dá)90%以上，處理后淡水中放射性核素U天然濃度＜0.05 mg/L，226Ra 活度濃度＜1.1 Bq/L，滿足《鈾礦冶輻射防護(hù)和輻射環(huán)境保護(hù)規(guī)定》（GB 23727—2020）中第一取水點(diǎn)水質(zhì)的要求，處理后的淡水水質(zhì)各項(xiàng)非放射性指標(biāo)均滿足《城市污水再生利用-城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920—2020）的相關(guān)要求，可用于廠區(qū)灑水和綠化。

表5 反滲透廢水處理效果Table 5 Results of reverse osmosis treatment of wastewater

處理后產(chǎn)生的濃水約為46.8 m3/d，濃水中U天然濃度為0.5～1.0 mg/L，226Ra 活度濃度為5～10 Bq/L，Cl-濃度約為2 300 mg/L。反滲透處理產(chǎn)生的淡水約為140.40 m3/d，其中，107.602 m3/d 的淡水返回配制溶浸劑，1.04 m3/d 的淡水回用于濾餅洗滌，其余31.75 m3/d的淡水用于廠區(qū)灑水及綠化。

3.2.2 反滲透濃水、樹脂反沖廢水、產(chǎn)品洗滌廢水及沖洗地面水等放射性廢水

反滲透濃水、樹脂反沖廢水、產(chǎn)品洗滌廢水及沖洗地面水等放射性廢水排放到蒸發(fā)池，產(chǎn)生的放射性固體廢物主要為蒸發(fā)池殘?jiān)?，堆置于蒸發(fā)池中暫存，待退役時(shí)集中處置。蒸發(fā)池殘?jiān)考皻堅(jiān)派湫运椒治鋈缦滤觥?/p>

1）殘?jiān)黆天然總活度。根據(jù)蒸發(fā)池蒸發(fā)的水量及蒸發(fā)池結(jié)構(gòu)，估算了生產(chǎn)結(jié)束后由于放射性廢水蒸發(fā)遺留的U天然總活度，計(jì)算方法見式（1）。

式中：Q為生產(chǎn)期間放射性廢水蒸發(fā)遺留的U天然總活度，Bq；W為生產(chǎn)期間蒸發(fā)的總水量，m3；Cw為蒸發(fā)廢水中U天然的濃度，mg/L，取吸附尾液濃度1.5 mg/L；25.2 為1 mg U天然對(duì)應(yīng)的活度，Bq/1 mg U天然。生產(chǎn)期間蒸發(fā)的總水量為81.35×340×13=359 567 m3；蒸發(fā)池放射性廢水蒸發(fā)遺留的U天然總活度為1.36×1010Bq/L。

2）殘?jiān)然疃?。?duì)蒸發(fā)池殘?jiān)蠻天然和226Ra 等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表6。由表6 可知，U天然比活度為249.09～603.15 Bq/kg，平均比活度為426.90 Bq/kg，換算質(zhì)量濃度為20.12～48.72 μg/g，平均質(zhì)量濃度為34.48 μg/g。226Ra 比活度為332.00～1 334.00 Bq/kg，平均比活度為696.67 Bq/kg，低于《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）豁免水平。由此可見，生產(chǎn)結(jié)束后蒸發(fā)池殘?jiān)姆派湫运讲桓?，其退役治理可按照鈾礦冶行業(yè)常規(guī)放射性固廢開展，如集中挖除統(tǒng)一填埋或分別就地掩埋等，蒸發(fā)池殘?jiān)?jīng)處理后不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯的影響。

表6 蒸發(fā)池殘?jiān)派湫院怂鼗疃葷舛萒able 6 Concentration of radionuclide activity in evaporation pond residue

4 結(jié)論

通過固井、地表固化和回收方式對(duì)廢井液進(jìn)行處理，對(duì)樹脂轉(zhuǎn)型廢水進(jìn)行反滲透處理，對(duì)反滲透濃水、樹脂反沖等廢水排至蒸發(fā)池蒸發(fā)等措施，內(nèi)蒙古某鈾礦床CO2+O2地浸開采污染物得到很好的治理和控制，各項(xiàng)指標(biāo)符合《鈾礦冶輻射防護(hù)和輻射環(huán)境保護(hù)規(guī)定》（GB 23727—2020）、《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18871—2002）等規(guī)定，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。

1）廢井液放射性較低，U天然平均濃度為38 mg/L，226Ra 活度濃度平均為79 Bq/L，無需專門處理。礦層段鉆孔廢泥漿固井，轉(zhuǎn)化處理的固井液漿減少了固井過程對(duì)套管的損傷，且滿足固井質(zhì)量的要求，降低了對(duì)環(huán)境的影響。高固相廢井液地表固化處理，減少?gòu)U棄鉆孔泥漿坑的數(shù)量，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。低固相廢井液回用技術(shù)，回用率達(dá)60%，節(jié)約新鉆井泥漿配制的成本。

2）樹脂轉(zhuǎn)型水反滲透處理后U天然濃度＜0.05 mg/L，226Ra 活度濃度＜1.1 Bq/L。

3）蒸發(fā)池殘?jiān)蠻天然平均比活度為426.90 Bq/L，226Ra 平均比活度為696.67 Bq/kg；工藝廢水和殘?jiān)舷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。