淺析鋯鈦礦選礦工藝的輻射防護和輻射環境安全

蘇超麗，梁明浩，鄧 飛，程曉波，戴家鋮

（廣東省環境輻射監測中心，廣州 510300）

伴生放射性礦開采和選冶過程中，核素遷移和富集給工作人員、公眾和環境造成的輻射影響很早就得到業內高度的重視。早在1991 年，湖北、湖南、安徽、江西和浙江開展了石煤伴生礦開發利用的輻射影響調查研究。1999年，廣東和四川等省開展了伴生放射性礦的輻射環境影響調查［1-6］。2007年、2017年全國第一、第二次污染源普查也都將伴生放射性礦放射性污染源列入普查對象。國家相關部門也相繼出臺了一系列法規標準［7-9］。

我國80%的鋯鈦礦位于廣東省，主要分布在湛江和茂名等沿海區域。本文對廣東省典型的4家鋯鈦礦選礦企業的工作場所和環境的放射性水平進行了監測，研究分析了鋯鈦礦選礦工藝過程中的輻射防護和輻射環境安全影響，并對該類企業的輻射防護和輻射環境安全管理提出了建議，可供相關部門監督執法參考。

1 物料中放射性水平

1.1 選礦工藝

鋯鈦礦重選廠工藝較簡單，主體建筑布局基本相似，污染治理措施也類似。鋯鈦礦重選廠的主要工藝流程見圖1。

圖1 生產工藝流程Fig.1 Production Process

各廠的主體工程主要有：鈦鐵礦車間（A廠設有單獨的濕式磁選車間，其他三個廠磁選與鈦鐵礦車間布設在一起）、電選車間、搖床水選車間、產品倉庫和副產品（獨居石等）倉庫等［5］。

輔助工程主要有：原料堆曬場、中礦堆場、尾礦堆場、三級沉淀池和循環水池等。生產工藝流程詳見文獻［5］。

1.2 原料來源及產品組分

本文所選4 個鋯鈦礦重選廠的規模不盡相同，年選礦量分別為12.5、4.0、4.5、4.2萬t，各廠日加工分離礦量為105～300t，工作人員17～80人，分別冠名為A、B、C、D廠。原料來源、選礦量及產品組分等參數見表1。由于鋯鈦礦原礦的來源不同，其中各種礦石的含量也不同。從原料來源和產品組分可以看出，原料中的主要成分是鈦鐵礦，獨居石的含量較少（0.02%～0.7%）。

表1 原料來源及產品組分Table 1 Raw material sources and product components

1.3 各類物料放射性水平分析

為了解放射性核素在選礦活動中的走向，本文測量了鋯鈦礦選礦廠不同生產環節原料、產品、副產品及尾砂等固體物料中的放射性核素活度濃度，監測結果見表2。

表2 固體物料的放射性核素活度濃度Table 2 Radionuclide activity concentration of solid materials

由表2 可見，鋯鈦伴生礦有較高的放射性水平，核素的活度濃度超過了豁免水平1 Bq/g。在選礦過程中，原礦中的放射性核素發生了轉移，大部分富集在獨居石和鋯英砂中，特別是富集在獨居石中的含量較高，部分核素的活度濃度超過了10 Bq/g。因此，鋯鈦礦選礦企業應當重點加強對獨居石的管理，不僅需要做好獨居石臺賬，防止產品流失，還應按照放射性物料做好獨居石的日常輻射防護管理工作。

2 放射性污染物的產生

2.1 廢水

選礦過程中用水量較大，每噸礦物分選需用水約2 t，但是選礦用水經沉淀后循環使用，不外排。盡管工藝廢水不外排，但考慮到選礦廠露天場地集雨面積大，且降雨量大并集中，暴雨季節可能導致循環水溢出進入環境，因此，本文對4家選礦廠的工藝循環水使用前后的總放射性水平也進行了測量（未取到A 廠使用前的廠區內井水），監測結果見表3。

由表3 監測結果可見，工藝廢水中的總α 和總β 放射性活度使用前后無明顯變化，且均滿足廣東省地方標準《水污染物排放限值》中總放射性排放濃度的要求（總α＜1.0 Bq/L，總β＜10 Bq/L）。這一結果說明此類礦物在用水重力選礦過程中放射性核素的可溶性差，事實上，此類礦的成因即決定了它的溶浸性能（在數百萬年水沖刷作用下，因密度差異而逐漸集聚，已與低密度硅砂分離）。

表3 工藝循環水的總α和總β水平Table 3 Total α and β levels of process circulating water

2.2 廢氣

項目產生的放射性廢氣主要包括電選和磁選車間微量的粉塵，以及礦物中鐳-226衰變產生的氡氣。電選和磁選車間的粉塵（礦塵）經布袋除塵或在密閉空間進行，不外排，氡氣經排風扇吹風稀釋或自然排放。生產車間和廠界粉塵濃度監測結果見表4，烘干爐煙塵排放監測結果見表5，工作場所和邊界氡濃度監測結果見表6。

表4 生產車間、廠界粉塵濃度Table 4 Dust concentration in workshop and boundary

表5 烘干爐煙塵監測結果Table 5 Dust monitoring results of drying furnace

表6 生產車間、廠界、周圍村莊空氣中氡濃度范圍Table 6 Concentration range of radon in the air of work?shop,factory boundary and surrounding villages

B 廠驗收期間門口正在施工改造，揚塵量較大，采樣點距施工點約5 m，廠界粉塵（TSP）量0.3 mg/m3；C廠南邊界外為磚廠，粉塵濃度較廠內生產車間高。由粉塵濃度監測結果可見，TSP 濃度滿足《環境空氣質量標準》（GB3095—2012）二級標準要求（＜0.3 mg/m3）。

從表4、表5 的結果來看，生產車間和廠界的TSP濃度較低，烘干爐中煙塵的顆粒物濃度較高，主要與使用的燃料有關，礦物的比重較大，煙塵中含有放射性礦物的比例可能很少，但相關單位仍應按照《伴生放射性礦開發利用環境輻射監測和信息公開辦法》對烘干爐窯的煙塵中放射性水平進行監測。

由于氡和氡子體被包裹在礦砂中，釋放速率慢，而倉庫的空間大，通風效果好，故工作場所中氡濃度較低，所有測點空氣中氡濃度均小于50 Bq/m3，滿足《電離輻射防護及輻射源安全基本要求》（GB 18871—2002）和《民用建筑工程室內環境污染控制標準》（GB 50325—2020）的控制要求。

2.3 放射性固體廢物

鋯鈦礦選礦廠的固體廢棄物為尾砂，其放射性水平較低（見表2），放射性核素經過各種選礦工序后都進入了產品或副產品中。尾沙中的放射性水平與廣東省土壤一致，甚至略低，遠低于清潔解控水平，因此，鋯鈦礦選礦廠沒有放射性固體廢物產生。

2.4 廠區及周圍環境輻射水平

各選礦廠廠區及周圍環境的γ劑量率監測結果見表7。

由表7 可見，雖然4 家生產企業的原礦來源不同，規模不一，但各車間的放射性水平基本相當，普遍高于周圍村莊，辦公室和廠內宿舍等非生產區域的γ劑量率與廠外周圍村莊原野處于同一水平，周圍村莊等居民點的與當地本底水平一致［10］。

從表7 的檢查結果來看，原料庫堆場和產品庫的γ 劑量率很高，特別是獨居石倉庫的γ 劑量率高達100 μGy/h；，電磁選車間γ劑量率較高，有的達到了μGy/h量級，由此推斷，應該是物料在車間有灑落。搖床水選車間的γ 劑量率較小，主要原因是礦石隨搖床振動而被水推動，分散量小、單位面積礦量少且被水屏蔽。辦公室和場內宿舍的γ劑量率很低，與外環境的本底值基本一致，說明未受到污染。部分單位的廠界γ 劑量率偏高，原因應該是物料運輸或堆放管理不善，廠界受到一定污染。

表7 鋯鈦礦重選廠及周圍環境γ劑量率監測結果Table 7 Monitoring results of gamma dose rate in zircon titanium gravity concentration plant and surrounding environment

2.5 獨居石的輻射安全管理

由于獨居石的放射性水平較高，所以，鋯鈦礦選礦廠應加強對獨居石的輻射安全管理，本文建議：建庫暫存，并保持良好的通風，獨居石暫存庫一般設置在人員活動少的區域；建立獨居石出入庫臺賬，記錄銷售去向；由于獨居石的外照射水平很高，所以氡濃度引起的內照射也不應被忽視，應加強對獨居石副產品包裝崗位和出入獨居石倉庫工作人員的輻射防護管理，相關工作人員應接受省生態環境部門授權的培訓機構考核并取得輻射工作人員上崗證。一般情況下，輻射工作人員每年近距離接觸獨居石的時間為數十小時，工作期間佩戴個人劑量計并定期送檢，個人劑量計單次（約90 d）監測最大值均小于0.5 mSv，2015—2018年4家選礦廠輻射工作人員年受照劑量最大值為1.5 mSv。

3 溶浸試驗

盡管幾家選礦廠工藝循環水監測的總放射性水平不高，使用前后總放射性水平變化不大，均符合排放標準，但本文為了驗證工藝循環水監測結果的可靠性，選取放射性水平較高的鋯英砂和獨居石進行浸泡試驗，以確定鋯鈦礦重選工程可能出現的環境風險概率。試驗按照一般使用條件和極端酸性（酸雨）條件進行［11］。

試驗選用B 廠的井水作為試驗用水，測量其總α和總β值，再將水樣一分為二，一份直接浸泡礦樣，一份使用HNO3和H2SO4模擬酸雨（調成pH=2.5，以下稱酸化水）做浸泡試驗，試驗過程如下：

將約300 g 獨居石和鋯英砂分別置于1 L 燒杯中，分別加入試驗用水和酸化水各500 ml，攪拌，每隔約24 h再次攪拌，直至第30日，將水與礦砂分離，對分離后的水樣按照文獻［8］測量其總放射性水平，分析結果見表8。

表8 浸泡礦砂前后水樣的總α和總β水平Table 8 The total α and β levels of water samples before and after mineral sand soaking

試驗結果表明：未經酸化的選礦水樣浸泡礦石前后其總α 和總β 基本沒變化，而使用酸化水浸泡后水樣的總α 和總β 均有升高，特別是浸泡獨居石后的酸化水，明顯有放射性核素溶出，總α超過廣東省地方標準《水污染物排放限值》（DB44/T26—2001）規定的排放限值。

因此正常的工藝循環水放射性指標滿足排放要求，但若用酸性水選礦，重復利用過程中將有放射性核素溶出。

4 結論與建議

鋯鈦礦伴生有較高水平的放射性物質，選礦過程中的工藝廢水中放射性水平較低，尾礦沙的放射性水平很低，與土壤中的放射性水平基本一致。原礦中的放射性物質在選礦過程中進入到了鋯英砂、鈦鐵礦、金紅石和獨居石等產品或副產品中，特別是獨居石的放射性水平較高。廠區辦公區域和廠內宿舍的γ劑量率和廠區外環境的γ劑量率與本底基本一致，未受到明顯污染。重選車間和電磁選車間的γ劑量率偏高，氡濃度也明顯高于環境中氡的濃度，應加強車間物料管理和通風。原礦堆放場和獨居石倉庫的γ劑量率很高，特別是獨居石暫存庫，γ 劑量率接近100 μGy/h，應加強對相關工作人員的輻射防護。

從對4家鋯鈦礦選礦廠的物料、工作場所、流出物和外環境的放射性監測結果來看，正常情況下對環境的輻射影響不大。但由于大部分物料的放射性水平較高，在部分廠區和廠界已經受到了一定放射性污染。因此，要加強對相關物料的管理，原礦不能露天堆放，以防止產生揚塵，污染廠區。選礦廠應加強對各類產品和副產品的管理，建立臺賬，暫存庫的要求應該滿足《伴生放射性物料貯存及固體廢物填埋輻射環境保護技術規范》(HJ 1114)的要求。應加強對工作人員的輻射防護管理，特別是對近距離接觸放射性水平較高物料的工作人員，應建立職業照射檔案。