內蒙古某礦山開采主要污染物治理與環境保護研究

任錦榮，王 浩，閆紀帆，張振強

（1.中核通遼鈾業有限責任公司，內蒙古 通遼 028000；2.內蒙古魯新能源開發有限責任公司，內蒙古 錫林郭勒 026321；3.核工業二四〇研究所，遼寧 沈陽 110032）

地浸采鈾工藝集采冶于一體，具有工藝簡單、污染少[1-4]、礦山建設周期短、基建投資少、現代化程度高、勞動強度低、效率高等優點。該工藝只有地面鉆探工程、浸出液輸送與處理工程，不需要常規礦山開采工藝中挖掘地下井巷、提升礦石、井下通風、地下排水、地表礦石磨碎、攪拌與浸出等工程，員工工作以監測設施、設備，調節各項技術參數為主，極大地降低了工作強度，改善了工作環境[5]，保證了采礦工作的安全性。地浸采鈾礦山建設周期一般為1.0～1.5 a，為常規鈾礦建設周期的四分之一；地浸采鈾礦山基建投資為常規礦山基建投資的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）實現經濟開采[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，對地下水及環境的污染少，是國內外地浸采鈾的發展方向[10]。內蒙古自治區某鈾礦從2006 年開始采用中性（CO2+O2）地浸采鈾工藝，通對礦山的污染產生及防治進行長期的跟蹤研究，可知其主要污染源有抽注液孔施工產生的廢井液（鉆孔施工和管道安裝破壞地表、工藝事故的溶液流失對地表水產生影響）和工藝廢水及氡氣。前人對氡[11]、地下水防治[12]做了較深入的研究，本文重點對鉆孔泥漿、工藝廢水和蒸發池殘渣方面開展研究。

1 礦區概況

礦區東西長5.50 km，南北寬3.50 km，周圍地表為第四系部分沙化的草原，地勢由西南向東北逐漸傾斜，地形標高一般為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。礦區多年平均蒸發量為1 774.2 mm，多年平均降雨量為373.6 mm。礦體產于姚家組地層，埋深為212～315 m。巖性為以中砂巖、細砂巖為主，膠結疏松。砂體連通性好，傾角為5°～9°。頂底板均為泥巖，具有完整的泥-砂-泥地層結構，主要含礦層滲透系數平均為0.025～0.223 m/d。

2 鈾礦區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）。本文重點對廢井液、工藝廢水和蒸發池殘渣進行研究。

圖1 主要污染源產生流程圖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[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生大量的細粒巖屑；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），有機質含量少（燒失量質量分數平均為6.78%、總有機碳質量分數平均為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；重金屬含量相對較少，成分比較簡單，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 廢井液產生量

生產過程中抽液井、注液井及監測井的施工過程中會產生一定量的廢井液。抽液井單井廢井液產生量約為20.30 m3，其中，在到達含礦層后含放射性泥漿產生量約為3.00 m3；注液井和監測井單井廢井液產生量約為10.45 m3，其中，在到達含礦層后含放射性泥漿產生量約為2.00 m3。生產期間廢井液的總產生量約為25 500 m3，其中，含放射性泥漿廢井液約為4 200.00 m3。對于單個抽液井含礦段產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%計算，抽液井產生的放射性泥漿中U、226Ra、Cl-情況見表1。注液井和監測井計算方法和結果與抽液井大體相同。由此可見，生產鉆孔產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型廢水、樹脂反沖廢水、產品洗滌廢水等[14]。各種廢水的水質情況見表2。對樹脂轉型廢水進行反滲透處理，將樹脂反沖水、產品洗滌廢水排至蒸發池，自然蒸發。

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

2.2.1 樹脂轉型廢水

樹脂轉型廢水主要來源是由于抽大于注而產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，廢水直接排至蒸發池蒸發。

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，廢水直接排至蒸發池蒸發。

3）產品洗滌廢水。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，廢水直接排至蒸發池蒸發。

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，廢水直接排至蒸發池蒸發。放射性廢水不外排，全部輸送至蒸發池蒸發處理。

2.3 蒸發池殘渣

蒸發池采用夯土式結構，池壁坡度1∶2，單個蒸發池池長80 m、寬50 m、深1.5 m；新防滲層，蒸發池之間通過分配管道和閥門控制進入蒸發池的廢水量，蒸發池之間設連通管。蒸發池防滲層下設置檢漏設施，防止蒸發池的泄漏污染區域地下水[15]。

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

表3 蒸發池月廢水產生量和蒸發廢水量Table 3 Monthly wastewater output and evaporation capacity in evaporation pond 單位：m3

由表3 可知，所有蒸發池中剩余總水量最大值為5 817.1 m3，此時單個蒸發池平均水量為969.5 m3，出現在每年的三月，原因主要是冬季的蒸發量相比降水量小。蒸發池總容積為36 000 m3，保守考慮每個蒸發池泄漏發生在池內剩余水量最大的三月，此時將其池內廢水量通過潛水泵輸送至其他蒸發池，總容量約30 000 m3，有足夠的容量容納所有蒸發池中遺留的5 817.1 m3廢水量，可為泄漏蒸發池的維修提供時間和空間的保障。蒸發池殘渣主要為土工膜以上的物質構成，分別為30 cm 厚的黏土和磚塊，殘渣質量約為13 000 t。

3 環保措施與效果

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行固井處理。對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行地表固化處理；含固相較少的鉆井液進行凈化回用處理[14]。

圖2 廢井液處理技術路線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，礦渣添加質量分數為35%～40%，24 h 固井，強度大于2 MPa，可滿足固井需求；激活助劑選擇G 級水泥；固井配比為：100%廢鉆孔泥漿+40%礦渣微粉+10%液堿+5%G 級水泥。隨著固化劑加入量的增加，固化強度迅速增高。礦層段廢井液固井漿體完全固化后，其強度可滿足地浸工藝鉆孔固井質量要求。通過采用該固井技術，既對礦層段廢井液進行了處理，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，符合該地土壤和農作物的需求；凈水劑選用聚合氯化鋁，凈水效果和經濟性好于聚丙烯酰胺；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，回用率達60%，節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，轉化處理的固井液漿體減少了固井過程對套管的損傷，且滿足固井質量的要求，降低了對環境的影響。高固相廢井液地表固化處理，減少廢棄鉆孔泥漿坑的數量，保護了生態環境。低固相廢井液回用技術，回用率達60%，節約新鉆井泥漿配制的成本。

3.2 廢水的治理措施

3.2.1 樹脂轉型廢水

1）廢水處理工藝。對含有Cl-較高的樹脂轉型廢水進行反滲透處理，處理規模為60 m3/h，處理工藝參數見表4。先進行加藥除氧預處理，預處理后的廢水依次經過精度為55 μm 的機械過濾器、20 μm 的袋式過濾器、5 μm 的袋式過濾器過濾，過濾后的廢水進入反滲透裝置進行反滲透處理，處理后的濃水輸送至蒸發池自然蒸發，淡水回用于生產或用于廠區。

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

2）廢水處理效果。反滲透技術處理采鈾工藝廢水設備穩定性較好，出水水質穩定，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《鈾礦冶輻射防護和輻射環境保護規定》（GB 23727—2020）中第一取水點水質的要求，處理后的淡水水質各項非放射性指標均滿足《城市污水再生利用-城市雜用水水質》（GB/T 18920—2020）的相關要求，可用于廠區灑水和綠化。

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的淡水用于廠區灑水及綠化。

3.2.2 反滲透濃水、樹脂反沖廢水、產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、產品洗滌廢水及沖洗地面水等放射性廢水排放到蒸發池，產生的放射性固體廢物主要為蒸發池殘渣，堆置于蒸發池中暫存，待退役時集中處置。蒸發池殘渣量及殘渣放射性水平分析如下所述。

1）殘渣U天然總活度。根據蒸發池蒸發的水量及蒸發池結構，估算了生產結束后由于放射性廢水蒸發遺留的U天然總活度，計算方法見式（1）。

式中：Q為生產期間放射性廢水蒸發遺留的U天然總活度，Bq；W為生產期間蒸發的總水量，m3；Cw為蒸發廢水中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天然對應的活度，Bq/1 mg U天然。生產期間蒸發的總水量為81.35×340×13=359 567 m3；蒸發池放射性廢水蒸發遺留的U天然總活度為1.36×1010Bq/L。

2）殘渣比活度。對蒸發池殘渣中U天然和226Ra 等進行監測，監測結果見表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，換算質量濃度為20.12～48.72 μg/g，平均質量濃度為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《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）豁免水平。由此可見，生產結束后蒸發池殘渣的放射性水平不高，其退役治理可按照鈾礦冶行業常規放射性固廢開展，如集中挖除統一填埋或分別就地掩埋等，蒸發池殘渣經處理后不會對周圍環境產生明顯的影響。

表6 蒸發池殘渣放射性核素活度濃度Table 6 Concentration of radionuclide activity in evaporation pond residue

4 結論

通過固井、地表固化和回收方式對廢井液進行處理，對樹脂轉型廢水進行反滲透處理，對反滲透濃水、樹脂反沖等廢水排至蒸發池蒸發等措施，內蒙古某鈾礦床CO2+O2地浸開采污染物得到很好的治理和控制，各項指標符合《鈾礦冶輻射防護和輻射環境保護規定》（GB 23727—2020）、《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）等規定，不會對環境產生影響。

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，轉化處理的固井液漿減少了固井過程對套管的損傷，且滿足固井質量的要求，降低了對環境的影響。高固相廢井液地表固化處理，減少廢棄鉆孔泥漿坑的數量，保護了生態環境。低固相廢井液回用技術，回用率達60%，節約新鉆井泥漿配制的成本。

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

3）蒸發池殘渣中U天然平均比活度為426.90 Bq/L，226Ra 平均比活度為696.67 Bq/kg；工藝廢水和殘渣符合相關標準的要求。