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国外地浸铀矿山地下水修复技术

北极星环境修复网  来源:生态修复网  作者:荣耀 荣恪萱  2021/5/26 9:16:09  我要投稿  
所属频道: 环境修复  关键词:地下水修复 铀矿山 ISL

北极星环境修复网讯:目前原地浸出(ISL)采铀已成为铀生产的主要方法,原地浸出采铀的产量约占世界铀产量的50%。ISL采铀具有经济回采很低品位矿石的能力,具有开发成本较低、劳动生产率高、作业安全性好、开发周期较短、环境影响较小等优势。

ISL采铀对环境有一定影响,对ISL采铀后的矿山进行环境治理与修复是绿色矿山建设的重要环节。到目前为止,国外对ISL采铀的主要公众关注点是其对饮用水源的潜在污染。如果在采铀过程中溶浸剂没有得到适当控制,则有可能影响邻近的地下水;如果在采铀后地下水以污染状态继续留存,也有可能影响邻近的地下水。因此,一些国家要求对采铀后的地下水进行修复。

1原地浸出采铀方法和特点

目前,国际上主要采用2种ISL方法开采铀矿,即酸法浸出和碱法浸出。澳大利亚、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和俄罗斯等国通常使用酸法浸出;美国则使用碱法浸出(因为大多数矿体中的碳酸钙浓度大于1.5%,若采用酸法浸出将导致高酸耗)。浸出剂类型应根据矿体的地质或地球化学性质,以及地下水的水质确定;开采后的地下水修复方法则取决于开采过程中使用的浸出剂类型。ISL浸出方法的技术特征见表1。

表1 ISL浸出方法的技术特征

2国外ISL铀矿山地下水主要修复方法

国外ISL铀矿山在进行地下水修复时,对于酸法开采区域通常采用自然衰减进行修复;对于碱法开采区域通常采用抽水、处理、净水再注入进行修复。修复过程中,也采用生物修复、化学还原剂还原以及增强的自然衰减等技术作为补充,或者联合运用这些技术;目前部分技术仍处于研究试验阶段。国外ISL采铀部分应用实例见表2。

表2国外ISL采铀应用实例和修复/关闭方法

3美国碱法地浸矿山地下水修复

3.1 ISL地下水修复监管

根据联邦和州法规,ISL采矿结束后,采矿者需要将开采区域含水层的地下水化学修复到本底水平;在最低限度内,将采区内的地下水修复至与采矿前的水质一致,以便可以恢复以前的用途。

3.1.1联邦法规

1)美国核管理委员会(NRC)。

美国核管理委员会根据美国联邦法规的Title 10 Part 40中附录A的标准5对采矿和修复进行管理。这些规定主要针对铀选冶尾矿管理,NRC没有针对ISL工艺生产或修复的规定。

NRC要求被许可方将ISL地下水修复到本底水平;如果不能达到本底值,则须达到替代浓度限值(ACL),该替代浓度限值通常比本底值高。ACL必须表明所关注的元素不会对人类健康或环境构成威胁,通常采用归宿-运移模型(fate-transport)评估ACL对下游含水层的影响。

2)美国环境保护署(EPA)。

为了获得对ISL采矿的批准,运营商须根据美国《安全饮用水法案》及EPA地下注射控制大纲(UIC),在采矿前获得开采区域的“含水层豁免”。UIC规定见于美国联邦法规的Title 40 Part 144和146。为获取含水层豁免,运营商须表明含水层现在或将来不用于提供饮用水,因为含水层被天然铀及其衰变产物(包括镭-226和氡-222)高度矿化,超过了环保署饮用水最大污染物水平限值。

3.1.2州法规

每个州的ISL地下水修复均受到类似于联邦法规的管制。对于没有制定相关法规的州,联邦机构是主要监管者;对于执行联邦法规优先的州,州与NRC和/或EPA达成协议,在本州内执行对ISL的监管,如德克萨斯州;也有的州实行双重管理,如怀俄明州等。诸如怀俄明州、德克萨斯州和内布拉斯加州这样拥有ISL铀矿山的州均有相关规定,明确要求在采矿后进行地下水修复,并要求尽可能修复到本底水平;如果不能实现,则修复到使用级标准(饮用水、畜牧或农业用水)或执行ACL。

3.2碱法浸出地下水修复技术

采用碱性溶浸剂的井场在开采完成后,矿体的地下水中含有来自浸出剂的碳酸氢盐、残余铀、镭-226以及硒、砷等,地下水含有较高的总溶解固体(TDS),应采用一些工艺技术来清除这些残余组分,使地下水水质修复到本底水平或采矿前用途的状态。监管机构要求使用最佳实用技术(BPT)处理受污染的地下水,使其水质达到背景值或本底条件。

在美国,属于BPT的技术有地下水抽除(消除残余采矿溶液);抽水、处理和净水回注(通常采用反渗透技术处理污染水);化学还原(通过除氧和金属沉淀创造还原环境);生物修复。其他修复技术,如自然衰减,如果是独立使用,则不被认为是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。在地下水抽除过程中,井场会形成水力降落漏斗,吸纳原生地下水并将浸出液隔离在井场中。地下水抽取的体积取决于运行过程影响的区域范围、含水层水文特性和抽取能力。

抽取的体积以孔隙体积(PV)为单位数定义,PV与井场面积(ft2)、开采厚度(ft)、孔隙率(%)有关。对于1个面积30英亩、矿化厚度20 ft、孔隙率25%的井场,1 PV=30英亩×43 560 ft2/英亩×20 ft×25%×7.48加仑/ft3=48.9百万加仑。

地下水抽除体积一般为0.5~3.0 PV,必须通过深井注入、处理及地表排放或蒸发来合理处置清理过程产生的大量抽出水。目前认为该方法效果不佳,应用有限。

3.2.2抽水、处理和净水回注

抽水、处理和净水回注修复技术可配合地下水抽除使用,也可独立使用。在此阶段,从井场抽取地下水,用离子交换法除铀,然后通过反渗透单元(RO)处理,去除其中95%~98%的溶解组分后,将水重新注入井场。反复进行该过程,直到达到修复目标为止。修复过程产生的反渗透浓水则通过深井处置或其他方法进行处置。该阶段一般需要进行5~15 PV。使用RO技术处理地下水对降低TDS的效果较好,但TDS的改善会达到临界点。

按照美国的规定,要求在修复过程中系统维持一定的外排量。这一阶段地下水的外排量为全部循环地下水的10%~30%。在RO阶段开始时,被处理的地下水TDS高(2~5 g/L),反渗透产生的净水比例较小(70%再注入),产生的浓水(30%)被排出系统另作处置。将反渗透产生的净水回注入井场后,可降低井场地下水中的TDS。在RO阶段运行后期,反渗透产生的净水比例可高达90%,而浓水量可降低至10%。

3.2.3化学还原

完成反渗透处理后,铀、硒、砷等组分可能以高于本底浓度残留在井场内;而这些组分在含水层的氧化条件降低前不会减少,也可能继续被浸出,添加化学还原剂可以有效地降低这些组分的浓度。工业使用的化学还原剂主要有硫化氢气体、硫化钠、亚硫酸钠等,这些还原剂可作为除氧剂在注水前加入,也可在反渗透处理后注入井场。

3.2.4生物修复

怀俄明州的1个ISL矿山使用了生物修复技术。生物修复利用矿体中天然存在的细菌提供相似的还原条件,实现与添加化学还原剂相同的效果。生物修复技术是有效的,特别是对于像硒和铀这样的组分;但主要表现为短期效果,长期效果不明显。

使用生物修复技术前,应先在井场内进行大量小型试验,调整优化技术参数后可在井场更大的区域内应用。地下水生物修复技术具有良好的应用前景,可作为整体修复措施的一部分使用[7]。

3.2.5地下水再循环和自然衰减

地下水再循环可将井场内部的溶液混合,以分散可能存在的渗流峰值。该修复措施可以有选择地使用。

自然衰减从未被监管机构认为是修复或BPT的主要方法。该方法对含水层不进行任何抽除,地下水中的污染物在向下游运移时简单地衰减。归宿-运移模型分析和最近的测试表明,下游环境对镭-226、铀和硒具有显著的自然衰减能力。自然衰减在ISL修复中应得到更多的应用,特别是在采用了其他修复技术之后,事实上它也是NRC执行ACL的基础。

3.3可实现的修复结果

尽管期望将所有组分都修复到背景水平,但由于采矿过程中的地球化学变化,实际上只有大约85%的地下水组分可修复到背景水平。如果不能达到背景水平,怀俄明州以采矿前的地下水使用类别作为修复标准,开采前矿体内的地下水是不饮用类别,只适合工业用途,那么在修复后通常所有组分会满足修复要求。

在地下水修复所监测的30个化学组分中,通常有5~8个组分高于使用级标准,一般包括:铀、硒、镭-226、TDS、砷、锰。此时,必须通过建模分析,说明这些组分不会迁移到井场之外并影响可用的地下水,这是执行ACL的基础。在怀俄明州进行的所有修复模型预测都表明,在非饮用水矿体中残留的高于饮用水标准的组分不会迁移到井场之外的地下水使其降低使用等级。

截至2009年,在美国没有任何1项ISL修复措施能够成功将含水层修复到本底状态。通常在监测末期,修复期间减少的污染物又通过缓慢解吸、再氧化以及从低渗透区向高渗透区缓慢移动等继续增加。这就需要进一步研究并应用新的修复技术,如生物修复和受监控的自然衰减等。

由于地下水修复所需的费用占地浸铀矿山环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处理水量。估算地下水修复费用时,可以根据以前非常规铀生产设施退役的经验,进行类比并确定一个保守的处理量。

3.4修复后稳定性监测

在所有修复阶段完成后,需要进行一段时间的监测,以确保井场得到修复,化学组分保持稳定。这一时期的监测称为稳定性监测,通常持续1年。每2个月从监测井中取样1次,并在井场内建立化学组分基准线,在监测结束时评估变化趋势。美国环保署拟将稳定性监测时间提高到12年,但仍在讨论中。

监测表明,大部分化学组分在1年后都基本保持稳定,仅出现小幅波动;但其中的铀浓度会增加。使用归宿-运移模型分析表明,随着时间的推移和地下水的迁移,铀浓度实际上可以得到自然衰减。

3.5归宿-运移分析建模

使用归宿-运移模型,可以分析在井场修复中不能降低到本底或使用级别水平的组分对下游地下水的影响程度。例如:在怀俄明州Irigaray井场修复模型分析中,分别使用了MODFLOW、MODPATH和MT3DMS软件建立数值模型;该模型基于对流传质考虑组分净化,将地球化学反应因素的影响降到最低,分析结果偏保守,对井场下游组分的预测过高。如果考虑地球化学输入的话,PHREEQC模型可能更加适用。

Irigaray井场修复分析模型的输入参数为导水性、水力梯度、有效孔隙率、扩散性以及一些化学组分的分布系数,适用于铀、硒、镭-226和锰元素的分析。根据时间的推移,分析井场边界之外的地下水是否符合标准要求。修复后的归宿-运移模型分析如图1所示。结果显示,不能修复到本底或使用级别水平的铀不会影响到下游的地下水。修复结束时,井场内铀质量浓度为2.1 mg/L,井场外铀质量浓度(本底)为0.016 mg/L。

图1归宿-运移模型分析铀浓度变化

3.6 ISL废水管理与处置

美国ISL采铀废水的主要来源有:井场生产的抽大于注,通常为平均流量的0.5%~3.0%;越界流散控制;工艺废水;地下水修复时抽取的溶浸液。这些废水含有浸出液、放射性物质和浸出的矿物质,不同的废液应考虑不同的处置方案。

废水处置方案有:1)蒸发池蒸发;2)处理与地表排放,不包括反渗透浓水、工艺水排放或工艺废水;3)深井注射(EPA Ⅰ类注射),适用于所有含铀废水,包括反渗透浓盐水、工艺废水,被认为是最有效的ISL废水处置方法;4)浅井注射(EPA Ⅴ类注射),只用于处理不影响较浅区域现有水质的废水;5)土地灌溉。

4澳大利亚贝弗利/四英里铀矿关闭修复

4.1澳大利亚ISL管理导则

澳大利亚ISL管理导则由澳大利亚地球科学组织制定。每个ISL铀矿的运行/修复方案都是独有的,矿山修复的最佳实践是:1)在可接受的时间内实现环境影响最小化修复目标的技术应用;2)平衡不同的主动处理方案(包括基础设施、能耗和废水产生的影响)、自然衰减以及附加措施增强的自然衰减(附加措施包括地下水抽除、化学还原处理、生物修复等)。

4.2地下水水质

贝弗利/四英里铀矿地下水水质为不使用类别,采矿和净化区域地下水质参数:TDS为2~12 g/L;铀质量浓度为1 mg/L;镭活度浓度为500 Bq/L;氟质量浓度为20 mg/L。根据相关管理限值,该地下水不适合饮用、灌溉和牲畜使用。

4.3酸法ISL中的化学/微生物因素及模型参数

酸法ISL的自然衰减受岩石-水相互作用以及硫酸盐还原菌等微生物作用的共同影响。建立3D反应-运移模型所需参数的获取途径有:实验室测试;通过ISL动态模拟,实现参数调整与运行数据的对比(净化效应明显处);监测数据(监测井)。

4.4 ISL矿山关闭的建模分析方法

建模分析步骤包括:1)矿床勘探/圈矿;2)三维结构建模,划定区域尺度和矿体,这个阶段主要数据类型有地层、矿体轮廓/品位、地球物理/水文、矿物学(主要反应性矿物质);3)三维水文建模,确定地下水径流条件(区域尺度模型);4)1D-3D反应-运移建模,在区域尺度地下水流场模型中嵌入ISL井场,进行ISL控制和优化;5)采矿后的1D-3D反应-运移建模,建立采矿水体的3D水文地质流场,在空间和时间上模拟自然衰减的1D-3D反应-运移,并对长期监测进行评估;6)进行采矿后流体的归宿预测(100年后流体赋存场景如图2所示)及采后某组分羽流(如0~250年SO42-水平)时空模拟分析[13]。

图2 ISL采后100年的流体赋存场景(白垩纪构造,始新世含矿含水层)

4.5采矿后监测

根据水文流场条件,采矿后将部分的生产井转化为监测井;同时在井场外,特别是在下游方向设置专门的监测井,用于衰减效果的监测。

自然衰减(NA)效果是很明显的,衰减效果已在ISL运行、实验室试验、废弃井场的监测中得到验证。如果需要,还可实施增强衰减措施。

5捷克Stráž铀矿采铀及修复

5.1铀矿床ISL采铀概况

Stráž铀矿床采用酸法地浸采铀,1977年达到最大产能(约859.5 tU),通过ISL共生产15 861.8 tU。

造成生态负荷较大的原因有:1)从水力学条件来看,相邻区域存在2种完全不同的采矿方法(深井采矿、化学浸出);2)采矿前对岩体水文地质和水化学环境的勘查不足;3)采矿初期建井粗糙;4)在地下水和工艺溶剂管理方面存在缺陷。

5.2地下水主要污染物

2015年,Cenomanian含水层面积为27.3 km2,受影响的地下水体积超过3.74亿m3,SO42-总溶解量为303万t, SO42-最大质量浓度为50~60 g/L;Turonian含水层的局部隔离水体,受影响的地下水体积0.27亿m3,SO42-总溶解量少于7 500 t。SO42-、NH4+和Al3+是这2个含水层的主要污染物[14]。

5.3修复目标

环境修复目标为:1)使岩体环境修复到确保波希米亚北部白垩纪土仑阶含水层的持续可用状态;2)钻孔和地表设施退役;3)将井场地表纳入生态系统,考虑区域生态系统的稳定性和城市规划。2011年在风险分析的基础上,基于数百个逆数值计算、水文地质、平流和反应性运移模型分析,确定了修复参数目标值并经当局批准(表3),此后每5年更新风险分析并重新得到确认。

表3地下水修复参数目标值

5.4修复方法

主要修复方法:1)从地下抽取污染水并利用地表处理工艺进行处理,以得到工业用产品和生态可储存产物;2)将污染物的原位固定和地下水化学条件拟合,用于后续受监测的自然衰减(在整个修复过程完成后)。

地表处理工艺包括:1)化学提取。采用离子交换法吸附水中的铀,用HNO3进行淋洗,用铵盐进行沉淀,最大输入量为4.2 m3/min, 输出产量为13 kgU/h。2)蒸发和结晶。将溶浸液在3个蒸发器中进行加热蒸发,并在4个结晶器中进行铵-铝-硫酸盐结晶。从化学站输入的最大流量为2.5 m3/min(每个蒸发器),输入溶液的TDS约为60 g/L。3)中和。在母液再生站及中和站NDS10,采用石灰乳两级中和,滤饼运至尾矿库,净水注入到前Hamr I采区和排入Ploucˇnicecˇnice河;在中和站NDS6,采用石灰乳中和,滤饼进入尾矿库,水加氯后排入Ploucˇnicecˇnice河。

5.5修复监测与管理

修复监测和管理的主要手段包括:建立地下水监测井网;岩心取样分析;地球物理方法、编录;水化学监测、混合采样、分区抽样;数学建模(地下水流场、对流运移、反应性运移);修复参数目标值的统计评价;确认/更改TVRP的风险分析。

6结语与启示

1)应加强对ISL采矿后的环境影响及地下水修复技术的研究,制定相关法规和标准,对修复工作做出规定并进行监管。

2)应根据每个矿山开采使用的浸出类型、水文地质条件、修复目标、成本等综合研究确定其地下水修复方案,通常采用的技术有:地下水抽除;抽水、处理、净水回注;化学还原;生物修复;自然衰减或修复后的自然衰减等。自然衰减(包括修复后的自然衰减)应采用归宿-运移模型数值模拟方法,进行采矿后流体的归宿预测及采后羽流时空模拟分析,并结合其他方法及相关标准,对下游含水层的风险进行评估和论证。

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