Характеристика отходов переработки урановых руд

Отходы уранового производства по существу можно подразделить на две группы: отходы рудников и отходы переработки уранового сырья. На рудоперерабатывающем предприятии производительностью 2000 т руды/сут образуется большой объем радиоактивных, частично радиоактивных и нерадиоактивных отходов.

В табл. 7.1 приведено расчетное количество отходов на типичном американском заводе производительностью 2000 т руды/сут, работающем по схеме кислотного выщелачивания с экстракцией урана из растворов. Помимо этого образуются также частично радиоактивные и нерадиоактивные отходы (SO2, углеводороды, NO2NH3).

Жидкие отходы. К жидким отходам рудников относятся рудничные (грунтовые) воды, которые откачивают на поверхность равномерно или периодически в зависимости от объема. Большинство рудничных вод характеризуется повышенным содержанием взвешенных примесей (до 3,0 г/л) и большой их дисперсностью. Химический состав рудничных вод может колебаться в довольно широких пределах, что обусловлено разнообразным составом урановых руд. В подавляющем большинстве случаев сброс рудничных вод в открытые водоемы без очистки недопустим, так как уровень радиоактивных элементов (уран и радий) в них превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). Объем рудничных вод может достигать 2000 м3 и более в сутки, поэтому количество радиоактивных элементов, сбрасываемых с ними во внешнюю среду сверх нормы, может доходить до 1 кг урана и до 0,2 мг радия в сутки и больше.

При переработке уранового сырья образуются жидкие и твердые отходы низкой активности. Объем жидких отходов (сбросных растворов) составляет 1—5 т/т руды в зависимости от применяемой технологической схемы: на заводах с кислотным выщелачиванием 2—5 т, в среднем 3 т, при содовом выщелачивании 0,3—1,5 т, в среднем 1 т/т руды.

Жидкие отходы гидрометаллургических заводов представляют значительную опасность для окружающей среды в случае сброса их в гидрографическую сеть, что обусловлено содержанием в них радионуклидов 226Ra, 230Th и 210Pb и высокой концентрацией вредных химических веществ.

Концентрация 226Ra в жидких отходах зависит от первоначально содержавшегося в руде радия, а также от технологии переработки руды. Исследования распределения 226Ra и 230Th по стадиям технологического цикла показали, что на заводах с сернокислотным выщелачиванием растворяется 0,25—0,7% радия и около 80% тория, содержащихся в исходной руде, при содовом выщелачивании торий по существу не растворяется, но количество растворенного радия достигает 1,5—3%. Так, на заводе производительностью по руде 1000 т/сут (с содержанием урана 0,25%), работающем по схеме кислотного выщелачивания с экстракцией урана из растворов, количество содержащегося в перерабатываемой руде радия составляет 765 мг/сут, в том числе 3—5,5 мг/сут растворяется во время выщелачивания, из них 80% (2,4—4,4 мг/сут) сбрасывается с рафинатом и 15% (0,45—0,8 мг/сут) с песками и шламами. Оставшиеся 5% (0,15—0,3 мг/сут) будут со-держаться в химическом концентрате. Таким образом, основная часть (98—99,5%) 226Ra остается нерастворенной, однако концентрация его в сбросных растворах достигает более 1000 пКи/л, а в мелких суспензированных твердых частицах растворов может содержаться до нескольких тысяч пикокюри 226Ra на 1 г твердого.

В табл. 7.2 приведены данные по количеству растворенного 226Ra в хвостах и в химическом концентрате в зависимости от технологического процесса.

Из изотопов тория наиболее опасным является а-излучатель 230Th. Довольно высокие концентрации этого изотопа содержатся в жидких отходах заводов, работающих по схеме содового выщелачивания (табл. 7.3).

Концентрация 226Ra в источниках снабжения питьевой водой не должна превышать 3-10в-9 мкКи/мл.

В Советском Союзе действуют более жесткие правила сброса отходов во внешнюю среду и установлены более низкие предельно допустимые концентрации вредных веществ в водоемах (табл. 7.4), чем за рубежом. Содержание урана в жидких отходах составляет 60 л/г.

В жидких отходах могут содержаться также 223Ra, 227Th, 227Ac, 210Po и 210Pb. Однако определение концентрации этих нуклидов проводилось в ограниченном масштабе, так как большая их часть имеет относительно короткие периоды полураспада. Более опасным является 210Pb, но в ходе проводимых в течение ряда лет наблюдений было установлено, что его концентрация в сбросных растворах ниже допустимого уровня.

В жидких отходах урановых гидрометаллургических предприятий содержится значительное количество химических веществ: серной кислоты, сульфатов, карбонатов, хлоридов и нитратов, оснований (аммиака, извести и т. п.), а в рафинатах после экстракционных процессов находятся алкилфосфаты, вторичные и третичные амины, спирты, керосин. Наконец, при переработке руды выщелачиваются: железо, медь, ванадий, молибден, мышьяк, свинец, фтор и т. п. За рубежом в последние годы были установлены новые, более жесткие нормы концентрации химических веществ в сбросных растворах урановых гидрометаллургических заводов.

В табл. 7.5 приведены данные о ПДК химических веществ в жидких отходах, установленные в США в 1973 г.

Особую опасность при удалении в открытые водоемы представляют сбросные растворы после жидкостной экстракции. На заводе производительностью 3000 т/сут (руды) с содержанием урана 0,1% U3O8, применяющем жидкостную экстракцию, образуется ежесуточно 3300 м3/сут сбросных растворов с концентрацией аминов 35 мг/л. В ходе исследований по определению токсичности таких отходов было установлено, что при сбросе в водоемы отходов с концентрацией 10—97 мг/л органических экстрагентов в водоемах может погибнуть 50% живущей в них рыбы. Отходы, сбрасываемые в открытые водоемы и содержащие в избыточных количествах мышьяк, свинец, нитраты или уран, опасны для человека.

В табл. 7.6 приведена типичная концентрация радионуклидов, органических и неорганических веществ, а также тяжелых металлов в сбросных рафинате, объединенном верхнем сливе сгустителей и фильтрате заводов с жидкостной экстракцией, а также в рудничных водах.

На заводах образуются также сбросные воды от прачечных и душевых. В сутки сбрасывается 100—300 м3 вод прачечных и дешевых при pH=8,0, имеющих следующий состав: U — 0,5—15,0 мг/л; Ra — (1,0-1,4)*10в-19 Ки/л; SO4- — 250—400 NO3 — 100—250 мг/л; сухой остаток — 3000 мг/л. Эти отходы очистки или разбавления не могут быть сброшены в гидрографическую сеть, поскольку содержание урана и радия в них выше пдк.

Значительную часть в жидких отходах урановых заводов составляют так называемые условно чистые воды, т. е. воды, получаемые от охлаждения машин, холодильников, вакуум-насосов и другого оборудования. Примерный химический состав условно чистых вод одного из урановых заводов россии (pH вод = 6,54-7,5), мг/л: U — 0,2—1,0; Ra — 0,1—1,0*10в-12 Ки/л; Ca+Mg — 100—130; Na+K — 50—84; Fe — 0,7, 1,0; Cl — 20—24; SO2 — 120—135; сумма солей —500—750. Условно чистые воды в случае необходимости их сброса во внешнюю среду очищают от урана до установленной ПДК. (0,05 мг/л).

Твердые отходы. Твердые отходы рудников (как уже было сказано, это хвосты грохочения и сортировки, а также отвальные породы от подготовительных работ) по химическому составу представляют собой в основном исходную руду с более низким содержанием урана. В этих отходах содержание урана — сотые доли процента, а радия — от 5*10в-11 до 1*10в-10 г/г. Содержание других естественных радиоактивных элементов может быть определено согласно радиоактивному равновесию. Отвалы, складируемые на поверхности, становятся источником загрязнения окружающей среды, так как под воздействием атмосферных условий из них вымываются радиоактивные элементы — уран, радий, полоний и др. Кроме того, они служат источником постоянного выделения радона.

Объем твердых отходов, образующихся на заводах и представляющих собой в основном пески гидроциклонов и классификаторов (80%) и шламы (20%), равен объему поступающей на переработку руды. Около 14% всех радионуклидов, содержащихся в исходной руде, переходят в урановый концентрат. Короткоживущие радионуклиды 234Th, 234Pa и 231Th исчезают в результате распада. Около 70% радиоактивных веществ (включая почти все изотопы 226R и 230Th) остаются нерастворенными в процессе переработки и выводятся в твердые отходы, сбрасываемые в отвальные зоны (вместе с жидкими отходами). В табл. 7.7 и 7.8 приведены данные пo концентрации радиоактивных веществ в твердых отходах типовых американских заводов, работающих по схеме кислотного выщелачивания с экстракцией урана из растворов и по схеме содового выщелачивания (производит заводов по руде в обоих случаях 2000 т/сут; содержание ура а руде 0,16%).

К настоящему времени на зарубежных заводах (действующих, законсервированных и остановленных) скопился огромный объем отходов. Только в США на конец 1974 г. объем твердых отходов, расположенных на территории 22 штатов, достиг 100 млн. т, а к 2000 г. количество отходов достигнет 1 млрд. т.

Площадь отвальных зон колеблется от 20 тыс. до 1 млн. м2. В таком объеме отходов содержится ~ 30 000 Ки 226Ra и 30 000 Ки 230Th. Хвостовые отвалы представляют собой потенциальный источник загрязнения окружающей среды при несоблюдении надлежащих правил их удаления и хранения. Таким образом, отвальные зоны являются источниками облучения населения как вследствие выделения радона, который будет распространяться в направлении ветра на значительные расстояния, хотя его концентрация и будет постепенно снижаться, так и вследствие у-излучения дочерних продуктов распада радона, остающихся в хвостах. Последние создадут поле внешнего у-облучения вблизи хвостовых отвалов, причем мощность дозы будет намного выше фоновой.

Торий, радий и долгоживущие дочерние продукты распада радона 210Pb и 210Po могут быть выщелочены из хвостов, что может привести к загрязнению поверхности и грунтовых вод. Частицы песков и шламов, из которых сложены хвосты, разносятся ветром или иным способом попадают во внешнюю среду.

Концентрация 226Ra в хвостах в рассматриваемом примере составляет 300 пкКи/г. Каждый атом 226Ra распадается с образованием атома 222Rn, таким образом скорость выделения радона равна скорости распада радия. 1 г 226Ra, т. е. 1 Ки 226Ra, производит 1 мкКи 222Rn/c. Выделение радона из хвостов, содержащих 300 пкКи 226Ra/г, составит 0,0006 пкКи Ra /г/с. Плотность сухих хвостов составляет 1,6 г/см3, это означает, что скорость образования радона на единицу объема равна 1000 (пкКи/м3)/с.

Однако не весь радон, образующийся в хвостовом отвале, выделяется. Некоторая его часть удерживается самими хвостами, а какая-то часть подвергается распаду, прежде чем он диффундирует из хвостового отвала в атмосферу. Экспериментально установлено, что лишь одна четверть образующегося радона выделяется из хвостов и что в действительности лишь радон, образовавшийся в первом метре слоя хвостов, выделится в атмосферу. Таким образом, четверть всего образующегося радона в каждом куб. метре хвостов на поверхности хвостового отвала выделится в атмосферу через каждый кв. метр поверхности, т. е. из хвостового отвала выделится 250 (пкКи/м2)/с.

Концентрация 226Ra в хвостах колеблется от 100 до 1000 пкКи/г, причем более высокие значения обусловлены хвостами после переработки богатых руд (— 0,3%) - Количество радона, выделяющегося из хвостового отвала, в некоторой степени зависит от относительного соотношения шламовой и Песковой фракции хвостов.

Радиоактивная пыль и радиоактивные газообразные отходы. Одним из источников радиоактивности на урановых рудниках и заводах являются радиоактивная пыль и газы. Газовые выбросы рудников несут с собой во внешнюю среду радиоактивную пыль и радон. О количестве их можно судить по объему свежего воздуха, подаваемого в выработки (до 50 л воздуха/с, или 14,2 м3/мин на каждого работающего в руднике). Во Франции принято подавать свежий воздух в рудниках в количестве, в 17—27 раз превышающем объем добытой руды.

Наибольшая концентрация радона в рудничном воздухе наблюдается в местах ведения взрывных работ — до 5*10в-8 Ки/л. Иногда она превышает 2*10в-10 Ки/л даже при интенсивной вентиляции. Концентрация радона в рудничном воздухе зависит от содержания урана в руде, от плотности горных пород и от коэффициента эманирования. В 1000 т руды содержится 0,3 Ки 226Ra и, следовательно, также 0,3 Ka222Rn. За рубежом нет твердо принятой ПДК радона в рудничном воздухе. Она колебалась от 100 до 300 пКи/л. Согласно более поздним данным, по нормам Евратома максимально допустимая концентрация радона может быть 300 пКи/л (в равновесии с его короткоживущими дочерними продуктами распада), во Франции — 120 пКи/л, Канаде (1974 г.) — 50 пКи/л (в равновесии с продуктами распада радона), в США (с 1971 г.) — 40 пКи/л.

Основным средством для обеспечения допустимой концентрации радона в рудничной атмосфере служит вентиляция, расходы на которую достигают 1,60 долл./т руды (например, в Канаде). Кроме того, применяются электростатические фильтры, покрытие обнаженных поверхностей цементом и полиуретаном и др. Уровни внешнего у-излучения на заводах, перерабатывающих руду со средним содержанием урана, обычно низки и составляют 0,02—0,8 мР/ч (до 3 мР/ч). На некоторых участках, например в отделениях сорбции, осаждения и в цехе готовой продукции, уровни излучения могут достигать 40—100 мР/ч. В отделении дробления и цехе готовой продукции это обусловлено содержанием в воздухе радиоактивной пыли. Самые высокие уровни излучения — в помещении, в котором хранятся барабаны с химическим концентратом: мощность дозы облучения вблизи штабеля барабанов 2-3 мбэр/ч.

Для контроля за обеспечением радиационной безопасности персонала за рубежом установлены нормы ПДК радиоактивных веществ в воздухе, соблюдение которых строго обязательно (табл. 7.9). ПДК этих элементов, установленная в Советском Союзе, приведена в табл. 7.10. ПДК для населенных пунктов устанавливается в 10 раз ниже, по сравнению с ПДК в рабочих помещениях.

Для создания безопасных условий работы в указанных выше отделениях заводов используются эффективные системы пыле-сборников (пыль возвращается в цикл). Обжиговые печи оборудованы мокрыми скрубберами и пылесборниками. Отделение опробования и оборудование в нем обычно изолированы от остальных отделений завода и снабжены пылеулавливающими колпаками и системой вытяжной вентиляции. Объем выбрасываемого в атмосферу воздуха достигает 700м3/мин. Оборудование (по возможности закрытого типа) дробильных отделений, перегрузочных пунктов, цехов готовой продукции и других потенциальных источников пыли также снабжено пылеприемными колпаками и соединено с системой отсоса и улавливания пыли. На некоторых заводах в цехе готовой продукции установлены системы для очистки воздуха (водяная завеса перед выпуском воздуха в окружающую среду). Иногда предусматриваются пылеулавливающие колпаки специальной конструкции, позволяющие обдувать поверхность барабана потоком свежего воздуха. Обычно операция по размолу и затариванию конечного продукта производится в изолированном помещении внутри завода, доступ в которое разрешен лишь ограниченному кругу лиц.

На заводах принимаются все меры по предотвращению накапливания пыли, поскольку она может существенно повысить уровень излучения. Персонал заводов обязан соблюдать правила гигиены: запрещается принятие пищи и курение в запыленных участках или повторное использование загрязненной радиоактивностью одежды. Как правило, хорошая система пылесборников исключает необходимость ношения респираторов. Однако в некоторых случаях последние являются основным средством защиты от пыли, например: 1) при работе в новом цехе до пуска в ход, надежной вентиляционной системы; 2) при повседневной работе в дробильном отделении или на перегрузочных пунктах, особенно при снижении содержания влаги в руде в сухую погоду; 3) при взвешивании и пересыпке концентрата из одного барабана в другой в цехе готовой продукции; 4) в случае остановки вентиляционного оборудования для ремонтных работ при механических неполадках; 5) при работе с применяемыми в технологическом цикле химическими реагентами.