Удаление твердых отходов в урановом производстве

16.07.2020

Одной из важных проблем в области удаления отходов рудников и рудоперерабатывающих предприятий является удаление и длительное хранение твердых отходов. Твердые отходы урановых рудников за пределы шахт не удаляют. Они складируются на поверхности и подвергаются воздействию атмосферных условий.

Что касается хвостовых отвалов гидрометаллургических заводов, то они являются источником радиоактивного загрязнения внешней среды в результате непрерывного выделения радиоактивного газа 222Rn и его дочерних продуктов в том случае, если не приняты надлежащие меры по предотвращению выделения 222Rn. В типичных хвостовых отвалах американских заводов концентрация 228Ra примерно в 100 раз превышает концентрацию этого элемента в обычной почве (средняя концентрация 226Ra составляет 290—300 пКи/г, но может доходить и до 600 пКи/г).

На данный момент за рубежом нет проверенного метода удаления твердых отходов, который мог бы, при приемлемых затратах, исключить опасность возможного радиоактивного загрязнения внешней среды. Любая из применяемых в настоящее время форм контроля радиоактивности хвостов или их стабилизации может гарантировать безопасность лишь на протяжении одного-двух поколений.

На современном этапе по существу имеются лишь два способа снижения уровня облучения населения за счет выделения 222Rn из хвостовых отвалов — стабилизация хвостовых отвалов и удаление хвостов. Стабилизация связана с меньшими затратами, чем удаление, но исключает возможность использования территории, на которой имеются хвостовые отвалы. Удаление хвостов практически целесообразно лишь при существовании более отдаленных районов для захоронения хвостов или же в том случае, если хвосты представляют собой источник вторичного сырья. Хотя расходы на удаление хвостов более высоки, этот метод обеспечивает возможность неограниченного использования ранее загрязненных земельных участков. В табл. 7.15 приведены расчетные данные по расходам на удаление и стабилизацию хвостов в США (по курсу доллара 1974 г.).

Хотя стабилизация хвостов химическими веществами в принципе возможна, но она целесообразна лишь в засушливых районах, в которых невозможно создать на хвостовых отвалах растительный покров.

Для уменьшения площади хвостовых отвалов в ряде стран были разработаны способы утилизации твердых отходов. Обычно они используются при строительстве дамб, окружающих отвальные зоны, однако существуют и другие способы утилизации. Так, на заводе «Форез» (Франция) пески, выделенные гидроциклонами, используются для гидравлической закладки выработанных пространств в руднике, а на заводе Ранстад (Швеция) отходы удаляются в выработанные пространства карьера по добыче ураноносного сланца. Такой способ позволяет удалить 50—65% образующихся твердых отходов и с этой точки зрения заслуживает внимания.

В 1973—1974 гг. в Канаде были проведены исследования по методам использования хвостов в качестве закладки выработанных пространств при обеспечении минимального количества выделения радона. В ходе исследований было установлено, что при добавлении небольшого количества цемента в хвосты (1 часть: 30 частей) после отверждения закладки эманирование радона уменьшается в два раза, а при отношении цемента и хвостов 1:5 эманирование радона доставляет лишь 35% количества, эманируемого при отношении цемента 1:30. При использовании классифицированных хвостов эманирование радона в два раза меньше, чем при закладке неклассифицированными хвостами. Установлено также, что неуплотненные заводские хвосты выделяют радон в 20 раз быстрее, чем обнаженная поверхность руды. Таким образом, при правильном использовании хвостов для закладки можно снизить расходы на вентиляцию.

На шведском заводе «Ранстад» предполагается использовать тонущий продукт (получаемый при обогащении сланца в тяжелой суспензии и состоящий в основном из известняка) в качестве реагента для обработки жидких хвостов после выщелачивания, что сократит количество специально добываемого для этой цели известняка.

Удаление твердых отходов производится на подавляющем большинстве предприятий в отвальные зоны, огражденные дамбами. При удалении объединенных отходов сооружаются хвостовые пруды (отстойники). Во избежание радиоактивного загрязнения расположенных под отвальными зонами пластов при создании новых отвальных зон предусматриваются устройства для искусственного дренажа и в материал, используемый при строительстве дамбы, включается большой объем более мелкого материала для связывания крупных частиц песка после их высыхания.

Для того чтобы снизить опасность радиоактивного загрязнения атмосферы в районе расположения хвостовых отвалов, во многих странах в последние годы были приняты более жесткие правила стабилизации хвостовых отвалов на заводах, особенно на бездействующих. К ним относятся устройства систем дренажа и покрытие поверхностей хвостовых отвалов грунтом в целях создания питательного слоя для будущего растительного покрова. Установлено, что покрытие слоем грунта и посадка растительности на нем способствуют снижению концентрации радона над отвалами. При выделении радона в атмосферу происходит быстрое разбавление его концентрации: при обычных метеорологических условиях коэффициент разбавления составляет 200—300 уже в нескольких сотнях метров от хвостового отвала в направлении по ветру.

у-Излучение от хвостового отвала не создает серьезную проблему. Интенсивность излучения на расстоянии 1 м от отвала <1 мбэр/ч (в среднем 0,5 мбэр/ч). у-Излучение из хвостов можно снизить до фонового покрытием их слоем земли толщиной 0,6 м (или небольшим слоем бетона). Однако для снижения эманирования радона до фонового слой земли должен составлять -6 м, бетона — 5 см.

Если при удалении хвостов производится разделение Песковой и шламовой фракций, то над участками, сложенными шламами, уровни излучения будут выше, чем над участками, состоящими из песков.

Мощность дозы быстро снижается с расстоянием и обычно на расстоянии 50 м от поверхности отвала равна фоновой (0,01 мбэр/ч).

Для оценки потенциальной мощности излучения 222Rn, выделяемого старыми хвостовыми отвалами при их высоте более 30— 60 см, были проведены специальные исследования, результатом которых явился метод расчета мощности дозы облучения над отвалом с использованием минимальных входных данных:
Удаление твердых отходов в урановом производстве

Поскольку CRa относится к равномерной концентрации радия в хвостах, то эта величина, используемая в расчетах, должна быть характерной для всего хвостового отвала.

Если в хвостовых отвалах кислотность в поверхностном слое повышена вследствие биохимического окисления пирита (например, в ЮАР на глубине 0,3 м от поверхности рН<2), то довести значение pH до нужного значения не удается даже нейтрализацией известью. Для снижения кислотности хвостовых дамб в ЮАР широко используют небольшие пластиковые гидромониторы для орошения.

Нейтрализация и создание покрова растительности на вершинах дамб (в случае покрытия слоем грунта) обходятся в 0,25— 0,86 долл./м2. Если же растительность высаживают непосредственно на хвостовые отвалы, то такой метод стабилизации обходится в 0,041 долл./м2 в год. Ввиду эффективности подобный метод стабилизации применяют и на заводах, введенных в эксплуатацию в 1971—1972 гг.

В зависимости от типа перерабатываемого сырья выбирают соответствующий метод обезвреживания и удаления твердых отходов. Так, на расширяемом заводе в Ранстаде разработан и испытан в течение многих лет метод, предупреждающий разложение пирита, содержащегося в твердых отходах, поскольку образующиеся при этом серная кислота и сульфаты железа могут загрязнить грунтовые воды. До удаления твердых отходов после выщелачивания в выработанные пространства карьера отходы тщательно перемешивают с 5%-ным молотым известняком, что нейтрализует кислоту и приводит к осаждению уже образовавшихся продуктов окисления. Затем отходы укладывают в карьере слоями (2 м) и подвергают тщательному уплотнению виброуплотнителем. Когда высота отвала достигает намеченной, хвосты покрывают уплотненным слоем морены, специально выбранной из-за низкой водопроницаемости. На этот слой укладывают слой (1 м) обычной морены для создания питательного грунта для растений. После внесения удобрений верхняя часть отвала засевается травой, если возможно, подходящими кустарниками.

На рудниках и заводах в последние годы действует строгая система контроля, удовлетворяющая государственным правилам безопасности. Задолго до пуска завода требуется производить отбор проб воздуха, воды, почвы и пыли для установления исходного содержания различных примесей.

Большой объем работ по способам обработки и удаления хвостов после переработки сульфидсодержащих руд и рекультивации отвальных зон проводят в Канаде. Так, в районе Эллиот Лейк имеется семь отвальных зон и пять установок для обработки отходов или рекультивации. Твердые отходы состоят из кварца, пирита, сульфата кальция, образовавшегося после нейтрализации, гидроокисей металлов, осажденного тория и РЗЭ. Жидкая часть отходов представляет собой насыщенный раствор сульфата кальция и содержит радий, аммиак и нитраты. Из-за пирита кислота в хвостах образуется за очень короткий промежуток времени.

Хвосты действующих заводов сбрасывают в хвостохранилища при pH = 6,5-9, а pH просачивающихся в грунт растворов и стоков со старых отвалов составляет 2—3. Содержание аммиака в сливе из хвостового пруда 5—15 мг/л, нитратов — 200 мг/л (в сливе и стоках старых отвалов их содержание значительно ниже, по-видимому, вследствие их быстрого выщелачивания). Для нейтрализации хвостов используется известь. Для удаления радия старых хвостов применяется известь и хлорид бария, для хвостов действующих заводов — только хлорид бария. Известь подается в виде пульпы, хлорид бария — в виде раствора (добавляют в пульпу извести).

С 1970 г., с начала реализации программы стабилизации твердых отходов путем создания растительного покрова, в хвосты добавляют известняк в количестве ~74 т/га. Это не доводит pH до нейтрального значения, но благодаря этому на кислых участках может расти трава. Производилась попытка добавлять в качестве нейтрализующих реагентов бикарбонат аммония и натрий. Они действовали быстро, но их расход был очень велик. Кроме того, из-за высокой растворимости они быстро выщелачивались.

Практика показала, что при тщательном перемешивании известняка с хвостами достигалась высокая степень нейтрализации, но при этом наблюдалось быстрое высыхание хвостов, что приводило к образованию пыли над отвалами. Такая же проблема возникала и при слишком глубокой культивации (при внесении удобрений). Лучшие результаты достигались при частом внесении удобрений в небольших количествах, чем в случае внесения большого количества один-два раза в год. Идеальным временем для посевов оказался август — растения успевали укорениться до наступления зимы. Приемлемы несколько видов растительности: тимофеевка луговая, клевер, васильки.

Помимо растительного покрова были испытаны и другие методы стабилизации: добавка избыточного количества молотого известняка, пульпы извести, мелких опилок, покрытие грунтом (пустой породой), химическое укрепление дамб; создание водонепроницаемого покрытия и покрытия с кислородпоглощающим слоем; затопление отвальной зоны; удаление пирита из хвостов действующих заводов и, наконец, стерилизация бактерий, которые стимулировали окисление пирита.

Выяснилось, что с помощью известняка, извести и удобрений можно добиться успешного роста растительности при рН больше 3. Однако для поддержания pH на этом уровне необходимо вносить ~30 кг известняка на 1 га и обеспечить полив посевов в сухие периоды. При таком методе стабилизации расходы составят ~2500 долл./га (или 0,25 долл./м2). В случае удаления пирита (флотацией) возникает проблема долгосрочного хранения больших объемов пирита. Что касается внесения молотого известняка, то для предотвращения образования серной кислоты потребуется внести в 65 раз больше известняка, чем пирита (по массе). По существу на современном этапе нет конкретного эффективного и дешевого способа обработки и стабилизации сульфидсодержащих хвостов. Имеющиеся к настоящему времени данные позволяют предположить, что в будущем при планировании хвостохранилищ следует предусмотреть возможность полного затопления отвальной зоны с таким расчетом, чтобы поверхность хвостов была покрыта слоем воды в несколько сантиметров. Это предотвратит процесс окисления пирита и, следовательно, образование серной кислоты и помешает образованию пыли. Нельзя не принимать во внимание и эстетическую сторону: водная поверхность придает более приятный вид ландшафту. Более жесткие правила защиты окружающей среды при удалении отходов привели к поиску более усовершенствованных методов удаления хвостов.

Традиционный метод удаления отходов обычно включает в себя трудоемкий процесс наращивания хвостовой дамбы по периметру отвальной зоны с использованием самих хвостов в качестве конструкционного материала. Более крупная фракция оседает вблизи от разгрузочных труб и используется для строительства относительно крутой внешней стенки дамбы. Мелкая фракция течет по направлению к центру зоны, образуя мелкий «шламовый» пруд. Система имеет ряд недостатков, например: просачивание растворов из пруда в верхней части хвостового отвала; опасность «ожижения» (оползания) крутых откосов дамбы, вызванного землетрясением или колебаниями при взрыве; опасность обрушения декантационной отстойной башни и проложенных под землей фильтрационных труб при отсутствии возможности осмотра и устранения неисправностей; эрозия поверхности отвала, обусловленная атмосферными осадками по крутым откосам; загрязнение окружающей местности газообразными отходами или пылью; трудности и большие затраты при ликвидации хвостовой зоны.

Чтобы исключить образование хвостового отвала с крутыми откосами, предлагается укладывать хвосты в виде конусообразного навала, что является одной из наиболее устойчивых структурных форм, встречающихся в природе.

По новому методу выгрузка сгущенных хвостов производится из одной определенной постоянной точки в пределах хвостового пруда. На горизонтальной поверхности эта точка будет расположена вблизи центра зоны. По мере образования конусообразного холма хвостов разгрузочная труба и центральный разгрузочный пункт должны подниматься (с интервалом в два-три года). В долине реки разгрузочный пункт следует на все время разместить в точке, наиболее удаленной от верхнего слива пруда. Коническая форма навала дотигается за счет сгущения хвостов перед их выгрузкой, так что они оседают естественным образом под углом откоса 5—6°. Такие откосы можно обычно получить при отношении твердого к воде 30—60 мас. %. Вначале отношение твердого к воде должно быть низким, с тем чтобы хвосты укладывались в соответствии с проектируемой подошвой конусообразного навала. По мере нарастания высоты навала хвостов отношение твердого к воде следует постепенно увеличивать, создавая конусообразный навал со все более крутыми откосами, но сохраняя его основание на том же уровне.

Пруд для размещения очень небольшого количества шламов, которые не укладываются вместе со сгущенными хвостами, расположен рядом с периметром, примыкая к внешней границе дамбы. Эта дамба из естественных материалов построена в соответствии с требованиями, предъявляемыми к строительству дамб для водохранилища. Поскольку мощность навала хвостов самая большая в центре и самая низкая у периметра конуса, то высота дамбы по периметру должна быть намного меньше, чем в случае традиционного метода удаления хвостов при равной вместимости отвальной зоны. Фильтрационные башни и укладка труб под землей не требуются. Поскольку уровень воды в пруде по существу не меняется в течение всего срока службы завода, необходимо только обеспечить короткий канал для верхнего слива, водослив или дренажные сооружения на небольшой глубине. Обычный (традиционный) вторичный пруд для химической обработки можно устроить у водоотвода системы слива (до возврата воды в цикл).

На наклонной неровной местности при уклоне, например, 4,5—7,5 м на предполагаемом месте устройства хвостового пруда отпадает необходимость в сооружении полной дамбы по периметру. Можно использовать топографические «пики», что уменьшает высоту и длину дамбы по периметру. Форма отвальной зоны не обязательно должна быть круглой. На местности, где имеются долины, можно устроить один или несколько участков для сброса вдоль стенок долины выше отвальной зоны.

Описанный выше метод удаления хвостов возможен только в том случае, если удастся обеспечить уклон хвостовой дамбы 5—6° или больше.

Предлагаемый метод имеет следующие преимущества по сравнению с традиционным методом удаления хвостов: 1) снижается стоимость поддержания и «ликвидации» отвальной зоны; 2) вместимость хранилища больше при той же высоте дамбы по периметру; 3) хвостовой отвал устойчив и не оползает; 4) уменьшается опасность «ожижения» при землетрясении; 5) исключается необходимость системы отвода растворов; 6) существенно уменьшается загрязнение окружающей местности вследствие просачивания через дамбу; 7) уменьшается загрязнение окружающей среды в результате выделения пыли и упрощается рекультивация местности.

Комиссия по ядерному контролю США считает, что в будущем следует применять только один метод удаления отходов — подземный, в идеальном случае — в выработанные карьеры. Стоимость подземного захоронения отходов завода мощностью 2000 т U3O8/год составит около 6,5 млн. долл. или 0,33 долл/кг U3O8. Ho если метод обезвоживания отходов, детально изучаемый некоторыми американскими фирмами, будет доведен до промышленной реализации, то, возможно, стоимость подземного захоронения будет сопоставима со стоимостью наземного.

К 1983 г. намечено: 1) жидкие отходы, содержащие в значительных количествах различные соли, обрабатывать методом упаривания с получением чистого конденсата и небольших объемов кубового остатка; 2) снизить выделение радона из хвостов в 4 раза; 3) к 1985 г. прекратить сброс жидких отходов во внешнюю среду.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна