鲁重生&修伟： 中性地浸铀矿山退役采区地下水铀自然衰减的同位素和溶解性有机质证据【ES&T, 2024】

发布时间：2024-07-16     作者：    阅读：102次

 尽管铀（U）原地浸出（CO₂ + O₂）是一种相对经济环保的开采方法，但仍会导致退役后地下水中U浓度较高，随着铀（U）矿山的退役，高U地下水环境问题日益突出，引起广泛关注。相比于吸附、沉淀等物理过程，还原作用在降低U浓度方面具有长期稳定性。已有研究通过化学和生物刺激的人为干预建立还原条件，降低地下水中的U浓度，但目前对中性退役矿区含水层中U自然衰减的程度及水文地球化学过程了解相对较少，尤其是有机质介导的U自然衰减机制尚不清楚。因此，评估U自然衰减的可行性以及识别主控过程是亟待解决的关键科学问题。

 针对上述问题，我校水资源与环境学院鲁重生博士，在科学研究院修伟副研究员和水资源与环境学院郭华明教授指导下，联合中核第四研究设计工程有限公司，选取中国松辽盆地典型中性开采砂岩型退役铀矿山（钱家店U矿床）退役单元为研究区（图1），通过野外样品采集（包含观测井（MW）、生产井（M0）和退役生产井（PM））、室内测试以及数据分析等，识别了U退役采区含水层中的主要水文地球化学过程；厘定了驱动U自然衰减的关键过程以及有机质的作用机制；量化U自然衰减速率及并进行了衰减时间预测。研究取得的创新性认识如下：

 （1）U矿退役后地下水中的ORP显著降低，U浓度显著降低，Fe(II)浓度显著升高，硫酸盐的δ³⁴S_SO4和δ¹⁸O_SO4明显升高（图2），表明U还原、铁还原和硫酸盐还原是含水层的关键水文地球化学过程，且受氧化还原电位控制。

 （2）有机质降解是驱动还原条件的关键（图3），类蛋白质和微生物类腐殖质成分，特别是H/C>1.5的DOM分子，促进地下水中硫酸盐和铁的还原。

 （3）PM地下水中的U浓度随退役时间明显下降（图4），且伴随着Fe(II)浓度和δ³⁴S_SO4、δ¹⁸O_SO4值的升高而降低，表明铁还原和硫酸盐还原是促进U自然衰减的关键过程。

 （4）U的衰减速率介于-1.67和-0.585（mg/L/yr）之间，平均速率为-1.07（mg/L/yr），随着退役，衰减率呈下降趋势。在10%的误差范围内，U的自然衰减会在大约11.2年内将U浓度降至背景值（图5）。

 本研究基于DOM-Fe-S耦合分析，揭示了铁和硫酸盐的还原是促进U自然衰减的主要过程，并确定了天然有机分子降解在U衰减中的作用（图6），这项工作将DOM的生物降解与退役含水层中铁和硫酸盐的还原联系起来，提高了对地下水中U的自然衰减过程的认识，为中性地浸U矿山退役采区地下水U的修复治理提供了科学参考。

 图1采区地下水样品分布（M0：生产井；PM：退役生产井；MW：观测井）

 图2 主要化学指从生产到退役的变化

 图3 地下水中SO₄^2-还原及有机质驱动作用

 图4 地下水中铁还原、U还原以及有机质驱动证据

 图5 U自然衰减速率计算、衰减时间预测以及误差评估

 图6 中性地浸铀矿山退役含水层U自然衰减驱动过程概念图

 该研究得到了国家自然科学基金委项目（42130509 & 42072273），教育部“高等学校学科创新引智项目地下水演化机理及含水层系统修复基地（111项目）”（B20010）和中央高校基本科研业务费专项资金（2652021060）的支持。上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际顶级刊物《Environmental Science & Technology》上：Lu, C. S., Xiu, W.^*, Yang, B., Zhang, H. Y., Lian, G. X., Zhang, T. J., Bi, E. P., Guo, H. M^*. Natural attenuation of groundwater uranium in post-neutral-mining sites evidenced from multiple isotopes and dissolved organic matter. Environmental Science & Technology .2024, 58, 28, 12674-12684 [IF 2023=10.8 ]

 全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c04498