工業城市水源水總α、總β放射性水平和年有效劑量估算研究

亓恒振,周麗麗,宋艷艷,謝銀鳳

(1.山東省淄博生態環境監測中心,山東 淄博 255000;2.淄博市生態環境局,山東 淄博 255000;3.山東省濰坊生態環境監測中心,山東 濰坊 261041)

0 引言

水是人類賴以生存的物質基礎,人們的生產生活離不開它。流動的水既是作用介質,又是良好的溶劑和搬運劑,對地球元素遷移轉化至關重要。土壤、巖石中的放射性核素可以經由水巖相互作用溶解和遷移。據聯合國原子輻射效應科學委員會(UNSCEAR)報告指出[1]:全球每人接受來自環境中的所有放射源的年平均劑量約為3.0 mSv/a,其中約2.4 mSv(占比80%)來自自然源,包括宇宙射線0.39 mSv,地球輻射0.48 mSv,吸入氡1.26 mSv,攝取食物和飲用水0.29 mSv;約0.6 mSv(占19.6%)來自醫療診斷輻射;剩下的約0.01 mSv(占比0.4%)來自于其他人工源,到目前為止天然輻射照射仍是人類所受輻射照射的主要形式。天然放射性有關的的α核素主要有238U、234U、230Th、226Ra、210Po、232Th和228Th等,β核素主要有210Pb、228Ra和40 K等[2]。水中含有的放射性物質可以通過飲水攝入體內,從而產生一定程度的內照射。淄博市工業門類齊全,是重要的工業城市,經濟發展的同時,一些生產加工企業的涉水排放可能引起某些環境水體放射性水平的變化,因此對轄區內水源水進行放射性水平監測顯得尤為重要。對水源水的輻射監督性監測一方面能夠掌握水源放射性水平和動態變化趨勢,另一方面為區域用水安全提供數據支撐。

1 材料與方法

(1)儀器與方法:檢測儀器為FYFS-400X雙通道低本底α/β測量儀(湖北方圓);測定方法參照《生活飲用水標準檢驗方法 放射性指標》(GB/T 5750.13-2006)[3]執行。

(2)采樣與分析:依據年度監測工作計劃針對豐水期和枯水期水源地各采集樣品一次。樣品采樣參照《水質 采樣技術指導》(HJ 494-2009)執行[4],采集5 L水樣并硝酸酸化至pH<2后聚乙烯瓶保存,以獲得滿足測試的樣品量和有效抑制放射性核素吸附。取2 L水樣分次加入到2 000 ml燒杯中,電熱板微沸狀態下蒸發濃縮至50 ml左右,濃縮液連同沉淀物轉移至恒重的蒸發皿中,少量蒸餾水洗滌燒杯,洗滌液并入蒸發皿加1 ml硫酸,然后置于水浴鍋中小心加熱蒸干,再次在電熱板上加熱趕盡酸霧,馬弗爐內350℃下灰化,干燥器內冷卻至室溫,殘渣稱重、研磨并鋪盤上機測試。

(3)質量控制:241Am α標準粉末源和40KCl β標準粉末源購自中國計量科學研究院;監測中心已通過檢驗檢測機構資質認定,儀器設備均經質監部門檢定校準,并按時完成期間核查;樣品測量前先進行本底測定,標準源校正儀器,本底和計數效率符合要求再進行樣品測量;監測人員均通過生態環境監測人員技術考核后持證上崗并定期參加相關技術培訓;每批樣品設置不少于20%平行樣品同時監測。

(4)年有效劑量估算:年有效劑量估算公式[5]:DRw=Aw×IRw×IDF,其中DRw為年有效劑量當量(μSv/a),AW為總α/β活度濃度(Bq/L),IRw為年飲用水量(L/a),年飲用水量按照成人730 L、兒童350 L和嬰兒250 L計算,IDF為劑量系數(mSv/Bq)。劑量估算中總α活度濃度主要考慮238U、234U、230Th、226Ra、210Po、232Th貢獻,總β活度濃度主要考慮210Pb和228Ra貢獻。劑量系數參考世界衛生組織《飲用水水質準則》(第四版),其中238U 4.5×10-5mSv/Bq,234U 4.9×10-5mSv/Bq,230Th 2.1×10-4mSv/Bq,226Ra 2.8×10-4mSv/Bq,210Po 1.2×10-3mSv/Bq,232Th 2.3×10-4mSv/Bq,228Th 7.2×10-5mSv/Bq,210Pb 6.9×10-4mSv/Bq,228Ra 6.9×10-4mSv/Bq。

(5)統計學方法 數據采用Excel 2016錄入與整理。采用SPSS19.0軟件進行統計分析,組間數據比較采用獨立樣本t檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 水源水總α和總β

水源水豐水期和枯水期總α、總β活度濃度結果見表1:其中總α濃度范圍為0.022～0.102 Bq/L和0.017～0.130 Bq/L,均值為0.045 Bq/L和0.062 Bq/L;總β濃度范圍為0.052～0.223 Bq/L和0.065～0.275 Bq/L,均值為0.099 Bq/L和0.119 Bq/L。所有水源水樣品總α和總β活度濃度均低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)[6]標準限值0.5 Bq/L和1 Bq/L。單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗顯示豐水期枯水期數據均符合正態分布,豐水期總α和總β活度濃度一般小于枯水期,獨立樣本t檢驗結果顯示均值差異并無統計學意義(P<0.05)。水源水總β結果常常大于總α,歸因于環境水體中總β放射性主要來源于40K,而天然鉀(40K)引起的放射性一般大于天然鈾系、釷系衰變系列核素引起的放射性;另外α粒子(氦原子核)與β射線(電子)相比具有穿透力弱、自吸收強的特點也是不容忽視的因素[7]。15例水樣中有2例SW14和SW15為地下水,總放射性數值較大,放射性水平高于其他地面水源水。王歡等[8]關于北京市生活飲用水、黃文暖等[9]關于廣東省部分飲用水源水和崔建平等[10]關于呼和浩特市飲用水放射性的相關論述中也提到地下水放射性高于地面水情況存在。諸如氧化還原反應、吸附解吸反應、溶解沉淀反應和離子交換等水—巖化學作用可以促使地下巖石中的放射性核素遷移至水中,從而使地下水較地面水溶有更多放射性核素,導致地下水放射性高于地面水現象發生。

表1 水源水總α和總β放射性水平

2.2 與其他地區水源水的比較

如表2所示,將近年來北方和南方一些典型地區水源水放射性結果進行整理。本地水源水與這些研究區域的總α、β放射性水平進行比較發現:總α方面,本地水源水0.017～0.130與北京0.074～0.135、天津0.012～0.059、呼和浩特<0.016～0.520、鄭州0.0138～0.1544、成都0.020～0.023、廣東0.017～0.286、上海0.0174～0.0667和南寧<0.008～0.038波動范圍基本一致,均值數值接近且無數量級差異;總β方面,本地水源水0.052～0.275與北京0.080～0.110、天津0.064～0.149、呼和浩特<0.028～0.394、鄭州0.0015～0.3765、成都0.053～0.065、廣東0.027～0.397、上海0.0904～0.401和南寧0.012～0.130分布范圍一致,均值亦無較大差別。數據顯示各研究區域水源水放射性水平處于正常天然本底波動范圍,無人工放射性核素影響。

表2 與其他地區水源水放射性水平比較

2.3 主要α衰變和β衰變核素所致年有效劑量估算

“國際輻射防護和輻射源安全基本安全標準中規定食品和飲用水引起照射的個人劑量準則為每年1 mSv,WHO則根據國際放射防護委員會的建議將飲用水放射性核素指導水平的個人劑量準則確定為0.1 mSv/a,也即100 μSv/a[16]。選取豐水期和枯水期總α和總β數值較大者進行估算,主要α衰變核素和β衰變核素年有效劑量估算結果見表3和表4,劑量估算范圍分別為:238U 0.43～4.27、234U 0.47～4.65、230Th 2.00～19.9、226Ra 2.66～26.6、210Po 11.4～114、232Th 2.18～21.8、210Pb 11.2～139和228Ra 11.2～139 μSv/a。放射性水平較高的兩個地下水源SW14和SW15劑量估算結果偶有大于準則值的情況,即210Po成人114 μSv/a、210Pb成人117和139 μSv/a、228Ra 成人117和139 μSv/a五個估算結果略高于準則值,其他水源水天然核素估算結果均小于準則值。WHO認為一些典型的水處理工藝諸如混凝、砂濾、活性炭、沉淀軟化、離子交換和反滲透等可以有效去除水中的放射性核素,特別提到混凝、沉淀以及砂濾結合使用的水處理系統對原水中懸浮放射性物質的去除率可達100%[17]。因此,除了持續獲得水源水的動態放射性數據之外,水廠嚴格落實水處理各項工藝并加強管網末梢水的放射性水平監測是減少和消除居民因飲水所致內照射劑量的有效手段。

表3 水源水主要α衰變核素所致年有效劑量 μSv/a

表4 水源水主要β衰變核素所致年有效劑量 μSv/a

如圖1和圖2所示,將天然α核素和β核素所致年有效劑量估算均值進行柱狀圖展示,α核素估算值大小排序:210Po226Ra232Th230Th234U238U,210Po和226Ra估算均值較大,其他核素估算均值較小,最大值與最小值相差一個數量級;β核素210Pb和228Ra估算均值相等。210Po、226Ra、210Pb和228Ra是天然放射性核素中劑量估算結果比較大的核素,顯示出水源水的天然核素構成中若存在這些核素則可能帶來更多的居民內照射劑量結果。蔣衍對遼寧省飲用水調查發現天然核素中的210Pb和210Po亦是居民內照射劑量貢獻最大者[18]。我國《電離輻射防護和輻射源安全基本標準》(GB18871-2002)的放射性核素毒性分組中210Po、226Ra和228Ra屬于極毒組,210Pb屬于高毒組[19]。鑒于此,除了掌握水源水總放射性水平動態變化以外,生態環境監測機構也應積極加強核與輻射監測能力建設[20],優先掌握水源水中諸如210Po、226Ra、210Pb和228Ra等典型單一核素的濃度水平,做好居民安全飲水的輻射防護工作。

圖1 主要α衰變核素所致年有效劑量均值比較

圖2 主要β衰變核素所致年有效劑量均值比較

3 結語

(1)轄區內15個水源水枯水期和豐水期總α、總β放射性結果顯示所有水樣均不超過《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)總α 0.5 Bq/L和總β 1.0 Bq/L指導值要求,枯水期總α、總β均值大于豐水期,獨立樣本t檢驗結果顯示均值差異并無統計學意義。與近年來北方和南方一些典型地區水源水總放射性比較發現,本地總放射性結果與這些地區分布范圍基本一致,數值并無數量級差異,且均值無較大差別,顯示這些典型地區水源水放射性水平處于正常天然本底波動范圍,無人工放射性核素影響。

(2)飲水所致內照射年有效劑量估算中大部分劑量結果小于WHO建議值0.1 mSv/a,兩例地下水樣品SW14和SW15中210Po、210Pb和228Ra三種核素成人飲水估算結果存在大于建議值情況,結合WHO《飲用水水質準則》中關于典型的水處理工藝可以有效去除水中溶解性放射性核素的論述部分,水廠應嚴格落實水處理各項工藝并加強管網和末梢水的放射性監測。210Po、226Ra、210Pb和228Ra四種天然核素的年有效劑量估算結果數值較大,且四種核素屬于極毒組和高毒組核素,建議除了獲得水源水的總放射性動態數據結果以外,也將這些劑量估算值較大的核素納入輻射監管范圍,以做好居民安全飲水的輻射防護工作。