经口罩过滤后的铀矿尘颗粒物呼吸暴露剂量评价
2020/05/18
相对于一般的矿山而言，铀矿井下放射性铀矿尘中还存在大量的234U、238U、226Ra、230Th、210Po等长寿命α放射性核素。铀矿尘颗粒物中这些长寿命α放射性核素对人体呼吸致内照射剂量贡献较大，会对从业人员的身体健康造成极大的伤害。目前许多学者对铀矿尘呼吸暴露风险进行了评价，Panigrahi等[1]对印度的 Jaduguda铀矿山进行了放射性气溶胶监测，其监测结果显示放射性核素几何平均浓度为16.84 mBq/m3，标准偏差为3.21；Jha等[2]对监测数据进行分析发现铀矿尘总浓度与核素浓度之间存在线性相关性，其相关系数为0.43；Tomasek等[3]对捷克铀矿各工作场所中铀矿尘进行监测，其结果显示放射性气溶胶活度中位直径AMAD范围为2.0～9.2 μm(平均值为7.3 μm)，其对应的几何标准偏差为2.1～6.5(平均值为3.2)。
计算中涉及到的铀矿尘质量分数和铀镭平衡系数由实验室测量得到，实验室测量结果显示铀矿尘质量分数和铀镭平衡系数分别为0.145%和1.04。由图1可知，经口罩过滤后的铀矿尘绝大多数粒径小于3.5 μm，因此，在进行剂量计算的时候保守取PM10对应的质量浓度。
铀矿尘中的234U、238U、226Ra、230Th、210Po长寿命α放射性核素均为细颗粒物。口罩对细颗粒物具有一定的过滤作用，以往的研究中大多忽略了口罩对铀矿尘的过滤作用，或出于安全的考虑，取0.3～0.5的经验系数。如果忽略佩戴口罩对铀矿尘所致人体内照射剂量计算的影响，这必将导致计算结果偏高[4]，而安全系数的选取缺乏依据，其准确性和科学性有待证明。因此，本文应用铀矿井下两种常用的纱布口罩和KN95型口罩，在掌握经这两种口罩过滤后铀矿尘质量浓度及粒径分布真实数据的基础上，计算了铀矿尘颗粒物对呼吸致人体内照射剂量和铀矿尘对人体所造成的呼吸暴露风险指数。本文计算得到的剂量和风险值不包括氡及子体的贡献。
1 呼吸暴露风险评价模型
健康风险评价是依据污染物对人体的损害，结合毒理学相关资料，建立不同种类的污染物对人体健康损害程度的评价模型。国际癌症研究机构将污染物划分为基因物质(包括放射性物质和其他致癌物)和躯体毒物质(非致癌物质)[5-6]，按照不同的暴露途径可以分为呼吸途径、饮食途径和皮肤接触性途径。
呼吸暴露风险评价作为职业暴露风险评价的主要步骤，是评价人类对危险物质当前或潜在暴露程度的重要工具，也是流行病学研究的组成部分。呼吸暴露风险指数是用来描述人体经呼吸途径暴露于有害物质中与污染物相互作用的程度，是评价人体暴露于外界物质中危险程度的重要参数，暴露风险评价模型由公式(1)表示[7]：
式中，R为发生某种特定有害健康效应而造成等效死亡的终身危险度；AAD(Average Annual Doses)为化学污染物的年均暴露剂量，mSv/a；RFD为污染物在某种暴露途径下的参考剂量，mSv/a。其中，铀矿工人涉及的污染物为放射性物质；铀矿冶行业职业照射剂量控制值RFD为15 mSv/a[8]。
铀矿尘的主要职业暴露是呼吸暴露，其年均暴露剂量AAD可以通过公式计算[9-10]如下：
式中，IR为呼吸量，m3/d；EF为暴露频率，d/a；ED为等效暴露持续时间，a；F为口罩过滤效率，无量纲；fi为第i种核素的剂量转换因子，Sv/Bq；Ci为第i种核素的活度浓度，Bq/m3。
铀矿尘对人体造成的内照射危害主要来自于其中的长寿命α核素，但是由于所测铀矿尘浓度为质量浓度，为计算其对人体呼吸道内照射剂量需要转化为活度浓度。因此按如下公式进行转换：
严格来说铀矿尘中铀的质量分数与铀矿石的品位并不一样，但是实际测量发现，铀矿井下粉尘中铀的质量分数并不会高于矿石平均品位，式(3)和(4)中铀矿尘中铀的质量分数以铀品位代替是合理且安全的。
2 铀矿尘呼吸暴露风险评价模型的应用
2.1 现场试验与监测结果
在进行模拟之前，首先在某铀矿山中用APS 3321仪器通过口罩对几个有代表性的场所进行测量，获取铀矿井下典型作业场所经口罩过滤后铀矿尘的质量浓度、粒径分布等相关数据[13-14]，结果列于表1。利用表1的数据计算两种口罩的过滤效率，结果列于表2。
2.2 铀矿尘呼吸暴露剂量及呼吸暴露风险指数计算
由表1和图1可知，经两种铀矿常用口罩过滤后的铀矿尘主要分布在0.5～2.5 μm范围内，其主要粒径范围为0.73～1.92 μm，平均直径为0.96 μm，因此，选取1 μm对应的剂量转换系数。同时，花岗岩型铀矿床、火山岩型铀矿床、砂岩型铀矿床和碳硅泥岩型铀矿床是我国最主要的四类铀矿，其中的放射性核素主要以难溶的氧化物的形式存在，据此可以确定各核素的吸收类型，对核素转换系数的取值列于表3[16]。
计算中涉及到的铀矿尘质量分数和铀镭平衡系数由实验室测量得到，实验室测量结果显示铀矿尘质量分数和铀镭平衡系数分别为0.145%和1.04。由图1可知，经口罩过滤后的铀矿尘绝大多数粒径小于3.5 μm，因此，在进行剂量计算的时候保守取PM10对应的质量浓度。
本文实验所在铀矿井下工作制度为工人全年上班时间330天，6小时一班，同时调查数据显示我国成年男性(19～44岁)长期的呼吸暴露速率为13. 9 m3/d[17]。将以上数据代入公式(1)和(2)分别计算出呼吸暴露剂量和暴露风险指数，计算结果如表4所示。
从表4可以看出，佩戴纱布口罩的工人的呼吸暴露剂量范围和暴露指数范围分别是0.14～2.01 mSv/a 和0.009～0.134，而佩戴KN95口罩的工人的数据则为0.03～0.53 mSv/a和0.002～0.035。由此可知，KN95口罩具有较高的防护性能，能有效地降低铀矿井下工人所受呼吸致内照射剂量。
在铀矿井下各典型作业场所中，独头巷道是铀矿井下工人所受呼吸暴露剂量最大的工作场所，在独头巷道内佩戴纱布口罩的铀矿工人吸入铀矿尘所致内照射剂量为2.01 mSv，佩戴KN95口罩的铀矿工人为0.53 mSv。原因是独头巷道中的凿岩、放炮等作业活动导致工作区域聚集着大量的铀矿尘，同时由于独头巷道特殊的结构，通风效果较差。在采场中由于凿岩、放矿和装运等作业易产生粉尘，作业空间内铀矿尘浓度较大，工人所受呼吸暴露剂量仅次于独头巷道。主风机房内风速较大，气流在高速运动的过程中与岩壁摩擦会产生大量的粉尘和扬尘，同时，在抽出式排风井中主风机房位于风路的末端，风流中汇聚了大量的气溶胶粒子，因此，在主风机房作业的铀矿井下工人所受铀矿尘呼吸暴露剂量是除独头巷道、采场以外最高的作业场所。
考虑到不同铀矿山铀品位存在差异，本文计算了铀品位在0.01%～1%之间，铀矿尘质量浓度为0.01～0.2 mg/m3、气溶胶平均粒径为1 μm时，铀矿井下工人所受的铀矿尘颗粒物的呼吸暴露剂量及呼吸暴露风险指数，如图2和图3所示。
由图2和图3可知，当铀品位0.01%～1%，铀矿尘质量浓度为0.01～0.2 mg/m3时，铀矿井下工人所受的铀矿尘颗粒物的呼吸暴露剂量及呼吸暴露风险指数随铀矿尘质量浓度的增加而增大，且呈线性关系。
3 结论
通过采用铀矿尘颗粒物的呼吸暴露风险评价模型和经两种常用口罩过滤后的铀矿尘颗粒物的粒径和浓度监测数据，计算了铀矿尘对呼吸致人体内照射剂量和铀矿尘对人体所造成的呼吸暴露风险指数(不含氡及子体的影响)，获得以下结论：
(1)通过测量数据及铀矿井下各典型作业场所中工人所受呼吸暴露剂量和暴露指数计算结果可以看出，独头巷道、采场和主风机房是井下工人所受呼吸暴露剂量较大的主要场所，这3个场所极易产生和汇集大量铀矿尘颗粒。
(2)根据计算结果可知，佩戴纱布口罩的铀矿工人所受呼吸暴露剂量是佩戴KN95口罩的3.5～11.6倍，平均高6.6倍。由此可知，纱布口罩过滤效率低，佩戴纱布口罩的工人所遭受的呼吸暴露风险指数更大。因此，在铀矿井下作业的工人，特别是在呼吸暴露剂量最大的工作场所独头巷道作业的工人应优先选用KN95口罩作为呼吸防护用品。
(3)当铀品位为0.01%～1%，铀矿尘质量浓度为0.01～0.2 mg/m3时，铀矿井下工人所受的铀矿尘颗粒物的呼吸暴露剂量及呼吸暴露风险指数都随铀矿尘质量浓度的增加而增大。
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