微生物浸矿技术及其发展趋势简述

微生物浸矿技术及其发展趋势简述【摘要】本文简要介绍了微生物浸矿的作用机理，浸矿流程及工艺方法，微生物浸矿与传统技术相比所具有的优势，并探讨了了当前微生物浸矿技术存在的问题，最后根据我国当前的经济发展形势大胆猜测了微生物技术的发展方向。【关键词】生物浸矿；作用机理；流程；工艺方法；优势；发展方向20世80年代以来人类对矿物的需求量不断增加，矿床开采难度不断加大，同时环境法规日趋严厉，这就迫使人们不断开发新技术以期充分利用矿物资源。为此，科技人员从各方面(包括选矿设备和药剂生物技术等)进行了深入的研究并取得了巨大的发展，尤其是生物技术的研究与应用倍受人们的关注。

微生物浸矿是借助某些微生物的催化作用，使矿石中的金属溶解的湿法冶金过程，它特别适合于处理贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，并具有传统选矿方法所不具有的巨大优势，因此,微生物浸矿技术的研究进展及其应用越来越受到广泛地关注。

1 微生物浸矿机理

在金属硫化物矿物的微生物浸出体系中，金属的溶解一般认为包括以下三个方面的作用：（1）酸浸作用；（2）直接作用；（3）间接作用。

1.1酸浸作用

硫化物矿物的微生物浸出体系一般为pH值1.8-2.5的稀硫酸溶液，稀硫酸对固体矿物具有一定的化学溶解作用：

2MS+2H2SO4+O2 2MSO4+2H2O+2S

如果没有微生物的存在，化学溶解会因为硫酸得不到补充而逐渐减弱甚至停止。T.f菌适应环境后，可以氧化单质硫而提供硫酸：

2S+3O2+2H2O 2H2SO4

总反应为：MS+2O2MSO4

1.2 直接作用

直接作用是指吸附于矿物颗粒表面的细菌依靠细胞内特有的铁氧化酶和硫氧化酶对硫化物矿物的直接催化氧化，并从中得到能源和其它营养元素的浸出作用，直接作用需要细菌与矿物颗粒的直接接触。直接作用过程中发生的主要反应为：

2MS+2H2SO4+O22MSO4+2H2O +S0

2S+3O2+2H2O2H2SO4

1.3 间接作用

间接作用主要利用氧化亚铁硫杆菌的代谢产物一硫酸高铁和硫酸与金属硫化物起氧化还原作用。硫酸高铁被还原成硫酸亚铁并生成元素硫，金属以硫酸盐形式溶解出来，而亚铁又被细菌氧化成高铁，元素硫被氧化成硫酸浸出矿物，构成一个氧化还原的循环浸矿系统。间接作用过程中发生的主要反应有：

4FeSO4+2H2SO4+O22Fe2(SO4)3+2H2O

MS+2Fe3+2Fe2++M2++S0

硫化物矿物生物浸出作用机的研究表明，在生物浸出过程中，间接作用与直接作用同时进行。初始阶段，间接作用是主要的；随着细菌活性的增强，吸附细菌的直接氧化浸出作用逐渐占居主导地位。

2. 浸矿流程及工艺方法

2.1 浸矿流程

微生物浸矿流程包括：（1）原料准备（2）浸出（3）固液分离（4）金属回收（5）浸出剂再生。下图展示了金属矿物的微生物浸矿流程：

图1金属矿物的微生物浸矿流程

2.2 浸矿工艺

按矿石和浸出剂互相接触的关系，微生物浸矿方法可分为：

（1）堆浸法

（2）槽浸法

（3）原位浸出法

（4）搅拌浸出法

2.2.1堆浸法

堆浸一般都在地面以上进行。该工艺通常利用斜坡地形。将待处理大块矿石(未经破碎或经过一段粗碎)堆置在不透水的地基上，形成矿石堆，在矿堆表面设置喷淋管路，向矿堆中连续或间断地喷洒微生物浸出剂进行浸出，并在地势较低的一侧建筑集液池收集浸出液。

图2堆浸流程示意图

堆浸法的特点是规模大，浸出时间长。对于大吨位贫矿石和废矿石的堆浸，每堆矿石可达数万吨甚至上亿吨。如此大量的矿石，一般都不经过破碎，矿石最大粒度可以达数百毫米甚至上千毫米。由于矿石粒度大，浸出时间一般为几个月，有时甚至需要几年才能完成浸出作业。这种浸出工艺的生产成本比较低，广泛用于处理大吨位的贫矿、废矿和尾矿。

2.2.2槽浸法

槽浸是一种渗滤型浸出作业，通常在浸出池或浸出槽中进行，槽浸也是因此而得名。微生物槽浸工艺多用来处理品位较高的矿石或精矿，待处理矿石的粒度一般为-3mm或-5mm。每一个浸出池（或槽）一次装矿石数十吨至数百吨，浸出周期为数十天到数百天。

槽浸工艺通常有两种操作方式：

（一）在喷洒(连续或间断)浸出剂的同时，连续排放浸出液，在矿层中不存留多余的溶液，这种浸出方式和地面堆浸工艺非常相似。

（二）在喷洒浸出剂时，不进行排液，使浸出剂浸没矿石层，并在其中存留一段时间，然后再排放浸出液，按照这种方式操作，可以使浸出剂与矿石有更长的接触时间，但矿石层内的透气性不如前一种好。

2.2.3 原位浸出法

微生物原地浸出工艺也叫微生物溶浸采矿。这种浸矿工艺是由地面钻孔至金属矿体，然后从地面将微生物浸出剂注入到矿体中，原地溶浸有用矿物，最后用泵将浸出液抽回地面，回收溶解出来的金属。为了使微生物在地下能正常生长并完成浸矿作用，除了在浸出剂中加入足够的微生物营养物质以外，还必须通过专用钻孔向矿体内鼓入压缩空气，为微生物提供所需要的氧气和二氧化碳。

在微生物原位浸出工艺的操作过程中，要定期测定浸出液中的微生物浓度和目的元素浓度，当微生物浓度正常而目的元素浓度已低于最小经济浓度时，浸出作业即告结束。

2.2.4 搅拌浸出法

微生物搅拌浸出一般用于处理富矿或精矿。在进行浸出前，先将待处理矿石磨到-200目占90％以上的细度。为了保证浸出矿浆中微生物具有较高的活性，矿浆的固体浓度大都保持在20％以下。

搅拌的作用是使矿物颗粒与浸出剂充分混合，增加矿粒与微生物的接触机会，提高浸出过程的传质效率。搅拌的另—个作用是增加矿浆中的空气含量，为微生物提供充足的氧和二氧化碳。搅拌的方式有机械搅拌和空气搅拌两种，机械搅拌比空气搅拌更容易使矿浆均匀混合，尤其是对于密度较大的矿物原料，采用机械搅拌更为必要。

3. 微生物浸矿的优点

微生物浸矿工艺之所以能受到人们的重视，关键在于能用来处理那些用常规矿物加工方法无法处理或没有经济效益的矿产资源，尤其是对于那些特贫、特细或有用成分被包裹的矿石，采用微生物处理技术已显示出无与伦比的独特优势。

(1)设备投资少（Less investment in equipment）：在常压和室温条件下进行，不需冷却设备，节约了投资和运营资本；

(2)生产费用低（Low production cost）：生产过程的简单化降低了前期投入和运营费用，缩短了建设时间，维修简单方便；

(3)环境污染轻且容易治理（Low pollution and easy to control）：生物浸出的废弃物为环境所接受，节约了处理废弃物的成本；

(4)可提高金属回收率（Enhance metal recovery）：特别是金和贱金属的回收率，通过溶剂萃取电积法可用于经生物技术处理过的溶液来生产贱金属；

(5)细菌易培养（Easy to cultivate in bacteria）：可承受生产条件的变化，对水的要求也很低。

4. 微生物浸矿工艺缺点

作为一种新型的、发展应用只有几十年的选矿工艺，微生物浸矿在现有经济技术条件下尚存在一些缺陷，主要表现在：

(1)反应速度慢（Low reaction speed）：搅拌浸出的时间通常为4~6天，堆浸的时间通常为200~300天，与焙烧和高压氧化（只需几小时）相比，时间较长；(2)生产流程长（Long production process）：包括原料准备、浸出、固液分离、金属回收和浸出剂再生等主要工序；

(3)难以处理碱性矿床和碳酸盐型矿床（Difficult to treat alkaline and carbonate deposits）。

5. 未来发展方向

综上所述，我们以专业眼光不难看出微生物浸矿技术具有不可比拟的优势，在选矿中展示出良好的应用前景，可以预言它将改变传统的一些选矿方法和概念，使选矿过程产生一些根本的变革，并从根本上使传统的选矿方法高技术化。另外，我国经济发展处于转型阶段，经济发展将由粗放型向节能环保型转变，而微生物技术具有节能、环保、投资少、基建要求低等优点，势必将在今后经济发展的各个领域得到广泛应用。基于以上所述，本文对于微生物技术的未来发展方向做出大胆预测：

（1）高效浸矿菌种。如耐寒、耐高温、耐盐、高活性浸矿菌种、异养菌选育与浸矿应用，浸出过程中微生物生态变化与控制技术研究，现代分子生物学技术在微生物浸矿中的应用等；

（2）燃煤微生物脱硫研究工作的进—步深化，无论是采用微生物堆浸、微生物搅拌浸出脱硫工艺，还是采用微生物顶处理—浮选脱硫工艺，在实现工业化应用之前，都需要进行大量的、深入细致的试验研究工作；

（3）采用生物吸附技术从工业废水中脱除重金属、镭、铀等有毒物质，集环境污染治理与资源综合利用为一体，将会受到广泛关注；

（4）针对不同矿种，寻找、分离和驯化新的浸矿用工程菌，拓宽矿物资源微生物处理技术的应用范围，将进一步受到重视；

（5）运用基因操纵与微生物工程技术修饰构建浸矿工程菌株将引起人们的更多关注，用蛋白质定量分析、特定酶基因分析、基因克隆及定点突变等一系列与“新工程菌”构建相关的研究工作将逐渐开展。

6. 结语

综上所述，可以看出矿物资源微生物技术的应用范围正在日益扩大，研究工作正在日益深入，所取得的经济效益和社会效益也正在日益增加。尽管微生物方面的研究正取得长足的进步，但仍滞后于工程技术研究的进展，我国生物冶金技术的开发研究现状、产业化进程与理论研究与国外相比,仍有较大差距,还需不断深入地研究和改进。随着人们保护环境的意识和对环境质量的要求不断提高，矿物资源的日渐短缺，可以预见，微生物技术在矿物资源工程中的应用前景将会越来越广阔。