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微生物浸出技术及其在尾矿开发中的应用

摘要 ：介绍了微生物浸出技术发展概况，阐述了该技术的研究现状，特别是在尾矿开发中的应用，包括优良菌种 的培育、细菌浸出的主要影响因素和浸出工艺，指出尾矿的生物浸出是微生物浸出技术的发展方向，尾矿专属浸矿 细菌的选育、尾矿生物浸出影响因素的研究、尾矿原位浸出技术的开发，是尾矿资源得以利用的关键。 关键词 ：生物浸出;尾矿;菌种选育;浸出工艺

微生物浸出技术，是利用微生物自身代谢过程对硫化矿中硫、铁等元素的氧化还原作用，从矿石中选择 性浸出有价金属的过程。微生物浸出技术与传统冶炼工艺相比，具有能耗较低、能够综合利用资源、投资和 操作费用少、环境友好等特点，能够处理传统冶炼方式 不能处理或难以处理的低品位或难处理的原矿、尾矿资源，在国内外被广泛研究并应用于工业实践。目前，微生物浸出技术已经成功应用于多种有价金属的 提取，包括铜、金、银、铀、镍、钴、钼、锰、锌和镉等。但是，该技术多应用于从低品位硫化矿中回收有价金属 和难选冶精矿的预氧化处理，是一门新兴的湿法冶金 技术，而把这项技术引入到尾矿中有价金属的浸出上，在国内外报道的还较少。矿产资源是不可再生资源，经过多年的开采利用，高品位易选冶矿产资源已日趋减少，我国还有大量的尾矿资源正待开发，因此尾矿的开发已成当务之急。

1 微生物浸出技术发展概况

微生物浸出技术的应用研究始于20 世纪 40 年代 末。1947 年， Colmer 和 Hinkel首次分离到一种能够 氧化硫化矿的细菌，后被命名为氧化亚铁硫杆菌。 1958 年，Zimmerley 等，首次申请了生物堆浸技术的专 利，并将这项专利付诸于实践，从而开启了微生物浸出 技术的现代工业应用。

微生物浸出技术最初是应用于从低品位铜矿石中 回收铜，继1958年美国率先将这项技术应用于铜矿石的堆浸生产后，智利、加拿大、澳大利亚、巴西、西班牙、 日本、印度等国也先后采用微生物堆浸法来处理低品位铜矿石，或采用原位浸出法回收难采矿石中的金属 铜。1980 至1996 年的十几年间，智利的 Lo Aguirre 矿采用微生物浸出技术对铜矿石进行堆浸，处理量达到 16000 t/d 。随着对微生物浸出技术研究的不断深 入，该技术也逐渐应用到铜精矿的生物浸出中。澳大利亚的一家铜矿利用细菌浸出铜精矿，采用萃取 － 电 积工艺处理浸出液，使铜精矿的微生物浸出在技术和经济上具有了可行性。微生物浸出技术应

用于其它金属的提取开始于 20 世纪 80 年代，最先应用于难处理金矿的生物预氧化。金精矿通常采用槽浸法来处理，金的回收率能够达到90% 以上; 低品位金矿石一般采用堆浸工艺处理，金的回收率也能够达到 70% 。目前，细菌的预氧化技术已广泛应用于难处理金矿石 的预处理。微生物浸出铀开始于加拿大的斯坦洛克铀矿和米利根铀矿，经过近几十年的发展，加拿大每年采用微生物浸出技术生产的铀产量高达420 t。微生物浸出技术经济环保的特点使得这项技术得到迅速发展，继铜、金、铀的微生物浸出实现工业化生产后，镍、 钴、锌和锰也逐渐由实验室研究转向工业化生产。 中国采用微生物浸出技术浸矿的专业研究始于 20 世纪60 年代，中国科学院微生物研究所针对铜官山铜矿进行了微生物浸出的实验研究，取得了突破性成果。近些年，中国科学院微生物研究所、中南大学、北京矿冶研究总院、北京有色金属研究总院、中国科学 院过程工程研究所等科研单位，加强了微生物浸出技 术的基础研究，对低品位矿石的微生物浸出技术及含砷金矿的预氧化技术进行了深入研究。1997 年 5 月，中南大学与江西铜业公司合作在江西德兴建成我国第一家年产 2000 t 阴极铜的微生物堆浸厂，处理含铜 0. 09% ～0. 25%的废石，国内微生物提金技术也进入 了工业化的应用阶段; 2000 年，烟台黄金冶炼厂建成 投产了生物预氧化工厂，对含砷较高的金精矿进行堆 浸预处理，使金的回收率从 10% 提高到 96% 。同时， 镍的微生物浸出实践也在甘肃金川集团逐步施行。总的来说，我国微生物浸出技术的研究还大多处于实验 室研究阶段，工业化应用的实例还不多。 2 尾矿中的微生物浸出技术

微生物浸出技术在低品位矿浸出回收有价金属和 难选精矿的预氧化上虽然已经取得了较大成功，然而， 国内外研究者对微生物浸出尾矿的研究还处于起步阶 段，对于微生物浸出技术中高效浸矿细菌选育、细菌浸出效率的影响因素以及尾矿微生物浸出的工业应用等 方面，还有大量的基础研究和应用研究必须进行。 2. 1 高效菌种的选育

浸矿微生物多属于化能自养菌，生长缓慢，而且在浸矿体系中，高浓度的重金属离子或有机物质都会导 致菌体死亡。选育氧化活性高、适应能力强的高效菌株，是微生物浸出技术的重要研究方向。 微生物按其代谢类型分为自养型微生物和异养型微生物两大类群。某些异养菌也具有溶浸金属矿物的能力，但研究比较充分，在生产中得到实际应用的主要还是自养型微生物。依据这些自养型微生物最适温度范围的不同可将其分为3 组:中温细菌、中等嗜热细菌和极端嗜热细菌。中温细菌是最先被发现，也是应用最为广泛的细菌，应用较多的菌种有 Acidithiobacillus 属的氧化亚铁硫杆菌( Acidithiobacillus ferrooxidans) 和氧化硫硫

杆菌( Acidithiobacillus thiooxidans) 。随着研 究的深入，一些研究表明在搅拌浸出和堆浸的中后期， 浸矿体系中的优势菌群已不是中温细菌，而是中等嗜 热细菌和极端嗜热细菌。目前，研究较多的中等嗜热 细菌有 Leptospirillum 属的氧化亚铁钩端螺旋菌( Leptospirllum ferrooxidans) 和嗜铁钩端螺旋菌( Leptospirllum ferriphilum) 、 Sulfobacillus 属的嗜酸硫化芽孢杆菌( Sulfobacillus acidophilus) 以及 Acidithiobacillus 属的喜温嗜 酸硫杆( Acidithiobacillus caldus) ，最常用的极端嗜热 细菌有Sulfolobus 属的金属硫化叶菌( Sulfolobus metallicus) 。极端嗜热细菌都属于古细菌，细胞壁中没有肽聚糖，对矿浆浓度较敏感，在实际应用中受到一定的限制。中等嗜热细菌具有坚固的细胞壁结构，在堆浸中能耐受 45℃ 以上的相对高温，在槽浸中能耐受较高的矿浆浓度和金属离子浓度，工业应用前景良好。除了主要的浸矿细菌外，一些辅助细菌在生物浸矿过程中也起了至关重要的作用，目前辅助细菌尚没有明确分类，通常将单独使用该菌种进行浸矿时不能有效浸出金属，而将其与其它浸矿菌种混合使用 时又能够促进金属浸出的这样一些微生物，统称为辅助浸矿细菌。硫氧化细菌单独使用时不能有效浸出黄铜矿中的有价金属，而将其与氧化亚铁硫杆菌或者氧化亚铁钩端螺旋菌混合使用时，在很大程度上促进了金属离子的浸出， X射线衍射分析表明它们氧化了浸矿过程中在黄铜矿表面形成的硫层，从而促进了黄铜矿的浸出，被认为是主要的辅助细菌。大量研究表明，混合细菌对矿物的浸出效果要明显优于单一菌种，这也引起了人们对开发混合浸矿菌剂的重视。 在浸矿微生物筛选方面，经过广大科技工作者的不懈努力，大量优良的浸矿细菌，包括中温菌、中等嗜热细菌和极端嗜热细菌以及一些浸矿的辅助细菌被从不同的环境中筛选出来。Feng 等，从生物堆浸场分离到一株极度嗜酸细菌，最适生长 pH 值为 1. 0，甚至 在 pH 值为0 的情况下也能正常生长，认为在黄铜矿浸出中具有重要的辅助作用。Barahona 等，从智利高原中筛选到一 株耐寒氧化亚铁硫杆菌，在 4℃低温下生长良好，对黄铁矿有很好的浸出效果，表明该耐寒菌株在低温状况下具有极高的应用价值。陆洪省等，筛选到1 株新的浸矿细菌，为嗜酸成团泛菌，具有较高的浸矿能力，为生物冶金新菌种的发现和低品位矿石的综合利用提供参考依据。在浸矿细菌的育种方面，国内外也做了大量研究。徐晓军等，利用紫外线诱变处理浸矿细菌，浸矿实验表明诱变后的细菌比原始菌株对黄铜矿的浸出率提高了 46% 。 Ｒawling 和 Woods 将氧化亚铁硫杆菌的质粒 pTF-FC2 与大肠杆 菌质粒 pBＲ322 进行了组建，得到了 pDＲ401 和 pDＲ412 两个质粒，可以作为基因工程的载体。赵清 等，通过接合转移的方式将抗砷质粒pSDＲA4 导入到 喜温硫杆菌中，使该菌抗砷能力从10 mmol/L 提高到 了45 mmol/L。 对于尾矿而言，尾矿专属浸矿细菌的选育工作目 前报道的还很少，应用到尾矿生物浸出的菌种多是实 验室保存的菌株，或利用实验室菌株做