生物冶金的工业化
周晓俊
（XX学院生物与化学工程学院2009级应用化工技术，XX省XX市617000 学号1）【摘要】本文对国内外生物湿法冶金研究和产业化历程进行了综述，对硫化矿生物冶金进行了较全面的综述，包括浸矿微生物种类及培养条件、硫化物细菌氧化机理、氧化亚铁硫杆菌的铁硫氧化系统、浸矿工艺、影响浸矿效果的主要因素以及浸矿细菌的分子生物学。介绍了国内外生物冶金的工业化应用现状。提出了我国硫化矿生物冶金需要解决的主要问题。【关键词】生物冶金浸矿机理微生物矿产资源环境保护
1.引言
生物湿法冶金作为湿法冶金的一个分支，在国际上已得到公认。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。目前生物冶金的研究对象主要是利用铁、硫氧化细菌进行铜、铀、金、锰、铅、镍、铬、钴、铋、钒、镉、镓、铁、砷、锌、铝、银、锗、钼、钪等几乎所有硫化矿的浸出。
2.正文
由于生物冶金技术特别适于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，并具有过程简单、成本低、能耗低、对环境污染小等突出优点，已在工业生产中得到广
泛应用。在铜的生物提取方面，目前用生物法提取的铜约占世界总铜产量的25%[]1，在美国、
加拿大、澳大利亚、智利等20多个国家实现了生物提铜产业化。在我国，也有2座铜的生物氧化提取厂投人生产。在含砷金矿的生物预氧化方面，目前国外至少有10个生物氧化提金厂
已经筹建投产，国内也建成了2个生物预氧化黄金生产厂[]2。在铀的生物提取方面，加拿大
利用细菌浸铀的规模最大、历史最久，法国、美国、葡萄牙等国家也实现了细菌浸铀的产业化[]3。
2.1 生物湿法冶金技术的发展状况及其方向
迄今为止．常用于浸出的菌种分为：
(1)嗜(常)温菌混合菌种(氧化铁的嗜酸菌)(30-45℃)．包括Thiobacillusferrooxidans(氧化亚铁硫杆菌)：Thiobacillus thiooxidans(氧化硫硫杆菌)；Leptospirillum
ferrooxidans(氧化铁微螺菌)。[]4
(2)中等嗜热菌(45～55℃)，Sulfobacillus(硫化芽孢磺杆菌)。
(3)高温嗜热菌(60～ 85℃)，包括sulfolobos，60℃～70℃ (叶硫球菌)；Sulfolobus
likearchaea (叶硫球古细菌)．70℃ ～85℃ 。
其中，嗜(常)温菌和中等嗜热菌已经成功地运用于BIOXTM (生物预氧化难处理金矿)．BioN —Ic (生物浸镍)，BioCOPTM (生物浸铜)工艺过程．其浸出动力学基本为缓慢至中等速度．即5-7天接触期．金属溶解率／硫化物分解率为约95％．可以处理难处理金矿、镍黄铁矿、辉铜矿、斑铜矿、铜蓝、闪锌矿。
高温嗜热茸应用于贱金属精矿的浸出．其特点为反应速率快．即为3-5天接触期．金属溶解率／硫化物分解率为99％ 以上．可以处理黄铜矿、硫铜钴矿、硫铜砷矿。
1997年德兴铜矿大型堆浸厂的投产标志着我国生物浸铜技术有了重大进展。堆浸厂采用细菌堆浸．萃取．电积工艺．从低品位含铜废石(硫化铜和氧化铜)中回收铜。设计规模为年产电积铜2000t ，矿堆铜品位为0．08％，是我国目前最大的采用细菌堆浸．萃取．电积工艺回收铜的堆浸厂。通过生产实践找到了解决南方夏季雨水多给堆漫带来困难的办法。
2.2 浸矿微生物种类及培养条件
2.2.1 硫化矿生物浸出的主要细菌
用于硫化矿生物浸出的菌种主要有氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans ，简称T ．f ．)、氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans ，简称T ．t ．)和氧化亚铁微螺菌(Leptospirillum ferrooxidans ，简称L ．f ．)。其中氧化亚铁硫杆菌可以氧化Fe +2 、元素硫(S)和还原态硫化物；氧化硫硫杆菌能氧化元素硫，不能氧化Fe
+2；氧化亚铁微螺菌能氧化Fe +2e ，但不能氧化元素硫。在矿物浸出过程中，后两种细菌通常与其他菌种混合使用，
以提高矿物中有价金属的浸出率
[]5。 最近，Y 柯西尼等[]6 报导嗜酸热杆菌(Acidia —nus brieleyi ，简称A ．b)浸出硫化锌精矿
的动力学行为，在无铁溶液中浸出闪锌矿，温度为65C ，浸出10 d ，浸出率为90％以上。
小西康裕等人引用A ．b 菌在65C
下浸出黄铜矿精矿，10 d 浸出率也达90％ 以上。发现A ．b 菌浸出硫化矿的速率比氧化亚铁硫杆菌快得多。这种菌生长最佳pH 为1～2，最适宜的温度为
60～70C ，可以氧化硫化矿和Fe +2。 2.3 硫化物细菌氧化机理
目前比较普遍的观点是，硫化矿的微生物浸出过程包括两种机理，即直接作用和间接作用，矿物浸出通常是两种机制共同作用的结果 。
2.3.1 直接作用
细菌吸附于矿物上直接催化其氧化反应。以黄铁矿及黄铜矿为例的反应为
2222432441522()2FeS O H O Fe SO H SO ++→+细菌
222442432417242()2CuFeS O H SO CuSO Fe SO H O ++→++细菌
2.3.2 间接作用
上述反应中产生的243()Fe SO 是硫化物的强氧化剂，可把硫化物氧化为硫酸盐：
22434()32FeS Fe SO FeSO S +=+
2243442()2CuFeS Fe SO CuSO FeSO S +=++
生成的4FeSO 及S 又可分别被细菌催化氧化为342)(SO Fe 和42SO H :
O H SO Fe SO H O FeSO 234242222)(224+→++细菌
42222232SO H O H O S 细菌→++
因此细菌的间接催化作用在于再生出硫化物化学氧化所必需的氧化剂342)(SO Fe ，和溶剂42SO H 。
2.4 细菌浸出工艺
细菌浸出的工艺流程包括原料准备、浸出、固液分离、金属回收及浸出液再生等。生物浸出包括溶解金属如铜矿浸出和提取金属的预处理过程如含金的砷黄铁矿精矿浸出
[]7。 2.4.1 生物浸出方法
生物浸出法有：堆浸、渗滤浸出、搅拌浸出和就地浸出
堆浸法广泛用于处理未破碎或粗碎的含铜废矿、尾矿及贫矿，每堆矿量达l04 ～108t ，常堆于不透水的坡地，以便溶液自动流人集液池，一般堆成具有自然休止角的截头锥形。再生浸出液喷洒到矿堆顶部，溶液流经矿堆而发生生物浸出反应，随后经堆底斜坡流至集液池。浸出后溶液被送往金属回收系统，提取后的废液在再生池中充气和补加原料中不足的氮、磷、钾盐，以便+2Fe 氧化为+3Fe 及细菌生长繁殖，然后返回浸出作业，形成闭路循环。
渗滤浸出在渗滤槽或池中进行，它适于处理精矿或品位较高且粒度<5mm 的矿石。每槽装矿量为数十至数百吨，浸出时间为数十至数百天，浸出率也高于堆浸。
搅拌浸出通常用于处理富矿或精矿，它要求90％ 以上矿料通过200目，矿浆固体矿物浓度<20％ 。搅拌矿浆将促进细菌和矿粒接触，并强化传质，保证供人充足的O 和CO 。搅拌浸出法金属回收率高，浸出速度快，浸出时间仅数小时至数十小时.
就地浸出法用于处理品位较低、开采难度大的矿石。用凿岩爆破工程预先破碎矿石并储藏在矿床内，开凿少量集液巷道，然后在矿堆上进行布液浸出，浸出液经集液巷道抽至地表处理车间进行回收。与传统的采一选一冶方法相比生产成本降低30％-50％ ，与露采堆浸法相比，就地浸出法每吨铜生产能力的基建投资降低约1／2。
2.4.2 细菌薄层堆浸法
矿石经破碎、制团，将矿团堆垛，再将萃余液喷淋于团矿堆上进行生物浸出。团矿透气性好，保证生物浸出所需的固、液、气三相在矿团中和矿堆中密切接触，细菌主要在矿团内生长繁殖，且浸出液不是流过而是渗过矿团堆，在矿团表面形成液相薄膜，便于传质，有利于提高浸出速度和回收率[]8。
2.4.3 化学氧化和细菌氧化分开进行的IBES 工艺
生物浸出涉及生物催化反应和纯化学反应，它们要求的条件有异有同。在IBES 工艺中，
