生物冶金技术应用与发展现状.pdf

第 3 4卷第5期 2 0 1 2年 1 O月 甘肃冶金 CANS U METALLURGY V o 1 ． 3 4 No ． 5 Oc t ． ， 2 0 1 2 文章 编号 1 6 7 2 - 4 4 6 1 2 0 1 2 0 5 - 0 0 0 1 -0 3 生物冶金技术应用与发展现状 刘漫博 ， 孙琦 ， 李国平 ， 李路路 ， 范 燕 1 ． 西安建筑科技大学， 陕西西安7 1 0 0 5 5 ； 2 ． 长庆石油分公司第一输油处 ， 陕西西安7 1 0 0 0 0 摘要 本文 简要介绍 了生物冶金技术中微生物 的种类 、 作用方式 以及该技术在 国内外的发展 以及工业应 用现状 ， 并指出了该技术的发展趋势以及工业化过程中需要解决的问题。 关键词 生物堆浸； 微生物； 生物冶金技术 中图分类号 T F I 8 文献标识码 A Ap p l i c a t i o n a n d De v e l o p me n t o f Bi o l e a c h i n g Te c h n o l o g y L I U Ma n b o ， S U N Q i ， L I G u o p i n g ， L I L u l u ， F A N Y a n 1 ．S c h o o l o f Me t a l l u r g i c a l E n g i n e e r i n g ， Xi a n Un i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i im 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ； 2 ．C h a n g q i n g P e t r o l e u m F i l i a l e ， X i a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c ri b e b ri e fl y t h e t y p e s o f mi c r o o r g a n i s ms i n b i o l e a c h i n g t e c h n o l o g y ，me c h a n i c s o f a c t i o n，c u r r e n t d e v e l o p me n t a t h o me a n d a b r o a d a s w e l l a s t h e c u r r e n t i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s ．I t p o i n t s o u t t h e d e v e l o p me n t t r e n d s o f t h i s t e c h n o l o gy a n d i s s u e s t o b e a d d r e s s e d i n t h e p r o c e s s o f i n d u s t r i a l i z a t i o n ． Ke y W o r d s h e a p b i o l e a c h i n g； mi c r o o r g a n i s m； b i o l e a c h i n g t e c h n o l o gy 1 概述 矿产资源的开发与利用是支持全球经济发展与 社会进步的重要基础之一。随着全球工业化迅速发 展带来的自 然资源的飞速开发， 导致优质富矿资源 日趋枯竭 ， 从而品位低 以及成分复杂的贫矿资源开 始受到人们日渐关注， 难选冶炼矿石所占比例不断 攀升。常规冶金技术在对低品位低矿物的加工过程 中所体现出的产量低、 成本高、 污染大等缺点， 在技 术和经济上 已元法满足工业生产需求 ， 微生物冶金 技术逐渐受到人们的重视【 l J 。 生物冶金技术又称生物浸 出技术 ， 其本质是利 用自 然界中的微生物或其代谢产物通过对指矿石的 细菌氧化或者生物氧化 ， 溶浸矿石中有用金属 的一 种技术。这些微生物为适温细菌 ， 靠无机物生存 ， 对 生命无害， 它们可以通过多种途径对矿物作用， 将矿 物中的酸性金属氧化成可溶性的金属盐 ， 不溶的贵 金属 留在残留物 中。并 且溶液可与残 留物分离 ， 在 溶液中和之前， 采取传统加工方式， 如溶剂萃取等方 法来回收溶液中的金属 ； 可能存在于残 留物中的金 属 ， 经细菌氧化后 ， 通过氰化物提取 。生物冶金技术 具有成本低 、 污染小、 可重复利用的特 点， 是未来冶 金行业发展的重要方向之一[ 引。 2 浸矿微生物的分类及其对矿物分离 的作用方式 到 目前为止 ， 可用 于浸矿 的细菌有几十种 J ， 最常见的主要是氧化铁硫杆菌、 氧化硫硫杆菌、 氧化 铁杆菌等。按其最佳生长温度大体可分为 3类 中 温菌 2 8 3 O q c 、 中等嗜热菌 5 O℃ 和高温菌 7 O c C 等。 浸矿微生物是可以直接或间接的参与金属硫化 矿或氧化物的氧化和溶解过程的。细菌在矿物分离 过程中的作用主要有以下几种方式 1 微生物代谢的分泌物对目标矿物的选择性吸 附、 中和、 氧化还原等作用。 2 微生物选择性地将 目标矿物成分吸收到代谢 环节， 然后 以另一种形态或价态将矿物成分释放 于 环境中。 3 微生物本身对目标矿物的选择性吸附、 中和 等作用 。 4 微生物分泌物及代谢过程对 目标矿物复杂的 2 甘肃冶金 第 3 4卷 吸附、 氧化还原等物化作用。 3 生物冶金工艺分类 生物冶金过程按其工艺大体上可分为堆浸工艺 和搅拌浸 出工艺 即罐提取 两种。堆浸工艺适用 于处理低品位矿石或废石， 搅拌浸出工艺适用于处 理高品位矿石或精矿【 l_2 ． 。 3 ． 1 搅拌浸出工艺 搅拌浸出过程是将矿石破碎后的矿浆输送到悬 置有生存于微酸性环境 的细菌容器的初级反应器 中， 绝大部分浸 出发生于该阶段。随着矿浆的加入 ， 部分氧化的矿浆进入到第二个反应器并发生最终的 氧化。浸出的溶液 由第二个反应器进入下一个容器 中做固液分离。固液分离采用循环洗涤的方式， 其 中溶液通过萃取得到金属或预处理后安全排放， 残 留物经过处理后 ， 用于贵金属回收或作为矿渣。 该工艺因配置搅拌器和充气装置， 可充分快速 有效的进行反应 ， 金属回收率高、 易于控制， 但在反 应过程 中对灌 的体积、 数量以及通风情况、 搅拌器等 条件具有较高的要求， 从而提高了设备运行和维护 的成本 ， 因此一般只适用于处理小批量高 品位矿石 或精矿。 3 ． 2 堆浸工艺 生物堆浸过程是先将粉碎的矿石堆积于由塑料 材料围起的堆浸场 中， 用含细菌和细菌营养物的稀 释过的硫酸溶液喷淋。金属从含金属硫化物的矿石 中浸出进入溶液， 所用溶液经矿堆浸出收集后， 可先 用传统方式回收金属。溶液经处理 、 回收后 ， 可循环 对矿石进行喷淋。 生物堆浸技术与传统 的选冶技术相 比， 具有以 下特点 1 反应温和。利用微生物催化氧化作用 ， 将矿 物冶炼条件从高温、 高压及强酸强碱的苛刻化学环 境下改变为常温、 常压及低酸下的温和反应 。 2 设备少 、 工艺流程简单、 建设周期短 、 基建投 资少， 同时具备处理量大、 易操作、 生产成本低、 产品 价值高等特点。 3 冶炼工程 中无 S O 等有害气体排放、 溶液可 循环利用 ， 环境友好 ， 并节约了处理废弃物的成本； 矿石元需细磨， 大幅降低能耗， 符合国家节能减排的 发展要求。 4 能较经济地处理常规法难以处理的低品位矿 石， 提高资源利用率， 拓宽矿石领域， 适用于开发偏 远且交通不便 的地区资源。 4 生物冶金技术的应用 生物冶金技术已在 以下几种 金属上实现工 业化 生产 。 4 ． 1 铜 大部分铜矿资源是以硫化黄铜矿 的形式存在。 澳大利亚的一家公司通过高温细菌对黄铜矿进行实 验 ， 实现铜的溶解率超过 9 6 ％。并通过溶剂萃取和 电积法， 使铜的提取率超过 9 5 ％。采取该技术不仅 提高铜的浸出率和回收率 ， 并且节约了将铜精矿运 到冶炼厂的费用， 降低 了工业生产成本。 4 ． 2 金 绝大部分金产 自热液型矿床， 其本质上为黄铁 矿型， 并伴生相当数量的砷。简单研磨 只能使金的 回收率达到 1 0 ％ ～5 0 ％。随着矿坑 的延深和氧化 矿的衰竭， 矿床含硫量不断上升， 提取金属时， 需要 先行处理。澳大利亚 的一处金矿 ， 采用了生物提取 技术 ， 使金的回收率提高到 9 0 ％ 一 9 5 ％。 4 ． 3 镍 硫化镍采用的氧化方式与黄铁矿和砷黄铁矿极 为相似 ， 先将镍金属溶解 ， 采用传统方式进行加工。 采用生物提取技术可实现金属镍 的现场生产 ， 回收 率可以达到 9 0 ％以上 。可减少焙烧炉的投资成本 ， 同时减少运输成本和加工费用。 4 ． 4 多金 属矿 澳大利亚一家公司正对含有铅 、 铜、 锌、 镍和银 的多金属精矿进行实验， 在进行适当的工艺设计和 调整后 ， 生物提取技术对于常规方法难 以分离 的精 矿、 多金属矿和含多种金属 的尾矿也相 当有效。 5 生物冶金技术国内外发展状况 有记载的最早的生物冶金活动是 1 6 7 0年 ， 在西 班牙的矿坑 中回收细菌浸 出的铜 J 。1 9 5 0年美国 开始原生硫化铜矿表外矿生物堆浸试验 ， 并于 1 9 5 8 年获得了生物冶金史上第一个专利。直到 1 9 7 4年， 美 国科学家从酸 陛矿水中分离得到了一种氧化亚铁 杆菌。此后美国的布利诺等又从犹他州宾厄姆峡谷 矿水中分离出了氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌 ， 并用这两种菌浸泡硫化铜矿石， 结果发现能较好 的 把金属从矿石 中溶解 出来。至此 ， 生物冶金技术才 开始得到人们的关注并逐渐发展起来 。经过多年 的 研究与发展 ， 生物冶金技术在技术开发与工业化进 程上均取得了巨大的进展。 澳大利亚 B H P 公司作为矿石工业三巨头之一， 一 直长期从事生物冶金技术的试验与工业化开发， 并于 2 0 0 4年 ， 将 B i o c o p工艺技术投入工业试验 ， 该 技术采用极端嗜热嗜酸菌在建成生物搅拌浸出 萃取电积等方法 ， 处理含砷黄铜矿精矿 ， 铜的浸 出率可达 9 5 ％。2 0 0 7年 ， 该公司又在智利北部 的一 第 5期 刘漫博， 等 生物冶 金技术应用与发展现状 3 座矿山建立了低品位黄铜矿生物堆浸试验项 目， 该 区已探明黄铜矿总储量为 3 ． 1 1 亿吨， 铜平均品位为 1 ． 1 4 ％， 设计规模年产阴极铜 2 0万 t 。 芬兰 T P O公司在 2 0℃下开展镍锌铜矿低温生 物堆浸技术， 工业试验获得成功。T a l v iv a a r a 矿是欧 洲最大的硫化镍 矿， 1 9 7 0年正式开采 ， 其 产量 占世 界总产量的 2 ． 5 ％。 南非是全球黄金 的重要产地。2 0 0 0年南非开 始通过采用生物预氧化处理技术对 A g n e s 矿山的金 精矿进行试验 ， 并于 2 0 0 3年初投产 ， 日处理能力 4 4 0 0 t 矿石 ， 取得了 良好 的经济效益 。 近年来 ， 我国微 生物浸 出的研究和工业化应用 都有了相当的发展 。 在浸矿微生物研究方面 ， 我国的研究者分别针 对浸矿微生物对矿石的作用方式、 作用能力、 遗传物 质等多方面进行了较为深入的研究 ， 利用 D N A重组 等技术培育出了相对于野生菌更为稳定高效的浸矿 细菌。 而在工业化应用方面， 我国于上世纪 9 O 年代开 始 ， 陆续在全国范围内建成 了具有一定生产规模 的 生物堆浸厂 。如江西德兴、 福建紫金 山年产阴极铜 千吨以上级 的铜堆浸厂； 山东莱州、 辽宁凤城等地的 日处理金精矿百吨以上级的生物预氧化厂。镍、 锌 等硫化矿的生物冶金亦取得 了不同程度的发展 。 6 生物冶金技术 的优势及其产业化 发展面临的问题 生物冶金技术是生物工程与传统矿冶技术 的一 门交叉学科。生物冶金技术充分利用自然有机体在 控制条件下对矿物 的加速分解 ， 除在 电积过程中有 部分氧气参与外 ， 无有 害气体和其他废弃物直接进 人环境 ， 是未来矿冶工业清洁生产发展的理想方向。 生物冶金工艺无焙烧过程 ， 能耗小 ， 能最大限度的对 贫矿中的金属进行提取 ， 同时提取液可循环利用 ， 从 经济方面降低 了成本 ， 并提高经济收益 。 目前存在 的问题及发展趋势 主要有 以下 三方 面 1 生物堆浸在处理低品位矿石时需要筑堆或就 地溶浸或坑下爆破 ， 一次处理的矿石量往往在百万 吨以上 ， 对于矿堆 的渗透性 、 矿体构造、 矿层厚度等 需要从工程及水文地质方面研究。 2 高效优 良菌种的开发对生物冶金技术有着重 要的作用。面对生物浸矿周期较长、 浸矿速度较慢 ， 品位低， 且难浸矿资源， 高效优良的浸矿菌种， 对于 该技术的工业化推广至关重要。 3 生物冶金工艺技术的适应性及规模化生产。 除工艺因素外 ， 生物浸矿还受到矿石类 型、 矿 山地 域、 矿床成因等先天因素的影响。对不同产地、 不 同 成因的矿石应进行生物浸矿工艺技术 的适应性研究 与优化设计。实现规模化生产从而降低成本也是生 物冶金工艺发展的必然趋势。 参考文献 [ 1 ] 温建康． 生物冶金的现状与发展[ J ] ． 中国有色金属， 2 0 0 8 1 0 7 4 - 7 6 ． [ 2 ] 陆文华． 生物冶金技术及其应用[ J ] ． 全球科技经济嘹 望 ， 2 0 0 0 6 5 5 - 5 7 ． [ 3 ] E d g a r d o ． R． D， Wo l f g a n g S ．Mi c r o b i a l P r o c e s s i n g o f M e t a l S u l f i d e s [ M] ．N e t h e r l a n d S p r i n g e r V e r l a g ， 2 0 0 7 1 - 3 3 ． [ 4 ] M u r r ．L ．E ． T h e o r y a n d p r a c t i c e o f c o p p e r s u l p h i d e l e a c - h i n g 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