永平铜矿浸矿菌液的培养条件研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 9 永平铜矿浸矿菌液的培养条件研究 张卫民1 ，一，谷士飞2 ，王焰新1 1 ．中国地质大学，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．东华理工学院，江西抚州3 4 4 0 0 0 摘要通过摇瓶试验，研究了永平铜矿浸矿菌液在9 K S 矿石培养基中的培养条件。研究结果表明在 浸矿菌液培养过程中，初次培养的最适条件是接种量1 0 ％，初始F e 2 浓度0 ．5 9 ／L ，初始p H l ．5 ，培养过 程中控制p H 小于1 ．8 ，而再次培养的最适条件是初始F e 2 浓度0 ．5 ～1 ．0 9 ／L ，初始p H 0 ．9 ～1 ．2 ，培养 过程中控制p H 小于1 ．2 ～1 ．5 。 关键词浸矿细菌；细菌浸出；矿石培养基 中图分类号T F 8 0 3 ．2 1 ；Q 9 3 3 ．1 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 5 0 5 0 0 0 9 0 4 S t u d yo nt h eC u l t u r i n gC o n d i t i o n so fL e a c h i n g o r eB a c t e r i aF l u i d Z H A N GW e i m i n 9 1 一，G US h i f e i 2 ，W A N GY a n x i n l 1 ．C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ；2 ．E a s tC h i n aI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，F u z h o u3 4 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec u l t u r i n gc o n d i t i o n so fl e a c h i n g o r eb a c t e r i af l u i df r o mY o n g p i n gm i n ei n9 K 十So r e c u l t u r e m e d i u mh a v eb e e ns t u d i e dt h r o u g hs h a k i n gf l a s ke x p e r i m e n t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n i t i a lc u l t u r i n gc o n d i t i o n sa r e1 0 ％i n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o n ，i n i t i a lF e 2 0 ．5 9 ／L ，i n i t i a lp H1 ．5a n dc o n t r o l l i n gt h ep H 1 ．8 d u r i n gt h ec u l t u r eo f1 c a c h i n g o r eb a c t e r i af l u i d ，a n dt h e nc u l t u r i n gc o n d i t i o n sa r ei n i t i a lF e 2 0 ．5 ～1 ．0 9 ／L ， i n i t i a lp H0 ．9 ～1 ．2a n dc o n t r o l l i n gt h ep H 1 ．2 ～1 ．5 ． K e y w o r d s L e a c h i n g o r eb a c t e r i a ；B i o l e a c h i n g ；O r e c u l t u r em e d i u m 从目的矿床的矿石或矿坑水中分离选育出适应 矿床环境的高活性、高效益浸矿细菌是微生物冶金 技术实现工业化的前提条件，而在获得所需的菌种 以后，如何高效培养低成本的浸矿菌液，并使其在浸 矿环境中能迅速高效地产生浸矿作用是微生物冶金 技术取得成功的关键之一。因此，研究浸矿菌液的 培养条件成为人们日益关注的重要研究课题。基于 此，本文对从永平铜矿石与酸性矿坑水中分离出的、 经驯化和组合的、以氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆 菌为主的混合菌种，通过摇瓶试验，研究其在9 K S 矿石培养基中的培养条件，从而为下一步利用微生 物技术回收永平低品位原生硫化铜矿资源的浸出试 验打下基础。 作者简介张卫民 1 9 6 5 一 ，男，浙江仙居人，教授，博士研究生 1试验 1 ．1 试验材料 矿样矿样取自永平铜矿，化学成分 ％ S i 0 2 4 2 ．5 9 ，全F e1 9 ．8 8 ，灿2 0 32 ．5 5 ，C a O8 ．9 6 ，M g O 1 ．6 4 ，K 2 00 ．2 2 ，N a 2 00 ．0 4 2 ，P 2 0 50 ．0 5 ，C u 0 ．6 6 ，S1 9 。主要矿物成份 ％ 黄铁矿2 8 ．9 、磁黄 铁矿0 ．9 6 、磁铁矿1 ．5 1 、石榴石1 ．2 1 、方解石0 ．5 0 、 黄铜矿少量。 菌种[ 卜2 】从永平铜矿石与酸性矿坑水中分离 出的、经驯化和组合的、以氧化亚铁硫杆菌和氧化硫 硫杆菌为主的混合菌种。 培养基[ 3 ] 采用9 K S 培养基，其中 N H 4 2 S 0 4 、K C l 、K 2 H P 0 4 、M g S 0 4 ‘7 H 2 0 、 万方数据 1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 C a N 0 3 2 质量浓度分别为3 ．0 、0 ．1 、0 ．5 、0 ．5 、0 ．0 1 g ／L ，并加入1 ％硫粉，而F e S 0 4 7 H 2 0 质量浓度按 需确定。 仪器试验用的仪器有S Z X B 型恒温气浴振 荡箱和3 2 0 一S 型精密酸度仪。 1 ．2 试验方法 本次试验采用一次一因素的方法，对接种量、酸 度及初始F e 2 浓度等影响因素开展了摇瓶试验，所 有摇瓶试验都在3 0 ℃、1 3 0 r ／r a i n 的气浴恒温震荡箱 中震荡培养，并监测溶液的F d 、F e 3 、p H 和E h 等 项目。 1 ．2 ．1 初次培养 初次培养菌液时，所有摇瓶试验都加入粒度小 于l m m 已酸化好的矿粉1 0 9 ，由它与9 K S 培养基 组成9 K S 矿石培养基。 1 接种量对菌液培养的影响 依次取5 ％、1 0 ％、1 5 ％、2 0 ％、2 5 ％、3 0 ％的接 种量，保持溶液总体积为1 0 0 m L 的培养基分别放入 到2 5 0 m L 的锥形瓶中，用1 1 硫酸调节溶液的初 始p H 为1 ．5 0 ，培养过程中p H 小于1 ．8 ，溶液的初 始F e 2 浓度为3 ．0 9 ／L ，以确定适宜的接种量。 2 初始溶液F e 2 浓度对菌液培养的影响 选取 1 试验中所确定的接种量，保持溶液总体 积为1 0 0 m L 的培养基分别加入到2 5 0 m L 的锥形瓶 中，用1 1 硫酸调节溶液的初始p H 为1 ．5 0 ，培养 过程中p H 小于1 ．8 ，溶液的初始F e 2 浓度分别控 制为0 ．5 、1 ．0 、1 ．5 、2 ．0 、2 ．5 、3 ．0 和4 ．0g ／L ，以确 定适宜的F e 2 浓度。 3 初始溶液酸度对菌液培养的影响 选取 1 、 2 试验中所确定的接种量和F e 2 浓 度，保持溶液总体积为1 0 0 m L 的培养基分别加入到 2 5 0 m L ‘的锥形瓶中，用1 1 硫酸分别调节溶液的 初始p H 为0 ．9 0 、1 ．2 0 、1 ．5 0 、1 ．8 0 和2 ．1 0 ，培养过 程中p H 分别小于1 ．2 0 、1 ．5 0 、1 ．8 0 、2 ．1 0 和2 ．5 0 ， 以确定适宜的酸度。 1 ．2 ．2 再次培养 1 初始溶液F e 2 浓度对菌液培养的影响 取1 0 0 m L 的培养基分别加入到2 5 0 m L 的锥形 瓶中，并加入1 ．2 ．1 3 试验中已生长菌的矿粉1 0 9 ， 用1 1 硫酸调节溶液的初始p H 为1 ．5 0 ，培养过程 中控制p H 小于1 ．8 ，溶液的初始F d 浓度分别控 制为0 ．5 、1 ．0 、1 ．5 、2 ．0 、2 ．5 和3 ．0g ／L ，以确定适 宜的F e 2 浓度。 2 初始溶液酸度对菌液培养的影响 选取 1 试验中所确定的F e 2 浓度，取1 0 0 m L 的培养基分别加入到2 5 0 m L 的锥形瓶中，并加入 1 ．2 ．1 3 试验中已生长菌的矿粉所1 0 9 ，用1 1 硫 酸分别调节溶液的初始p H 为0 ．9 0 、1 ．2 0 、1 ．5 0 、 1 ．8 0 和2 ．1 0 ，培养过程中分别控制p H 小于1 ．2 0 、 1 ．5 0 、1 ．8 0 、2 ．1 0 和2 ．5 0 ，以确定适宜的酸度。 1 ．3 分析方法 溶液中F e 2 、总铁用E D T A 滴定法测定[ 4 l ， F e 3 由总铁减去F d 得到，p H 、E h 分别由酸度计和 电位仪测定。 2 结果与讨论 2 ．1 初次培养 1 接种量对菌液培养的影响 从图1 中可以明显地看出，接种量越大，细菌生 长的越好，其氧化F e 2 的速度也越快。接种量为 2 0 ％、2 5 ％和3 0 ％的菌液，在9 4 ．5 h 时，二价铁的氧 化率为1 0 0 ％，而其余的分别在1 0 1 ．5 和1 1 9 ．5h 或 更长时间时，二价铁的氧化率为1 0 0 ％。 1 0 0 8 0 6 I 求 } 4 ‘ 出 2 0 - 2 0 02 04 06 08 0“J 【1 2 01 4 0 时问，} I 图1 不同接种量下F e 2 的转化率 与时间的关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n v e r s i o nr a t eo f F e z a n dt i m eu n d e rd i f f e r e n ti n o c u l a t i o n 从图2 中可以看出，接种量越大，铁的沉淀量也 越大。当二价铁转化完时，接种量为1 0 ％的菌液， 铁的沉淀率最小，为8 ．9 3 ％，而接种量为1 5 ％、 2 0 ％、2 5 ％和3 0 ％的菌液，铁的沉淀率较大，为 2 7 ．4 9 ％～3 8 ．6 9 ％。所以，综合考虑，认为接种量为 1 0 ％时，既能适合菌液的培养，又可以减少铁沉淀的 产生。 2 初始溶液的F d 浓度对菌液培养的影响 从图3 中可以明显地看出，初始F e 2 浓度越 低，细菌生长的越好，其氧化F e 2 的速度也越快。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 1 1 图2 不同接种量下总铁的沉淀率 与时间的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a t i o no f i r o na n dt i m eu n d e rd i f f e r e n ti n o c u l a t i o n 初始F e 2 浓度为0 ．5 9 ／L 的菌液，在7 5 ．5 h 时，二价 铁的氧化率为1 0 0 ％，而其余的分别在9 3 ．5 和1 1 8 h 时，二价铁的氧化率为1 0 0 ％。 1 0 0 8 0 “ 邃 釜4 0 2 0 O - 2 0 02 0 4 0 6 0 8 0l 1 01 2 01 4 ．0 时间m 图3 不同F e 2 浓度下F e 2 的转化率 与时间的关系， F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n v e r s i o nr a t eo f F e 2 a n dt i m eu n d e rd i f f e r e n tF e 2 c o n c e n t r a t i o n 从图4 中可以看出，初始F e 2 浓度越高，铁的 沉淀量也越大。当二价铁转化完时，初始F e 2 浓度 为0 ．5 9 ／L 和1 ．0 9 ／L 的菌液，铁的总量不但没有减 少，反而比初始分别增加了3 7 ．0 1 ％和2 2 ．9 2 ％，而 其余的铁总量都减少，即产生了铁的沉淀，其沉淀率 为3 ．1 4 ％～3 2 ．5 8 ％。所以，综合考虑，认为初始 F e 2 浓度为0 ．5 9 ／L 时，既有利于菌液的培养，又可 以避免铁沉淀的产生，同时有利于矿物的浸出。 3 初始溶液酸度对菌液培养的影响 从图5 可以看出，菌液在初始p H 为1 ．5 和1 ．8 条件下易于生长繁殖，在9 3 ．5 h 时，其二价铁的氧化 率为1 0 0 ％，而其余的在1 4 2 h 或更长时间时，二价 铁的氧化率为1 0 0 ％。说明在较低酸度 初始p H 小 于1 ．2 或较高酸度 初始p H 大于2 ．1 条件下，不 利于细菌的生长繁殖。 零0 出 - 2 0 0Z U 4 0 M ， 跏 J 0 01 2 U 1 4 0 时间，I l 图4 不同F e 2 浓度下总铁的沉淀率 与时间的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nP r e c i p i t a t i o nr a t e o fi r o na n dt i m eu n d e rd i f f e r e n tF e 2 c o n c e n t r a t i o n 图5 不同p t I 下F e 2 的转化率 与时间的关系 F i g ．5 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n v e r s i o nr a t eo f F e 2 a n dt i m eu n d e rd i f f e r e n tp H 但从图6 可以看出，初始p H 为1 ．8 时，在菌液 的培养过程中会产生铁的沉淀，当二价铁转化完时， 其沉淀率为1 9 ．8 9 ％，而初始p H 为1 ．5 时，在菌液 的培养过程中不会产生铁的沉淀，当二价铁转化完 时，铁的总量不但没有减少，反而比初始增加了 4 0 ．1 0 ％。因此，综合考虑，认为初始p H 为1 ．5 ，培 养过程中控制p H 小于1 ．8 时，既有利于菌液的培 养，又可以避免铁沉淀的产生，同时有利于矿物的浸 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 出。 图6 不同p H 下总铁的沉淀率 与时间的关系 F i g ．6R e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a t i o nr a t e o fi r o na n dt i m eu n d e rd i f f e r e n tp H 2 ．2 再次培养 1 初始溶液F e 2 浓度对菌液培养的影响 从图7 可以明显地看出，初始F e 2 浓度越低， 细菌生长的越好，其氧化F e 2 的速度也越快。初始 F e 2 浓度为0 ．5 9 ／L 的菌液，在5 h 时，二价铁的氧 化率为1 0 0 ％，而其余的分别在9 、3 0 和3 8 h 时，二 价铁的氧化率为1 0 0 ％。 誉 茁 时I 哪／h 图7 不同F e 2 浓度下F e 2 的转化率 与时间的关系 F i g ．7R e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n v e r s i o nr a t eo f F e 2 a n dt i m eu n d e rd i f f e r e n tF e 2 c o n c e n t r a t i o n 从图8 可以看出，初始F e 2 浓度越高，铁的沉 淀量也越大。初始F e 2 浓度为0 ．5 9 ／L 和1 ．0 9 ／L 的菌液，在菌液的培养过程中不会产生铁的沉淀，当 二价铁转化完时，铁的总量不但没有减少，反而比初 始分别增加了1 2 ．3 5 ％和1 3 ．2 8 ％。初始F e 2 浓度 为1 ．5 9 ／L 的菌液，当二价铁转化完时，尽管其铁的 沉淀率为0 ％，但在菌液的培养过程中还是产生了 铁的沉淀。而其余的都有铁的沉淀产生，其沉淀率 为9 ．0 9 ％～3 1 ．9 3 ％。所以，综合考虑，认为初始 F J 浓度为0 ．5 ～1 ．0 9 ／L 时，既有利于菌液的培 养，又可以避免铁沉淀的产生，同时有利于矿物的浸 出。 4 。 3 0 2 。 薹1 0 一】。 以 1 O1 0 2 0 3 04 0 时问m 图8 不同F e 2 浓度下总铁的沉淀率 与时间的关系 F i g ．8R e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a t i o nr a t e o fi r o na n dt i m eu n d e rd i f f e r e n tF e 2 c o n c e n t r a t i O n 2 初始溶液酸度对菌液培养的影响 在p H 0 ．9 ～2 ．5 的条件下，考察了F e 2 转化 率及总铁沉淀率与时间的关系，结果表明，菌液在初 始p H 为1 ．5 和1 ．8 条件下易于生长繁殖，在3 h 时，其二价铁的氧化率为1 0 0 ％，而其余的在6 h 时， 二价铁的氧化率为1 0 0 ％。这也说明在再次接种培 养菌液时，较低酸度 初始p H 小于1 ．2 或较高酸度 初始p H 大于2 ．1 条件对细菌的生长繁殖影响不 大。 但是，初始p H 为1 ．5 和1 ．8 时，在菌液的培养 过程中会产生铁的沉淀，当二价铁的氧化率为 1 0 0 ％时，其铁的沉淀率分别为1 2 ．5 5 ％和2 0 ．4 4 ％， 而初始p H 为0 ．9 和1 ．2 时，在菌的培养过程中不 会产生铁的沉淀，当二价铁的氧化率为1 0 0 ％时，铁 的总量不但没有减少，反而比初始分别增加了 2 4 ．9 0 ％和1 2 ．3 5 ％。因此，综合考虑，认为初始p H 为0 ．9 ～1 ．2 ，培养过程中控制p H 小于1 ．2 ～1 ．5 时，既有利于菌液的培养，又可以避免铁沉淀的产 生，同时有利于矿物的浸出。 下转5 1 页 ∞ 舯 ∞ ∞ ∞ 0 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 5 1 粒度，碾压后的料粒度也相应下降，一0 ．8 3 m m 和 一0 ．1 7 5 m m 的料量都有所增加。在配料当中，粘合 剂和粘土的量也适当调低了，而碳化硅料稍有增加。 采用此料进行制砖，成型的条件不变，其砖坯体积密 度度达到2 ．8 ～2 ．8 5t ／m 3 ，砖烧成体积密度度达到 2 ．7 ～2 ．7 2t ／m 3 ，且不存在层裂粘模等现象，达到了 预定目标。 3工艺 经试验，并参考生产粘土结合碳化硅罐壁砖的 经验，确定的工艺技术方案如图1 所示。 I ．．．．．．．．一．．．．．．．．一 。蘸一 半干湿料 籁动加压成 ’ 囹 工 倒焰窑烧威 t 拣选、磨砖 水 丛旦 图1 工艺流程 F i g ．1 T h es k e t c hm a po fp r o c e s s 3 ．2 选用的工艺设备 选用的工艺设备及数量如下 1 1 1 型轮碾机，1 0 k W ，3 台 1 1 2 型轮碾机，2 8 k W ，1 台 1 1 6 型轮碾机，2 8 k W ，1 台 2 8k W 和8 0k w 球磨机各1 台 倒焰窑，8 1 m 3 ，l 套 油压振动成型机，Y Z H C 一1 0 一D 3 一A 4 4 ．5 k W ，1 台 干燥室，4 0 0 m 2 ，1 套 皮带，1 0 k W ，7 台 重油油泵，7 ．5k W ，1 台 3 ．3 工艺技术经济指标 S i C ≮8 8 ％、S i 0 2 ≯9 ％、础2 0 3 ≯1 ．0 ％、F e 2 0 3 ≯ 1 ．0 ％、游离碳≯1 ．0 ％、体积密度≮2 ．7g ／c m 3 、显气 孔率≯1 2 ％、耐压强度≮1 2 0M P a 2 0 ℃ 、抗折强度 ≮4 0M P a 12 0 0 ℃0 ．5 h 、导热系数1 5 ．9 W ／m K 10 0 0 ℃ 、热膨胀系数4 ．5 1 0 6 ／* C 。 4应用效果 新工艺生产的粘土结合碳化硅砖应用于生产 后，竖罐的生产强度较以前有所提高，罐体的寿命延 长了1 0 ％，同时每年可增加蒸锌6 2 6 t 。 上接1 2 页 3结论 用9 K S 矿石培养基培养永平铜矿浸矿菌液 时，初次培养的最适条件是接种量1 0 ％，初始F e 2 浓度0 ．5 9 ／L ，初始p i l l ．5 ，培养过程中控制p H 小于 1 ．8 ；再次培养的最适条件是初始F J 浓度0 ．5 ～ 1 ．0 9 ／L ，初始p H 0 ．9 ～1 ．2 ，培养过程中控制p H 小 于1 ．2 ～1 ．5 。 参考文献 [ 1 ] 邱木青，张卫民，荆秀艳，等．永平铜矿浸矿细菌最佳生 长条件的研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 2 5 7 ． [ 2 ] 张卫民，荆秀艳，邱木清．永平铜矿浸矿细菌驯化培养 研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 4 5 5 8 ． [ 3 ] T } 1 i r dKA ，C o r d R u w i s c hR ，W a t h i n gHR ．T h er o l eo f i r o n o x i d i z i n gb a c t e r i ai ns t i m u l a t i o no ri n h i b i t i o no fc h a l c o p y r i t eb i o l e a c h i n g [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 0 0 ，5 7 2 2 2 5 2 3 3 ． [ 4 ] 国家环保局 水和废水监测分析方法编委会．水和废 水监测分析方法[ M ] ， 3 版 ．北京中国环境科学出 版社，1 9 8 9 1 8 2 1 8 4 ． 万方数据