某低品位高酸耗矿床地浸生物采铀试验研究.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 某低品位高酸耗矿床地浸生物采铀试验研究① 蒋小辉，叶善东，陈国贞，张玲 新疆中核天山铀业公司，新疆伊宁8 3 5 0 0 0 摘要针对新疆某地浸采铀矿床品位低、硫酸消耗大的特点，利用设计加工的生物反应器，进行了生物地浸采铀试验研究。2 年 多的现场试验表明抽液孔反注菌液较反注硫酸溶液优势明显，其浸出液铀浓度峰值高，可达1 7 8m g ／L ，维持时间长，可获得较高的 5 0 0m v 以上高氧化还原电位；使用菌液连续抽注一个月后，浸出液铀浓度由1 2 ．8m g ／L 上涨至2 5 ．2m g ／L ，说明菌液中高浓度的 F e 3 可将矿层u 4 氧化为u “，从而获得较高的铀浓度。针对生物地浸采铀技术的应用前景，提出了建议和展望。 关键词地浸采铀；砂岩铀矿；生物浸出 中图分类号T D 9 2 5文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 4 7 6 0 4 地浸采铀利用化学试剂将砂岩铀矿石中的铀溶解 并转移至溶液，在抽注系统的动力条件下从注液孔向 抽液孔迁移，实现地浸采铀的连续过程。U 4 必须先 转化为u 6 才能溶解，铀的迁移需要氧化环境，在还原 环境中溶解的铀会发生再沉淀。创造良好的地下氧化 环境，方可保证地浸采铀工艺的顺利进行。因此，为了 使u 4 氧化为u 6 而溶解，同时溶解的铀能迁移到抽 液孑L ，浸出过程必须不断地加入氧化剂，改变含矿层地 球化学环境与反应条件以1 。地浸采铀过程中采用的 氧化剂主要有过氧化氢、氧气、三价铁、硝酸盐等∞一J ， 微生物作氧化剂的优点在于其氧化强度高，且可循环 生长。 新疆某矿床是可地浸砂岩型铀矿，该矿床矿体质 量差，属于品位低 0 ．0 2 ％一0 ．0 3 ％ 、开采条件相对 较差的砂岩型铀矿床之一。从近年来现场试验的结果 来看，该矿床浸出液铀浓度低，硫酸消耗量大。本研究 旨在通过微生物对矿层水中二价铁的氧化，提高三价 铁浓度，增加氧化还原电位，改善浸出条件，促使矿层 由还原环境向氧化环境转化，从而提高该矿床浸出液 铀浓度，降低硫酸消耗量。经过2 年多的现场试验证 明，细菌可适应该矿床地下水生长环境，对铀的浸出具 有强化作用。 1 细菌浸铀机理 生物地浸采铀现场浸出试验主要是利用细菌在地 表将尾液及培养基中的F e 2 氧化为F e 3 ，再利用F e 3 把u 4 氧化为易溶于酸的U 6 ；另一方面，利用经过驯 化培养的细菌注入矿体，使细菌附着矿石微粒上，氧化 矿石中的黄铁矿，产生硫酸高铁和硫酸。细菌通过氧 化亚铁和氧化黄铁矿两种方式共同作用，提高金属铀 的浸出率，节省部分硫酸阻引。主要化学反应为 2 F e 2 2 H 虿10 2 塑里2 F e 3 H 2 0 U 4 2 F e 3 一U 6 2 F e 2 2 试验部分 2 ．1 试验前期工作 2 ．1 ．1茵种的选育和驯化试验采用的菌种是从矿 山浸出液中选育，经过筛选、驯化得到的氧化亚铁硫杆 菌 T f 。对驯化的细菌进行了有害离子耐受性试验， 细菌可耐受U 、S 0 4 2 。、N 0 3 一、C l 一、F 一、M n 2 、M 0 2 、 c u 2 等相当于2 倍以上浸出液中的离子浓度。同时， 由于该矿床浸出液常年维持在1 4 1 5 ℃较低温度，专 门对菌种进行了低温驯化，驯化后细菌在1 2 ～1 4 ℃仍 可保持较高活性，这在现场试验中得到了进一步的 证明。 2 ．1 ．2 生物反应器的设计结合矿山现场实际情况， 设计并施工了生物反应器，见图l 。生物反应器主体 由三部分组成培养基配制槽1 个、氧化槽5 个、菌液 下注槽1 个，均为在地表挖掘、经防腐防渗漏处理的坑 体，每个槽体长8m ，宽3m ，深2 ．5m ，有效容积约5 0 m 3 。反应器由鼓风机供气。培养基配制槽用于配制 培养基，与亚铁溶解池、尾液管、清水管相连，内设曝气 装置，用以混匀培养基。氧化槽内装有曝气装置和 P V C 填料 载体 ，曝气装置给细菌供氧，载体用于细 菌的附着和固化。 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 3 - 2 3 作者简介蒋小辉 1 9 7 5 一 ，男，湖南宁远人，硕士研究生，高级工程师。主要研究方向为地浸采铀、地下水污染治理、铀铼综合回收、细菌浸矿。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 蒋小辉等某低品位高酸耗矿床地浸生物采铀试验研究 7 图1 生物反应器示意 l 培养基配制槽；2 氧化槽；3 菌液下注槽；4 硫酸亚铁溶解池；5 硫酸罐；6 罗茨鼓风机；7 管道泵 或注液泵 ； 8 潜水泵；9 曝气装置；1 0 P V c 填料 载体 ；“清水进口；1 2 吸附尾液进口 2 ．1 ．3 生物反应器的运行将溶解的硫酸亚铁用泵 打人培养基培配制槽，加入吸附尾液和清水，调节p H 值为1 ．5 ～2 ．0 ，用泵将配制好的培养基培打入氧化 槽；氧化槽中投入预先培养的菌种，按菌液和培养基 1 4 ～1 3 接种，控制总铁浓度为4 在不断鼓气的情况 下，细菌将F e 2 氧化为F e 3 ，测定氧化槽溶液三价铁 与全铁比值F e 3 ／∑F e 或肌 ，当比值大于9 0 ％ 或 E hI 5 5 0m V 时，菌液培养成熟；将成熟菌液打人下注 槽中，加入硫酸调节硫酸质量浓度为4 ～5g ／L ，由泵从 注液孔下注入含矿层中。经过调试和试运行，现有生 物反应器细菌培养速度可达到3 ～5m 3 ／h 。 2 ．2 现场试验流程 菌液连续抽注试验是利用生物反应器中的细菌将 溶浸液中F e 2 氧化为F e 3 ，并将培养好的菌液补加一 定量的硫酸，通过注液管道经分配器注入注液孔中，由 潜水泵将浸出原液抽至集液池，在吸附塔中将铀吸附， 流出的吸附尾液进人生物反应器，形成相对的“闭路” 循环。工艺流程如图2 所示。抽孔注菌液试验与菌液 连续抽注试验基本相似，区别在于培养好的菌液补加 硫酸后直接注入抽液孔中，静置一定时间后，用潜水泵 抽至集液池。 2 ．3 试验块段主要参数 2 ．3 ．1含矿层主要地质、水文地质特征含矿含水层 具有稳定的隔水底板和较为稳定的顶板。地下水具有 高承压性，承压水头高达1 9 5m ，高出地表形成自流。 含矿含水层导水系数l O ．6 8m 2 ／d ，渗透系数0 ．5 ～ 0 ．6 5m ／d ；天然地下水流向为北西向一北西西向，水力 梯度0 ．0 9 ；地下水渗流速度0 ．0 4 5 0 ．0 5 9m ／d 。 成 熟 菌 液 吸附塔 图2 生物浸铀工艺流程示意 2 ．3 ．2 铀矿体特征试验块段钻孔揭露矿体呈多层 分布，大体可分为三层；三层矿体均不连续，在空间上 呈分离与会合的变化状态。矿块平均品位0 ．0 2 7 2 ％， 平均铀量为2 ．5 1k g ／m 2 ，矿体总体连续性较差，矿化 较贫。 铀矿物主要是铀的氧化物及少量铀石，铀氧化物 的矿物类型为沥青铀矿。试验块段所在矿带矿卷内侧 和层间氧化带接触带，矿石中U ”／U 4 1 ，以含 氧系数高的沥青铀矿和水沥青铀矿为主；在矿缘部位， U ／U 4 9 5 ％ ，说明F e 3 在矿层中的累积消耗量不大， 也同时反映出矿层中U 4 含量较低。酌从3 7 0m V 上 涨至4 0 5m V 左右，说明矿层地下水环境向着有利于 瑚啪懈m啪瑚鲫砷柏加。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 蒋小辉等某低品位高酸耗矿床地浸生物采铀试验研究 4 7 9 铀浸出的条件转化。总体说明，浸出液铀浓度与觋、 F e 3 ／∑F e 有着密切关系，其上涨需较高的氧化还原 电位或F e “／∑F e 。 试验过程中将原有硫酸配制浓度由8 1 0g ／L 下 降至4 ～5g ／L ，节省了硫酸的消耗成本。但是，由于加 入较高浓度的硫酸亚铁 控制总铁的浓度为4 ～5 g ／L ，实际的运行成本偏高。因此，在投入连续抽注 的生产过程中，应考虑充分利用浸出液中本身含有的 亚铁或降低硫酸亚铁的配制用量，这样不仅可将菌液 培养方式从间歇式改进为连续培养方式，增大菌液培 养供应量，而且可以大幅降低微生物浸铀的成本。 ， 一 警 ∑ 占 ≮ 炜h ～飞．．．h ⋯～ p - ⋯⋯．～一’■一一- ◆● 一一- 一 日期 图5 浸出液铁浓度变化曲线 u 浓度上涨 0 √少一 日期 图6 浸出液电位变化曲线 4 结语 对新疆某低品位高酸耗的砂岩型铀矿进行2 年多 的地浸采铀生物试验，得到以下结论 1 从矿区提取的菌种可适应现场条件，尤其是在 较低的地下水温度 1 4 ～1 5 ℃ 仍可保持较好活性。 设计的生物反应器培养效率高，细菌培养速度为3 ～5 m 3 ／h ，还有进一步优化的空间，可满足地浸工艺试验 和进一步扩大研究的需要。 2 在抽孔中反注菌液，可将矿层u 4 氧化为 u 6 ，获得较高的氧化还原电位，达到利于铀浸出的氧 化条件，其铀浓度峰值较反注硫酸溶液高，维持时间较 反注硫酸溶液长，可作为开采孤立小矿块的一种方法。 3 细菌对矿层中的u 4 有强化浸出的作用，通过 连续抽注菌液，矿层中的F e 3 ／∑F e 会提高，从而提高 氧化还原电位，改善铀的浸出条件，提高浸出液的铀浓 度。铀浓度上涨的峰值和维持时间与矿层中u 4 的含 量有关。 4 本试验研究为下一步试验提供了参考依据，但 目前的工艺运行成本相对较高，可考虑改进运行方式，利 用浸出液中本身含有的亚铁，降低微生物浸铀的成本。 致谢试验过程中得到东华理工大学刘金辉院长 技术指导，尤其是周义朋博士经常到试验现场，对菌种 培育、试验控制等方面进行了现场指导，在此表示衷心 感谢 参考文献 [ 1 ] 王海峰，谭亚辉，杜运斌，等 冶金工业出版社，2 0 0 2 ． [ 2 ]马飞，张书成，潘燕，等 能出版社，2 0 0 3 ． 原地浸出采铀井场工艺[ M ] ．北京 酸法地浸采铀手册[ M ] ．北京原子 [ 3 ] EA 托尔斯多夫．克孜勒库姆区域铀金矿床开发的物理一化学地 质工艺[ M ] ．北京原子能出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ]阙为民，谭亚辉，曾毅君，等．原地浸出采铀反应动力学和物质运 移[ M ] ．北京原子能出版社，2 0 0 2 ． [ 5 ] 胡凯光，王清良，刘迎九，等．3 8 1 地浸矿山细菌氧化作用扩大试 验[ J ] ．铀矿冶，1 9 9 8 ，1 8 2 9 0 9 6 ． [ 6 ]王清良，胡鄂明，李锦鹏，等．地浸采铀细菌浸出试验研究[ J ] ． 矿冶工程，2 0 1 0 ，3 0 4 5 8 ． 万方数据