细菌低温驯化及其浸出砂岩型铀矿试验研究.pdf

第3 l 卷第6 期 2 0 1 1 年1 2 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 l №6 D e c e m b e r2 0 ll 细菌低温驯化及其浸出砂岩型铀矿试验研究① 王清良1 ，- ，胡鄂明2 ，余润兰1 ，张晓文2 ，邱冠周1 1 ．中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．南华大学核资源与核燃料3 - 程学院，湖南衡阳4 2 1 0 0 1 摘要采用经现场吸附尾液低温驯化培养得到的嗜酸氧化亚铁硫杆菌 Af ，对新疆某砂岩铀矿石样品进行了细菌浸出、双氧水 浸出以及只用硫酸浸出的柱浸对比试验，试验结果表明，Af 经过驯化培养后能较好地适应现场吸附尾液环境，并能在大于l Og ／L 酸度下保持较好的活性；细菌浸出和双氧水浸出的金属浸出率比只用硫酸浸出的金属浸出率高2 ％一5 ％。现场施工了总体积为 1 5m 3 的两个生物反应器，经过一个冬天的现场低温细菌驯化连续培养试验，结果表明细菌活性保持较好，为新疆低温环境保持细 菌活性和低温细菌连续培养提供了依据。 关键词细菌浸出；柱浸；砂岩铀矿；铀；低温驯化；嗜酸氧化亚铁硫杆菌 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 1 0 6 0 0 0 6 0 3 L o w - t e m p e r a t u r eB a c t e r i aD o m e s t i c a t i o na n dL e a c h i n go f ． S a n d s t o n e ．t y p eR e f r a c t o r yU r a n i u mO r e W A N GQ i n g ．1 i a n 9 1 2 ，H UE - m i n 9 2 ，Y UR u n ．1 a n l ，Z H A N GX i a o w e n 2 ，Q I UG u a n z h o u l 1 ．S c h o o lo fM i n e r a l sP r o c e s s i n ga n dB i o e n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．S c h o o l o fN u c l e a rR e s o u r c ea n dN u c l e a rF u e lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS o u t hC h ／n a ，H e n g y a n g4 2 1 0 0 1 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t C o m p a r i s o nt e s t sw e r ec o n d u c t e do nt h ec o l u m nl e a c h i n gw i t hb a c t e r i a ，H 2 0 2a n dH 2 S 0 4f o rs o m el o w s r a d e s a n d s t o n e - t y p eu r a n i u md e p o s i t ss a m p l e df r o mX i n j i a n gP r o v i n c eb yu s i n gA c i d o t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s Af o b t a i n e d f r o md o m e s t i c a t i o na n dc u l t i v a t i o no fl e a c hl i q u o ra f t e ra b s o r p t i o n ．T h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t Afo b t a i n e df r o md o m e s t i c a t i o na n dc u l t i v a t i o nc o u l da d a p tt ol e a c hl i q u o ra n dp r e s e n t e db e t t e ra c t i v i t i e si n1 0s ／LH 2S 0 4 ，a n dt h el e a c h i n gr a t e s o fu r a n i u mb yAfa n dH 2 0 2w e r e2 ％- 5 ％h i g h e rt h a nt h a tb yH 2 S 0 4 ．T w ob i o r e a c t o r sw i t ht o t a lv o l u m eo f1 5m 3w e r e d e s i g n e da n dc o n s t r u c t e do ns i t ea n dc o n t i n u o u st e s t so nd o m e s t i c a t i o na n dc u l t i v a t i o no fb a c t e r i ac o n d u c t e di nw i n t e ro n s i t es h o w e dt h a tAfc o u l db ek e p tw i t hg o o da c t i v i t i e s ，w h i c hp r o v i d e se f f e c t i v ee v i d e n c ef o rt h ep i l o tt e s ti nt h ef u t u r e ． K e yw o r d s b a c t e r i al e a c h i n g ；c o l u m nl e a c h i n g ；s a n d s t o n e - t y p eu r a n i u mo r e ；u r a n i u m ；l o w - t e m p e r a t u r ed o m e s t i e a - t i o n ；A e i d o t h i o b a c i I l u sf e r r o o x i d a n s Af 地浸采铀技术具有投资少、不破坏地表环境、建设 周期短、工作安全性好和自动化程度高等诸多优势，已 成为疏松砂岩型铀矿床开采的主流一J 。地浸采铀工 艺中一般需要加入氧化剂氧化溶液中的F e 2 为F e 3 以提高氧化还原电位，从而提高金属铀的浸出率。细 菌由于能氧化溶液中的F e 2 为F e 3 ，可作为地浸采铀 工艺中的氧化剂”。J 。针对新疆某砂岩型铀矿品位 低、浸出效果不理想，拟采用细菌作氧化剂强化浸出， 提高金属铀的浸出率、缩短浸出时间，节省部分硫酸。 但新疆冬季气温低，而嗜酸氧化亚铁硫杆菌适宜的生 长温度在3 0 ℃左右，为此，本文首先对细菌进行低温 和吸附尾液耐受性驯化培养，然后，对新采集的砂岩铀 矿石进行了驯化菌浸出、双氧水浸出和硫酸浸出的对 比柱浸试验，旨在为最终细菌代替双氧水应用于新疆 地浸采铀矿山提供试验依据。 1 材料和方法 1 ．1 矿石性质 矿石样来自新疆某砂岩型铀矿床，按照铀矿石加 工方法进行加工，分别得到分析样和柱浸试验样。采 用扫描电镜和电子探针对分析样进行分析，结果表明 矿石中铀主要以钛铀矿形式存在，含有少量铀石、沥青 铀矿，含铀矿物有铀钛铁矿、铀沥青；胶结物中有机质、 粘土矿物吸附铀，其它金属矿物有黄铁矿、少量菱铁 ①收稿日期2 0 1 l - 0 6 - 1 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 5 4 0 0 3 ，5 1 0 7 4 0 9 3 作者简介王清良 1 9 6 9 ～ ，男，湖南宁乡人，博士研究生，主要从事微生物浸矿技术和溶浸采铀技术研究。 万方数据 第6 期 王清良等细菌低温马咐化及其浸出砂岩型铀矿试验研究 7 矿；矿样中含有大量金红石。钛铀矿既有呈包裹体存 在于石英等矿物中，也有产于矿物间隙中，矿样的主要 组分及含量见表l 。 表l 矿样组分及含量 质量分数 ／％ UU 6 U 4 c 嗡C aM g N is cN a 0 ．0 ∞20 ．2 30 ．1 2 60 ．2 40 ．2 2 1 00 ．0 0 2 60 ．0 0 4 8O ．0 I 锝 A I F e O №0 3M n“PB T iNS 4 ．9 6 0 ．7 41 ．2 30 ．吆50 ．1 3 0 30 ．0 l l O ．0 6 12 1 ．00 ．∞60 ．0 2 从表1 可知，矿石中钛含量很高，铀主要以钛铀矿 形式存在，属难浸矿石。矿石含有少量黄铁矿，对细菌 浸出有利。矿石中F e O 比例较大，浸出时需要添加氧 化剂改变氧化还原环境。 1 ．2 菌种与培养基 试验所用菌种是从铀矿山酸性矿坑水中选育，经 过不断筛选得到的嗜酸氧化亚铁硫杆菌 Af 。细菌 活化和前期低温驯化培养均采用表2 所示培养基。细 菌在吸附尾液中低温和耐受性驯化，不再加培养基，由． 吸附尾液直接提供营养，吸附尾液成分见表3 。比较 表2 和表3 可以看出，吸附尾液中基本含有细菌培养 所需要的营养物质。 表2 培养基成分 单位o ／t 峨啦O 眦 2 s o , K C IC a N 0 3 2I 2 H P 0 4F e s 0 4 巩O 心s o , s 0 4 2 ‘P 0 4 E l F e 2 T F eC a 2 M 9 2 N H 4 K N a 5 1 0 3 。 4 5 08 7 66 4 05 2 06 82 8 ．54 5 6 7 2 0 1 ．3 细菌低温驯化方法 根据新疆地理位置的特殊性和地浸铀矿山浸出液 成分特点，需要对细菌进行针对现场情况的驯化培 养∞。13 1 。现场冬季气温低，经过长期观察和测量，新 疆某地浸铀矿山浸出液温度较稳定，常年保持在1 1 1 6 ℃，细菌低温驯化以此为依据，低温驯化方法如下 1 摇瓶培养驯化取2 个2 5 0m L 锥形瓶，其中一 个加入7 0m L 表2 所示培养基和3 0m L 菌种，另一个 加1 0 0m L 培养基，进行对照培养，测定两溶液起始氧 化还原电位及F e 2 离子浓度，放人摇床中，调节摇床 温度为1 5 ℃，转速1 4 0r ／m i n ，进行振荡培养，并定时 分析两溶液氧化还原电位以及F e 2 浓度，直到F e 2 全 部氧化。前一次驯化液作为接种液，反复驯化3 次，此 驯化液作为在吸附尾液中进行细菌低温和耐受性摇瓶 驯化的接种液。吸附尾液中细菌低温和耐受性驯化方 法与前面相同，只是改培养基为吸附尾液。此驯化液 作为在生物反应器中进行细菌低温和耐受性扩大培养 驯化的接种液。 2 反应器扩大培养驯化在现场室内气温较低 1 0 一1 8 ℃ 条件下，在生物反应器 如图l 所示 中进行细 菌间歇扩大培养驯化。每天通空气3 - 5h ，并取样分析 氧化还原电位。当电位高于5 5 0m V 时，从高位槽加入 吸附尾液，以一定流速加入生物反应器中，定期检测溶 液氧化还原电位，试验在整个冬天一直运行。 图1生物反应器结构示意 1 ．4 柱浸试验方法 柱浸试验采用现场新采集的混合矿样，安装4 个 试验柱，规格为外径8 8m i l l ，内径8 0m m ，高l0 0 0 m m ，有效高度8 4 0m l n ，混合样总质量为4 8k g 。矿样 捣碎、混匀后取样进行化学成分分析，剩余矿样装填4 个试验柱。每个试验柱底部、顶部装填砾石层，4 个柱 装样质量分别为6 ．7 ，6 ．6 ，6 ．7 和6 ．7k g ，矿石金属铀 品位0 ．0 3 1 4 ％，柱浸试验装置见图2 。 圈2 柱浸试验装置 高位槽 柱浸试验分为3 个阶段，第一阶段为水洗阶段。 该阶段主要测试矿样的有效孔隙体积和矿石的渗透 性。第二阶段为酸化阶段，硫酸浓度为1 2g ／L 。当浸 出液p H 值达到3 4 时，酸化阶段结束，该阶段主要 考察矿石的酸化情况。第三阶段为正常浸出阶段，硫 万方数据 矿冶工程 第3 1 卷 酸浓度调整为7g ／L ，考察矿石的浸出性能、金属浸出 率情况以及总的酸耗等。当浸出液金属铀浓度低于 1 0m g ／L 时，停止试验，计算酸耗和金属浸出率。 2 试验结果与讨论 2 ．1 低温驯化结果 采用经尾液低温驯化培养得到的菌种，在现场室 内自然温度 1 0 一1 8 ℃ 条件下，利用摇床进行现场培 养基和尾液接种细菌的活性对比试验，试验结果见图 3 。另外，调节摇床温度为3 5 ℃，测定细菌生长曲线， 见图4 。 葛 毯 粤 毖 煌 搴 耳 暑 ＼ 遥 印 隧 睃 鼍 蘑 时间／d 图3 低温细菌活性曲线 时间／d 图43 5 ℃时细菌活性曲线 从图3 可以看出，细菌经过多次驯化培养后，已基 本适应低温和吸附尾液环境，能在低温吸附尾液环境 中保持一定的活性。对比图3 和图4 可以看出，低温 仍使细菌活性受到一定影响，细菌延滞期和对数期均 较长，低温条件下细菌延滞期和对数期均为3d ；3 5 ℃ 时细菌延滞期和对数期均为1d 。 在室外设计施工了总容积为1 5m 3 的两个生物反 应器，用吸附尾液提供营养物质，进行了细菌低温氧化 扩大试验，试验持续进行了5 个多月，室外环境温度变 化范围为一1 0 3 0 ℃，生物反应器经过简单保温处 理，溶液温度稳定在1 2 一1 7 ℃，吸附尾液被细菌氧化 后氧化还原电位达到5 5 0m V 以上，能够满足地浸采 铀浸出工艺的氧化还原条件要求。 2 ．2 柱浸试验结果与讨论 柱浸试验开始的第一、二阶段保持相同浸出条件。 第三个阶段改变各自浸出条件，即1 号柱为吸附尾液 硫酸 双氧水，2 号、3 号柱为吸附尾液 硫酸，4 号 柱为吸附尾液 细菌，硫酸浓度均降低为7g ／L ，柱浸 试验结果见表4 。 表4 柱浸试验结果 萼群／k 腮g 浸出条件 金翳粹嚣臀学 表4 数据表明，4 种不同浸出条件，酸耗相差不 大，但金属浸出率存在一定差别，双氧水浸出和细菌浸 出效果较好，金属浸出率比只用硫酸浸出的金属浸出 率高2 ％一5 ％，细菌浸出金属浸出率达到9 9 ．8 ％。2 号柱和3 号柱为平行柱，主要考察试验过程 装柱、溶 浸液加入等 对浸出效果的影响。试验结果表明，平 行柱浸出结果非常接近，表明试验过程装样、溶液加入 等对浸出效果无明显影响。 3 结语 1 Af 菌经过驯化培养后能较好地适应现场吸附 尾液和低温环境，并能在1 0g ／L 酸度下保持较好的活 性。现场细菌氧化扩大试验经过了近5 个月的连续运 行，基本解决了细菌低温活性保持问题和室外细菌过 冬问题，为下一步细菌浸出现场应用提供了依据。 2 矿样总体浸出性能较好，酸耗不高；改善浸出 条件在一定程度上可以提高金属铀的浸出率，双氧水 和细菌浸出金属铀浸出率比只用硫酸浸出高出2 ％～ 5 ％，细菌浸出时金属铀浸出率达到9 9 ．8 ％。 参考文献 [ 1 ] 王海峰。谭亚辉．原地浸出采铀井场工艺[ M ] ．北京冶金工业 出版社，2 0 0 2 ． [ 2 ] 王清良。胡鄂明，冯志刚，等．铀矿原地破碎细菌浸出现场试验研 究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 8 2 4 7 4 9 ． [ 3 ] 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 4 5 - 8 ． [ 4 】胡凯光，王清良，黄银屏．地浸矿山细菌作氧化剂的探索性研究 [ J ] ．世界采矿快报，1 9 9 8 ，1 4 2 4 0 一4 4 ． [ 5 ]胡凯光，王清良。刘迎九．3 8 1 地浸工艺中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 ] 刘玉龙，丁德馨，李广悦，等．铀矿石化学浸出与细菌浸出沉淀产 物的比较[ J ] ．过程工程学报，2 0 1 0 ，1 0 4 6 7 9 6 8 4 ． 下转第1 2 页 万方数据 2 进行了对比计算。 图6 中墙临时支顶 ∥冶』程 由于临时支顶在右洞开挖时将被拆除，因此，考察 的指标为右洞开挖前．即第l O 个施工步结束后中墙的 最大侧向偏移，以及中墙左侧和右侧的最大压应力。计 算巾考虑回填砼存在左偏心的情况。计算结果见表4 。 表4 旌加临时支顶和不施加临时支顶的计算结果 第3 I 卷 I H I 出现偏心接触。然而，I | if 施工中存在各种斟素的 影响．很难完伞做到回填均匀密实。此时，通过施加中 墙临时支顶能对一l t 端起到柑“{ 大的保护作川。因此， 从衬砌结构安全角度考虑，应当在中墙施丁结束后及 时施作中墙临时支顶，【可减少填砼’j 围岩偏心接触 对隧道围岩稳定性和衬砌结构安仓性的影响。 参考文献 [ I ] 陈少华，李勇连拱隧道结壮J 分析[ J 1 小国公路学报．2 0 0 0 ． 13 1 4 8 5 l [ 2 ] 夏才衲．刘金磊相思岭连拱隧道中墙应力研究[ J ] 岩石力学 与I ’程学报．2 0 0 0 ，1 9 S 1 1 1 5 1 1 1 9 [ 3 ]时幔听，千叫年，李强浅埋舣畦拱隧道r I - 墙的合理选用[ J j 地下夺㈨与丁程2 } 撤．2 0 0 5 ．1 6 l 9 4 8 9 f i l [ 4 ] 刘新荣．孙辉．陈晓江，等黄上睦拱隧道t } 墙结构的数值模 拟研究lJ ] 地f 空间与上程学报，2 0 0 5 ．I 6 8 3 7 8 4 0 [ 5 ]曹厶钦．王小林浅埋偏托连拱隧道巾墙优化分析lJJ 岩土上 程学报，2 讲拓．2 8 4 5 3 7 5 4 0 [ 6 ] 车强，下明年，李主空双跨连拱隧道州种中墙的宅州力学鼓 膻分析[ J ] 岩r 力学，2 0 0 6 ，2 7 4J 6 6 7 6 7 2 f7 ] 曾胜．覃庆通．1 们军生_ 跨度连拱隧道直中墙受力现场监洲 万方数据