（环境工程专业论文）硫铁矿烧渣的微生物脱硫的试验研究.pdf

摘要 硫铁矿烧渣是在硫酸生产过程中产生的固体废弃物，它一般含铁 3 0 一5 0 或更富，并含有一定量的铜、铅、锌等有色金属，金银等贵金属及 稀有放射性金属。我国每年要排放数百万乃至千万吨烧渣。长期以来硫铁矿 烧渣采用堆填处置，不仅占用了大量耕地，而且浪费了资源，破坏了环境。 根据烧渣中组分的性质进行多用途开发，不仅可以解决烧渣带来的污染，减 轻环境压力，并且可以弥补资源不足。世界上各主要利用硫铁矿生产硫酸的 国家，其硫铁矿烧渣的综合利用率一般较高。据文献报道，日本的烧渣利用 率为7 5 8 0 ，德国将近1 0 0 。其主要原因是各发达国家均使用硫磺或含硫 4 5 以上且杂质较少的硫铁矿制酸( 前苏联将含硫4 8 定为标矿，美国定为 5 2 ) ，硫铁矿烧渣含铁量高( 如美国、西班牙、塞浦路斯、挪威、芬兰等国 其烧渣含铁量一般均在5 3 一5 8 ) ，烧渣可直接用于炼铁，基本上无烧渣污染 问题。我国将硫铁矿的标矿定为含硫3 5 ，这个标准使硫铁矿烧渣含铁量较 低，硫等杂质过高，难以直接炼铁，必须脱硫选铁。 目前降低含硫量的方法主要是湿法选矿。若硫以可溶性硫酸盐的形式为 主，属无效硫，用湿法选矿脱硫效果较明显( 约5 0 ) 。而当硫化物含量高时 可用磁化焙烧一磁选等工艺脱硫。国内已有许多选铁脱硫的研究，但由于选 别效率低，选矿成本高，经济效益不明显等因素，限制了烧渣的应用， 可 见，进一步寻找一种成本低，工艺及操作简单合理，经济效益可观的新途径 非常必要。 本课题拟在对硫铁矿烧渣利用及其现状进行综合考察的基础上，针对传 统选矿法脱硫生成炼铁用的铁精矿工艺复杂，脱硫率低，投资费用和运行成 本高的缺点，利用x 射线等检测方法对硫铁矿烧渣进行了主要成分分析，并 进行了s 的赋存状态的研究，探讨了利用细菌脱除烧渣中硫元素生成铁精矿 的可行性，就矿石粒度、矿浆浓度和细菌浓度等因素对脱硫率的影响进行试 验研究，并通过正交实验确定了各自最佳参数，探讨了加快脱硫速率的办法。 硫铁矿烧渣的微生物脱硫运行成本低，不产生二次污染，工艺简单，既 有经济效益和环境效益，又具有重要的现实意义。 关键词：硫铁矿烧渣，微生物，脱硫 a b s t r a c t p y r i t es l a gi sa k i n do fs o l i dw a s t e sp r o d u c e di ns u l f i a r i ca c i d p r o d u c t i o nl i n e i no u rc o u n t r ym i l l i o n so ft o n so f p y r i t es l a gw e r el e to u te v e r yy e a r f o rl o n g t i m et h et r e a t m e n t so ft h ep y r i t es l a gw a s h e a p i n go rf i l l i n g ，w h i c hn o to n l yt o o k u p t h e f a r m l a n d s ，b u ta l s o w a s t e dt h e r e s o u r c e s a c c o r d i n g t ot h ek i n do f c o n s t i t u e n to f p y r i t es l a g ，p e o p l ec a np r o c e e dm a n y u s e f u ld e v e l o p m e n t s ，w h i c h c a nn o t o n l y s o l v et h e p o l l u t i o n o ft h e p y r i t es l a g a n da l l e v i a t i v et h e e n v i r o n m e n t a l p r e s s u r e ，b u ta l s oc a r lm a k eu pf o rt h es h o r t a g eo f r e s o u r c e i nt h e w o r l d ，m a n yc o u n t r i e st h a t p r o d u c es u l p h i c a c i dw i t hp y r i t ec a nm a k eu s eo f p y r i t es l a gw i t hah i g he f f i c i e n c y ，b u ti no n rc o u n t r y ，b e c a u s ec o n c e n t r a t i o no f f e r r i ci np y r i t es l a gi st o ol o w ，a n dc o n c e n t r a t i o no f s u l p h u ro f t h o s ei st o oh i 曲，i t c a nn o tb ec a s ti n t oi r o n c o n s e q u e n t l y ，i ti sn e c e s s a r yt ol o wc o n c e n t r a t i o no f s u l p h u ro fp y r i t es l a g c u r r e n t l y ，t h em e t h o do fr e m o v i n gs u l p h u ri sm a i n l yw e tm i n e r a lp r o c e s s b e c a u s et h ed i s s o l u b l es u l p h u rb e l o n gt ou s e l e s s s u l p h u r ，i t i s g o o df o rw e t m i n e r a lp r o c e s st or e m o v es u l p h u r h o w e v e r , w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f s u l p h u ri s v e r yh i g h t h ep r o c e s so fm a g n e t i z i n gr e d u c t i o n i sf e a s i b l e t h e r ea r e m a n y r e s e a r c h m e n t so ni n c r e a s i n gf e r r i ca n dr e m o v i n gs u l p h u r ，b u tt h e s ee f f i c i e n c i e s a r e v e r yl o w ，a n d t h e e x p e n s ea r ev e r yl a r g e t h a t i st o s a y ，t h e e c o n o m i c p e r f o r m a n c ei sn o t o b v i o u s i th a sl i m i t e dt h ea p p l i c a t i o no f p y r i t es l a g t h e r e f o r e ， i ti s n e c e s s a r y f o ru st ol o o kf o rak i n do fl o w e rc o s t ，m o r e s i m p l e ，m o r e e c o n o m i c a la n dm o r er e a s o n a b l et e c h n o l o g y 。 o nt h eb a s i so fs t u d i n gt h ee x i s t e n c eo ft h ea p p l i c a t i o no fp y r i t es l a g ，t h i s t h e s i sm a d eu s eo f m a n y m e t h o d s i n c l u d i n gx - r a yt oi n v e s t i g a t et h ec o n s t i t u e n to f p y r i t es l a g ，a n dr e s e a r c ho n e x i s t e n c eo fs u l p h u r i na d d i t i o n ，i td i s c u s s e dt h e f e a s i b i l i t y o fr e m o v i n gs u l p h u rw i t hb a c t e r i a li no r d e rt op r o d u c em a t e r i a lo f s t e e l ，a n dr e s e a r c h e do nf a c t o r st h a tc a nh a v ee f f e c to nr e m o v i n gs u l p h u r k e y w o r d s ：p y r i t es l a g ，m i c r o o r g a n i s m ，l e a c h 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 硫铁矿烧渣的特性及分类 由于我国硫铁矿资源丰富，储量巨大，而天然硫缺乏，因此硫铁矿成 为我国硫磺、硫酸、亚硫酸盐等基础工业产品的最重要的原料。我国每年 有8 0 的硫酸产量是以硫铁矿为原料制得的。有资料1 1 1 2 1 1 3 1 表明，每生产 i t 硫酸约产生o 7 o 8 t 的烧渣。 采用硫铁矿焙烧制取硫酸的原理如下： 4 凡s 2 + 1 1 0 2 = 2 凡2 0 + 8 2 + 3 2 7 5 3 脚( 1 - 1 1 3 凡s 2 + 8 0 2 = 凡3 0 4 + 6 s 0 2 + 2 3 6 8 - 2 彤 n 2 1 2 s p 2 + 0 2 = 2 3 o - 3 ) s q + h 2 0 = h 2 s 0 4 r 】- 4 、 式中可见，在烧渣中铁主要以f e 2 0 3 及f e 3 0 4 两种形式存在，烧渣中的 矿物为磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿、石英、长石、重晶石等，随硫铁矿来 源以及焙烧的方法不同成分略有不同。 从不同角度可以将烧渣进行不同的分类 4 】【5 】： f 1 ) 根据产出地点不同，分为尘和渣。每生产1 t 硫酸约排出o 5 t 酸渣， 从炉气净化收集的粉尘约0 3 o 4 t ，大部分酸厂已将尘与渣混在一起。 ( 2 ) 按颜色分为红渣、棕渣、黑渣。当渣中以f e z 0 3 ( 即赤铁矿) 为主时为 红渣；当渣中以f e 3 0 。( 即磁铁矿) 为主时为黑渣：棕色渣介于红渣和黑渣之 间。 ( 3 ) 渣的颜色变化，反映了磁铁矿的含量，可以按磁性率( t f e f e o ) 将 渣分类。磁性率高，说明烧渣的氧化程度高，磁铁矿含量少。 ( 4 ) 按有用组分含量，可分为贫渣、铁渣、有色一铁渣。贫渣铁品位较 低，无综合利用价值；铁渣中铁含量较高，有色金属及其它有价金属含量 武汉理工大学硕士学位论文 低；有色一铁渣中综合回收的成分较多，如铁、铜、金、银、钴等均具有 回收价值。 以上各种分类互有联系，表1 - 1 可以清楚地表明这一点。 表1 一l 烧渣类型及主要含铁矿物 烧渣类型t f e f e o主要含铁矿物适宜的分选方法 黑色渣 7 磁铁矿、褐铁矿重选 从某种意义上讲，烧渣是一种人造岩石，影响其矿物组成和结构的因 素很多，如原料化学成分、酸碱度、正负离子比率、温度、压力、炉膛结 构及冷却条件等1 。 烧渣中所含元素除铁外，还含有硫、硅、砷、硒等有害元素及铜、铅、 锌、金、银、钴等可综合利用回收的元素。它们在焙烧过程中，按各自特 性发生不同的转变，如铅、镁、钙、钡的碳酸盐将转化为氧化物，进而生 成硫酸盐；砷和硒的化合物也将转变成氧化物。烧渣中硫的赋存形式可能 为：s o2 及s 0 3 被吸附在烧渣孔隙中与渣中元素形成盐类物质；当焙 烧风量不足时，可能以升华硫的形式被吸附于烧渣的表面或孔隙中；原 料中微粒未经焙烧即被烟气带出：微量被脉石包裹的f e s 2 、f e s 未经氧 化残存于烧渣中f j 。 2 硫铁矿烧渣的处理和利用 1 2 1 炼铁 烧渣炼铁主要存在两个问题，其一是铁品位低且波动大：其二是炼铁 有害杂质硫、砷、硅含量高。因此，烧渣必须预先选别方可炼铁。 降低含硫最有效的方法是湿法分选。因硫多以可溶性硫酸盐的形式存 在，属无效硫，在湿法选别中，脱硫效果较明显( 5 0 左右) 。烧渣分选最 2 武汉理工大学硕士学位论文 常用流程为重选、磁选或其联合流程。当烧渣为黑渣，磁性率 4 时，在 o 0 8 5 0 1 5 t 的磁选机中选别后一般均能将含铁量提高到6 0 左右，且能 降低s i 0 2 及无效硫等的含量。如广东南海化肥厂所产烧渣t f e ：3 4 1 9 ， s ：1 5 9 ，磁性率3 5 ，磁性铁占有率7 6 1 6 ，采用单一磁选流程获得含 t f e ：6 0 4 8 ，s ：1 1 9 ，e f e ：7 6 1 2 的产品，其分选流程见图1 ，1 。 产品 图1 1 烧渣磁选流程 尾渣 对于红渣如广州氮肥厂烧渣，硫铁矿来自英德、云浮等，其t f e 为4 1 5 0 ，s 含量1 0 左右，采用螺旋溜槽选别得到含t f e ： 5 93 7 ，s 含量小于0 3 的产品，部分硫也因可溶于水而进入尾渣。对 于棕色烧渣，最适宜采用的选别流程为磁一重联合流程，如山东烟台化工 厂烧渣，含t f e ：5 0 5 1 ，s ：0 7 1 0 ，磁性率4 5 ，磁性铁占 有率5 5 7 0 ，采用图l 一2 流程，得到含f e ：5 8 6 2 ，s ：0 5 0 7 的产品，其e f e ：7 0 7 5 。而采用磁选( 二次选别) 后仅能得到t f e ： 5 5 4 9 ，s ：1 1 的产品，且回收率也只有6 8 4 0 。 对主要用途为炼铁的烧渣的选别，流程均比较简单，但仍以磁选为最 佳。因此，获得磁性率低的烧渣即黑色渣很有必要，一种方法是控制炉内 过剩气体系数在1 5 2 5 以内，另一种方法就是磁化焙烧。 3 卜姒 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 还原法制取铁粉 烧渣通过还原、磁选或氯化等过程提纯制得磁性铁粉，用于制焊条或 作为粉末冶金粉，还可用作乙醇制造的催化剂。上海吴泾化工厂采用氯化 法制铁粉得含铁9 5 的铁粉，比原先采用的还原法所得铁粉品位( 8 0 8 5 1 高【8 。 原矿一2 0 0 目 i 磁选h 1 5 0 0 尾渣产品 1 2 3 生产三氯化铁 图1 - 2 烧渣磁一重选别流程 三氯化铁是净水剂和防水剂，以烧渣代替铁粉生产三氯化铁是烧渣的 又一综合利用途径。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 4 制取氧化铁红 将较高品位的烧渣充分氧化，所得的三氧化二铁经过细磨筛分可以制 得工业上常用的普通铁红。 1 2 5 制取固体聚合硫酸铁 以含铁量大于4 0 的红土代替硫酸亚铁生产聚合硫酸铁将使废渣变 成宝，聚合硫酸铁是近年来发展起来的新型无机高分子絮凝剂。它应用于 净化水的功效有很多优点：絮凝时间短；矾花大，沉降快：应用范围广( p h 值范围为5 1 2 ，低、高浊度浑水) ：c o d 去除率达8 0 以上，且除臭： 净化后的水对人体无害 1 l l ；使用成本低，净化效率高等。 1 2 6 有色金属及贵金属的回收利用 部分烧渣中的有色金属及贵金属含量较高，回收这部分有价元素所获 得的经济效益比回收铁高得多。国内外进行了大量的研究工作，且取得了 不少成功经验；但也存在很多问题，如回收铜等有色金属，采用氯化焙烧 法的回收率比较高，但经济效益及回收工艺并非特别理想。 12 6 1 高温氯化焙烧 以氯化钙为氯化剂与烧渣均匀混合 ( 4 9 ) ：i o o ，造球干燥后于1 1 0 0 1 3 0 0 。c 焙烧炉内焙烧，烧渣中的铜、锌、铅等有色金属以氯化物形式挥发， 通入回收塔回收，残渣用于炼铁。此法对烧渣有定的要求，即f e o 含量 应低于3 ，砷低于0 ，1 ，硫低于0 7 ，铅低于o 2 ，此外，铜、锌的 含量亦应在一定范围内。我国河南开封钢铁厂采用此法获得的铜挥发率 6 0 8 3 ，锌挥发率5 8 8 8 ，硫挥发率6 7 9 8 。该法因先在 日本光和金钢铁厂应用，故又称为光和法【1 5 】【1 6 。 12 62 中温氯化焙烧 工艺流程是将烧渣、硫铁矿、食盐按一定比例混合于5 5 0 6 5 0 炉内 焙烧氯化，烧渣中的有色金属氧化物、硫化物生成可溶性的氯化物或硫酸 5 武汉理工大学硕士学位论文 焙烧氯化，烧渣中的有色金属氧化物、硫化物生成可溶性的氯化物或硫酸 盐，焙烧冷却后以稀酸浸出，再从溶液中分别回收铜、锌、钴、金、银等， 残渣约为烧渣的8 5 ，经烧结后作炼铁原料。 1 2 63 浸出萃取法 含钴较高的硫铁矿，制取硫酸后的烧渣中铜、钴、镍等绝大部分以硫 酸盐形式存在，可溶于水，经空气搅拌用酸浸出，浸出液以脂肪酸萃取， 不同的条件萃取不同的金属，剩余的滤渣仍作炼铁原料。这一工艺在我国 河北葫芦岛锌厂实践证明是一条合理利用烧渣的途径。 1 2 6 4 从烧渣中提取金、银的方法 来自黄金矿山副产品的硫铁矿及其它含金硫铁矿，烧渣中的金银又有 所富集，高者含金达4 8 左右，成为提取金、银的宝贵资源。这类烧渣 提取金、银最常见的方法是氰化法，经多级氰化洗涤后的贵液再经脱氰处 理，以锌粉置换出金、银，尾渣经过磁选回收铁。山东乳山化工厂以此法 获得金浸出率达6 8 5 0 ( 1 9 8 8 年) ，总回收率高达6 3 7 3 。 1 2 7 水泥及建材工业上的应用 含铁量不高的烧渣或经选别后的烧渣，其含铁量在3 0 左右，可以代 替铁粉作为水泥烧成的矿化剂( 助熔剂) ，以降低水泥烧成温度，提高水泥 的强度和抗侵蚀能力，并减低其热析现象。我国水泥行业广泛利用烧渣以 降低成本，烧渣掺入量约为3 - - 5 ，每年消耗总烧渣的2 0 2 5 。 另外，含铁品位低的烧渣与石灰混合( 8 5 ：1 5 ) 磨细后，加水消化，可以 制得7 5 号砖 2 0 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 - 3 研究内容及意义 1 3 1 研究内容 筛选出了硫铁矿烧渣微生物脱硫较优菌种，研究了硫铁矿烧渣微生物 脱硫的可行性及各种因素对脱硫率的影响，$ 1 5 h 快脱硫速率的方法，确定 了其最佳参数，缩短了脱硫周期，并对主要机理进行了深入探讨。 1 3 2 研究意义 自行分离出了高效的脱硫菌种，并得到了分离t f 菌用的培养基的最 佳配方，通过改良得到了活性更高的菌种。硫铁矿烧渣经该菌种处理后， 硫的含量达到制取炼铁原料的标准，不但节约了资源，而且保护了环境， 1 4 所选课题的来源 结合武钢矿业公司金山店铁矿委托项目硫铁矿烧渣的综合利用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 脱硫菌种 第2 章微生物脱硫基本原理 硫铁矿烧渣的微生物脱硫属于细菌浸出的范畴。微生物几乎伴随着地 球的演变而发展，但是微生物浸出的认识和应用还是2 0 世纪4 0 年代的事。 1 9 4 7 年t e m p l e 和h i n k l e 从煤矿的酸性矿坑水中首先分离出一种能氧化金 属硫化矿的细菌，并命名为铁氧化硫杆菌。1 9 5 4 年b u y n e r 从废铜矿堆流 出的水中分离出氧化亚铁硫杆菌。并在实验室对多种铜的硫化物进行细菌 浸出实验，发现该菌可以氧化浸出这些硫化物口2 】【2 3 【2 ”。 细菌浸出涉及的微生物种类及其作用是多种多样的，主要有氧化亚铁 硫杆菌( t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ) ，氧化亚铁钩端螺旋菌( l e p t o s p i r i l l u m f e r r o o x i d a n s ) ，氧化硫硫杆菌( t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ) ，布赖尔利叶硫球菌 ( s u l f c ) l o b u sb r i e r l e y i ) ，嗜热硫氧化菌( s u l f o b a c i l l u st h e r m o s u l f i d o o x i d a n s ) ，它 们主要用于浸出硫化物【2 心j 。 微生物浸出过程中的主要菌种之一氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 简称t f 菌) 是一种嗜酸、呈革兰氏阴性、专性好氧的化能自养 菌。它主要存在于含硫的环境中，它能氧化元素硫，亚铁离子及还原态化 合物来获得细胞新陈代谢所需要的能量【2 7 】i 2 。 2 2 脱硫机理 2 2 1 细菌的直接作用 细菌的直接作用是指浸出细菌( 主要是t f 菌) 附着于物料表面与物料 中的硫化物发生作用，使该物质氧化而溶解。实际上，物料中的还原态硫 和铁化合物被氧化亚铁硫杆菌直接氧化是一个极复杂的多极过程。首先， 必须使硫化物或硫的晶格受到破裂，接着氧化剂渗入晶格内，然后在各种 酶系统的影响下进行氧化过程。这些酶系统参与了由基质传递电子给氧的 8 武汉理工大学硕士学位论文 过程，同时，这些无机化能自氧型细菌，也正是靠氧化亚铁离子、硫化物 和硫来获得生命过程所需的能量口0 1 13 1 】。细菌通过这种方式将原料中有价金 属以离子形式释放出来。用电子显微镜对被细菌腐蚀的纯f e s 2 表面观察发 现有细菌浸蚀的通道 3 2 】 3 3 】。在有氧及有水存在的条件下，由于细菌的直接 作用，金属硫化物、f e s 2 、c u f e s 2 及元素硫会发生氧化溶解反应，如图2 1 。 图2 - 1细菌直接作用机理 不同硫化物的细菌氧化反应如下： 2 f e s 2 + 7 0 z + h 2 0 马2 凡2 + + 4 鼢2 c u f e s 2 + 4 。2 骘白2 + + 凡2 + c u s + 2 0 2 j 塑萱_ c u s o l + s o ? 一 2 s + 3 0 2 + 2 必0 马2 日+ + s o l 2 2 2 2 细菌的间接作用 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) f e s 2 在自然条件下被缓慢氧化生成硫酸亚铁和硫酸，在有细菌的条件 下，细菌将亚铁氧化为三价铁，硫氧化为硫酸，其中的三价铁是一种很有 效的氧化剂和浸出剂，多种硫化物都可被硫酸铁浸出，氧化反应被三价铁 催化快速进行( 3 6 鲫【3 8 】。这就是细菌浸出间接作用机制的观点，凡是利用三 价铁为氧化剂的金属化合物的浸出都是间接浸出。f e ”与物料反应之后生 武汉理工大学硕士学位论文 成的f e 2 + 继续被细菌氧化。细菌的作用就是不断将亚铁氧化为三价铁离子， 产生了氧化剂，并提供了适宜的酸性环境。因此，原料中的硫化物在氧化 剂和酸性环境下就可发生化学溶解，细菌主要起催化作用。 0 2 c 0 2 。 c 0 2 图2 - 2细菌间接作用机理 4 凡2 + + 0 2 + 4 h + 斗4 凡“+ 2 h 2 0 ( 细菌作用) 1 4 f e “+ f e s 2 - - 1 5 f e 2 + + s ( 化学作用) c “2 s + 4 凡3 + 一2 c “2 + + 4 f e 2 + + s ( 化学作用) 2 2 3 细菌的复合作用 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 微生物浸出复合作用理论是指在细菌浸出过程中，既有细菌直接作 用，又有通过f e 3 _ 氧化的细菌间接作用：只不过有时直接作用占优势，有 时间接作用占优势，两种作用都不可排除，这是金属硫化物细菌浸出所遵 循的一般规律 4 0 】【4 l 】。 从氧化还原性硫化合物得到能量的能力是t h i o b a c i l l u s 的特性，它们 具有极生鞭毛。大多数硫杆菌如f e r r o o x i d a n s ( 氧化亚铁硫硫杆菌) ， t h i o o x i d a n s ( 氧化硫硫杆菌) ，r o t h i o p a r u s ( 扫 硫硫杆菌) ，是专性化能无机自 养菌，依赖于c 0 2 的固定。 征征 矿 p 妒 耖蓊k 武汉理工大学硕士学位论文 养菌，依赖于c 0 2 的固定。 2 3 细菌学原理 2 3 1 硫化合物氧化的反应途径 确定硫化合物的反应途径和步骤是很困难的，因为硫化物和水溶液中 的硫发生非生物学氧化反应，最重要的酶促反应如图2 - 3 。 s ：_ 里- 硫化物氧化酶；硫代硫酸裂解酶( 硫氰酸酶) ；硫氧化酶 理硫酸氧化酶；a p s 还原酶：硫酸腺昔酞转移酶 图2 3 细菌氧化硫化合物过程中重要的反应 据认为 4 3 堋，亚硫酸氧化至硫酸过程中得到的电子由细胞色素c 的水 平进入呼吸链。某些硫杆菌能经底物水平磷酸化利用从亚硫酸至硫酸的氧 化反应中得到的能量。a m p 为一磷酸腺苷，a d p 为二磷酸腺苷，a t p 为 三磷酸腺苷，a p s 为腺嘿吟一5 - 磷酸硫酸，p i 是磷酸基。 s 0 4 2 一+ 4 脚一a p s + 2 e 一( a p s 还原酶1 a p s + p i 啼a d p s o ：一( a d p 硫n g n ) 2 a d p 斗a t p + a m p ( 腺苷激素酶) 2 - 3 2 硫的细菌氧化机理 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 至于硫的氧化，它的机理及其反应途径也很复杂。- n n i 耋接氧化元素硫， 与它和元素硫的直接接触有密切关系：同时细菌能产生一些表面活性物 质，如磷脂酰甘油，能降低介质的表面张力，促进细菌与硫的直接接触4 6 1 。 一 0 一 i 乒 二一 簋 武汉理工大学硕士学位论文 元素硫被细菌氧化为硫酸可能经过下列步骤： ( 1 ) 细菌氧化元素硫时，最初是通过细胞壁进入细胞内部，此后与谷肤 甘肤( g s h ) 形成多硫化合物。谷肤甘肤多硫化合物是硫氧化系统的活性物 质。亚硫酸盐是硫氧化过程中的第一级产品。可能的反应途径如下： s 8 + g s h 书g s 8 s h g s s s h + d 2 斗g s 8 s 0 2 日 ( 在硫氧化酶作用下) g s s h + h2 0 畸g s s s h + h ! s 0 3 ( 2 ) 8 0 3 2 通过硫磷酸腺苷( a p s ) 作用进一步氧化成s 0 4 2 。 2 s 0 4 2 。+ 2 a m p 丰2 a p s + 4 e 一 ( 在a p s 还原酶作用下) 2 a p s + 2 p i - - 2 a d p + 2 s 0 4 。 ( 在a d p 还原酶作用下) 2 a d p a m p 七a t p s 0 3 2 氧化过程中，能量以a t p 形式存在。 2 3 3c 0 2 的固定 ( 2 - 1 1 ) r 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - i5 ) ( 2 - 1 6 ) tf 菌是通过二磷酸核酮糖环( 还原的磷酸戊糖环) 途径来固定c 0 2 的， 这个途径最初是由卡尔文研究查明的，又称卡尔文循环，这个途径总反应 式为： a t p = a d p + p i + 能量 ( 2 1 7 ) 在二磷酸核酮糖环中，有两个特有的反应，( 1 ) 5 一磷酸核酮糖在有关的 激酶的作用下生成1 ，5 - 二磷酸核酮糖；( 2 ) 1 ，5 - 二磷酸核酮糖作为c 0 2 的 受体，在二磷酸核酮糖羧化酶的催化下，生成一个6 c 的中间化合物，它 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 不稳定，易水解成2 分子3 一磷酸甘油酸。紧接着羧化反应的是3 一磷酸甘油 羧基还原为醛基的反应，参与的反应是3 磷酸甘油酸激酶催化下参与的磷 酸化反应和甘油醛一3 一磷酸脱氢酶参与的以n a d ( p ) h 为供氢体的还原反 应。3 一磷酸甘油酸的还原是c 0 2 固定中需要能量和还原力的步骤 4 7 “1 。 2 3 4 亚铁氧化反应机理 关于亚铁的氧化机理的研究还不够充分，但己知道各种细胞色素在电 子由亚铁递送到氧的过程中起着很重要的作用。每种细胞色素都具有特定 的氧化还原电位。亚铁的氧化可看成两步，这两步是在细胞膜的两个部位 进行的，第一步是与外膜或周质区相联系的：第二步则与细胞内膜相联系， 这种分离对阻止f e 3 + 离子及时送到膜外有重要意义4 9 1 ，总的反应方程式为 ( 2 2 0 ) ： 凡“斗2 f e “+ 2 e f 2 - 1 8 1 2 e + 1 2 d 2 + 2 h + 斗日2 d 凡2 + + 1 4 0 2 + 日+ 一l 2 h 2 0 + 凡3 + ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 在p h 为1 5 3 0 之间，反应自由能a g 为3 2 6 2 4 7 k j t o o l 时，亚铁 被氧化，为了使f e 2 + r e ”的电位从0 , 7 7 v 降到o v ，亚铁与细胞内的有机分 子形成一复合物，电子通过呼吸链成对传递给氧，每氧化2 m o lf e 2 + ，细菌 获得5 8 5 k j 的能量，形成l m o l a t p 5 0 1 ，亚铁氧传递过程如图2 - 4 。 薹薰篓罴，蒜a d p + p i - - a t p 黧，划箸 辅酶q 起中间载体的作用，在亚铁离子的氧化过程中，s 0 4 2 - 是必需的。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 f e 2 v护e 3 + e ( f e 3 + ) 争e ( f e 3 + ) f e 2 + 争e ( f e 2 + ) f e 3 + 争e ( f e 2 + ) c y t c ( f e 3 4 3c y t c ( f d 3 e(fe2+)e(fel 专1 一i 一即 c y t c ( f e 勺c 归 图2 - 5f e c y t c 氧化还原酶的反应机理 图中e 表示酶，c y t c 表示细胞色素c ( 呼吸链组分之一，一种蛋白酶) 以上过程是通过酶的变构来实现的。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章提高微生物脱硫速度的方法 迄今，生物浸出技术的应用并不普遍，其主要障碍是生物浸出速度缓 慢。堆浸、地浸通常需要几个月甚至几年，铜的废石堆浸，一年内铜的最 大浸出率只有6 0 ；速度较快的搅拌浸出也至少需要一周左右。因此，提 高细菌浸出速度的研究是十分必要的。 生物浸出反应涉及微生物的生长、繁殖，极其复杂，需要应用到微生 物学、生物化学、物理化学、冶金学等多学科知识。提高生物浸出速度的 方法可归纳为以下几个方面： 3 1 提高浸出微生物的品质 目前应用最广泛的浸出细菌为自养、嗜酸的硫杆菌属( t h i o b a c i l l u s s p ) ，这类细菌生长速度慢、代期长( 单个细胞完成一次分裂所需要的时间) ， 氧化亚铁硫杆菌( t f 菌) 的生长速度只有大肠肝菌( e c o l i ) 的万分之一，代期 长达5 1 2 h ，而大肠杆菌的代期只有1 7 m i n 口3 1 。无论是细菌对物料的直接 作用，还是细菌的间接浸出作用，细菌的生长速度都是决定浸出速度的重 要因素。另外，浸出体系中难免含有一些表面活性剂、重金属离子等有害 成分，当其含量超过一定浓度时，将抑制细菌生长，甚至造成菌体死亡。 可见，提高细菌的品质是相当重要的，包括提高细菌氧化f e 2 - 、s o 的 活性；增强细菌氧化其它非铁金属离子的能力及对有机物、氰化物、表面 活性剂、重金属离子的抗性；提高细菌抗高温、抗寒、抗噬菌体感染及对 原料选择性吸附能力；加快细菌产生活性浸出物质( 如胞外酶、有机酸、过 氧化物等) 的速度和产量。除了从自然界中筛选高品质的浸出微生物，更重 要的是运用育种手段获得优良菌种，包括传统的驯化方法、诱变育种、杂 交育种，和现代的原生质体融合技术及基因工程育种。其中驯化育种和诱 变育种目前用得较为普遍，g r o u d e v a 等人用诱变方法提高了t f 菌氧化的 f e ”、s o 的活性。邱冠周等人综合使用驯化、诱变方法改良t f 菌，使其 1 武汉理工大学硕士学位论文 氧化活性提高5 1 0 3 倍，对铜的耐受力达到5 0 9 l ，显著增强了细菌对低 品位铜矿石的溶浸效果口”。r a w l i n g s 和w o o d s 运用基因工程进行t f 菌抗 砷载体的组建，得到抗砷菌株，用于含砷金精矿的生物氧化，提高金的提 取率矧。 但是，由于浸出细菌发现较晚( 1 9 4 7 年) ，加上这类细菌生长速度缓慢， 不易获得足够的细胞材料进行生化及遗传研究，国内外在这方面的研究尚 不充分，几乎没有工业应用的实例。因此，浸出细菌的遗传学及育种应成 为今后的研究重点。 3 2 改善细菌生长、繁殖的介质条件 细菌浸出过程涉及细菌生长、繁殖的一系列生化反应，因此，有必要 控制浸出介质的营养成分、料浆电位、p h 值、温度、离子浓度等，使细 菌体内的生物催化剂酶的活性保持在最高水平，促进细菌生长、繁殖 以提高浸出速度，实际上，这是代谢调节”理论在生物浸出中的应用。 3 2 1 营养成分 保持较高的细菌生长速度，重要条件之一是提供细菌生长必需的足够 营养。目前应用的大多数浸出细菌为自养、好氧微生物，浸出介质中必须 保持充足的溶解氧和c 0 2 。资料表明磷酸盐浓度是浸出速率的限制因素， 而n h 4 + 浓度为总浸出率的限制因素。一般浸出液中缺少n h 4 + ，应适当补 充。其它生长因子，如磷酸盐，铁、硫、钙、镁、钠等，可根据原料组成 一睛况，通过试验确定最佳添加量。 3 2 2p h 值 介质p h 过高或过低，都将影响细菌的存活和生长、繁殖速度。大多 数浸出细菌嗜酸性，生长p h = 1 5 6 0 。t f 菌最佳生长p h = 2 5 3 5 。 3 2 3 介质电位e h 介质的氧化还原电位影响细菌体内许多酶的活性及氧化磷酸过程。虽 1 武汉理工大学硕士学位论文 然，对硫化物的浸出反应而言，氧化还原电位越高，浸出效果越好：但对细 菌生长，e h 在4 0 0 7 0 0 m v ( 相对于标准氢电极) 范围内细菌保持较高代谢 活性。实际浸出过程中应兼顾两方面因素。 3 2 4 温度 细菌体内的蛋白质、核酸对温度敏感。温度过高，蛋白质、核酸变性； 温度过低，细菌体内的酶促反应速度将下降。t f 菌的生长温度范围5 4 0 0 c ，最佳温度2 8 3 0 。金属硫化物的氧化浸出为放热反应，搅拌槽浸 有时温度可达9 0 。c 以上，堆浸的料堆内部温度有时高达8 0 以上。因此， 采取某些散热措施是必要的，使用某些耐高温的菌株也是人们感兴趣的方 向，实际上，浸出体系中往往存在着大量的嗜热细菌，对温度的耐受限度 可达8 0 9 0 。 3 2 5 金属离子 某些微量金属离子是浸出微生物的生长因子，影响细菌的生理生态及 代谢反应。但是，如果金属离子浓度过高，将抑制细菌生长甚至杀死细菌。 对浸出细菌产生抑制的一些离子的“极限浓度”见表3 1 。 表3 1 一些离子的“极限浓度”( m o l 1 ) i离子 c 1 _c a 2 +c u 2 +c 0 2 +n h d +n a + i 极限浓度 o 2 40 0 7 30 0 0 7 1o 7 8o 1 1 80 2 9 某些离子，如a r ，h 9 2 ，a s 3 _ ，p b 2 + 等，即使在很低浓度时，也会抑 制浸出细菌体内某些酶的活性。 3 3 改变原料性质 原料的物理化学性质、电化学性质、表面特性等都将影响细菌与原料 的作用方式和原料的溶解特性。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1 原料粒度 从反应动力学角度，原料粒度愈细的反应速度愈快。但是，实际浸出 过程中并非粒度越细越好，对于堆浸，必须考虑空气流通和原料层的渗透 性，原料块应有一个合适的粒度范围和配比；搅拌浸出还应考虑到磨碎耗 能及粒度太细造成的料浆粘性增大等不利因素，各种被浸出原料存在一个 最佳粒度，应通过试验确定。 3 3 2 原料的电化学性质 大多数硫化物具有导电性，在浸出介质中发生一系列的电化学反应， 硫化物的细菌浸出反应实际上是电化学过程。根据腐蚀电化学原理，当具 有不同静电位的两种硫化物相互接触时，则构成腐蚀电偶，具有较低静电 位值的硫化物，其阳极溶解反应得到加速，而具有较高静电位值的硫化物 却被阴极保护。因此，有目的地进行混合物料的细菌浸出，选择性浸出目 的物质，是提高生物浸出速度的一种可行的途径。 3 3 3 原料的化学成分 原料的化学成分除影响其中某些物质的生物浸出速度外，原料中某些 重金属元素如汞、砷、铅等溶解出来将会影响生物的生长、繁殖甚至存活。 3 4 建立数学模型及工艺条件优化 k o n i s h i 等人建立了硫铁矿槽浸的数学模型，m u r r 综合描述了铜矿废 石堆浸的数学模型，用于预测浸出率、氧耗、产酸量等，较好地控制浸出 过程 5 8 】。系统地进行生物浸出反应工程学研究，选择有效、经济可行的浸 出方案，制定可靠的浸出制度及优化浸出工艺条件，设计高效、经济的生 物浸出设各，是当前湿法冶金领域的重要研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 4 。1 实验原料 第4 章实验原料与方法 4 1 i 原料与微生物 本实验所用原料来自武汉钢铁厂金山店铁矿硫酸厂。其元素分析如表 4 1 ，组成见图4 1 。 表4 1 硫铁矿烧渣的多元素分析 l 元素 f ec usc a o m g o a 1 2 0 3s i 0 2 c oa sf e 。 所占比 7 2 。i i 例( ) 5 0 0 2o ，1 9 80 9 44 1 52 4 8 2 7 21 3 5o 1 700 0 8 6 蠢囊峄j 避蚤婴l 曩0 k 瑟挫睁坚坠j 遂蕊嚣2 蕊0 墓熊心文也 武汉理工大学硕士学位论文 实验所用t f 菌种来自江西德兴铜矿酸性矿井水中，经分离纯化得到。 p h 由l ：1 的硫酸调节。脱硫过程使用驯化后的t f 菌。本论文采用9 k 液 体培养基，其组成如下( 单位：g 1 ) ： c n h 4 ) 2 s 0 4 ；3 0 k c i ：0 1 k 2 h p 0 4 ：o 5 f e s 0 47 h 2 0 ：4 4 4m g s 0 4 + 7 h 2 0 ：o 5 c a f n 0 3 ) 2 ：0 0 1 蒸馏水：1 0 0 0 m l p h = 2 4 1 2 试剂 结晶紫 乙醇 草酸铵 ( 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 f e s o c 7 h 2 0 硫氰酸钾 c a f n 0 3 ) z 4 h 2 0 工业酒精 琼脂 碘液 h c l n a o h 石炭酸 品红 k i h 2 s 0 4 n a 2 s i 0 3 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 天津市泰兴试剂厂 天津市泰兴试剂厂 天津市泰兴试剂厂 天津市泰兴试剂厂 上海试一化学试剂有限公司 上海试剂四厂 中国医药上海化学试剂采购供应站 焦作市化工三厂 成都科龙化工试剂厂 仙桃第一化工试剂厂 北京墨利精细化学品有限公司 天津博迪化工有限公司 天门化工厂 天津博迪化工有限公司 天津博迪化工有限公司 天津博迪化工有限公司 河南巩义化工厂 河南巩义化工厂 中南化工试剂有限公司 中南化工试剂有限公司 武汉理工大学硕士学位论文 4 i 3 实验仪器 名称 x c y - 7 3 型生物摇床 l z b 玻璃转子流量计 z k 一4 0 a b 电热真空干燥箱 z k 8 2 a 型真空干燥箱 k q b 型烘干器 j b 9 0 一d 强力电动搅拌机 7 8 2 双向磁力加热搅拌器 光学分析天平 电热蒸馏水器 d n 一2 型多功能电动搅拌器 d 一1 型无级调速增力搅拌器 y x q s g 4 6 2 8 0 s 不锈钢手握 式压力蒸汽灭菌器 j y l 0 0 2 精密电子天平 p h s 2 5 指针式酸度计 n i k o n 光学显微镜 4 2 实验方法 4 2 1 分析方法 产地 浙江富华仪器有限公司 余姚市银环流量仪表有限公司 巩义市实验仪器厂 上海市实验仪器厂 浙江富华仪器有限公司 上海精科实业有限公司 上海精科实业有限公司 湘仪天平仪器厂 北京长源实验设备厂 北京长源实验设备厂 宁波仪器厂 武汉医药仪器有限公司 上海天平有限公司 日本进口 日本进口 细菌细胞计数：用血球记数板在光学显微镜下直接计数。 将菌液适当稀释，使血球记数板每格约含5 个细胞，取干净的血球记 数板，用厚盖玻片盖住中央的计数室，用移液管吸取少许充分摇匀的待测 菌液于盖玻片的边缘，菌液则自行渗入计数室，静置5 1 0 m i n ，将血球计 数板置于载物台上，用低倍镜找到小方格网后换高倍镜观察计数，重复三 2 号 ， ： 帮。2 3 4 5 6 7 8 9 m n 坦 h h 武汉理工大学硕士学位论文 次。取平均值，再按如下的计数板计算公式即可计算每毫升菌液中所含的 细菌数： 细菌数m l = ( 1 0 0 小格内的细胞数1 0 0 ) x 4 0 0 x 1 0 0 0 x 稀释倍数 p h 值：p h s 2 5 指针式酸度计