微生物在地质工程的应用.doc

课程结业论文 题 目 微生物在地质工程的应用 姓 名 孟琦 所在学院 地球与环境学院 专业班级 地质11-1班 学 号 2011300025 指导教师 张东晨 二一三年四月一日学年论文指导教师评阅意见学生姓名专 业班 级学号（论文）题目指导教师教师职称学年论文评语评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日微生物在地质工程的应用 摘 要：近年来，微生物技术已逐渐成为地质工程领域内一个非常重要的研究方向，已形成一个新的学科分支。目前，其涉及的微生物种类不断增多。它具有充分利用资源、投资小，基本上无环境污染等优点。其应用越来越普遍，应用范围不断扩大。关键词：微生物、脱硫、矿物、浸出微生物无处不在,它们是地球生物不可或缺的一部分。过去由于人们对微生物的了解不够深入，往往只注意到它们被动地受环境控制和影响的一面。今天,我们需要重新认识它们强大的力量,以及它们对地球环境的改造作用和调节控制能力。通过对微生物的研究，人们发现微生物参与了碳、氮、硫、硅、铁、锰等多种元素的循环，使67种元素在自然界中的分布与微生物的作用密切相关，地球上许多元素的迁移和矿床的形成也与微生物有着千丝万缕的联系。地质微生物学作为20世纪末发展起来的新的地学分支,主要的研究对象是地质环境中的微生物活动过程及其所形成的各种地球化学的记录。该学科经20世纪最后10年的发展已经成为地球科学的一个新的最具生命力的分支。通过对现代及地质历史上各种地质环境（包括极高温,高压,极端酸性,碱性,高盐度,极高放射性,地球深部等环境）的微生物的生存和演化,及其形成的地球化学记录的研究,极大地丰富了我们对地球上生命演化的认识,更使我们深刻地认识到了微生物在地球生态链和生物圈物质循环中的作用。如微生物通过有氧的光合作用、氮气的固定和二氧化碳的吸收改变着大气的化学成分；通过控制矿物风化的速率和诱导矿物沉淀,微生物也在改变或修正海洋、河流等水体的成分；通过酶催化的氧化还原反应或释放复杂的试剂,改变水、土壤和沉积物中的金属和类金属的种类；微生物通过对矿物、岩石的风化及新矿物的形成不断地改造着地球物质；微生物通过其初级产品或再矿化的有机碳来维持高等生命。因此,从地质学观点看,地球表面环境的化学性质受到微生物的控制和改造。客观地讲，有目的地将微生物技术应用于矿物加工生产过程的理论基础是地质微生物学和微生物地球化学。1、 微生物脱硫处理在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。与石油和天然气比较而言，我国煤炭的储量相对比较丰富，占世界储量的11.60%。我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为万亿吨，占世界总储量的11%，成为世界上第一产煤大国。我国煤炭资源中硫分布的总趋势是：南方地区含硫高，北方地区含硫低；深部煤层含硫高，浅部煤层含硫低；变质程度高的烟煤、无烟煤含硫高，变质程度低的褐煤含硫低。高硫煤主要集中在两广、两湖及贵州、四川、浙江等地区。硫的形态：综合煤质资料，煤中硫的分布形态规律如下：煤中硫的绝大多数为无机硫，有机硫的含量通常不足0.5%。煤中有机硫主要来自成煤原始植物的蛋白质，有硫醇、硫醚、硫醌、杂环硫等。无机硫主要来自海水，包括硫酸盐硫、元素硫、硫化物。除硫酸盐硫为不可燃硫外，其他全为可燃硫。我国的能源生产和消费以煤炭为主，煤炭在我国一次能源消费中的比重高达2/3以上。这种过度依赖煤炭的能源消费结构，已造成了严重的环境问题，是不可持续的能源消费方式。 煤中含硫量约0.1%10%，煤中硫元素对煤炭的利用极为不利。燃烧时，生成二氧化硫污染环境（酸雨），腐蚀设备；炼焦时，60%的硫进入焦炭，使生铁变脆；气化时，生成二氧化硫，使催化剂中毒、腐蚀设备；堆放时，硫铁矿高的煤易氧化和自然。根据国家有关规定，炼焦和发电用煤含硫量必须在1%以下，一般用煤含硫量必须在1.5%以下。研究高效低成本的煤炭脱硫技术，将有很大的经济和环保意义。煤炭脱硫可分为：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫。其中微生物脱硫投资少、成本低、反应条件温和对环境污染小，而被广泛使用。常用的煤炭生物脱硫方法有：生物浸出法、表面处理浮选法和生物选择性絮凝法等。生物浸出脱硫：实质是一个生物氧化过程，微生物作催化剂，使可燃硫转变为不可燃硫，微生物用硫在这个过程中发生氧化反应所释放出能量完成新陈代谢。优点是装置简单、操作简便，只需在煤堆上均匀的喷洒含有微生物的水，通过水的浸透，在煤中实现微生物脱硫，生成的硫酸盐在煤堆底部收集，从而达到脱硫目的。缺点是处理时间较长，浸出废液不能及时处理，容易造成二次污染。表面处理浮选法：它将微生物处理技术与浮选工艺相结合，利用微生物对含硫矿物的选择性吸附。把微生物加入煤浆中，通过预处理，使之与煤浆充分混合。微生物附着在黄铁矿颗粒表面，或使其表面氧化，或改变黄铁矿的表面活性（疏水性变成亲水性），使其易溶于浮选液，从而进入尾矿。煤粒表面仍然保持良好的疏水性，随气泡浮上水面，从而把煤和黄铁矿分开。这种方法克服了浸出法脱硫时间长的缺点，但其适用范围较窄，仅用于末煤的处理；且其浮选柱需增加必要的辅助设备，确保微生物正常生长所必需的温度和Ph值，确保浮选过程中脱硫的高效性，这在一定的程度上增加了管理的复杂性和运行成本。微生物一絮凝法：它是采用疏水的细菌吸附于煤表面，通过细菌的吸附，使煤粒形成稳定的絮团，但该细菌很少吸附到黄铁矿表面。其实质是利用细菌对不同矿物絮凝能力的不同，实现煤与黄铁矿的分离。为了更好的保护环境以及应对温室效应及其造成的全球范围的恶劣天气，作为一个负责任的大国，我们必须落实煤炭的脱硫处理以及发展新型能源以降低对煤炭资源的依赖。2、 矿石的微生物浸出中国是世界上最早采用微生物湿法冶金技术的国家。早在公元前2世纪，文献中就记载了用铁自硫酸铜溶液中置换铜的化学作用，而堆浸在当时已成为生产铜的普通做法。到了唐朝末年或五代时期，出现了从含硫酸铜矿坑水中提取铜的生产方法，称为“胆水浸铜”法。到北宋时期，该方法已成为铜的重要生产手段之一，当时有十一处矿场用这种方法生产铜，年产量达百万斤，占全国总产量的15%25%。1094年，北宋张甲撰在浸铜要略一书中写到，用“胆水浸铜”，“以铁投之，铜色立变。”这就是指用细菌法浸出铜以后，加铁就可以置换出海绵铜。微生物浸出工艺的特点和生产现状微生物浸出工艺(亦细菌浸出工艺)可大体分为三类:地浸；堆浸；槽浸。目前研究矿物的浸出机理，大多认为是直接、间接和混合作用机理的研究。 1. 直接浸出原理细菌直接吸附在硫化矿物表面上，通过细胞特有的铁氧化酶和硫氧化酶直接氧化金属硫化物，使金属溶解出来。2. 间接浸入原理主要是利用氧化亚铁硫杆菌的代谢产物硫酸高铁和硫酸与金属硫化物发生氧化还原反应。硫酸高铁被还原成硫酸亚铁并生成元素硫，金属以硫酸盐形式溶解出来，而亚铁又被细菌氧化成高铁，元素硫被细菌氧化成硫酸，继续浸出矿物，如此构成一个氧化还原的浸矿循环系统。3. 混合浸出机理实际上，在浸出过程中会同时进行细菌的直接浸出和间接浸出过程。大多数的研究工作者认为铜硫化物的细菌浸出是细菌的直接作用和间接作用的结合，两者均有助子金属的溶解，很难区分它们。矿石的微生物浸出的现状和不足：对浸矿微生物生长条件的研究有必要更加广泛深入地进行。在于矿石性质的千差万别,这与众多行业以标准的原料、同一条件、在同一机器上生产出同样的产品不一样。不同的矿石性质,必然要求进行针对性的研究。采用多种手段选育浸矿微生物,是微生物浸矿技术的重要发展方向。包括借助于已经取得巨大进展的分子生物学手段改良浸矿微生物种群,提高其生长和氧化矿石的速度。针对氧化亚铁硫杆菌以及其他可浸矿细菌,选择合适的克隆载体、合适的筛选标记以及将DNA 导入细胞的有效方法等,均是具有意义的基础工作。通过将外源基因导入浸矿微生物,改良其现有性状或者增加新的性状,或者将浸矿微生物的特有基因导入生长速度快、耐高温的菌种,将有可能产生出新的高效菌株。过去数十年的经验表明,目前广泛采用的微生物浸矿反应器存在着局限性。这主要在于自身结构和操作模式的缺陷,造成氧的传质系数低和搅动矿浆的高剪切力以及放大的准确性低。高的氧的传质速率、有效而柔和的混合、低停留时间和低单位能耗受到越来越多的注意。在较好的微生物浸矿反应器中,高效的浸出反应与细菌的较高生长速度有关。基础理论包括传热、传质、动量传输、细菌的生长动力学以及浸出动力学方面的深入研究将有助于推出高效的浸出反应器。值得注意的是,国内在微生物浸矿反应器的自主设计方面尚属空白,此状况应该而且必须改变,以便适应我国微生物浸矿的发展需要。微生物浸出已经展现了蓬勃发展的前景,国内外已经具有一定的实践经验。根据我国矿产资源贫细杂的特点,为了缓解矿物加工业目前受到的“经济能源环境”三角的严酷扼制,有必要加大中间试验的力度,加快具体矿石的微生物浸出技术工程化进程,提高我国难选冶金矿资源的利用水平。3、 结语21世纪是生物技术的世纪生物技术的发展与进步必将影响人类活动的各个领域对矿产会有进一步的渗透和影响。生物冶金技术为人类解决当今世界所面临的矿产资源和环境保护等诸多重大问题提供了有力的手段显示出难以估计的巨大潜力。随着易开发的矿物资源的消耗,难处理矿物资源的开发利用成为重点。采用现有的工艺处理复杂矿物往往会造成严重污染,且效率低。目前将微生物运用地质矿产等已经取得相当的进步和稳定的发展，但仍然存在着一些技术与工艺问题