（微生物学专业论文）喜温硫杆菌与新型生物反应器的应用研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导 下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容 外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文 中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 日期 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 埤导师签名 尘鹳日 山东大学硕士学位论文 喜温硫杆菌与新型生物反应器的应用研究 摘要 利用微生物进行金属矿石的浸出具有悠久的历史 在现代化工业生产中也开始得 到应用 微生物浸矿具有成本低 金属回收率高及环境友好等特点 已在工业上用来 从废石 低品位原料中回收铜和铀 也适用于高品位的硫化矿与精矿 在金的提取方 面有很好的应用前景 此外 还可以用于煤的脱硫等 在硫化矿细菌浸出过程中 金 属的溶解速率与细菌的生物量有关 故在生物浸出过程中 微生物的生长往往是速率 控制步骤 因此 构建性能良好的生物反应器并研究微生物在反应器中的生长特性 优化微生物培养条件 对提高浸出速率有着重要意义 能够进行生物浸矿的微生物主要是一些在酸性环境中生长的铁或硫氧化细菌 近 些年来对连续反应浸矿系统的微生物学种群研究结果显示 一些最适生长温度为 4 0 4 5 c 的中度嗜熟嗜酸细菌 如喜温硫杆菌 t h i o b a c i l l u sc a l d u s 氧化亚铁钩端螺 旋菌 l e p t o s p i r i l l u mf e r r o o x i d a n s 等为浸矿细菌中的优势菌群 这一研究表明 中 度嗜热的铁或硫氧化细菌在浸矿过程中具有重要的作用 喜温硫杆菌是一类专性自养 硫氧化细菌 短杆状 革兰氏阴性菌 有鞭毛 可运动 本文首先在摇床水平上 实验研究了喜温硫杆菌的培养条件 并对培养温度 p h 硫粉浓度等因素进行了优化 使用s t a r k y s o 无机盐培养基 最佳培养温度为4 0 4 5 起始p h2 5 硫粉浓度为2 0g l o o m 在难处理金精矿等高品位硫化矿生物氧化浸出的工业应用中 高效生物反应器的 构建是提高生产效率的关键 目前应用于工业上的生物反应器 普遍存在剪切力大 细胞磨损严重 矿浆浓度较低造成设备的单位处理能力较低等缺点 本文基于生物浸 出体系的物系特性 构建了一套新型气体环流式生物反应器 借助于i 7 0 0 0 系列远程 数据采集与监控模块并结合使用l a b v i e w 语言开发的监控程序 构建了一套在线监 控系统 实验表明该系统运行良好 实现了计算机对喜温硫杆菌以及与氧化亚铁钩端 螺旋菌在气升式反应器中的生长与混合浸矿的在线监测与控制 本文对构建的反应器的混合时间 气含率 气液体积氧传递系数等主要液体力学 山东大学硕士学位论文 行为进行了实验研究 实验结果表明 气升式反应器中流体的混合时间 气含率 氧 传递系数强烈地依赖于气体的表观速度 在一定范围内提高气速有利于循环流动 混 合和传质 从而有利于微生物的生长 在此基础上 本文较系统地研究了喜温杆菌在气升式反应器中的培养特性 采用 摇瓶优化的结果 研究了喜温硫杆菌在气升式反应器中的生长 氧化硫的速率 p h 的变化 o r p 的变化及相互关系 对反应器的培养条件进行了初步优化 结臬表明 气升式反应器适合于喜温硫杆菌的培养 然后 利用该新型气升式反应器进行了混合 菌种 喜温硫杆菌与氧化亚铁钩端螺旋菌 的浸矿实验 并取得了较好的结果 关键词 生物浸出 喜温硫杆菌 氧化亚铁钩端螺旋菌 气升式反应器 山东大学硕士学位论文 a p p l i e dr e s e a r c h e s o lt h i o b a c i l l u sc a l d u s a n dn o v e lb i o r e a c t o r a b s t r a c t t h e r e i sa l o n g h i s t o r y f o r b i o l e a c h i n g o f m e t a l su s i n g m i c r o o r g a n i s m sa n d i t h a s a p p l i e d i nm o d e m i n d u s t r y b i o l e a c h i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sl o wc o s t h i g hr e c o v e r yo f m e t a l s 1 i t t l ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n ds oo n i th a sb e e nu s e dt or e c o v e rc o p p e ra n d u r a n i n mf r o mw a s t e sa n dl o w g r a d eo r e s i ti sa l s os u i t a b l ef o rh i g h g r a d es u l f i d eo r e sa n d r e f i n e do r e s a n dh a sab r i g h tf u m r ei ne x t r a c t i o no fg o l d i na d d i t i o n i ti sa l s ou s e df o r d e s u l f u d z a t i o no fc o a l 1 1 l ed e l i q u e s c e n tr a t eo fm e t a li sc o r r e l a t e dw i t ht h eb i o m a s so f b a c t e r i u md u r i n gb i o l e a c h i n gp r o c e s so fs u l f i d eo r e s s o m i c r o b i a lg r o w t hi sg e n e r a l l ya l i m i t i n gs t e pi nt h eb i o l e a c h i n gp r o c e s s t h e r e f o r e d e s i g n i n ge f f i c i e n tb i o r e a c t o r s t u d y i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o b i a lg r o w t ha n do p t i m i z i n gc u l t i v a t i o nc o n d i t i o i l sa l ei m p o r t a n t f o ri m p r o v i n gt h er a t eo f b i o l e a c h i n g n 地m i c r o o r g a n i s m s u s e df o r b i o l e a c h i n g a l e m a i n l yi r o n o x i d i z i n g o r s u l f u r o x i d i z i n gb a c t e r i aw h i c hl i v ei na c i dc o n d i t i o n n 圯s t u d i e so nm i c r o o r g a n i s m s p e c i e si nt h ec o n t i n u o u sb i o l e a c h i n gs y s t e mi n d i c a t e st h a ts o m em o d e r a t e l yt h e r m o p h i l i c a c i d o p h i l i cb a c t e r i aw h o s eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei sa b o u t4 0 4 5 s u c ha st h i o b a c i l l u s c a l d u sa n dl e p t o s p i r i h u mf e r r o o x i d a n s a r ct h ed o m i n a n ts p e c i e s t h es t u d yi n d i c a t e st h a t m o d e r a t et h e r m o p h i l i c a c i d o p h i l i ci r o n o x i d i z i n g0 1 s u l f u r o x i d i z i n gb a c t e r i ap l a y i m p o r t a n tr o l e s i nb i o l e a e h i n gp r o c e s s t h i o b a c i l l u ac a l d u s i s o b l i g a t ea u t o t r o p h y s u l f u r o x i d i z i n gb a c t e r i u m r o d s h a p e d m o t i l e f l a g e l l a t e g r a m n e g a t i v e i nt h i sr e s e a r c h t h ec u l t i v a t i o nc o n d i t i 0 1 1 so ft h i o b a c i l l u sc a l d u sw e r es t u d i e di n f l a s kb o t t l e sa n dt h em a j o rf a c t o r s i n c l u d i n gc u l t u r et e m p e r a t u r e p ha n ds u l f u r c o n c e n t r a t i o nw e r eo p t i m i z e d t h eo p t i m a lc u l t u r a lc o n d i t i o n sw i t hs t a r k y s om e d i u ma r e a t4 0 4 5 i n i t i a lp h2 5a n ds u l f u rc o n c e n t r a t i o n2 0g l o o m l i nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f b i o l e a c h i n go f u n m a n a g e a b l eh i g h g r a d eo i l s s u c ha s g o l dr e f i n e do r e s d e s i g n i n gah i g h c f f i c i c n tb i o r c a c t o ri sp i v o t a lf o ri m p r o v i n ge f f i c i e n c y a tp r e s e n t t h ew i d e l yu s e db i o r e a c t o ri ni n d u s t r yi ss t i r e dt a n k w h i c hh a st h eb i g g i s t d i s a d v a n t a g ef o ri t sg r e a ts h e a rs n e n g t ht h a t 啪d a m a g e t h ec e l l ss e r i o u s l y f o rt h i sr e a s o n t h ep u l pc o n c e n t r a t i o nc a nh o tb er a l s e dh i g h a n di tl o w e r sd o w nt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo f t h ee q u i p m e n t w i t hr e g a r dt ot h es h o r t c o m i n go ft h es t i r e dt a n kb i o r e a c t o r an o v e la i r l i f ti 瑚t c t o r w i l lb ed e v e l o p e di no r d e rt od e c r e a s et h es h e a rf o r c ea n dt h ec e l ld a m a g e a n di n c r e a s et h e 9 一 山东大学硕士学位论文 p u l pc o n c e n t r a t i o na n d t h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya tl a s t t h em a j o rl i q u i dd y n a m i c s i n c l u d i n gm i x i n gt i m e a i rb o l d u p v o l u m e t r i co x y g e n l l l a s st r a a s f e rc o e f f i c i e n t l a w e r e s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h em i x i n gt i m e a i rh o l d u pa n dv o l u m e t r i c o x y g e nm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n td e p e n ds t r o n g l yo ng a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t yi nt h ea i r l i f t r e a c t o r i np r o p e rr a n g e t h ei n c r e a s eo fg a sv e l o c i t yc a ni m p r o v el i q u i dc i r c u l a t i o n m i x i n g a n dm a s st r a n s f e ri nt h er e a g t o l n 坞c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u l t i v a t i o no f 砌i o b a c i l l u sc a l d u si nt h ea i r l i f tr e a c t o ri s s t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so b t a i n e du s i n gf l a s kb o t t l e s t h ec e l lg r o w t h s u l f u r o x i d a t i o nr a t e a n dc h a n g e so fp ha n do r p 埘t ht i m eo ft h i o b a c i l l u sc a l d u sa r es i m i l i a r n l er e s u l t si n d i e a tt h a tt h ea i r l i f tr e a c t o ri ss u i t a b l ef o r c u l t i v a t i o no f t h i o b a c i l l u sc a l d u s a no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sa l s oc o n s t r u c t e du s i n gt h es o f t w a r ep r o g r a m m e d u s i n gl a b v i e w ic o u s a e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a tt h a tt h es y s t e mr u n sw e l li n o n l i n em o n i t o r i n go fc e l lg r o w t ho ft h i o b a c i l l u sc a l d u sa n d b i o l e a e h i n gu s i n gn f l x e d t h i o b a c i l l u se a l d u sa n dl 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 触l l y t h eb i o l e a e h i n go f s u l f i d eo r e si nt h ea i r l i f tb i o r e a e t o ru s i n gm i x e d b a c t e r i a s t r a i n si sc a r r i e do u ta n dt h er e a c t o ri sp r o v e dt ob es u i t a b l ef o rt h ep u r p o s eo f b i o l e a c h i n g k e yw o r d b i o l e a c h i n g t h i o b a c i l l u sc a l d u s 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 a i r l i rr e a c t o r 1 0 k 山东大学硕士学位论文 前言 生物冶金是微生物学与湿法冶金的交叉学科 近二三十年来 由于可用常规方法 开采的金属富矿日益匮乏 也由于人们的环保意识不断增强 人们越来越开始关注如 何使用生物浸矿技术 特别是应用生物浸矿技术从各种低品位矿中回收重要金属 生 物浸矿技术具有能充分利用资源 成本低 投资少 以环境友好等优点 因而其发展 非常快 相关的研究非常活跃 黄金矿藏资源约l 3 属于难处理金矿 和低品位复杂矿一样都是重要的矿产资源 传统冶金工艺由于其技术局限性以及成本高 污染严重等问题 难以有效地适用低品 位复杂矿及难处理金矿的开发利用 而生物冶金技术从2 0 世纪5 0 年代发展至今 已 成功地应用于大规模回收难处理含硫金矿和硫化铜矿 并且在稀有金属的回收领域展 现广阔的前景 由于生物冶金技术的种种优点 不到十年细菌氧化就由一种被认为只 能从低品位矿石或废矿坑中回收铜的一般技术一跃成为激动人心的生产工艺 目前难处理金精矿的生物浸出处理中 由于菌种的局限以及矿浆浓度低下等因素 造成生物浸出技术氧化周期长 设备单位处理能力较低等缺点 而目前关于生物冶金 的研究多集中在浸取机理和浸矿工艺方面 有关生物冶金过程反应器的研究报导相对 较少 有资料表明 国外发表的生物浸矿的论文中 有关反应器的论文不足6 国 内几乎还没有这方面的论文发表 因此 生物浸出技术欲在投资和生产成本上与其他 湿法冶金方法相比而取得竞争优势 迫切需要开发出高效生物浸出反应器 以缩短浸 出周期 提高矿浆浓度 降低生产成本 气升式环流反应器是一种高效生物反应器 已成功用于发酵业 废水生物处理等 领域并表现出很高的效能 具有结构简单 流动柔和 操作稳定 对细胞剪切力小 能耗低 混合与传质效果良好等优点 本文基于浸矿微生物的生长及氧化特性 构建 了用于生物浸矿的新型气升式环流反应器及监控系统 并对其性能参数进行了测试 然后在摇瓶培养优化结果的基础上 研究了喜温硫杆菌在气升式反应器中的培养特 性 根据喜温硫杆菌的浸矿特性 在构建的反应器中进行了与氧化亚铁螺旋菌混合浸 矿的实验 并取得了较好的结果 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 生物冶金技术概述 1 1 1 生物冶金技术的回顾 人类早期对生物冶金的认识来源于经验 早在腓尼基及罗马时代 利用酸性矿坑 水从硫化矿中浸出铜的经验性生产就己有记载 公元1 7 世纪也曾有过从西班牙硒0 t i n t 矿山排水中回收铜的报道 但当时人们并没有认识到矿坑水中细菌的存在 因而无法 知晓细菌在矿物浸出过程中所起的重要作用 直到1 9 4 7 年 美国人c o l m c r 和h i n l d e i l 从矿山废水中分离出细菌并鉴定其为氧化亚铁硫杆菌 t h i o b c a i l l u s f e r r o x i d a n s 首 次从理论上阐明了细菌在矿山水中硫酸铁和硫酸形成过程中的重要作用 证明了细菌 是金属硫化矿床中生物地球物理化学过程重要的参与者 随后 针对细菌浸矿的研究 在世界各国相继展开 研究者通过分离 驯化所得的氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌 等菌株 将其有目的地运用于矿山污水处理 煤炭脱硫以及从硫化矿中提取金属等领 域 世界上第一例利用微生物浸出铀矿的工业应用出现在2 0 世纪5 0 年代初期的葡萄 牙 他们从1 9 5 3 年开始进行了铀矿的自然浸出的研究 2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代 美国 和加拿大成功地将细菌浸出技术用于提取低品位的铜矿和铀矿 7 0 年代后期 用于预 处理含砷难浸金矿的细菌氧化一氰化浸金工艺诞生 8 0 年代起 以1 9 8 0 年智利的l o a g i l i r r e 生物氧化提铜厂和1 9 8 6 年南非的f a i r v i e w 生物氧化预处理提金厂成功投产为 标志 生物浸出技术逐渐成熟并开始大规模地应用于工业 目前 世界上除己建成的 1 7 座生物浸出提铜厂和1 0 多座生物氧化预处理提金厂外 一座利用生物浸出技术回收 钴的商业化工厂也于1 9 9 9 年在乌干达建成投产圆 我国在细菌浸出研究领域也取得了可喜的成绩 中科院微生物研究所于1 9 5 9 年起 开展相关工作 1 9 7 2 年成功完成利用生物浸出技术从湖南柏坊铜铀伴生矿中回收铜和 铀的工业应 3 1 8 0 年代至9 0 年代 中国科学院化工冶金研究所 东北大学 内蒙古 大学 沈阳黄金研究所 昆明理工大学 中南大学 北京矿冶研究总院等多家单位均 进行过生物法处理铜 镍和钻等低品位硫化矿及高砷金矿的基础研究及应用研究 同 时 陕西地勘局堆浸技术中心 北京有色研究总院等多家设计单位配合科研院所的研 究成果 在工程设计方面进行了大量卓有成效的工作 4 特别是近1 0 年来 我国在生 物提铜和生物氧化预处理含砷金矿的应用方面取得了长足的发展 江西德兴铜矿率先 建成年产2 0 0 0 t 电铜的低品位铜矿生物提取堆浸厂 随后 1 9 9 8 年吨级生物提铜堆浸 山东大学硕士学位论文 厂分别在广东大宝山和福建紫金山建成 目前一更大规模 万吨级 的生物提铜堆浸厂 将5 2 0 0 5 年在福建紫金山投产i s 此外 我国山东烟台和莱州两家黄金冶炼厂分别于 2 0 0 0 年和2 0 0 1 年引入了生物氧化预处理工艺 开g r i t 国槽浸生物氧化预处理含砷金矿 技术的新纪元嘲 1 1 2 应用现状及前景 目前 微生物冶金的应用对象可以是精矿 尾矿 贫矿 表外矿 还可以是低品 位矿 涉及的矿物种类主要是金属硫化矿 如c u s f e a s s a s 4 s 3 m o s 2 z n s p b a b a s 2 s 6 等 及多金属复杂硫化矿 另外 一部分氧化矿也可用细菌氧化处理 涉及的金属包括铜 铀 金 钴 锰 锌 镍 铋 铝 铅 镉 锗等至少1 9 种金 属 其中铜 铀 金 钻的生物浸出得到工业化应用 其它的或在实验室进行研究 或正由实验室研究向工业化生产过程 此外 铝土矿脱硅 粘土 石英砂 高岭土著 人脱铁和原煤脱硫等都用到微生物冶金技术1 7 9 1 到目前为止 生物冶金已取得了长足的进展 并已不断地在其产业化方面取得愈 来愈多的成就 生物浸出技术已在工业上用来从废石 低品位原料中回收铜和铀 也 适用于高品位的硫化矿与精矿 在金的提取方面有很好的应用前景 还可以用于煤的 脱硫等 尽管生物冶金存在着反应时间长 生产周期长的问题 但只要处理得当 可 以从尾矿 贫矿 废液中回收某些金属 而生产成本却低于常规法 并可使污染减少 甚至没有污染 基于上述 生物冶金今后还将有更大的发展 1 1 3 生物冶金的特点 生物冶金工艺具有如下特点 9 1 2 低成本 低能耗 低药剂消耗和劳动力需求 工艺流程短 设备简单 易于建筑 资金消耗小 资源利用范围广 能使更多不同种类及低品位矿物得到有效 经济的利用 特别是 那些常规选矿方法无法处理或经济上不合算的矿产资源及那些特贫 特细或有用成 分被包裹的矿石 无废气 一定程度上可认为无废物 废水排放 同时可改善环境 增加生产安全性 这在现今人们对环保要求日益重视的情况下 是常规方法无法比拟的 山东大学硕士学位论文 简化了整个工艺过程 但是 生物冶金也存在着自身所固有的缺点 如其最大的问题就是反应速度慢 周期长 对金属的吸附能力低 对温度变化敏感 缺乏选择性回收金属的微生物 对 矿物中的重金属耐受能力低等 1 1 4 生物冶金分类 根据微生物在回收金属过程所起作用 可将微生物冶金进一步分为三类 生物吸 附 生物累积 生物浸出 生物吸附是指溶液中的金属离子 依靠物理化学作用 被结合在细胞膜或细胞壁 上 组成细胞壁的多种化学物质常具有如下的功能基 胺基 酰基 羟基 羧基 磷 酸基和巯基 这些基团的存在 构成了金属离子被细胞壁结合的物质基础 生物累积是依靠生物体的代谢作用而在体内累积金属离子 例如巴伦支海的藻类 细胞含金量是海水中金浓度的2 x 1 0 1 4 倍 铜绿假单胞菌能累积铀 荧光假单胞菌和 大肠杆菌能累积钇 生物浸出就是利用微生物自身的氧化或还原特性 使矿物的某些组分氧化或还 原 进而使有用组分以可溶态或沉淀的形式与原物质分离的过程 此即生物浸出过程 的直接作用 或者是靠微生物的代谢产物 有机酸 无机酸和f e l 与矿物进行反应 而得到有用组分的过程 此即浸出过程中微生物的间接作用 杨显万等 1 9 9 8 1 3 1 1 5 浸矿用微生物 参与浸矿的微生物 大都从矿物堆或矿坑水中分离得到的中温菌 经驯化 自然 选育后用于矿物浸出 体阍 起初研究认为 t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s 氧化亚铁硫杆菌 简称t f 菌 是唯一的浸矿菌株 之后的研究表明 多种菌株都有益于矿物的浸出 另外 h a r r i s o n 1 9 8 6 1 1 日 k e l l y 与w o o d 1 9 8 4 等人研究了其它酸性菌株的 特性及各浸矿菌株混合使用效果 认为由于各菌株对铁离子 元素硫及其它金属离子 的不同作用 混合菌株具有优势互补作用 上述各种菌种对金属离子 硫化矿 元素 硫的氧化作用及基本代谢如图l l 所示 在混合细菌浸矿过程中 开始铁氧化还原电位较低 氧化亚铁硫杆菌生长迅速 占优势 但是随着铁氧化还原电位的升高 氧化亚铁硫杆菌的生长受到抑制 而氧化 亚铁螺旋菌能耐受高的氧化还原电位 生长迅速 在数量上开始占优势 n o r r i s 等 1 4 山东大学硕士学位论文 1 9 8 8 1 7 1 同时随着大量胶体硫的析出 硫杆菌也大量生长 最后达到各菌种 菌数 比例的动态平衡 经研究 在一般情况下 反应良好的浸矿液中氧化亚铁螺旋菌大约 占总菌数的4 0 以上 是高的氧化还原电位下浸矿的主要的铁氧化细菌 r a w l i n g s 等 1 9 9 9 1 8 表1 1 难浸金矿微生物预氧化涉及的主要微生物 冀i 眙街 图i 1 生物浸矿菌种及其代谢简图 1 2 生物浸矿机理 生物浸矿是一个复杂的过程 化学氧化 生物氧化与原电池反应同时发生 人们 对微生物在细菌浸出中的特殊作用的解释各不相同 至今也还未完全搞清楚 一般认 为有以下一些机理 山东大学硕士学位论文 1 2 1 直接作用 细菌浸矿的直接作用是指细菌吸附于矿物表面 对硫化矿直接氧化分解的作用 反应式如下 细苗 2 f e s 2 7 5 嘎 h z d 一f e z s o 一h 2 s o 1 1 细菌 f e a s s 3 5 0 2 h 2 m f e a s 0 4 h 2 s 0 4 1 2 目前细菌在矿物表面的作用尚不十分清楚 从1 9 6 3 年始 s c h a e 胁等 1 9 6 3 1 9 l 就研究了细菌在硫化矿物表面的行为 并定性地提出细菌作用模型 即细菌在晶体表 面可能的作用为充当电子从矿物表面阴极区到氧的催化导体 但要说明细菌浸矿的直 接作用 首先应证明细菌在矿物表面的吸附及吸附特征 从应用的技术手段上来看 研究工作者对细菌在硫化矿表面吸附的研究采取了多种方法 p o g l a z o v a 等人 1 9 9 6 l e o 运用光谱荧光分析 b e n n e t t 1 9 7 8 2 q 和k a r a n 1 9 9 6 圆等人应用1 4 c 蛋白质固 定等不同方法 首先对l 菌在矿物表面上的吸附及吸附特征进行研究 试图通过测 定溶液中及吸附于矿物表面上z 菌的数量以说明细菌在浸矿中的作用 研究证实了 z 菌在矿物表面的吸附 h i l t u n c n 1 9 9 6 应用扫描电镜研究得知 细菌在矿物 上的吸附不是随意的 而是较多吸附于晶体表面的离子镶布点 位错点上 使矿物表 面形成腐蚀点 之后e s c o b a r 1 9 8 1 等人应用放射学方法 针对不同菌种 研究其 在硫化矿物表面的吸附行为 但由于浸出体系中不同离子的干扰等复杂性 并未获得 满意结果 1 2 2 间接作用 间接作用是指利用铁细菌和硫细菌的代谢物 硫酸高铁和硫酸 与金属硫化物起 氧化还原反应 硫酸高铁被还原为硫酸亚铁或产生元素硫 金属则成硫酸盐形成溶解 而亚铁又被氧化成高铁 元素硫被细菌氧化成硫酸 从而形成了一个氧化还原的浸出 循环体系 细菌 2 f e s 0 4 h 2 s o o 5 田 f e 2 s 0 03 h 2 0 1 3 1 棚 2 f e a s s 2 f e 2 s o 3 1 5 如 3 h 2 n 一6 f e s 仉 2 h 止s 仉 2 s 1 5 1 6 山东大学硕士学位论文 b r i e f l y 1 9 7 7 1 2 4 认为 细菌可直接分解矿物 但矿物分解及细菌氧化产生的f c 3 为硫化矿浸出的关键 即间接作用为主 酸性环境中 许多矿物可被f d 氧化浸出 f e 3 氧化浸出硫化矿是重要的湿法冶金方法 h a j i m a 1 9 8 5 2 5 1 研究t f e 3 对黄铜矿 氧化浸出 认为f e j v j 黄铜矿具有较好的浸出作用 浸出过程会产生元素硫 但生成 的铁矾是阻碍浸出的关键因素 m u l a k 1 9 8 7 1 2 6 等人研究了f 矿对人工合成n i 3 s 2 的 浸出 表明r 尹对镍的硫化物具有浸出作用 并对浸出机理作了研究 m c c r e a d y 1 9 8 6 t 2 7 1 对细菌存在时 铀矿在酸性环境中的氧化浸出进行研究 认为酸性细菌不能对u 0 2 直接作用 u 4 被氧化为u 6 是通过f e 3 m n 0 2 h 2 0 2 和硝酸等化学氧化剂实现的 细菌的作用只能是氧化产生f e 这样整个浸出过程分为两步 即f e 3 的生成和铀矿 的化学浸出 w a d d e n 1 9 8 5 2 8 1 等人报道了铀矿的两段浸出工艺 并已在加拿大工 业化 近一二十年 倾向于f e 在细菌浸矿过程中起主要作用的研究者 对浸出过程中 f 矿离子对浸出的影响及浸出过程动力学作了大量工作 在研究细菌浸矿动力学时 一般采用颗粒的收缩核模型 并假设细菌的作用只是氧化亚铁离子 三价铁离子浸出 硫化矿 l i z a m a 1 9 8 8 1 2 9 等人以f e 2 f c 为基础建立y t i 菌在黄铁矿上生长的动 力学模型 并考虑了矿浆浓度的影响 b o o n 等 1 9 9 8 1 3 0 以l e p t o s p i r i l l u m 为浸矿菌 种研究了黄铜矿 闪锌矿等硫化矿浸出过程的动力学 应用在线气体分析装置建立了 引入0 2 和c 0 2 浓度参数的动力学模型 s u 舀 等人还研究了在三价铁存在盯l 厂菌 在元素硫上生长的动力学 虽然上述动力学模型的建立均以间接作用为前提 忽略细 菌的直接作用 但动力学研究为细菌浸矿提供了各种条件下的理论模型 对细菌浸矿 的工业实践具有指导意义 1 3 微生物浸矿的方法 依据浸出规模的不同 微生物浸出可采用不同的方法 一般实验室条件下采用摇 瓶浸出的方法 气升式反应器浸出法和柱浸出法 而工业化生产采用堆浸法 槽浸法 和原位浸出法 1 3 1 1 1 3 1 摇瓶浸出法 这是实验室最常用的一种浸出方法 它将矿物直接放入培养微生物的摇瓶中将矿 物浸出 山东大学硕士学位论文 1 3 2 气升式渗滤器浸出法 气升式渗滤器是在浸出实验中使用最早和最普遍的装置 一般来说 破碎的矿石 装填到渗滤器总容积的2 3 在侧壁通往压缩空气 使溶液提升回到柱顼 使用前须 使压缩空气中二氧化碳含量占优势 气升式过程中 浸出液中溶有氧和二氧化碳以供 微生物的生长和氧化作用所需 1 3 3 柱浸出法 是将矿石样品放在柱中 以类似于渗滤器使用的气升液法 把氧气和二氧化碳所 饱和的培养液供到柱中 也可泵到柱顶再通过各种喷淋系统洒到柱内 使培养液循环 通过矿石柱 据报道 最大浸出柱的矿石处理量为2 0 0 t 需要配备耗氧 温度及p h 控制装置 1 3 4 堆浸法 是指把矿石堆积在矿坑外浸出的一种方法 包括两种 一种是通过特殊设计 将 待浸矿石从底部开始以阶梯形式堆积 并使其上部平整 然后从上部喷洒浸出液 随 着浸出的进行 矿石的品位逐渐下降 此时可在上部重新设置堆积层继续浸出 采用 堆浸法浸出矿石 堆积场的地表通常要具有不透水性 以提高浸出液的集水率 另外 一种堆浸法叫作废矿堆浸法 这种方法主要处理低品位矿 废弃矿 尾矿 具体方法 是将矿山酸性水引入废矿堆中 使其自然发生细菌氧化反应 1 3 5 槽浸法 是将待浸矿石置于搅拌反应器中浸出的一种方法 该技术需要通气及耐酸的反应 槽 反应器的搅拌可通过机械或空气搅拌方式达到 浸槽的工作方式常有连续的和半 连续的二种 一般用于大型冶炼厂 矿石需要进行预加工 此法成本比堆浸法高 但 反应速度快 金属回收率高 控制比较容易 一般用于高品位 贵金属的浸出 1 3 6 原位浸出法 利用自然或人工爆破形成的地面裂缝 将能氧化矿物的酸性水注入矿床中 使目 山东大学硕士学位论文 的金属溶解在液体中 然后从液体中回收金属 目前 己可利用原位浸出法浸出铜和 铀 首先 通过细菌氧化将铜硫化矿氧化 产生f e 3 及硫酸 f 矿和h 2 s 0 4 在自然条 件下可以将氧化铀矿溶解 然后从溶液中提取铜和铀 1 4 微生物冶金的影响因素 细菌浸出硫化矿的反应体系涉及到气 液 固三相的复杂系统 它既不同于一般 的湿法冶金 也不同于单纯的微生物培养体系 因此 在浸出过程中不仅要考虑普通 湿法冶金过程上所要涉及的问题 而且又要考虑细菌生长所具备的条件 才能得到理 想的浸出结果 生物冶金过程的快慢受到多种因素影响 1 4 1 细菌种类与性质 一定的菌种只能氧化一定的物质 同一菌种 甚至同一菌种因驯化的差别也表现 出不同的活性与氧化能力 经过驯化的菌株比未经驯化的浸出效果明显地好 同一菌 株经同样的驯化但处于不同的生长阶段也表现出不同的活性 经驯化后的细菌仅需 1 5h 即可达到在矿粒表面上的吸附平衡 而未经驯化的则需经1 2 0 3 0 0h 1 4 2 温度 用于浸矿的细菌都有生长繁殖最适温度 当细菌处于最适温度时 生长速度最快 活性也最强 在浸出过程中 在一定的范围内 浸出速度随温度上升而增加 但当温 度达到最佳温度后 由于某种原因蛋白质的变性导致部分酶失活 反而使浸出速度下 降 因此在浸出过程严格控制浸出温度很重要 1 4 3 介质p h p h 值是漫矿工艺的重要参数f 3 2 l 不同的浸出过程要求不同的p h 值 而每种细 菌也有最适的p h 值 介质p h 主要受细菌存活和系列条件的制约 细菌的氧化能力 与p h 的关系 细菌繁殖与p h 的关系规律并不完全一致 因此 必须了解p h 对细 菌生长的影响 以便控制浸出过程 在生产过程中 矿石的性质对浸出溶液的p h 值 影响也很大 例如矿石中的方解石等脉石矿物 在浸出过程中会消耗酸 使p h 值增 大 不利于细菌的生长繁殖 进而降低金属的浸出效果 由于浸出过程中p h 会发生 1 9 山东大学硕士学位论文 变化 因而建立有效的p h 监测与控制系统 把p h 控制在最佳范围内 对于确保浸 出的高速进行是十分必要的 1 4 4 供氧量和c 0 2 的影响 用于生物氧化的细菌需要氧来氧化溶液中的硫化矿 生物浸出时应保证溶液中有 足够的溶解氧 使氧化过程不受氧传输的控制 可供氧化的硫化矿表面取决于物料的 硫酸品位 颗粒粒度以及反应器中固体的浓度 相应地 需氧量也取决于这三个参数 由于c 0 2 是自养菌的碳来源 向溶液中充气时 向空气中添加0 1 一1 0 c 0 2 可 使菌氧化过程大为强化吲 1 4 5 矿物性质 粒度及浓度的影响 不同的矿物在相似条件下浸出速率不同 主要是由于其性质不同所致 这些性质 包括矿物的电位 导电性质 化学成分 硫化物的溶度积 粒度与浓度等 实践证明 矿石粒度的大小对微生物湿法冶金有一定的影响 一般金属的浸出率随矿石粒度的增 大而下降 这是因为随着矿石的粒度增大 矿石的总表面积减小 从而金属的浸出率 减小 般地 硫化物含量高的矿物的氧化速率 固体浓度在2 0 时最大 而对硫 化物含量低的硫化含量和最佳的矿物浓度存在某种联系 据实验 高固体浓度会导致 氧化速率降低 停滞期延长最终氧化度降低 这是由于矿浆浓度升高会限制氧气的传 输以及矿粒互相摩擦的机会增多 细菌生存条件恶化 在低固体浓度下 金属的浸出 率一般与固体浓度成正比 在高浓度固体的情况下 浸出率随固体浓度增加而下降 1 4 6 表面活性剂的影响 表面活性剂能改变矿物表面性质 但它本身不参与微生物溶液浸出金属 它的作 用是保持矿石表面湿润 使矿物的亲水性增加 利于微生物与矿石表面接触 增加溶 浸液对矿石的渗透能力 从而提高生物浸出的效率 在使用表面活性剂时 有一最佳 浓度值 在此浓度下能显著提高矿物的浸出效果嗍 1 4 7 金属离子的影响 1 4 7 1 金属离子浓度对细菌生长的作用 山东大学硕士学位论文 金属离子浓度对微生物溶浸金属的影响很大 在溶浸的过程中 如果金属离子浓 度超过微生物的忍耐程度 轻者生长繁殖受到抑制 重者就会死亡 一些金属离子在 低浓度时 对细菌生长有促进作用 例如溶度积很小的金属阳离子如a 矿 c 0 3 等对 金属硫化物的细菌浸出有催化作用 浓度过高则产生毒害作用 1 4 7 2f 矿及f e 抖的影响 在微生物冶金的过程中 f 矿的浓度对金属的浸出率有重要的影响 溶液中的f e h 可直接作用于矿物发生间接作用使矿物溶解 溶液的氧化还原电位取决征 c 1 与 f 内 之比 根据经验 高铁离子的浓度一般在1 5g l 为宜 过高 则易于形成复杂的胶 体物覆盖在矿石表面 妨碍细菌与矿石接触 低浓度的高铁离子 容易形成液相的高 铁氧化胶 f e 2 0 3 n i 1 2 0 可促进细菌与矿石接触 因此 可增加金属的浸出率 1 4 7 3 氨离子浓度的影响 氮源是微生物生长繁殖所必需的 据实验结果表明 浸出黄铜矿时 改变 n h 4 2 s 0 4 的添加量时 铜的浸出率也随之发生相应的变化 最高的浸出率是在n h 4 浓度 为3 0 0 n 虮时发生的 1 s 微生物浸矿动力学研究 生物浸出全过程十分复杂 包括了微生物生长 物质传输 生化反应 化学反应 电化学反应等多种过程 这些过程有的并列进行 有的串联进行p 3 1 1 5 1 细菌在矿粒表面的吸附 细菌吸附在固体的表面是生物浸出过程的最重要的环节 硫化矿 元素硫的直接 生物氧化均是通过紧紧吸附在其表面的细菌来进行的 有研究表明 在硫化锌矿细菌 浸出时有6 5 的氧化铁硫杆菌吸附在硫化锌矿的表面 在类似的实验中有9 6 田8 的氧化铁硫杆菌吸附在黄铜矿表面 7 7 吸附在元素硫的表面 细菌在矿粒表面上的 分布与细菌生长阶段以及矿物氧化程度有关 测定表明 在生长缓慢期氧化铁硫杆菌 有约7 0 吸附在元素硫表面 而在1 6 8h 后仅有4 0 总的说来约6 0o r 9 0 氧化铁 硫杆菌吸附在被浸的硫化矿矿粒表面 在矿浆和矿粒表面存在着细菌的吸附与脱附的 动态平衡 山东大学硕士学位论文 细菌与矿粒表面的相互作用是分两阶段进行的 第一阶段为界面静电作用造成的 物理吸附 第二阶段为化学吸附 在细胞与矿物表面之间形成了化学键 细菌在固体 表面的吸附 脱i f f 砷j l a n g m u i r 公式作定量表述 v a 2 k a b 1 0 v d k d o 式中v 广吸附速率 v f 一脱附速率 k 广 吸附过程的速率常数 k 广一脱附 过程的速率常数 b 被细菌占领的表面积的分数 e 二溶液中细菌的浓度 1 5 2 传质动力学研究 研究者在研究微生物浸出动力学时偏重于体系的传质因素 研究过程中忽略细菌 生长的影响 而主要根据矿物特性及漫出液的化学特性研究浸出过程中矿物颗粒大小 的变化 然后将颗粒大小变化和金属浸出率相关联 如b l a n c a r t e z u r i t a 等研究摇瓶 中氧化亚铁硫杆菌浸出黄铜矿 c u f e s 2 时忽略细菌生长因素 假设整个过程中颗粒密 度和单位体积内颗粒数不变 用 颗粒收缩核模型 来描述矿物颗粒大小随时问的变 化 她d t p 越d t j 一 f 式中n 为颗粒质量 量纲皆为国际单位制 在此省略