生物浸礦技術(shù)研究現(xiàn)狀

李廣澤，王洪江，吳愛(ài)祥，胡凱建

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

用微生物處理一些難采、難選的貧礦、廢礦、表外礦，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用［1］。自1958年美國(guó)利用微生物浸銅和1966年加拿大利用微生物浸鈾的研究及工業(yè)化應(yīng)用成功之后，已有30多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了微生物浸礦應(yīng)用研究，微生物浸礦技術(shù)已在銅、金、鉛、鋅、錫、銻、鈾等金屬浸出中得到應(yīng)用，世界上15%的銅、25%的金和16%的鈾來(lái)自于微生物浸出［2］。

浸礦微生物在能量轉(zhuǎn)移與獲取過(guò)程中，可以使礦物中的某些元素溶解，這類(lèi)微生物一般為自養(yǎng)微生物（autotrophic microorganism），是浸礦微生物中的主體菌種，包括硫化菌和鐵細(xì)菌；也有一些為異養(yǎng)菌（heterotrophic micro-organism）［3-4］，如一些硅酸鹽細(xì)菌、產(chǎn)氨細(xì)菌和某些產(chǎn)有機(jī)酸的真菌。硫化礦與非分硫化礦的生物浸出涉及4類(lèi)微生物，總結(jié)前人在這方面的工作成果及存在的問(wèn)題對(duì)推動(dòng)微生物浸礦技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。

1 硫化礦的生物浸出

硫化礦浸出主要依靠各種硫氧化細(xì)菌與鐵細(xì)菌，其生存能源直接或間接來(lái)源于硫元素或二價(jià)鐵離子氧化過(guò)程中釋放的能量。可實(shí)現(xiàn)硫化礦浸出的細(xì)菌種類(lèi)較多，主要分為3大類(lèi)［5］（見(jiàn)表1）。營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型從專(zhuān)性自養(yǎng)到兼性自養(yǎng)、混養(yǎng)和異養(yǎng)。

表1 3大類(lèi)硫化礦浸出細(xì)菌

硫化礦物的微生物浸出機(jī)制一般認(rèn)為有直接機(jī)制和間接機(jī)制。直接作用機(jī)制是吸附在金屬硫化礦物上的硫化細(xì)菌直接通過(guò)酶系統(tǒng)氧化礦物，最終使之成為硫酸鹽和金屬陽(yáng)離子，礦物中硫元素被生物直接氧化成硫酸鹽。間接作用機(jī)制則包含了三價(jià)鐵離子氧化硫化礦物的過(guò)程，產(chǎn)生二價(jià)鐵離子和單質(zhì)硫，隨后再被細(xì)菌氧化成三價(jià)鐵離子和硫酸根離子，這個(gè)過(guò)程中，浸礦細(xì)菌不吸附在硫化礦物上。

自第一株氧化亞鐵硫桿菌于1947年被發(fā)現(xiàn)至今，一直是各種硫化礦生物浸出的重要菌種。美國(guó)微生物浸銅產(chǎn)量已占全國(guó)總銅產(chǎn)量的30%［6］。智利北部的Qnebrado Blanca公司采用生物堆浸技術(shù)，銅浸出率在80%以上［7］，年產(chǎn)715萬(wàn)噸陰極銅。巴西的巴伊亞銅礦山對(duì)其低品位銅礦石采用氧化亞鐵硫桿菌浸出，銅浸出率在70%以上，而采用化學(xué)浸出，銅浸出率則只有30%［8］。在我國(guó)，銅官山銅礦首先進(jìn)行地下生物浸出試驗(yàn)，并于20世紀(jì)70年代完成工業(yè)試驗(yàn)［9］。德興銅礦1997年對(duì)低品位硫化銅礦進(jìn)行細(xì)菌浸出試驗(yàn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)銅2 000t，整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平［10］。紫金礦業(yè)于2000年建成細(xì)菌堆浸廠，2001年紫金山銅礦生物提銅項(xiàng)目被列為國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，紫金山金銅礦微生物濕法提銅工廠于2005年底投產(chǎn)，到2008年銅產(chǎn)量已突破1萬(wàn)t［11］。

2 非硫化礦生物浸出

目前，非硫化礦物的生物冶金技術(shù)并沒(méi)有得到太多關(guān)注。非硫化礦物主要包括氧化礦、碳酸鹽及硅酸鹽礦物，此類(lèi)礦物中沒(méi)有微生物可用作能源的成分，因此主要依靠異養(yǎng)微生物進(jìn)行生物浸出［12］。能進(jìn)行非硫化礦物生物浸出的細(xì)菌主要有硅酸鹽細(xì)菌、產(chǎn)氨細(xì)菌及一些產(chǎn)酸真菌，其浸礦機(jī)制主要是通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸、氨或大分子蛋白質(zhì)等代謝產(chǎn)物，與礦物發(fā)生酸解、氧化、還原或絡(luò)合等反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)金屬的浸出。

2．1 硅酸鹽細(xì)菌

硅酸鹽細(xì)菌，又稱(chēng)為鉀細(xì)菌，最初由蘇聯(lián)學(xué)者Alexandrov于20世紀(jì)30年代從土壤中第一次分離出來(lái)［13］。這種細(xì)菌具有分解硅酸鹽類(lèi)礦物的特性，是一種兼性好氧化能異養(yǎng)菌，最適生長(zhǎng)溫度為25～35℃，最適pH為7．0～7．2，有固氮能力。P．Rusin等［14-15］認(rèn)為在硅酸鹽細(xì)菌作用下，石英晶格被破壞，目標(biāo)金屬離子被釋放進(jìn)入溶液；用于難溶氧化礦中浸出Au，Au浸出率高達(dá)86%，而0．1%的氰化物浸出對(duì)比試驗(yàn)中，Au浸出率僅為13．7%。G．I．Karavaiko等［16］研究了不同微生物對(duì)鋰輝石的分解作用，發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)胞芽桿菌（bacillus mucilaginosus）是分解鋰輝石最有效的菌種之一，分解鋰輝石可釋放Li、Al、Si進(jìn)入溶液。

硅酸鹽細(xì)菌在鋁土礦脫硅方面的研究也有報(bào)道。S．Groudeva等［17］使用菌株B．circulans，在pH5．5～6．0、30～35℃、固液質(zhì)量體積比10%～15%、搖床速率為300～400r／min條件下從鋁土礦中脫硅，脫硅后，鋁土礦中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從43．4%上升到63．9%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)從25．9%下降到9．1%。鈕因健等［18］用篩選出的硅酸鹽細(xì)菌對(duì)5種不同的硅酸鹽礦物進(jìn)行脫硅處理，在pH7．2，溫度30℃條件下浸出7d，5種礦樣的鋁硅比（A／S）都有不同程度提高。

硅酸鹽細(xì)菌浸出后的含硅溶液中，含有活性SiO2及一些細(xì)菌代謝產(chǎn)物，將有用金屬脫除后是一種有用肥料。所以，經(jīng)過(guò)合理的流程設(shè)計(jì)后，理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)尾礦產(chǎn)出，增加企業(yè)效益［19］。

硅酸鹽細(xì)菌的浸出作用一般被認(rèn)為是依靠其產(chǎn)生的有機(jī)酸來(lái)完成的，菌株具有較強(qiáng)的分泌黏液能力，這些黏液包裹礦物顆?？梢杂休^好地分解顆粒。但也有學(xué)者認(rèn)為，硅酸鹽細(xì)菌在培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)酸量很少，其分解作用主要依靠其產(chǎn)生的特殊酶的直接催化或是細(xì)菌與礦物表面接觸時(shí)發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)。硅酸鹽細(xì)菌的浸出機(jī)制目前尚不清楚。

2．2 產(chǎn)氨細(xì)菌

細(xì)菌中，具有較強(qiáng)氨化作用的有假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、梭菌屬、沙雷氏菌屬及微球菌屬等，這些能分解有機(jī)含氮化合物并產(chǎn)生氨的細(xì)菌統(tǒng)稱(chēng)氨化細(xì)菌。氨化細(xì)菌的研究和應(yīng)用主要見(jiàn)于污水中有機(jī)氮的氨化處理，農(nóng)業(yè)上促進(jìn)植物對(duì)尿素的吸收，以及醫(yī)學(xué)上產(chǎn)脲酶細(xì)菌對(duì)動(dòng)物生理的影響等。

黃國(guó)勝等［20］曾研究產(chǎn)氨細(xì)菌對(duì)B30銅鎳合金的腐蝕行為，V．Groudeva等［21］也進(jìn)行過(guò)尿素分解細(xì)菌浸出碳酸鹽型銅礦的試驗(yàn)。樣品中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．4%、硫、鐵、碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3．25%、1．94%和20．3%，溶液pH為8．6，銅主要以不同形式的硫化礦（斑銅礦、銅藍(lán)、黃鐵礦等）存在。在32℃條件下進(jìn)行搖瓶浸出試驗(yàn)，結(jié)果表明，產(chǎn)脲酶細(xì)菌的混合菌種30d內(nèi)的銅浸出率最高可達(dá)64．4%。尤其值得注意的是，產(chǎn)氨細(xì)菌的浸出條件為堿性，在浸出堿性礦物時(shí)更加節(jié)省成本。熊有為等［22］分離出一株堿性產(chǎn)氨細(xì)菌并針對(duì)氧化銅礦進(jìn)行搖瓶浸出試驗(yàn)，結(jié)果表明，在溫度30℃、pH8～9．5、搖床轉(zhuǎn)速150r／min、12%礦漿濃度條件下浸出144h，銅浸出率達(dá)47．02%，而相同條件下用氨水浸出，銅最大浸出率只有30．89%。

產(chǎn)氨細(xì)菌的浸礦機(jī)制并沒(méi)有得到確切驗(yàn)證，目前認(rèn)為主要依靠氨對(duì)金屬的絡(luò)合作用實(shí)現(xiàn)浸出的。熊有為等［22］分析氧化銅礦浸出前后物相的變化，確定銅浸出率從高到低依次為次生硫化銅＞結(jié)合氧化銅＞游離氧化銅＞原生硫化銅。傳統(tǒng)浸出工藝普遍認(rèn)為，結(jié)合氧化銅由于與脈石礦物結(jié)合穩(wěn)定，浸出困難，而產(chǎn)氨細(xì)菌浸出試驗(yàn)中結(jié)合氧化銅的浸出率卻達(dá)到了較高水平。可以推斷，產(chǎn)氨細(xì)菌浸礦過(guò)程中，細(xì)菌可能吸附在礦石表面并發(fā)生侵蝕，使礦石表面出現(xiàn)裂隙，使溶浸劑在礦石內(nèi)部發(fā)生內(nèi)擴(kuò)散，破壞脈石礦場(chǎng)對(duì)金屬礦物的包裹和結(jié)合等，但其具體的浸礦機(jī)制還需要進(jìn)一步探討。

2．3 產(chǎn)酸真菌

除了細(xì)菌，青霉菌屬、曲霉菌屬、毛霉菌屬和木霉菌屬中的一些真菌也可以依靠產(chǎn)生的有機(jī)酸從硅酸鹽礦物中浸出金屬（見(jiàn)表2）。這些微生物廣泛存在于自然界中，適宜生長(zhǎng)pH一般為2左右。P．B．Bosshard等［23］在1996年第一次用A．niger浸出粉煤灰中的Al、Cu、Zn、Mn等，證明了產(chǎn)酸真菌對(duì)粉煤灰的生物處理價(jià)值。I．M．Castro等［24］曾分別用芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、青霉菌屬與曲霉菌屬中的真菌浸出硅酸鹽類(lèi)礦物中的鋅和鎳，最終發(fā)現(xiàn)產(chǎn)酸真菌A．niger比其他細(xì)菌具有更好的浸出效果。H．Y．Wu等［25］考察了 Aspergillus niger對(duì)粉煤灰的浸出效果并與化學(xué)浸出試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果Al、Mn、Zn浸出率為80%～100%，Cu、Pb浸出率為60%～70%，表明產(chǎn)酸真菌比單純的化學(xué)試劑浸出效果更好。C．N．Mulligan等［26］研究了用黑曲霉從低品位礦石中浸出有用金屬，結(jié)果表明，黑曲霉可以產(chǎn)出多種有機(jī)酸，最終Cu、Zn、Ni的浸出率分別達(dá)到68%、46%和34%。

表2 產(chǎn)酸真菌及產(chǎn)酸種類(lèi)

真菌的生長(zhǎng)依靠氧化各種糖類(lèi)放出的能量，而糖類(lèi)的氧化過(guò)程中有一中間產(chǎn)物為有機(jī)酸，產(chǎn)酸真菌的有機(jī)酸化速度大于對(duì)有機(jī)酸的分解速度，有機(jī)酸會(huì)積累在培養(yǎng)基中。產(chǎn)酸真菌的浸礦機(jī)制一般認(rèn)為是依靠其分泌的有機(jī)酸與礦物中的金屬形成絡(luò)合物而使礦物溶解。除此之外，產(chǎn)酸真菌的生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生一些大分子蛋白質(zhì)、胞外多糖等物質(zhì)，對(duì)礦物也有一定的浸出作用，但主要的浸礦物質(zhì)仍為有機(jī)酸。

3 生物浸出工藝中存在的問(wèn)題

a）培養(yǎng)基的配成成本過(guò)高。一般異養(yǎng)細(xì)菌培養(yǎng)基中必須包含細(xì)菌生長(zhǎng)的能源物質(zhì)及一些微量元素，這些成分會(huì)導(dǎo)致浸礦成本劇增。解決途徑有兩條：一是菌株馴化，通過(guò)對(duì)特定碳源、氮源或能源物質(zhì)的底物馴化，使其可以攝取特定物質(zhì)（最好為所浸礦物）中的有用元素來(lái)為自己提供生長(zhǎng)物質(zhì)，從而緩解培養(yǎng)基成本過(guò)高問(wèn)題；二是尋找廉價(jià)的培養(yǎng)基來(lái)源，一些農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物、生活廢水或特殊的工業(yè)廢水中都含有浸礦細(xì)菌生長(zhǎng)可以利用的成分，可以解決培養(yǎng)基成本問(wèn)題，還可以變廢為寶，節(jié)省資源。

b）浸礦過(guò)程中雜菌控制問(wèn)題。異養(yǎng)細(xì)菌浸礦時(shí)因存在有機(jī)能源物質(zhì)，所以可能會(huì)導(dǎo)致各種非浸礦雜菌叢生，從而造成培養(yǎng)基浪費(fèi)。培養(yǎng)基高溫滅菌耗費(fèi)過(guò)高，而工業(yè)浸礦環(huán)境又無(wú)法保證無(wú)菌，所以問(wèn)題的解決要依靠微生物馴化誘變或現(xiàn)代基因工程改良技術(shù)，使浸礦細(xì)菌在浸礦環(huán)境下有更強(qiáng)的生存和競(jìng)爭(zhēng)能力。

c）浸礦設(shè)備及流程設(shè)計(jì)問(wèn)題。合理的浸礦設(shè)備及流程至關(guān)重要，生化行業(yè)中應(yīng)用較多的有攪拌式、氣升式、鼓泡式等生物反應(yīng)器。

d）浸礦機(jī)制問(wèn)題。細(xì)菌浸礦機(jī)制并不明確，細(xì)菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究也不夠透徹，無(wú)法從理論上指導(dǎo)非硫化礦物的生物浸出過(guò)程，這也是限制非硫化礦物生物浸出的一大問(wèn)題。非硫化礦物浸出所涉及到的微生物種類(lèi)較多，并且多為異養(yǎng)菌，浸出機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，需要借助多種高科技手段開(kāi)展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

硫化礦中含有浸礦細(xì)菌生長(zhǎng)可以利用的低價(jià)硫，因此可以依靠硫氧化細(xì)菌進(jìn)行浸出。硫氧化細(xì)菌根據(jù)其生長(zhǎng)溫度分為嗜中溫細(xì)菌（Mesophile）、中等嗜熱菌（Moderate thermophile）和高溫嗜熱菌（Extreme thermophile），生物營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型從專(zhuān)性自養(yǎng)到兼性自養(yǎng)、混養(yǎng)和異養(yǎng)。

非硫化礦物中不含細(xì)菌可以利用的能源物質(zhì)，因此不能依靠自養(yǎng)細(xì)菌浸出，必須在人工添加部分能源物質(zhì)后再依靠異養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行浸出。能夠?qū)崿F(xiàn)非硫化礦浸出的細(xì)菌主要有硅酸鹽細(xì)菌、產(chǎn)氨細(xì)菌與產(chǎn)酸真菌。此類(lèi)微生物一般依靠分泌代謝產(chǎn)物與礦物發(fā)生作用實(shí)現(xiàn)礦物浸出，部分細(xì)菌還可以吸附在礦物表面與礦物發(fā)生直接作用。

硫化礦生物浸出已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)濟(jì)效益明顯。硫化礦生物浸出技術(shù)中存在一些問(wèn)題，如浸礦細(xì)菌受環(huán)境影響大，細(xì)菌浸出速率慢、周期長(zhǎng)等需要依靠現(xiàn)代工業(yè)微生物育種技術(shù)加以解決。非硫化礦物生物浸出目前存在的問(wèn)題較多，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。限制非硫化礦生物浸出的因素主要有培養(yǎng)基成本過(guò)高、雜菌難以控制、浸礦設(shè)備及流程的不夠合理、微生物浸礦機(jī)制研究不夠透徹等，這些問(wèn)題目前還無(wú)法得到很好解決，因此非硫化礦的細(xì)菌浸出技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

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