生物冶金技術(shù)在黃金領(lǐng)域的應用及展望

王秀美　郝福來　張世鏢　趙國惠　李健　張修超　王鵬　張磊　鄭曄

摘要：介紹了生物冶金技術(shù)的作用機理及常用冶金微生物、生物冶金技術(shù)的分類，總結(jié)了生物冶金技術(shù)在黃金行業(yè)的應用，包括生物攪拌氧化工藝和生物筑堆氧化工藝主要的技術(shù)類型；重點分析了生物氧化預處理高砷、高雜金精礦和電子廢棄物等資源的研究現(xiàn)狀和氧化液的凈化利用情況，并展望了生物冶金技術(shù)未來的重點研究方向，以期為生物冶金技術(shù)在黃金領(lǐng)域更好的推廣應用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物冶金技術(shù)；金礦；生物氧化；槽浸；堆浸

中圖分類號：TF80文章編號：1001-1277（2023）09-0084-09

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230914

引 言

生物冶金是利用天然存在的微生物催化硫化礦物的氧化，以提取銅、鎳、鈾等金屬，或提高硫化礦物（如黃鐵礦和毒砂）中包裹的貴金屬回收率的技術(shù)，具有環(huán)境友好、反應溫和、易操控、設(shè)備簡單、投資少、耗能小、流程短、生產(chǎn)規(guī)模靈活、資源適用范圍廣等優(yōu)點，是一種在工業(yè)上已被證實有效的濕法冶金工藝。

目前生物冶金相關(guān)研究涉及的金屬主要有金、銅、鈾、鋰、鋅、鈷、鎳、錳、釩、銀、銻、鉬等，其中工業(yè)應用的主要是金、銅、鈾、鎳、鋅、鈷等［1-2］。

中國是黃金生產(chǎn)和消費大國，且已探明黃金儲量中大部分為難處理金礦資源。根據(jù)對難處理資源的特性調(diào)查和工藝研究的初步統(tǒng)計，中國難處理金礦資源中50 %以上適于用生物冶金技術(shù)處理［3］。

1 生物冶金的作用機理

從物理角度來看，微生物對硫化礦的作用機理可以分為接觸和非接觸機制［4］。在第一種情況下，細胞通過不同的相互作用附著在礦物表面，其中大多數(shù)可以生長并產(chǎn)生生物膜，所有過程都發(fā)生在生物膜的微環(huán)境中；在非接觸模式中，細胞不與礦物表面直接接觸，生物氧化過程主要發(fā)生在溶液中，而硫化物的化學溶解發(fā)生在礦物表面。

從化學角度來看，學術(shù)界認為微生物處理礦物的方式包括直接作用和間接作用2種［5］，且2種方式在生物冶金過程中同時存在［6］。

1.1 直接作用

直接作用時，微生物與金屬硫化物直接緊密接觸，通過微生物體內(nèi)特有的鐵氧化酶和硫氧化酶直接氧化金屬硫化物，從而釋放出金屬。以微生物氧化預處理金礦為例，微生物對黃鐵礦、砷黃鐵礦的作用機理見圖1，氧化反應化學方程式如下：

1.2 間接作用

間接作用時，硫化礦物不被細菌直接氧化分解，而是在酸性條件下，微生物將溶液中的Fe2+氧化為Fe3+，F(xiàn)e3+作為氧化劑與金屬硫化物反應。反應后金屬以硫酸鹽的形式溶解，被還原的Fe2+和不飽和態(tài)硫、砷又被細菌氧化為Fe3+、硫酸及高價態(tài)的砷，從而形成了一個氧化還原的循環(huán)浸出體系。黃鐵礦、砷黃鐵礦的微生物間接作用氧化反應方程式如下：

2 生物冶金中的微生物分類

生物冶金的實質(zhì)是利用微生物的作用加速礦石中金屬硫化物的轉(zhuǎn)化，再進一步通過濕法冶金工藝獲得目標金屬的技術(shù)。因此，生物冶金的菌種是該工藝的研究重點之一?？捎糜谏镆苯鸬奈⑸锓N類非常豐富，廣泛分布于酸性環(huán)境中，如酸性礦坑水、浸出堆場、溫泉、火山口等。目前，通過分離篩選和分子生物學技術(shù)發(fā)現(xiàn)的嗜酸冶金微生物至少有13個屬，30余種［7-8］。根據(jù)不同分類方法，生物冶金菌種可分為不同類型，見表1。

在實際生產(chǎn)過程中，由于工藝及實施環(huán)境的不同，存在許多對不同溫度環(huán)境具有適應性的菌種。根據(jù)菌種適宜的生長溫度，生物冶金菌種可分為3類：嗜中溫菌（25 ℃～45 ℃）、中等嗜熱菌（45 ℃～55 ℃）、極端嗜熱菌（60 ℃以上）。其中，常見的生物冶金菌種基本都屬于嗜中溫菌，研究較多的如Acidthiobacillus ferrooxidans、Acidthiobacillus thiooxidans、Leptospirillum ferrooxidans、Leptospirillum ferriphilum；中等嗜熱菌包含放線菌屬、硝化螺旋菌屬、厚壁菌屬和變形菌屬等4個屬的細菌和Ferroplasma屬的古菌；而目前發(fā)現(xiàn)有浸礦作用的極端嗜熱菌都屬于古菌，主要有Acidianus、Metallosphaera、Sulfurococcus和Sulfolobus等4個屬［9］。

3 生物冶金技術(shù)的分類

按照微生物在礦物加工中的作用可將生物冶金技術(shù)分為生物浸出、生物氧化、生物分解等，其中應用較為成功的是生物浸出和生物氧化。

生物浸出是在微生物作用下，將含有目標元素的礦物氧化溶解，使之進入液相，然后回收浸出溶液中目標金屬的技術(shù)。其中，應用最多的是銅礦，早在20世紀50年代，美國Kennecott公司就采用該技術(shù)成功提取了銅，此后生物浸礦技術(shù)在世界各國得到了研究和應用，在智利生物浸銅應用尤為廣泛，加拿大于1966年實現(xiàn)了生物浸出鈾的工業(yè)應用，中國也于1997年在德興銅礦成功實現(xiàn)生物浸銅［10］。目前，生物浸出工藝已在銅、鈾、鈷、鎳、鋅等金屬的處理上實現(xiàn)工業(yè)化，且大部分生物浸出工藝采用成本較低的堆浸方式進行。

生物氧化是在適宜的環(huán)境下，利用微生物將包裹目的礦物的非目的礦物氧化溶解于液相中，從而使目的礦物呈裸露狀態(tài)留存于氧化渣中，便于后續(xù)的分離回收［11］。生物氧化工藝目前主要用于處理被黃鐵礦、砷黃鐵礦等包裹的金、銀礦石。

生物分解主要用于鋁土礦，某些微生物分泌出的多糖可和鋁土礦中的硅酸鹽、鐵、鈣氧化物作用，從低品位鋁土礦中選擇性分離出鐵和鈣。

4 生物氧化在黃金領(lǐng)域的應用

金在地殼中的豐度值非常低，僅為十億分之一左右，金的地球化學性質(zhì)決定了它具有親硫親鐵等性質(zhì)，因此其賦存狀態(tài)復雜多樣。隨著金礦資源的大規(guī)模開采，難處理金礦石將成為今后黃金工業(yè)生產(chǎn)的主要資源。若要高效利用這部分資源必須對其進行預處理，常用的方法有焙燒、壓熱氧化和生物氧化等，其中生物氧化因其具有環(huán)境友好、反應溫和、投資少等優(yōu)點，被廣泛用于難處理金礦的預處理。

生物氧化提金工藝是利用微生物對礦石中的硫化物進行氧化，打開硫化物包裹，使金礦物暴露，然后再用浸金藥劑溶解回收金的濕法冶金技術(shù)，生物氧化提金原理見圖2。生物氧化法的發(fā)展歷程［12-13］見圖3。

目前，工業(yè)上所采用的生物氧化預處理工藝主要有生物攪拌氧化工藝（槽浸）和生物筑堆氧化工藝（堆浸）2類。

4.1 槽浸工藝

槽浸工藝主要用于處理金品位較高的礦石或精礦，其工藝過程為：將細磨后的金精礦在調(diào)漿槽中調(diào)整至適當?shù)膒H和濃度，并注入營養(yǎng)液；將調(diào)好的礦漿導入微生物氧化槽，并對槽中的礦漿進行攪拌和充氣氧化，氧化過程中應注意控制溫度在40 ℃左右；氧化結(jié)束后，將礦漿固液分離，氧化渣經(jīng)堿處理調(diào)漿后進行常規(guī)氰化提金，氧化液添加石灰中和，除去金屬和部分硫酸根離子后，清液返回利用。工藝流程見圖4。

目前，應用較廣的生物攪拌氧化工藝主要有BIOX工藝、BACOX工藝及CGRI工藝。

4.1.1 BIOX工藝

該工藝是由南非Gencor公司研究開發(fā)的，采用嗜中溫菌在攪拌槽內(nèi)處理細磨難浸金精礦［14］。BIOX工藝使用的細菌種類是嚴格保密的，一般認為，它是由嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（Acidthiobacillus ferrooxidans）、嗜酸氧化硫硫桿菌（Acidthiobacillus thiooxidans）和氧化鐵螺旋菌（Leptospirillum ferrooxidans）組成的混合菌，為保證細菌有合適的生存溫度，通常要對礦漿進行冷卻，以維持細菌生存及活動所必須的最佳溫度。應用該工藝于1986年在南非Fairview金礦建成了首座生物氧化廠［15］，此后向全球范圍進行商業(yè)轉(zhuǎn)讓，先后在巴西、澳大利亞、加納、烏茲別克斯坦等國家建成了多座生物氧化提金廠［16-17］，并不斷進行工藝完善，現(xiàn)已成為最具影響力的生物氧化工藝之一。在過去30年，使用該工藝累計生產(chǎn)黃金超850 t，其中2020年，使用該工藝生產(chǎn)了約31 t黃金，相當于當年全球黃金產(chǎn)量的0.90? %［18］。

4.1.2 BACOX工藝

BACOX工藝由Bactech公司開發(fā)并推廣［19］，其工藝流程與BIOX工藝相似，但采用最佳生長溫度為45 ℃～55 ℃的中等嗜熱菌。中國原萊州市黃金冶煉廠引進該工藝并于2001年建成一座處理規(guī)模為100 t/d的生物氧化提金廠［20］。

4.1.3 CGRI工藝

CGRI工藝由長春黃金研究院有限公司開發(fā)，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，是目前國內(nèi)應用較廣的生物氧化提金技術(shù)。該工藝針對中國難處理金礦石特點，通過篩選、培育和多年工程馴化獲得了復合工程菌，種群結(jié)構(gòu)豐富合理，包含自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌、極端嗜酸嗜熱的古菌和重金屬抗性強的細菌，可在氧化溫度35 ℃～55 ℃，礦漿濃度25 %～27 %的條件下進行高效的氧化作業(yè)。該工程菌的作業(yè)溫度范圍及氧化濃度均優(yōu)于國內(nèi)外同類技術(shù)水平，該技術(shù)曾獲國家科學技術(shù)進步獎二等獎。

CGRI工藝應用20多年來，不斷進行工藝優(yōu)化與升級，企業(yè)處理量不斷擴大，適應原料范圍不斷拓寬，技術(shù)研究成果多次獲得中國黃金協(xié)會科學技術(shù)獎特等獎。

目前，CGRI生物氧化提金技術(shù)已在中國山東、遼寧、江西、黑龍江等省開展了工業(yè)應用，均取得了顯著的經(jīng)濟效益。CGRI技術(shù)在中國的應用見圖5。

4.2 堆浸工藝

堆浸工藝主要應用于低品位金礦石，工藝示意圖［21］見圖6。該工藝主要包括BIOPRO工藝、Geocoat工藝。

4.2.1 BIOPRO工藝

BIOPRO工藝由美國 Newmont公司開發(fā)，采用堆浸方式對難處理金礦石進行生物氧化預處理。Newmont公司于1988年至1999年在內(nèi)華達州卡林市率先開展了難處理金礦石生物堆浸的基礎(chǔ)研究和應用研究，最終全面實施了這一項工藝。在1999年至2008年運行期間，針對卡林型難處理金礦石采用了生物堆浸—CIL工藝生產(chǎn)，共運行10 a，每年處理礦石80萬t，共處理礦石800萬t，生產(chǎn)黃金78 t，后因效益不佳而停止［22］。

4.2.2 Geocoat工藝

Geocoat工藝由美國礦業(yè)公司GeoBiotics LLC開發(fā)，是指將難處理金精礦包覆于惰性巖石表面，然后筑堆進行生物氧化。此法兼具生物槽浸的處理速率快、后續(xù)金浸出率高與生物堆浸基建投資少的優(yōu)點。氧化金精礦包裹層一般需要30～90 d，金回收率在80 %～95 %。Geocoat技術(shù)于2003年在African pioneer Mining公司位于南非的Agnes礦應用，該工藝也在納米比亞Kumba資源公司的Rosh Pinah礦用于閃鋅礦精礦，同時也用于生物浸出黃銅礦精礦［23］。

5 生物氧化提金的研究熱點

5.1 高砷金精礦的生物氧化

高砷含金物料通常是指含砷3 %以上［24］的難處理含金物料。中國難處理黃金資源儲量豐富，其中高砷高硫金礦資源約占難處理黃金資源總量的50 %，而高砷含金物料又是高砷高硫金礦中最為典型的難處理資源之一，并逐漸成為制約黃金行業(yè)發(fā)展的難題之一。因此，高砷含金原料成為現(xiàn)階段黃金選冶研究的重點。針對該類高砷含金原料，通常需要對其進行預處理，以提高后續(xù)金回收率，生物氧化預處理工藝作為一種節(jié)能環(huán)保的濕法冶金技術(shù)，受到廣泛關(guān)注［25］。目前，采用該技術(shù)進行高砷含金原料處理的研究也較多。

NATALY等［26］研究了用含微生物的Fe3+溶液化學氧化高砷金精礦，試驗結(jié)果表明，未經(jīng)Fe3+溶液預氧化（一段過程）和經(jīng)Fe3+溶液預氧化之后（兩段過程）的高砷金精礦氧化4 d后，金的氰化回收率分別為67.76 %和92.95 %。張玉秀等［27］研究了含砷難處理金精礦生物預氧化過程中砷價態(tài)的變化及其對細菌的影響。ZHANG等［28］開展了低品位高砷高硫難選金精礦兩段化學—生物氧化工藝研究，提出了生物氧化廢液二次高溫氧化與后續(xù)生物氧化相結(jié)合的兩段氧化工藝，該工藝中金、銀的氰化回收率由一級生物氧化法的（61.50±1.0） %和（58.10±1.2） %分別提高到（92.20±1.2） %和（89.80±2.8） %。

長春黃金研究院有限公司利用自主研發(fā)的CGRI生物氧化提金技術(shù)針對高砷金精礦開展了大量的研究工作，詳細考查了砷對工程菌種及生物氧化過程的影響［29］，通過對高砷礦生物氧化抑制機理研究，優(yōu)化了高砷金精礦的生物氧化預處理技術(shù)，為提升高砷金精礦生物氧化處理指標提供了強有力的技術(shù)支撐。針對高砷金精礦開發(fā)的兩段生物預氧化工藝可對含砷高達17 %、含硫25 %～40 %的金精礦進行高效處理，菌種砷離子耐受濃度最高可達25 g/L，申請的發(fā)明專利榮獲2003年度倫敦國際專利博覽會金獎。依托該工藝技術(shù)，通過菌群結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，結(jié)合工藝流程持續(xù)升級，在原料中砷品位不斷提高的情況下，實現(xiàn)了金回收率逐步提升，過程見圖7。

長春黃金研究院有限公司利用開發(fā)的兩段生物預氧化工藝分別在遼寧天利金業(yè)有限責任公司和江西三和金業(yè)有限公司開展了“生物氧化工藝全系統(tǒng)升級關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”和“難處理金礦資源生物氧化預處理提金關(guān)鍵技術(shù)及應用”項目的研究，成功實現(xiàn)了工業(yè)應用，并獲中國黃金協(xié)會科技進步獎特等獎。以江西三和金業(yè)有限公司為例，研發(fā)的生物預氧化處理高砷金精礦新工藝，可處理含砷達15 %的金精礦，提高了難處理金礦中硫、砷的脫除率和金回收率，生物氧化—氰化提金回收率達95 %。

5.2 高性能菌種的培育

隨著易處理金礦資源的日益減少，復雜難處理金礦及含金復雜物料的開發(fā)利用日益凸顯出重要性。除砷以外，礦石中的其他重金屬如銅、鉛、鋅等在生物氧化過程中的影響也逐漸顯現(xiàn)。生物氧化過程中，一定量的金屬離子對于細菌生長是必需的，但當金屬離子濃度超過細菌生長耐受范圍時，將抑制細菌的生長和活性，影響生物氧化效果，對企業(yè)正常生產(chǎn)也會造成一定影響。國內(nèi)外學者針對不同離子對生物冶金菌種的影響也開展了許多研究［30-31］。卓文康等［32］研究了鎘、錳、鎳、鉛對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌活性的影響，張成桂等［33］研究了陰離子對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌生長和硫氧化活性的影響，結(jié)果表明其影響順序依次為Cl-、NO-3、SO2-4和PO3-4。

長春黃金研究院有限公司研究了CGRI工程菌種在復雜液相體系中對典型重金屬離子的耐受能力，確定了相關(guān)離子在生物氧化體系中的耐受濃度閾值，為指導生物氧化企業(yè)購買原料、實現(xiàn)科學合理配礦、控制原料重金屬含量范圍、保證菌種活性和氧化效果提供了有利保障。此外，采用定向馴化、誘變等手段對菌種進行篩選、強化，提高了菌種的耐受能力，獲得了性能更強的工程菌種。該工程菌種對銅離子、鉛離子、鋅離子的耐受閾值較原工程菌分別提高了25 %、15 %、41.70 %，擴大了企業(yè)的原料適用范圍，實現(xiàn)了復雜原料的有效利用。

5.3 生物氧化原料的拓展

中國生物氧化工藝已工業(yè)化20多年，取得了較大進步，但目前生物氧化領(lǐng)域的典型問題是處理原料較為單一，且大部分企業(yè)因資源問題導致自產(chǎn)原料不足，為保證產(chǎn)能需外購部分原料。金精礦原料市場競爭激烈，采購較困難，且原料性質(zhì)復雜多變，導致部分企業(yè)低負荷運轉(zhuǎn)，嚴重影響企業(yè)經(jīng)濟效益，為此，亟須拓展生物氧化工藝原料范圍。

長春黃金研究院有限公司開展了難處理金精礦與銀錳礦生物氧化協(xié)同回收的相關(guān)研究，試驗采用金品位51.04 g/t、含砷10.02 %、含硫25.68 %的高砷金精礦和錳品位12.84 %、銀品位640 g/t的銀錳礦開展生物氧化試驗，氧化4 d時，錳浸出率達99.02 %，金、銀的回收率分別為92.34 %、95.61 %，效果顯著。該研究建立了高砷礦與銀錳礦協(xié)同回收技術(shù)，解決了銀錳礦中銀和錳以類質(zhì)同象存在而利用率低的問題，同時解決了生物氧化企業(yè)原料短缺的問題。

5.4 氧化液的綜合回收利用

在難處理金精礦生物氧化預處理工藝中，會產(chǎn)生大量含砷酸性廢水，主要成分為砷、鐵、硫酸根離子。目前，工業(yè)上處理含砷酸性廢水的方法為石灰鐵鹽法，其技術(shù)成熟、易操作，但僅局限于中和治理。若能對其中的有價元素進行綜合回收利用［34］，不僅能夠節(jié)約資源，提高經(jīng)濟效益，同時可以實現(xiàn)中和渣的減量化，減輕尾礦庫庫容負擔。

陳亞靜等［35］以甘肅某金礦經(jīng)生物氧化后產(chǎn)生的高砷、高鐵強酸性生物氧化液為研究對象，選擇CaO作為沉淀劑進行中和除砷試驗，結(jié)果表明：在pH=4.5、攪拌速度適宜、常溫反應25 min條件下，除砷率可達99.99 %，實現(xiàn)了廢水凈化。段敏靜等［36］提出從生物氧化液中選擇性沉淀鐵，同時采用流動性加入生物氧化液和0.20 g/mL（NH4）2HPO4溶液的方式，通過控制條件，鐵沉淀率達到95.20 %，砷存留率為93.60 %。李倩等［34］采用砷鐵共沉淀工藝處理強酸性高砷生物氧化提金廢水，通過向廢水中加入濃氨水控制反應液pH，生成FeAsO4和Fe（OH）3沉淀，達到砷鐵共沉淀的目的，為后續(xù)進一步回收Fe、As奠定基礎(chǔ)。孫光勇等［37］以生物氧化提金廢渣為原料，對其中所含的砷進行回收，在氫氧化鈉用量240 g/L，反應溫度60 ℃，液固比4∶1，攪拌浸出2 h，在最優(yōu)條件下，砷浸出率達到85 %；從浸出液中沉砷的較優(yōu)條件為：溶液初始pH=12，鈣砷摩爾比2∶1，沉淀時間30 min，該條件下砷沉淀率達到97 %以上。

長春黃金研究院有限公司以某企業(yè)生物氧化—氰化提金過程中產(chǎn)生的酸性含砷廢水為研究對象，根據(jù)廢水中不同離子化學沉淀行為的差異，以新型復合砷鐵共沉藥劑CG529作為沉淀劑，該藥劑具有較強的普適性，既能在鐵砷摩爾比不足的情況下，確保砷沉淀完全，又能有效控制其他離子的引入量。采用該工藝，氧化液中砷脫除率達到99.99 %、鐵脫除率達到99.89 %，中和渣產(chǎn)率為150.10 kg/m3氧化液。以200 t/d生物氧化企業(yè)為例，與采用石灰鐵鹽法對比，每年可減少中和渣堆存量萬噸以上。另外，基于上述工藝所得的副產(chǎn)品石膏，開發(fā)了適用于超細尾砂充填的石膏基多源固廢復合膠凝材料CG301（見圖8），成本僅為387.50元/t，價格只有水泥的66.81 %，不但降低了礦山充填成本，還減輕了工業(yè)固廢的堆存壓力和環(huán)境污染。

5.5 生物氧化處理電子廢棄物

近年來，全球產(chǎn)生的電子廢棄物數(shù)量逐年增加，其內(nèi)包含多種金屬、非金屬資源，被譽為“城市礦山”。電子廢棄物中價值較高的線路板產(chǎn)量占總量的5 %左右，通常金屬約占30 %、非金屬約占70 %，含有Cu、Pb、Zn、Ni、Sn等有色金屬及Au、Ag、Pd、Pt等貴金屬，其品位是天然礦藏的幾十倍甚至幾百倍，回收成本低于開采自然礦床，具有超高的回收價值［38］。

目前，國內(nèi)外處理廢棄線路板的技術(shù)主要包括機械處理、基于焙燒及熔煉的火法冶金、基于酸或堿等化學浸出的濕法冶金、基于微生物的生物冶金等技術(shù)［39］?；静襟E為：電子廢棄物等經(jīng)拆解后，分揀出含金、銀、銅等金屬的線路板，線路板首先采用機械法處理，含金屬的物料再采用火法處理技術(shù)、濕法冶金技術(shù)、生物技術(shù)等方法分離回收其中的金屬。

HUANG等［40］研究了氧化亞鐵硫桿菌浸出廢棄線路板中的銅，利用氧化亞鐵硫桿菌將Fe2+氧化為Fe3+，而Fe3+可高效氧化浸出銅這一特性，結(jié)果表明銅浸出率接近100 %。NI等［41］研究了中等嗜熱嗜酸菌浸出廢棄線路板金屬粉末，試驗表明超過81 %的鎳、89 %的銅、79 %的鋁和83 %的鋅被浸出，鉛和錫以沉淀的形式存在，從而達到金屬的有效分離。郭學益等［42］研究表明，在起始pH值為2.25、初始Fe3+濃度為9 g/L、接種量為10 %、金屬富集體投加量為15 g/L的條件下，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌能在62 h內(nèi)浸出廢棄線路板中99.30 %的銅。BIENTINESI等 ［43］利用嗜酸性混合菌生物浸出廢棄線路板粉末中的金屬，結(jié)果顯示，在優(yōu)選的工藝條件下，5 d后Cu浸出率可達到95 %以上，而將粉末中非金屬成分去除后的生物浸出效果更佳，浸出周期大大縮短，45 h后就可浸出96.80 %的Cu。

經(jīng)過多年的研究，長春黃金研究院有限公司在廢舊電路板中回收金屬方面，取得了一定的研究成果（見圖9）。張世鏢等［44］使用富含F(xiàn)e3+的生物氧化液，攪拌浸出廢棄線路板粉末中的錫，獲得富錫液和尾渣，通過向富錫液中添加氧化劑，使溶液中錫離子發(fā)生水解沉淀，最終獲得氧化錫和貧錫液，實現(xiàn)電路板中金屬錫的高效回收。張修超等［45］開發(fā)了一種從廢舊電路板中回收多種稀貴金屬的方法，該工藝可實現(xiàn)電路板中金屬的高效梯級分離浸出與回收，回收金屬種類多，且各金屬的回收率均在95 %以上，能夠?qū)崿F(xiàn)廢舊電路板綠色、高效清潔處理，將城市礦產(chǎn)綜合回收。

6 未來發(fā)展方向

自20世紀80年代生物氧化工藝在黃金領(lǐng)域應用以來，國內(nèi)外掀起了研究熱潮，并取得了顯著成績。中國目前難處理金礦資源占已探明黃金儲量的2/3以上，開發(fā)利用難度非常大，而生物預處理技術(shù)能有效利用這部分難處理金礦資源。因此，加強生物氧化提金的研究和應用，已成為中國黃金工業(yè)發(fā)展的一條必經(jīng)途徑，對保持中國黃金產(chǎn)量和參與國際競爭具有重要的意義［46］。今后，應從以下幾個方面開展系統(tǒng)深入的研究：

1）酸性提金。生物堆浸預處理金礦后，產(chǎn)生的預處理渣呈酸性，需先酸堿轉(zhuǎn)型，再氰化提取。該過程中存在酸堿轉(zhuǎn)型難、藥劑耗量大、工藝流程長等問題，且經(jīng)行業(yè)多年研究表明，生物堆浸礦堆的酸堿轉(zhuǎn)型工業(yè)中不可實施，導致該工藝難以工業(yè)應用，為解決上述酸性物料中金浸出的難題，亟須開發(fā)工業(yè)可行的可直接在酸性條件下提金的工藝。

2）原位浸出。生物原位浸出工藝主要用于處理開采難度大且品位較低的礦石，最顯著的特點是省略采礦作業(yè)而通過浸礦液直接回收金屬，與露天開采堆浸工藝相比，每噸生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)建設(shè)投資可以節(jié)約50 %左右［47］。自20世紀50年代末以來，原位浸出一直被用于鈾回收，除了鈾，金、銅、鎳、稀土元素等也已通過原位浸出成功回收［48］。原位浸出操作的關(guān)鍵參數(shù)是礦體的滲透性、浸出溶液的水文地質(zhì)和控制及金屬的可浸出性。但微生物在原位浸出過程中的重要性一直存在爭議，主要是地下礦體中氧的可用性較低，而生物冶金菌種需要足夠的氧［18］。盡管如此，因原位浸出對處理低品位礦床和深埋礦體（地表以下>1 km）具有巨大的潛力，值得進一步對其進行研究。

3）高效浸礦菌種選育及應用。隨著生物學技術(shù)的飛速發(fā)展，對生物冶金菌種的研究經(jīng)歷了從宏觀到微觀，從定性到定量，從理論到實踐的過程［46］。但高效浸礦菌種選育及應用仍是生物冶金技術(shù)發(fā)展的瓶頸，尤其是高效極端嗜熱菌種，由于其特殊的細胞結(jié)構(gòu)，無法耐受較強剪切力，使其在槽浸工藝中的應用受到一定限制。Metso Outotec推出的MesoTHERM BIOX工藝將中溫生物氧化技術(shù)與高溫生物氧化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了精礦中硫更完全的氧化，進而減少了后續(xù)氰化物消耗。此外，根據(jù)微生物的代謝活性構(gòu)建高效的浸礦菌群來提高預氧化效率也一直是預氧化研究的熱點［49］。

4）生物氧化過程的控制與強化。生物氧化是個復雜的過程，影響因素很多，涉及到生物學、電化學、礦物學、冶金學等多學科理論［50］。如何控制生物氧化過程中反應體系的環(huán)境條件，保持菌種最佳生長代謝條件，以保證菌種更好地發(fā)揮生物氧化作用也是未來重要的研究方向。

7 結(jié) 語

經(jīng)過多年的實際應用，生物冶金技術(shù)已成為黃金行業(yè)的研究與應用熱點，尤其近年來隨著科技的發(fā)展與進步，特別是耐腐蝕材料的研發(fā)與應用，大大拓寬了生物冶金技術(shù)在黃金行業(yè)的應用范圍，為生物冶金技術(shù)的進一步應用鋪平了道路，使生物冶金技術(shù)更加自動化、大型化、規(guī)?；瘧谩Ｄ壳?，生物冶金技術(shù)在低品位、難處理礦產(chǎn)資源領(lǐng)域有了廣泛的應用，充分發(fā)揮和利用了生物冶金技術(shù)特有的優(yōu)勢，解決黃金行業(yè)生產(chǎn)過程中的難題。同時拓展生物冶金技術(shù)在相近領(lǐng)域的應用，如協(xié)同浸出、氧化液回收利用、處理電子廢棄物等，更加創(chuàng)造性地應用生物冶金技術(shù)，保持生物冶金技術(shù)的鮮活力，長久地發(fā)展與應用下去。

［參 考 文 獻］

［1］SCHIPPERS A，HEDRICH S，VASTERS J，et al.Biomining：Metal recovery from ores with microorganisms［J］.Adv Biochem Eng Biotechnol，2014，141：1-47.

［2］MARIO V，AXEL S，SABRINA H，et al.Progress in bioleaching：Fundamentals and mechanisms of microbial metal sulfide oxidation-part A［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2022，106：6 933-6 952.

［3］高金昌.生物冶金技術(shù)在黃金工業(yè)生產(chǎn)中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.黃金，2008，29（10）：36-40.

［4］SAND W，GEHRKE T，JOZSA P G.Schippers A（Bio）chemistry of bacterial leaching-direct vs.indirect bioleaching［J］.Hydrometallurgy，2001，59：159-175.

［5］TRIBUTSCH H.Direct versus indirect bioleaching［J］.Hydrometallurgy，2001，59（2/3）：177-185.

［6］ROHWERDER T，GEHRK T，KINZLE K，et al.Bioleaching review part A：Progress in bioleaching：fundamentals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2003，63：239-248.

［7］GOLYSHINA O V.Environmental，biogeographic，and biochemical patterns of archaea of the family Ferroplasmaceae［J］.Applied and Environment Microbiology，2011，77：5 071-5 078.

［8］KONDRAT'EVA T，PIVOVAROVA T，TSAPLINA Ⅰ，et al.Diversity of the communities of acidophilic chemolithotrophic microorganisms in natural and technogenic ecosystems［J］.Microbiology，2012，81：1-24.

［9］黃海煉，黃明清，劉偉芳，等.生物冶金中浸礦微生物的研究現(xiàn)狀［J］.濕法冶金，2011，30（3）：184-189.

［10］劉佳晨，劉金輝，徐玲玲，等.生物浸礦微生物群落結(jié)構(gòu)研究進展［J］.稀有金屬，2021，45（10）：1 258-1 268.

［11］李宏煦，王淀佐.生物冶金中的微生物及其作用［J］.有色金屬，2003，55（2）：58-63．

［12］張磊，郭學益，田慶華，等.難處理金礦預處理方法研究進展及工業(yè)應用［J］.黃金，2021，42（6）：60-68.

［13］王文潛，邢啟智.難浸金礦細菌預處理在北美的研究開發(fā)［J］.黃金科學技術(shù)，1995，3（6）：15-20.

［14］VAN ASWEGEN P C，VAN NIEKERK J，OLIVIER W.The BIOXTM process for the treatment of refractory gold concentrates［M］.Berlin：Berlin Heidelberg，2007：1-33.

［15］ENFORS S O，JAHIC M，ROZKOV A，et al.Physiological responses to mixing in large scale bioreactors［J］.Journal of biotechnology，2001，85（2）：175-185.

［16］CLARK M E，BATTY J D，VAN BUUREN C B，et al.Biotechnology in minerals processing：Technological breakthroughs creating value［J］.Hydrometallurgy，2006，83（1/2/3/4）：3-9.

［17］黃強.難浸金礦石細菌氧化工藝應用的進展［J］.國外黃金參考，2000（7/8）：38-45.

［18］FRANCISCO F，ROBERTO，AXEL S.Progress in bioleaching：Part B，applications of microbial processes by the minerals industries［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2022，106：5 913-5 928.

［19］蘭興華.金和基本金屬生物浸出的新進展［J］.世界有色金屬，2002（5）：28-31.

［20］姚國成，阮仁滿，溫建康.難處理金礦的生物預氧化技術(shù)及工業(yè)應用［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2003（1）：33-39.

［21］LI J F，YANG H Y，TONG L L，et al.Some aspects of industrial heap bioleaching technology：From basics to practice［J］.Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review，2022，43（4）：510-528.

［22］ROBERTO F F.Commercial heap biooxidation of refractory gold ores-Revisiting Newmonts successful deployment at Carlin［J］.Minerals Engineering，2017，106：2-6.

［23］YANG H L，KANG W L，ZHANG L，et al.Industrialization progress of bioleaching technology（Ⅱ）［J］.Morden Mining，2010，4：6-10.

［24］涂博.高砷高硫難處理金礦提金新方法研究［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［25］高軍雷，伍紅強，辛金秀，等.某高砷高硫難處理金礦生物氧化新工藝研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2022，38（7）：155-158.

［26］ NATALY A V，F(xiàn)OMCHENK O.Two-stage biochemical oxidation of refractory sulfide ore concentrate containing gold［J］.Hydrometallurgy，2010，101（1/2）：28-34.

［27］張玉秀，郭德庚，李媛媛，等.含砷難處理金精礦生物預氧化過程中砷價態(tài)的變化及其對細菌的影響［J］.黃金科學技術(shù)，2017，25（4）：106-112.

［28］ZHANG S Q，YANG H Y，TONG L L，et al.Two-stage chemical-biological oxidation process for low-grade refractory gold concentrate with high arsenic and sulfur［J］.Minerals Engineering，2023，191：107976.

［29］金世斌，馬金瑞，郝福來.金精礦生物氧化過程中砷的氧化行為初探［J］.黃金，2009，30（8）：41-43.

［30］劉順亮，李澤兵，史維浚，等.特殊離子對嗜酸性鐵氧化混合菌活性的影響研究［J］.稀有金屬，2019，43（8）：854-862.

［31］FANG D，ZHOU L X.Effect of sludge dissolved organic matter on oxidation of ferrous iron and sulfur by Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans［J］.Water Air and Soil Pollution，2006，171（1/2/3/4）：81-94．

［32］卓文康，蘇文瑤，王淡君，等.鎘、錳、鎳、鉛對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌活性的影響［J］.廣東化工，2021，48（10）：64-65.

［33］張成桂，張倩，王晶，等.陰離子對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌生長和硫氧化活性的影響［J］.中國有色金屬學報，2009，19（6）：2 237-2 242.

［34］李倩，田彥文，李建中.生物氧化提金廢水中的Fe、As共沉淀［J］.化工環(huán)保，2010，30（6）：520-522.

［35］陳亞靜，楊洪英，佟琳琳，等.含砷礦石細菌氧化液除砷實驗及砷鈣渣穩(wěn)定性研究［J］.黃金科學技術(shù)，2018，26（1）：124-129.

［36］段敏靜，梁長利，許寶泉，等.生物提金氧化液中鐵的選擇性沉淀［J］.黃金科學技術(shù)，2017，25（6）：121-126.

［37］孫光勇，王衛(wèi)亭，楊軍，等.含砷金礦細菌氧化提金廢渣綜合回收砷［J］.有色金屬（冶煉部分），2011，12（4）：11-14.

［38］HADI P，XU M，LIN C S K，et al.Waste printed circuit board recycling techniques and product utilization［J］.Journal of Hazardous Materials，2015，283：234-243．

［39］張世鏢，李健，趙國惠，等.廢棄線路板中金屬循環(huán)利用技術(shù)研究進展［J］.黃金，2021，32（42）：79-82.

［40］HUANG K，GUO J，XU Z.Recycling of waste printed circuit boards：A review of current technologies and treatment status in China［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，164：399-408.

［41］NI M J，XIAO H X，CHI Y，et al.Combustion and inorganic bromine emission of waste printed circuit boards in a high temperature fumace［J］.Waste Management，2012，32：568-574．

［42］郭學益，劉靜欣，田慶華，等.有色金屬復雜資源低溫堿性熔煉原理與方法［J］.有色金屬科學與工程，2013，4（2）：8-13.

［43］BIENTINESI M，PRTARCA L.Comparative environmental analysis of waste brominated plastic thermal treatments ［J］.Waste Management，2009，29：1 095-1 102．

［44］張世鏢，張修超，郝福來，等.一種含錫廢料中錫的回收方法：CN201910937618.3［P］.2019-12-27.

［45］張修超，張世鏢，郝福來，等.一種從廢舊電路板中回收稀貴金屬的方法：CN202210030186.X［P］.2022-04-08.

［46］邱冠周，劉學端.用生物技術(shù)的鑰匙開啟礦產(chǎn)資源利用的大門［J］.中國有色金屬學報，2019，29（9）：1 848-1 858.

［47］李敏.生物冶金技術(shù)研究綜述［J］.山西冶金，2014，37（1）：9-10.

［48］SEREDKIN M，ZABOLOTSKY A，JEFFRESS G.In situ recovery，an alternative to conventional methods of mining：Exploration，resource estimation，environmental issues，project evaluation and economics ［J］.Ore Geology Reviews，2016，79：500-515.

［49］劉新星，王國華，謝建平，等.難處理含硫金精礦生物預氧化方法的強化工藝［J］.中國有色金屬學報，2015，25（8）：2 218-2 225.

［50］崔日成.不同類型高砷難處理金礦的細菌氧化提金工藝研究［D］.沈陽：東北大學，2011.

Application and prospects of biometallurgical technology in the gold industry

Wang Xiumei，Hao Fulai，Zhang Shibiao，Zhao Guohui，Li Jian，Zhang Xiuchao，Wang Peng，Zhang

Lei，Zheng Ye

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：In this paper，the mechanism of biological metallurgy technology，commonly used metallurgical micro-organisms and the classification of biological metallurgy technology are introduced.The application of biological metallurgy technology in the gold industry and the main technical types of biological stirring oxidation process and biological heap oxidation process are summarized，the research status of biological oxidation pretreatment of high arsenic，high impurity gold concentrate，and electronic waste resources，as well as the purification and utilization of oxidation solution are introduced emphatically，the future key research directions of biometallurgical technology are pointed out，providing a basis for better promotion and application of biometallurgical technology in the gold field.

Keywords：biometallurgical technology;gold mines;biological oxidation;tank leaching;heap leaching

收稿日期：2023-05-18; 修回日期：2023-06-21

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC2904500）

作者簡介：王秀美（1981—），女，高級工程師，碩士，從事有色金屬選冶技術(shù)開發(fā)及應用方面的研究工作；E-mail：14748873@qq.com