（矿物加工工程专业论文）硫杆菌浸出低品位磷矿的影响因素研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的快速发展，对磷资源的需求量也在不断扩大，而资源又在不 断减少，特别是可直接利用的富矿越来越少，磷矿的价格也在不断上涨。就我国 研究现状而言，传统的选矿方法很难达到今人满意的效果，开发更经济实用的新 技术势在必行。硫杆菌处理低品位磷矿具有节约能源，降低成本、保护环境、提 高资源利用率等深远意义。 本文主要采用嗜酸氧化硫硫杆菌和嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出低品位磷矿，进 行了以下几个方面的研究。 通过稀硫酸浸磷实验，了解了硫酸浸出磷矿的效果，比较了细菌浸磷和硫酸 浸磷的差别，并探讨了硫杆菌浸磷的机理。 进行了嗜酸氧化硫硫杆菌、嗜酸氧化亚铁硫杆菌的富集、分离纯化的实验研 究，并对不同培养基进行了选择性实验。浸矿实验说明两种菌种都可以浸出磷矿， 对低品位磷矿的浸出率要远高于同p h 值下硫酸的浸出率，并且嗜酸氧化硫硫杆 菌较嗜酸氧化亚铁硫杆菌的浸矿效果要好。 对细菌最佳接种量的实验表明：1 0 为最佳的接种量。 通过有磷培养基和无磷培养基对比实验着重研究了嗜酸氧化硫硫杆菌在有 磷培养基和无磷培养基中的生长情况和浸磷效果，研究结果表明：采用无磷培养 基不仅不影响嗜酸氧化硫硫杆菌的生长，而且有更好的浸磷效果。此研究结果可 以达到节约成本的目的。 通过浸矿方式实验发现：嗜酸氧化硫硫杆菌在无磷s a r k e y 培养基中浸磷时， 采用批浸法比用普浸法浸磷效果好。 由表面活性剂的强化实验得出：吐温类表面活性剂可改善嗜酸氧化硫硫杆菌 的浸磷作用。吐温类表面活性剂的分子结构及加入量为影响嗜酸氧化硫硫杆菌浸 磷效果的重要因素，通过选择适当的吐温类表面活性剂并调节其用量可促进硫杆 菌的生长及产酸能力，达到加快浸矿速度、提高浸出率的目的。 对表面张力和z e t a 电位的实验研究从机理上说明了表面活性剂对嗜酸氧化 硫硫杆菌浸磷的促进和强化作用。 通过本文的研究得出用硫杆菌浸出低品位磷矿的主要影响因素的作用规律 和作用机理，为该技术的推广应用奠定了基础。 【关键词】磷矿资源生物浸出嗜酸氧化硫硫杆菌嗜酸氧化亚铁硫杆菌 影响因素 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h ed e m a n df o rp h o s p h o r u s r e s o u r c ei se x p a n d i n gc o n s t a n t l y , a n dt h er e s o u r c er e d u c e sc o n s t a n t l y ，e s p e c i a l l yt h e r e a r ef e w e ra n df e w e rr i c ho r e st h a tc a nb eu t i l i z e dd i r e c t l y , a n dt h ep r i c eo ft h e p h o s p h o r u so r ei sg o i n gu pc o n s t a n t l yt o o b a s e do nt h er e s e a r c ho f o u rc o u n t r y , i ti s v e r yd i f f i c u l t ，f o r t h et r a d i t i o n a lm i n e r a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t o a c h i e v et h e s a t i s f i e de f f e c t i ti su r g e n tt os e e kf o rn e wt e c h n o l o g i e sw h i c ha r ee c o n o m i ca n d p r a c t i c a l l e a c h i n go fl o w - g r a d ep h o s p h a t eo r ew i t ht h i o b a c i l l u sh a st h ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e o f s a v i n gr e s o u r c e s ，r e d u c i n gc o s t s ，p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t , a n d e n h a n c i n g t h er a t eo fr e s o u r c eu t i l i z a t i o n s e v e r a lf a c e t sa r es t u d i e do nt h el e a c h i n go fl o w g r a d ep h o s p h a t eo r ew i t h a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n sa n d a c i d t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n to fl e a c h i n gt h el o w g r a d ep h o s p h a t eo r ew i t h d i l u t es u l f u r i ca c i d ，w h i c hs h o w e dt h a td i l u t es u l f u r i ca c i dc a nl e a c ht h ep h o s p h a t e o r e ，c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb i o - l e a c h i n ga n ds u l f u r i ca c i dl e a c h i n g t h e l a s t ，d i s c u s s i n gt h em e c h a n i s mo fb i o - l e a c h i n gp h o s p h a t eo r e sw i t ha c i d i t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s s e c o n d l y ，t h ea r t i c l es t u d i e st h ee n r i c h m e n t ，s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o n o f a c i d i t h i o b a c i l l u s 琥i o o x i d a n s , a c i d t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s f u r t h e rm o r e ，t h ec h o i c e o ft h ed i f f e r e n tc u l t u r em e d i u mi sd i s s u s e d t h ee x p e r i m e n to fl e a c h i n go r ei n d i c a t e d t h a tt h et w ot h i o b a c i l h sa l lc a nl e a c ht h ep h o s p h a t eo r e s ，a n dt h er a t eo fp h o s p h a t e l e a c h e dw i t ht h et w ot h i o b a c i l l u si sh i g h e rt h a nt h es u l f u r i ca c i da tt h es a m ep h ，a n d t h ee f f e c to fa c 聊所f d 6 口c i l l u st h i o o x i d a n si sb e t t e rt h a na c i d t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a t1 0 i st h eb e s ti n o c u l a t i n gq u a n t i t yt h r o u g h tt h e e x p e r i m e n t s f i n a l l y ，t h r o u g hc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s ，t h eg r o w t h c h a r a c t e r i s t i c sa n d b i o l e a c h i n g e f f e c to fa c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n si nt h ep h o s p h o r u s c o n t a i n i n g s t a r k e yc u l t u r em e d i u ma n dt h ep h o s p h o r u s - f r e es t a r k e yc u l t u r em e d i u ma r e e s p e c i a l l ys t u d i e d ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb i o l e a c h i n ga n ds u l f u r i ca c i dl e a c h i n ga r e c o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tn o to n l yp h o s p h o r u s - f r e ec u l t u r em e d i u mc a n 武汉理工大学硕士学位论文 p r o m o t et h eg r o w t ho fa c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ，b u t a l s oa c i d i t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n si np h o s p h o r u s f r e ec u l t u r em e d i u mh a sag o o dl e a c h i n ge f f e c t a n dt h i s r e s u l tc a l lr e a c ht h ea i mo fs a v i n gc o s t w h e na c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n si su s e dt ol e a c h p h o s p h a t e o r e si n p h o s p h o r u s f r e es t a r k e yc u l t u r em e d i u m ，b a t c hm e t h o di sb e t t e rt h a no r d i n a r ym e t h o d f o rb i o - l e a c h i n gp h o s p h a t eo r e s t h r o u g ht h es t r e n g t h e n e de x p e r i m e n tw i t ht h ea d d i t i o no ft w e e ns u r f a c t a n t si n t o t h es o l u t i o n , i tt u r n so u tt h a t ，f o rt h et h i o b a c i l l a s ，t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dd o s a g e o ft w e e ns u r f a c t a n t sa r ei m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee f f e c t so fp h o s p h a t eo r e l e a c h i n gw i t ha c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s t h r o u g hs e l e c t i n gt h et y p ea n da d j u s t i n g t h e d o s a g e o ft w e e ns u r f a c t a n t s ，t h e g r o w t ha n da c i d p r o d u c i n ga b i l i t y o f a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n sc a l lb ei m p r o v e d t w e e ns u r f a c t a n t sc a ni m p r o v et h e l e a c h i n go fp h o s p h a t eo r ew i t ha c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s o p t i m a lp h o s p h a t e l e a c h i n ge f f e c t sc a nb eo b t a i n e db yp r o p e r l ys e l e c t i n gt h et y p ea n da d j u s t i n gt h e d o s a g eo ft w e e ns u r f a c t a n t s a n dt h ea i mo fi n c r e a s i n gt h es p e e do fl e a c h i n go r ea n d i m p r o v i n gt h er a t eo ft h ep h o s p h a t el e a c h e dc a n b ea c h i e v e d f r o mt h em e a s u r e m e n t so ft h es u r f a c et e n s i o na n dz e t ap o t e n t i a l , t h ea c c e l e r a t i n g a n ds t r e n g t h e n i n ge f f e c t so ft h et w e e ns u r f a c t a n t so nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e t h i o b a c i l l u sa n dp h o s p h a t eo r ea n dt h el e a c h i n go ft h ep h o s p h a t eo r ew a si n d i c a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，t h et h e s i sh a sb a s i c a l l yc l a r i f i e dt h em a j o ri n f l u e n c i n g f a c t o r sa n dt h em e c h a n i s m ，a n dl a i daf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n i q u e s k e yw o r d s ：p h o s p h a t eo r er e s o u r c e s ，b i o - l e a c h i n g ，a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ， a c i d t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n $ ，i n f l u e n c i n gf a c t o r s i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名；趔叠日期2 翌红 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：蛸 日期：坦么! 兰：j 导师签名： 妥爻谩 日期：6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 磷矿资源概况 第1 章绪论 世界磷矿资源分布很不均匀1 1 1 主要分布在摩洛哥、南非、美国、中东、前 苏联和中国。中国磷矿储量居世界第二。其中非洲占4 6 。 我国磷矿资源丰富1 2 1 ，资源总量约5 0 0 亿吨，探明保有储量1 5 7 亿吨，分 布在2 6 个省( 区) 。相对集中云、贵、川、鄂、湘5 个省之内，约占全国总储量的 4 5 ，特别是p 2 0 5 品位 3 0 的富矿石储量几乎全都集中在上述5 个省内，我国 磷矿资源特点【3 】= 资源丰富，但分布过于集中。中低品位磷矿多、富矿少。 难选矿多，易选矿少。较难开采的倾斜至缓倾斜，薄至中厚矿体多。适宜于 大规模高强度开采的少。 磷是重要的化工原料，也是农作物生长的必要元素，工业用磷必须大量从磷 矿中提取，用于制造黄磷、赤磷、磷酸、磷肥、磷酸盐。英文名为p h o s p h a t er o c k 。 分子式：3 c a 3 ( p o & c a r 2 。 磷矿石多产于沉积岩，也有产于变质岩和火成岩，除个别情况外，矿物中的 磷总是以正磷酸盐形态存在，磷的主要矿物为磷灰石。 1 2 我国磷矿工业的发展现状 磷化工包括磷肥工业、黄磷及磷化物工业、磷酸及磷酸盐工业、有机磷化物 工业、含磷农药及医药工业等等。世界上磷矿石的消费结构中约8 0 左右用于 农业，其余的用于提取黄磷、磷酸及制造其它磷酸盐系列产品。磷化工产品在工 业、国防、尖端科学和人民生活中已被普遍应用。除了在农业中用作磷肥、含磷 农药、家禽和牲畜的饲料以外，在洗涤剂、冶金、机械、选矿、钻井、电镀、颜 料、涂料、纺织、印染、制革、医药、食品、玻璃、陶瓷、搪瓷、水处理、耐火 材料、建筑材料、日用化工、造纸、弹药、阻燃及灭火等方面广泛使用。随着科 技的发展，高纯度及特种功能磷化工产品在尖端科学、国防工业等方面被进一步 的推广应用，出现了大量新产品，如：电子电气材料、传感元件材料、离子交换 剂、催化剂、人工生物材料、太阳能电池材料、光学材料等等。由于磷化工产品 不断向更多的产业部门渗透，特别是在尖端科学和新兴产业部门中的应用，使磷 化工成为国民经济中的一个重要的产业。磷化工产品在人们的衣、食、住、行各 个领域，发挥着越来越重要的作用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 磷矿的加工工艺 磷矿选矿走过了数十年的历程，取得了一些实验研究成果和生产经验，在世 界范围内推动了磷矿选矿工艺技术的进展。但随着富矿资源的开发利用和储量日 渐减少，贫矿的选矿研究越来越受到人们的重视。在磷矿的选矿实践中，目前磷 矿选矿方法主要有浮选，擦洗脱泥和焙烧消化工艺t 4 1 。 1 ) 浮选法是选别磷灰岩矿石的有效方法，但浮选法消耗大量的药剂、成本 高、污染大。 2 ) 擦洗脱泥工艺、重选、化学选矿目前在我国应用不多，单独使用效果不 尽人意。 3 ) 焙烧消化工艺处理碳酸盐磷矿有其独到之处，但存在能耗高、脱除的石 灰乳处理困难且生产难以控制等缺点，所以在我国没有大量推广应用。 钔光、电选目前虽有一些研究，但距实际应用尚远。 近年来，随着生物技术的发展和绿色化学的新要求，许多研究者致力于微 生物的研究和工业应用。在湿法冶金工业中，低品位金属硫化矿物的细菌浸出得 到了广泛的研究，特别是用于铜、铀、金的浸出，其中铜的生物浸出占到世界铜 生产总量的2 0 。在这种思路的启发下，采用微生物浸出技术处理细粒、复杂、 低品位的磷矿或磷矿废石及尾矿，是解决难选磷矿回收的行之有效的办法，具有 节约能源、降低成本、保护环境、提高资源利用率等深远意义。 1 4 中国磷矿资源开发利用中存在的主要问题 1 ) 磷矿企业整体规模小，经济效益差。根据国土资源部的统计，2 0 0 0 年中国 磷矿企业5 1 1 家，其中生产能力超过1 0 0 万怕的大型企业仅1 5 家，占2 9 ； 生产能力超过3 0 万妇的中型企业2 5 家占4 9 ：其余9 2 2 均为小型矿山， 并且1 0 万以下规模的为多数。与国外相比差距较大。美国摩洛哥和前苏联的企 业规模和产量多在3 0 0 万柏以上，中国最大的露天矿，其生产能力也只有2 5 0 万t a ，多数是生产能力在2 0 万柏以下的小型企业。由此可见，中国磷矿整体 规模较小，没有形成经济规模，经济效益较差。 2 ) 磷矿企业装备简陋，管理落后，资源破坏和浪费严重。从开采技术和装 备水平上看，国外矿山企业采矿实现大型机械化，选矿实现了大型化和微机程序 控制。中国除国有大型企业基本实现了机械化、半机械化以外，中小型企业特别 是地方小型及集体企业，除开采配备有少数的铲、装、运设备外，主要以人工开 采为主。 3 ) 胶磷矿浮选技术难度大，选矿费用偏高，选矿厂建设投资较大，经济效 2 武汉理工大学硕士学位论文 益较差，若不集中投资矿山企业对浮选厂的建设顾虑重重，持观望态度。 4 ) 矿山多地处偏僻，企业负担沉重，同时又倍受周边个体和乡镇经营者对 矿山资源的蚕食，破坏科学生产，甚至哄抢矿产品，造成资源很大浪费。 5 1 磷矿的加工、使用不合理，造成优质磷矿资源浪费。由于中国磷矿未按 等级档次分级加工和区分价格，在优质磷矿富产地区，存在磷富矿“优矿劣用”、 “高质低用”的现象，相当一部分适用于生产高浓度磷复肥的优质磷矿用于生产黄 磷和低浓度磷肥，造成有限的优质磷矿资源浪费。 们低品位磷矿的开发利用研究滞后。面临磷矿资源的贫化，高纯和高附加 值磷化工产品需求增加，如何利用低品位磷矿生产高质量产品的问题应及早研究 棚。 1 5 微生物选矿与传统选矿的区别 目前，高磷铁矿石的降磷方法有选矿方法、化学方法、冶炼方法和微生物方 法。选矿方法往往需要细磨矿石至磷矿物和铁矿物完全解离，然后采用磁选法或 浮选法进行分选。我国高磷铁矿石矿物组成比较复杂，磷矿物嵌布粒度细小，采 用选矿方法脱磷存在以下问题：一是脱磷率低，二是由于细磨降低了球磨的处理 量，使磨矿成本明显增加，三是铁损失量大。因此，传统的选矿方法很难达到今 人满意的效果。化学方法脱磷就是以硝酸、盐酸或硫酸对矿石进行酸浸脱磷，该 方法是一种较为有效的脱磷方法，而且矿石中碳矿物无须完全单体解离，只要暴 露出来与浸出液接触就可以达到降磷的目的，但化学方法脱磷耗酸量大，成本高， 而且容易导致矿石中可溶性铁矿物溶解，造成铁损失。冶炼脱磷即铁水预处理脱 磷，其基本原理就是炼钢铁水在入转炉或电炉前，以碱性氧化物或碱性渣与铁水 中的磷发生反应形成磷渣进行脱磷，此法脱磷效果非常好，但成本高昂，冶炼脱 磷在我国还处于基础研究阶段。鉴于上述各方法的局限性，尚不能从根本上解决 铁脱磷的问题，因此根据我国铁资源特点，开发更经济实用的新技术势在必行【6 l 。 近年来，利用微生物处理矿产资源的研究非常活跃，仅就溶磷方面而言， 就己经发现很多种细菌、真菌、放线菌都具有溶磷作用。它们主要通过代谢产酸 降低体系的口h 值，使磷矿物溶解，同时，代谢酸还会与c a “，m 9 2 + ，a i “等离 子鳌合，形成络合物，从而促进磷矿物的溶解。研究还表明，有的细菌具有过量 摄磷的特性，这也是微生物脱磷的机理之一。 1 6 生物浸矿用菌及其应用现状 目前真j 下用于生产的微生物主要是嗜酸氧化亚铁硫杆菌翻c i d i t h i o b a c i l l u s 武汉理工大学硕士学位论文 弦r ，d 饿j f c 妇邶) 、嗜酸氧化硫硫杆菌似c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ) 及嗜热嗜酸的硫 化裂片菌( s u l f l o o b u st h e r o a o i d o p h i u m ) 。另外具有浸出作用的细菌至少还有排硫杆 菌( t h i o b a c i l l u st h i o p a r u s ) 、蚀阴沟硫杆菌( t h i o b i c i l l u sc o n c r e t i v o r u s ) 、环状芽抱杆 菌( b a c c i r c u l a n s ) ，无色杆菌属( a o h r o m o b a c t e r ) 、蜡状芽抱杆菌( b a c c e r e c 淞) ，氧化 铁铁杆菌( f e r r o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ) 及一些产酸、产碱菌。 生物浸出的应用包括以下几个方面： ( 1 ) 用于细菌浸矿。在工业上得到应用的主要是铜、铀、金。 ( 2 ) 用于烟尘、废水的处理。 ( 3 ) 用于从煤炭中脱除硫。 ( 4 ) 用于生物选矿。主要是利用细菌对矿物表面作用改变矿物的亲水性提高 浮选的选择性。 ( 5 ) 铝土矿的脱硅。 ( 6 ) 高岭土的除铁。 1 7 微生物浸出磷矿的国内外研究现状 关于磷矿的微生物浸出，国内外已有一些报道，根据溶磷微生物的特性可分 为两大类：有机化能异养型微生物( 异养菌) 溶磷和无机化能自养型微生物( 自 养菌) 溶磷。 1 7 1 异养菌溶磷 许多异养菌具有溶磷作用，包括细菌和真菌，报道较多的主要有芽孢杆菌、 假单胞杆菌等细菌，以及曲霉菌和青霉菌等真菌。不同种类的异养菌对不同含磷 原料的溶磷能力有很大的差异。p a u la n ds u n d 盯a 1 7 】发现，一些芽孢杆菌对磷酸三 钙的浸出率只有2 0 。肖春桥等【8 l 研究了巨大芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌在不同磷 矿粉用量，培养时间以及不同碳源和氮源质量分数等条件下的磷浸出率。结果表 明：磷的浸出率最高达到3 3 。随着磷矿粉用量增加，磷的浸出率显著降低， 但当用量超过1 0 叽后，培养时间越长，磷的浸出率越高，到培养的1 5 天达到 最高值。碳源和氮源质量分数在3 时磷的浸出率最高。 异养菌的溶磷机理比较复杂，不同的菌有不同的溶磷机理，同一菌也可能有 多个溶磷机理【9 ，”j 。一般认为主要有两种机理。一是由于异养菌在代谢过程中分 泌质子，使培养介质的酸度升高，从而导致磷酸盐溶解。质子来源于呼吸作用和 吸收利用n h 4 + 。二是由于异养菌在代谢过程中分泌有机酸，使培养介质的酸度 刀高，同时有机酸与铁、铝、钙、镁络合或螯合，使磷酸盐溶解。范丙全等f l l j 武汉理工大学硕士学位论文 进行了溶磷微生物的筛选，获得了具有溶磷作用的草酸青霉菌，在不同条件下测 定了其溶磷能力，并与拜菜青霉菌和巨大芽孢杆菌进行了比较。结果表明草酸青 霉菌的溶磷能力显著高于拜莱青霉菌和巨大芽孢杆菌，磷的浸出率最高可达 4 7 5 0 。 1 7 2 自养菌溶磷 一些无机化能自养型微生物( 如a t i 菌、a u 菌等) 以氧化某些还原态无机物 ( 如s o 、f e s 2 、f c 2 + 等) 获得能量自养生长，产生无机酸( 如h 2 s 0 4 等) ，可使磷酸 盐溶解。例如，w o n g 掣1 2 】以还原态f e 2 + ( f e s 0 4 7 h 2 0 ) 为能源使厌氧消解污泥中 分离的氧化铁细菌生长，代谢产生的酸使污泥中的磷溶解，浸出率最高可达4 5 。 c o s t aa n dm e d r o n h o l l 3 悃嗜酸氧化亚铁硫杆菌明f ，菌) 氧化硫铁矿产硫酸来溶 解磷矿，浸出率为1 2 1 0 0 。 综上所述，关于异养菌溶磷，国内外已开展了大量的研究。已经取得的结果 表明，异养菌代谢产生的有机酸酸性不强，分解磷矿的速度缓慢，浸出率低，一 般低于4 5 ，而且培养液成分价格昂贵，实现工业化生产十分困难。因此，具 有溶磷作用的异养菌主要被用来生产具有生物活性的磷肥，能够显著地提高土壤 难溶磷的有效性和磷肥的利用效率，增加农作物吸收磷量，提高产量。在这方面， 中国农业大学林启美等进行的国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目已经取得了 一些重要的成果。 关于自养菌溶磷，国内外的报道较少。主要是利用硫杆菌( 爿t ，菌或a t t 菌) 氧化还原态的铁或硫产生硫酸来溶解磷矿。而且自养菌的培养不需要有机物，而 以磷矿中伴生的或加入的还原态硫或铁矿物为能源自养生长，因此具有工业化生 产的可能性。关于不同自养菌对不同性质磷矿的浸出缺乏系统的研究。关于自养 菌溶解磷矿的基础理论研究也未见报道。 1 8 课题研究的主要内容、目的和意义 本课题主要是利用自养微生物嗜酸氧化硫硫杆菌( a t t 菌，a c i d i t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ) 、嗜酸氧化亚铁硫杆菌t ，菌，a c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ) 氧 化硫粉产生硫酸将低品位磷矿溶解并回收其中的磷。 硫杆菌属于自养微生物，其培养不需要添加有机营养物，而以磷矿中伴生的 或加入的还原态硫为能源自养生长，因此用硫打菌浸磷不需要大量消耗硫酸! 工 艺简单，成本低，对环境污染小，具有工业化生产的前景。 课题研究的内容： 武汉理工大学硕士学位论文 1 首先通过实验挑选出最适合的细菌。 2 然后通过若干种影响因素的研究来优化浸出条件，提高浸磷的回收率和速 率，并以此来简捷、有效、低成本的回收磷矿。 3 研究细菌浸磷过程中细菌氧化产酸浸磷的作用机理 4 应用表面张力、z e t a 电位的测定研究细菌在矿物表面的吸附特性，与矿物 表面的作用机理。在此基础上，分析影响细菌浸矿的工艺因素，研究优化调控规 律。 我国磷矿资源的特点是矿石类型多而复杂，多为低品位贫矿，粒度细，选别 困难。采用微生物浸出技术处理细粒、复杂、低品位的磷矿或磷矿废石及尾矿， 是解决难选磷矿回收的行之有效的办法，利用自养菌浸出低品位复杂磷矿工艺研 究的成功将为我国磷矿资源的发展提供新的技术路线。若工业上推广应用，则可 以更加有效的提高资源的利用率，变废为宝，具有巨大的社会效益。同时为矿业 带来巨大的经济效益并具有节约能源、降低成本、保护环境、提高资源利用率等 深远意义。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章实验材料、仪器及方法 2 1 实验材料 2 1 1 菌种 本实验所用主要菌种是嗜酸氧化硫硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ) 、 嗜酸氧化亚铁硫秆菌c i d i t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ) ( 以下简称a t t 菌、a t i 菌) ，从安徽某煤矿的酸性矿坑水中采样，经富集培养、分离、纯化得到，具有a t t 、 a t 菌的基本生物特性。 2 1 1 1 嗜酸氧化硫硫杆菌 自从1 9 2 2 年w a k s m a n 和j o f f e 分离得到嗜酸氧化硫硫杆菌似t f 菌1 以来， 嗜酸氧化硫硫杆菌以其快速氧化单质硫以及还原态的硫化物而为人们所熟知。 a t t 是一种矿质化能自养菌，专性好氧，嗜酸，革兰氏阴性菌，伯杰细菌鉴定手 册中描述嗜酸氧化硫硫杆菌大小为1 弘m ，宽0 3 o 助m ，长1 o 2 叻i l l ，棒 状，生长的最适p h 为2 o 3 5 ，最适合的温度为2 8 3 0 。c 。a t t 菌以氧化单质 硫或还原态的硫化物来获得自身细胞生长和代谢所需要的能量，以n i - 1 4 + 为氮源， 以空气中c 0 2 为碳源。目前已经有许多国家对a t t 菌的生物浸矿和微生物脱硫进 行了大量研究【1 4 1 。 2 1 1 2 嗜酸氧化亚铁硫杆菌 早在2 0 世纪7 0 年代，n e l s o n ，t u o v i n e n ，i c e l l y ，l e w i s ，m i l l e r ，m u r r 和e c c l e s t o n 等研究指出，彳f ，菌主要代谢是氧化f c 2 + 为f e 3 + 而获得能量，亦可 氧化硫化矿物、元素硫及可溶硫化合物，如硫代硫酸盐，甚至可氧化溶液中的一 价铜离子及二价锡离子，并对溶液中的c u + 、c a + 、m g “、f e “、a g + 、a u + 等金 属离子具有一定的耐受力，同时固定二氧化碳以生长f 1 5 1 6 1 。 a t f 菌广泛生存于土壤、海水、淡水、垃圾、硫磺泉和沉积硫内，尤以金属 硫化矿和煤矿等矿山的酸性矿坑水中最为常见。a t f 菌生理特性为化能自养，好 氧嗜酸，革兰氏阴性。 嗜酸氧化亚铁硫卡丁菌的特征旧菌体很小，直径约0 瓤m ，长度约1 t m 。个体 形状为近球卡t 状，两端钝圆，以单个、双个或几个成短链状存在，能快速游动， 其生长条件p h 为2 o 3 5 ，温度为2 8 3 5 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 浸出用磷矿矿石概况 实验所用磷矿样品取自湖北钟祥磷矿，原矿经破碎、磨矿至2 0 0 目作为浸出 实验用样，磷矿品位为1 6 1 9 ，属低品位磷矿。其主要元素分析如表2 - 1 所示， 物相分析见图2 - 1 。 表2 - 1 磷矿样品主要元素分析 山 o 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 o 1 0 3 04 0 2t h e t a d e g r e e 图2 - i 磷矿样品的) l r d 衍射图 a 一磷灰石；c 一方解石；d - - 白云石；q 一石英：o 一其它 方解石：( c a c 0 3 ) 白云石：c a m g c 0 3 2 石英：s i 0 2 由上面x 一射线衍射( x r d ) 进行的定性相分析，可以看出可能含有的物质是 磷灰石( d = 3 4 4 5 2 a ，2 8 0 3 6 , & ，2 7 0 7 9 , & ) 、c a c 0 3 i ( d = 3 0 3 3 8 a ，2 2 8 3 6 & ) 、 c a m g c 0 3 】2 ( d = 2 8 8 6 5 五，2 1 9 3 0 , 置，1 8 0 2 5 & ) 、s i 0 2 ( d = 4 2 6 4 3 a ，3 3 4 8 5 a ， 2 4 5 7 7 h , ，1 6 7 2 3 a ) 。由此可知元素分析的结果与x 一射线衍射( x r d ) 的定性 分析的结果相吻合。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 实验药品 本实验所采用的药品均由国内化学药剂厂生产，药品级别及药品用途见表 2 2 。 表2 - 2 实验药品 实验药品化学式 药品级别生产厂家 硫酸砭铁f e s 0 4 分析纯上海试一化学试剂有限公司 升华硫 s化学纯海晶牌天津市河北区精细化工厂 过硫酸钾k 2 s 2 0 8 分析纯国药集团化学试剂有限公司 抗坏血酸c 6 1 8 0 6 分析纯国药集团化学试剂有限公司 钼酸铵( n i l 4 ) 6 m 0 7 0 “4 h 2 0 分析纯天津市博迪化工有限公司 酒石酸锑钾硒b c 4 地0 7 1 脚2 0 分析纯天津市凯通化学试剂有限公司 无水乙醇岛h 5 0 h 分析纯国药集团化学试剂有限公司 磷酸二氢钾 k i - 1 2 p 0 4 分析纯 河南焦作市化工三厂 硫酸镁 m g s 0 4 分析纯中国兴塔美兴化工厂上海 磷酸钙 c a 3 ( p o ) 2 分析纯天津市巴斯夫化工有限公司 无水氯化钙c a c l 2 分析纯天津市天达净化材料精细化工厂 氢氧化钠 n a o h分析纯天津市河北区海晶精细化工厂 硝酸钾k n o ， 分析纯天津市东丽区泰兰德化学试剂厂 氯化钾 k c l分析纯天津市科密欧化学试剂开发中心 硫酸铵( n i - h ) 2 s 0 4 分析纯国药集团化学试剂有限公司 磷酸氢二钾k 2 h p 0 4 分析纯天津市巴斯夫化工有限公司 硫酸h 2 s 0 4 分析纯广东光华化学厂有限公司 硝酸h n o ， 分析纯武汉市化学试剂厂 吐温2 0进口分装广州市化学药剂玻璃仪器批发部 吐温6 0化学纯上海试一化学试剂有限公司 吐温8 0化学纯 天津市科密欧化学试剂开发中心 注：实验中用水均为蒸馏水。培养细菌用硫磺为升华硫化学试剂，硫含量大于9 8 ，粒度 为一1 5 0 目。 2 2 实验仪器 本研究所用仪器见表2 - 3 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 o 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 实验方法 2 3 1 菌种的富集 a t t 、a t f 菌是矿质化能自养菌，因此只有无机物的组成就足以f f a t t 、a t y 菌进行正常的生长和代谢。一般的情况下，嗜酸氧化硫硫杆菌、嗜酸氧化亚铁硫 杆菌从自然界的矿物质中获得所必须的物质，除了硫化物作为能源外，还需要铵 盐、磷酸盐、镁盐等。 刚刚从天然条件下取回的含有目的菌的水样中必然存在大量实验所不需要 的杂菌，故先通过反复富集【1 8 1 过程除去杂菌。使目的菌大量繁殖，得到我们所 想要的菌种，实验中用s t a r k e y 、o n m 、9 k 、l e a t h e n 培养基，其主要成分如文 中3 3 1 和3 3 2 所述。 取1 0 0m l s t a r k e y 、o n m 、9 k 、l e a t h e n 培养基，1 0m l 水样和1g 硫磺粉装 瓶置于恒温水浴摇床中进行振荡培养，转速1 2 0r p m ，设定温度3 0 。在富集 过程中，杂菌由于得不到所需营养而大量死亡，目的菌则会大量繁殖，同时消耗 作为营养的培养基和作为能源的硫磺。一段时期过后( 一般是二周左右) ，培养 基营养消耗殆尽，细菌生长由高峰期进入衰减期，此时需补充新的营养使其持续 生长，故每隔二周需进行一次菌液转新的培养基中再富集。此过程反复进行，直 到杂菌除去殆尽，即可着手平板分离。 2 3 2 菌种的分离纯化 经过多次富集的菌液虽然近乎不含杂菌，但仍然可能是硫杆菌属内众多种的 混杂体。因此，要想得到目的菌种的纯菌液，必须进行分离纯化操作。实验中采 用稀释涂布平板法来分离纯化【1 8 l 。 固体培养基平板制作成功后，用稀释涂布平板法分离菌种：取培养好的菌液 1m l ，用p h = 2 5 的稀硫酸按每次稀释1 0 倍，依次稀释成1 0 、l f f 2 、1 0 3 、1 0 r 4 、 1 0 5 、1 旷浓度的稀释液。取稀释度为1 0 r 4 、l o 5 、1 0 r 6 的稀释液各0 2m l ，分别 接种到固体培养基平板上，用涂布棒涂布均匀，置于3 0 恒温培养箱中倒置培 养，直至固体培养基表面出现圆形，边缘整齐，微秃，混浊水滴状的单个小菌落 ( 一般需要7 l o 天) ，将单个菌落挑起，分别接入装有5m l 液体培养基的小 锥形瓶( 或试管) 中，加入少量硫磺，以棉球封口，放入3 0 摇床里进行振荡 培养。这样反复富集培养就可以获得单一菌的培养。 注：所有操作均在无菌工作台上进行，所有器皿均经高压灭菌，接种环用酒 精灯灼烧消毒。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 浸矿实验方法 细菌的浸矿可分为普通浸矿法和批浸法两种。批浸法在接种细菌的同时就加 入磷矿粉，而普通浸矿法则是在菌液p h 值下降到一定程度后才加入磷矿粉。 除加矿时间不同外，其他的操作均如下所述：在2 5 0m l 锥形瓶中准确加入 一定体积的培养基( 或修正的培养基) ，实验中取1 0 0m l ，接种一定体积的( v n ) 的菌液，然后加入磷矿粉，在摇床中振荡培养( 温度3 0 ，转速1 2 0r p m ) ， 每天检测溶液p h 值，并用蒸馏水恒重补充液体蒸发量，定期测定培养液中细菌 的浓度，定期取一定量锥形瓶上清液，经过稀释后测定溶液的p 2 0 5 含量，并补 充相同量的培养基。根据实验前后溶液中磷浓度的变化，计算磷矿中磷的浸出率。 实验方案如图2 2 所示。 f d h r 吾募戛 + 冈+ r 磊网+ 圈滁测 备浓度 l 培养基l + l 菌液l + i 能源物质l + i 矿样i 盏葫i 幸_ 测 菌浓度l - _ _ _ _ - _ 一 - i 浸磷率 图2 - 2 浸磷实验方案 f l ! - 培养基s t a r k e y 、o n m 、9 k 、l e a t h e n 、液体培养基各1 0 0m l ； 苗液垣定生长期的一厂、a l t 菌液l o m l ； 能源物质硫磺粉或黄铁矿各l g 矿样一- 2 0 0 目、p 2 0 s 含量1