矿物的化学与生物处理

1、矿物的生物与化学处理矿物的生物与化学处理 第一章第一章 矿物化学处理矿物化学处理 一、矿物的化学处理一、矿物的化学处理 二、煤炭的化学脱灰二、煤炭的化学脱灰 三、煤炭化学脱硫三、煤炭化学脱硫 第二章第二章 矿物生物处理矿物生物处理 一、生物冶金技术一、生物冶金技术 二、煤炭生物脱硫二、煤炭生物脱硫 前言前言 n综合运用地质（矿床学、矿石学、矿物学）、生物（微生物）和矿物综合运用地质（矿床学、矿石学、矿物学）、生物（微生物）和矿物 加工技术等领域的跨学科研究。加工技术等领域的跨学科研究。 n模拟自然界氧化成矿的基础上，对某些难处理或低品位矿石进行生物模拟自然界氧化成矿的基础上，对某些难处理或低品

2、位矿石进行生物 氧化处理，变缓慢的自然成矿过程为快速的人工选冶过程。氧化处理，变缓慢的自然成矿过程为快速的人工选冶过程。 n微生物指所有形体微小的、单细胞和个体结构简单的多细胞的、甚至微生物指所有形体微小的、单细胞和个体结构简单的多细胞的、甚至 没有细胞结构的低等生物的统一称谓。没有细胞结构的低等生物的统一称谓。 n微生物参与了碳、氮、硫、硅、铁、锰等元素的循环，自然界中有微生物参与了碳、氮、硫、硅、铁、锰等元素的循环，自然界中有 67种元素在自然界的分布与微生物有关。种元素在自然界的分布与微生物有关。 n微生物浸出（把有价金属从矿石中浸出）、微生物氧化（氧化某些矿微生物浸出（把有价金属从矿石

3、中浸出）、微生物氧化（氧化某些矿 物，使包裹在其中的贵金属暴露）。物，使包裹在其中的贵金属暴露）。 一、生物冶金技术 生物冶金？生物选矿？资源微生物技术？生物冶金？生物选矿？资源微生物技术？ 典型浸矿微生物的发现史典型浸矿微生物的发现史 n1947年年，hinkle与与colmer从酸性矿坑水中分离从酸性矿坑水中分离thiobacillus ferrooxidans n1954年，年，bayer与与back在铜矿矿坑水中发现了氧化亚铁硫杆菌与氧在铜矿矿坑水中发现了氧化亚铁硫杆菌与氧 化硫硫杆菌化硫硫杆菌(thiobacillus thioxidans),实验室试验结果表明氧化亚铁实验室试验结果

4、表明氧化亚铁 硫杆菌能浸出各种硫化铜矿与辉钼矿。硫杆菌能浸出各种硫化铜矿与辉钼矿。 n1972年，从美国矿床中分离出年，从美国矿床中分离出leptospirillum ferrooxidans n1973年，年，briereyetal分离出极端嗜热嗜酸菌分离出极端嗜热嗜酸菌sufolobus acidocaldarius n1976年，年，golovacheva r.s等分离出中等嗜热嗜酸菌等分离出中等嗜热嗜酸菌sulfobacillus thermosulfooxidans n1994年，年，hallberg k.b分离出中等嗜热嗜酸菌分离出中等嗜热嗜酸菌acidithiobacillus

5、caldus 1 浸矿微生物浸矿微生物 典型浸矿微生物分类典型浸矿微生物分类 n 嗜温嗜酸菌嗜温嗜酸菌 最佳生长温度最佳生长温度30304545，主要包括，主要包括acidithiobacillus ferrooxidans，acidithiobacillus thiooxidans，leptospirillum ferrooxidans n 中等嗜热嗜酸菌中等嗜热嗜酸菌 最佳生长温度最佳生长温度45455555，主要有，主要有acidimicrobium ferrooxidans， sulfobacillus thermosulfidooxidans，sulfobacillus acidop

6、hilus n 极端嗜热嗜酸菌极端嗜热嗜酸菌 最佳生长温度最佳生长温度60608585，包括，包括sulfolobus acidocaldarius， sulfolobus solfataricus及及acidianus brierleyi等等 嗜温嗜酸菌嗜温嗜酸菌 极端嗜热嗜酸菌极端嗜热嗜酸菌 浸矿微生物的鉴定浸矿微生物的鉴定 n浸矿微生物的鉴定采用多相分类方法浸矿微生物的鉴定采用多相分类方法 即：从形态学、生理生化特性、细胞化学组分、免疫学即：从形态学、生理生化特性、细胞化学组分、免疫学 与分子生物学上加以区分鉴定和描述，继而综合各项鉴定结与分子生物学上加以区分鉴定和描述，继而综合各项鉴定

7、结 果确定菌株的归属。果确定菌株的归属。 n分子生物学手段是目前细菌鉴定分类中极其重要分子生物学手段是目前细菌鉴定分类中极其重要 的一类研究方法的一类研究方法 它主要包括：它主要包括：16s rrna基因序列分析基因序列分析 、pcr-dgge技术、技术、 dna g+c含量测定和含量测定和dna/dna杂交、杂交、dna探针分析等等探针分析等等 浸矿微生物代谢系统浸矿微生物代谢系统 不同细菌具有不同的氧化系统，以不同细菌具有不同的氧化系统，以a.f 菌研究最多，其氧化系菌研究最多，其氧化系 统表述如下：统表述如下： fe2+1/4o2h+ fe3+1/2h2o 细菌细菌 2s02h2o3o2

8、 2h2so4 细菌细菌 铁氧化系统铁氧化系统硫氧化系统硫氧化系统 浸矿微生物生长动力学浸矿微生物生长动力学 n最早的细菌的铁氧化生长动力学模型是由最早的细菌的铁氧化生长动力学模型是由lawson和和lacey建建 立的，其方程式表述如下：立的，其方程式表述如下： n目前已发展出以目前已发展出以fe浓度、氧浓度等为限制性影响因素的各种浓度、氧浓度等为限制性影响因素的各种 生长动力学模型，但多集中在铁氧化类细菌；对硫氧化类细生长动力学模型，但多集中在铁氧化类细菌；对硫氧化类细 菌的生长动力学模型描述较少菌的生长动力学模型描述较少 maxxs xss ruc u ckc max () ss s x

9、sxss ruc q cykc cs最大比生长率（l/h）；cx细胞浓度（mol/l）；u比生长速率(l/h)； umax最大比生长速率(l/h)；ks培养基饱和常数(mol/l)； rx细胞生长速率(mol c/l/h)；rs底物消耗速率(mol s/l/h)； qs细胞底物比消耗速率(mol s/mol c/h)；ysx底物生长得率(mol c/mol s)； 1）直接作用理论）直接作用理论 是指在有水、空气存在的情况下，细菌与矿物表面是指在有水、空气存在的情况下，细菌与矿物表面 接触，将金属硫化物氧化为酸溶性的二价金属离子和硫接触，将金属硫化物氧化为酸溶性的二价金属离子和硫 化物的原子团

10、。化物的原子团。在没有细菌的作用时这一氧化作用只是在没有细菌的作用时这一氧化作用只是 热力学上可行热力学上可行,十分缓慢而不具实用价值十分缓慢而不具实用价值,由于细菌的参与由于细菌的参与 使这一过程加快。使这一过程加快。 如：（如：（1）黄铁矿）黄铁矿 ohsofesohofeso sohfesoohofes 23424224 424222 2)(224 22272 细菌 细菌 2 矿物微生物作用矿物微生物作用 （2）黄铜矿）黄铜矿 4422 4fesocusoocufes 细菌 （3）辉钼矿）辉钼矿 4242222 23sohmosohohomos 细菌 （4）稀有金属镓和锗的硫化矿）稀有金

11、属镓和锗的硫化矿 342232 342232 )(6 )(6 sogeosge sogaosga 细菌 细菌 2）间接作用理论）间接作用理论 在多金属的硫化矿床中，通常含有黄铁矿，在有细在多金属的硫化矿床中，通常含有黄铁矿，在有细 菌的条件下，可以被快速氧化，生成硫酸铁。菌的条件下，可以被快速氧化，生成硫酸铁。 硫酸铁硫酸铁是一种高效金属矿物氧化剂和浸出剂，其它是一种高效金属矿物氧化剂和浸出剂，其它 金属矿物都可以被其浸出。金属矿物都可以被其浸出。 凡是利用凡是利用fe3+为氧化剂的金属矿物的浸出，都是间为氧化剂的金属矿物的浸出，都是间 接浸出。如：（接浸出。如：（1）黄铁矿）黄铁矿 4242

12、3422 8158)(7sohfesoohsofefes （2）铀矿物）铀矿物 4423422 2)(fesosouosofeuo （3）铋矿物）铋矿物 sfebifesbi3626 233 32 （4）铜矿物）铜矿物 sfesocusosofecufes sfesocusosofescu 25)(2 42)(2 443422 443422 3）复合作用理论）复合作用理论 是指在细菌浸出过程中，既有细菌的直接作用，又是指在细菌浸出过程中，既有细菌的直接作用，又 有有fe3+氧化剂的间接作用；有时以直接作用为主，有时氧化剂的间接作用；有时以直接作用为主，有时 则以间接作用为主。则以间接作用为主。

13、 这是迄今为止被普遍接受的细菌浸矿机理。这是迄今为止被普遍接受的细菌浸矿机理。 矿物微生物作用的认识历程矿物微生物作用的认识历程 n间接作用间接作用 矿物溶解是酸性条件下矿物溶解是酸性条件下fe3+离子的氧化结果，细菌只是起到离子的氧化结果，细菌只是起到fe3+离子再离子再 生的作用生的作用 n直接作用直接作用 细菌吸附到矿物表面，细菌通过氢键、离子键或蛋白酶与矿物作用细菌吸附到矿物表面，细菌通过氢键、离子键或蛋白酶与矿物作用 n矿物间电化学作用矿物间电化学作用 当两种硫化矿相互接触构成的电化学对中，活泼的矿物充当阳极发生当两种硫化矿相互接触构成的电化学对中，活泼的矿物充当阳极发生 腐蚀，惰性

14、的矿物充当阴极被保护腐蚀，惰性的矿物充当阴极被保护 n接触作用接触作用 吸附在矿物表面的细菌，通过其胞外层结合的大量吸附在矿物表面的细菌，通过其胞外层结合的大量fe3+离子对细菌进离子对细菌进 行氧化溶解行氧化溶解 n协同作用协同作用 矿物氧化溶解既有矿物氧化溶解既有fe3+离子的化学氧化作用，又有矿物表面吸附细菌离子的化学氧化作用，又有矿物表面吸附细菌 的催化溶解作用的催化溶解作用 对于细菌对矿物溶解产物硫的氧化溶解作用的认识是统一的对于细菌对矿物溶解产物硫的氧化溶解作用的认识是统一的 1 1、微生物浸矿的影响因素、微生物浸矿的影响因素 1）浸矿微生物）浸矿微生物 （1 1）菌种）菌种 不同

15、细菌对矿物的氧化和浸矿作用是不同的。目前不同细菌对矿物的氧化和浸矿作用是不同的。目前 用于浸矿的细菌主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁微螺用于浸矿的细菌主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁微螺 菌、氧化硫硫杆菌和嗜酸硫杆菌。实际上，菌液是各种菌、氧化硫硫杆菌和嗜酸硫杆菌。实际上，菌液是各种 细菌的混合液。细菌的混合液。 （2 2）细菌的适应性）细菌的适应性 （3 3）培养基的成分及氧和碳）培养基的成分及氧和碳 （4 4）有害组分和抑制组分）有害组分和抑制组分 3 微生物浸矿工艺微生物浸矿工艺 微生物名称微生物名称生长温生长温 度度 phph值值形态形态生理学特性生理学特性 氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌5

16、-405-401.2-6.01.2-6.0杆状杆状好氧、化能自养、革兰氏好氧、化能自养、革兰氏 阴性菌，单鞭毛，可动阴性菌，单鞭毛，可动 氧化亚铁钩端螺氧化亚铁钩端螺 旋菌旋菌 30301.5-4.01.5-4.0螺旋状螺旋状好氧、化能自养、革兰氏好氧、化能自养、革兰氏 阴性菌，有鞭毛，可动阴性菌，有鞭毛，可动 氧化硫硫杆菌氧化硫硫杆菌5-405-400.5-6.00.5-6.0杆状杆状好氧、化能自养、革兰氏好氧、化能自养、革兰氏 阴性菌，单鞭毛，可动阴性菌，单鞭毛，可动 布赖尔利叶硫球布赖尔利叶硫球 菌菌 55-8055-801.0-5.11.0-5.1球形球形好氧、化能自养、革兰氏好氧、化

17、能自养、革兰氏 阴性菌，不可动阴性菌，不可动 嗜热硫氧化菌嗜热硫氧化菌20-6020-601.1-5.01.1-5.0杆状杆状好氧、化能自养、革兰氏好氧、化能自养、革兰氏 阳性菌阳性菌 常见浸矿微生物常见浸矿微生物 氧化亚铁硫杆菌细胞形态图氧化亚铁硫杆菌细胞形态图 氧化亚铁微螺菌细胞形态图氧化亚铁微螺菌细胞形态图 2 2）物理化学因素）物理化学因素 （1 1）phph值值 （2 2）温度）温度 （3 3）氧化还原电位）氧化还原电位 3 3）工艺技术因素）工艺技术因素 （1 1）矿石粒度）矿石粒度 （2 2）矿浆浓度）矿浆浓度 4 4）其他影响因素）其他影响因素 （1 1）表面活性剂）表面活性剂

18、 （2 2）光照）光照 （3 3）金属离子）金属离子 （4 4）渗透压）渗透压 2 2、 微生物浸矿的实验研究方法微生物浸矿的实验研究方法 1 1）微生物浸矿的典型流程）微生物浸矿的典型流程 原矿或精矿原矿或精矿 矿石准备矿石准备细菌浸出细菌浸出固液分离固液分离 浸出渣浸出渣 富液富液 金属回收金属回收 粗金属粗金属尾液尾液 细菌再生细菌再生 细菌浸矿剂细菌浸矿剂 营养剂营养剂 空气空气 co2 2）摇瓶试验）摇瓶试验 它是一种分批培养方法。在反应器中一次性加入培养它是一种分批培养方法。在反应器中一次性加入培养 基，然后接种并在一定条件下培养，浸出过程不再加任何基，然后接种并在一定条件下培养，

19、浸出过程不再加任何 物料，浸出结束后放出培养液处理。物料，浸出结束后放出培养液处理。 3）微生物柱浸试验）微生物柱浸试验 无论浸出介质是否循环，柱浸可作为地浸、堆浸的实无论浸出介质是否循环，柱浸可作为地浸、堆浸的实 验室模拟。浸柱直径应大于矿石颗粒直径的验室模拟。浸柱直径应大于矿石颗粒直径的10倍，浸柱高倍，浸柱高 度至少应该是柱直径的度至少应该是柱直径的5倍。倍。 4）搅拌浸出试验）搅拌浸出试验 （1）半连续浸出试验）半连续浸出试验 （2）连续浸出试验）连续浸出试验 矿物加工学（矿物加工学（2） 第二章第二章 矿物矿物(煤煤)的生物处理的生物处理 第二篇第二篇 矿物的生物与化学处理矿物的生物

20、与化学处理 微生物连续浸出实验装置微生物连续浸出实验装置 1-1-浸出反应器；浸出反应器；2-2-调浆反应器；调浆反应器；3-3-给矿机；给矿机；4-4-矿浆收集器；矿浆收集器；5-5-矿浆矿浆 3、微生物、微生物 浸矿工艺过程浸矿工艺过程 微生物浸矿方法：微生物浸矿方法： 1）微生物堆浸）微生物堆浸 2）微生物搅拌浸出）微生物搅拌浸出 3）微生物地浸）微生物地浸 4）微生物槽浸）微生物槽浸 1）微生物堆浸）微生物堆浸 微生物堆浸一般多在地面上进行，通常利用斜坡地形，将矿石堆微生物堆浸一般多在地面上进行，通常利用斜坡地形，将矿石堆 在不透水的地面，在矿堆表面喷洒细菌浸矿剂浸出，在低处建集液池在

21、不透水的地面，在矿堆表面喷洒细菌浸矿剂浸出，在低处建集液池 收集浸出液。收集浸出液。 该工艺的特点是：规模大、浸出时间长，成本低。该工艺的特点是：规模大、浸出时间长，成本低。 微生物堆浸工艺流程示意图微生物堆浸工艺流程示意图 矿物加工学（矿物加工学（2） 微微 生生 物物 氧氧 化化 难难 浸浸 金金 矿矿 的的 堆堆 浸浸 工工 艺艺 流流 程程 2）微生物搅拌浸出）微生物搅拌浸出 一般用于处理高品位的矿石或精矿；用于搅拌浸出的一般用于处理高品位的矿石或精矿；用于搅拌浸出的 物料一般粒度非常细，浓度比较低。物料一般粒度非常细，浓度比较低。 搅拌过程中还需控制温度，以免影响细菌生长。搅拌过程中

22、还需控制温度，以免影响细菌生长。 3）微生物地浸）微生物地浸 又称原地浸出或溶浸采矿，它是通过地面钻孔至金属又称原地浸出或溶浸采矿，它是通过地面钻孔至金属 矿体，然后由地面注入细菌浸矿剂到矿体中，浸矿剂在多矿体，然后由地面注入细菌浸矿剂到矿体中，浸矿剂在多 孔金属矿体中循环，最后经泵将浸出液抽到地面并回收。孔金属矿体中循环，最后经泵将浸出液抽到地面并回收。 含金含金 氧化氧化 矿体矿体 的原的原 地浸地浸 出示出示 意图意图 4）微生物槽浸）微生物槽浸 矿石槽浸是一种渗透浸出过程，通常在浸滤池或者槽矿石槽浸是一种渗透浸出过程，通常在浸滤池或者槽 中进行，一般用于处理高品位的矿石或精矿。中进行，

23、一般用于处理高品位的矿石或精矿。 矿石粒度比堆浸小，每个浸出槽一次可以装矿数十吨矿石粒度比堆浸小，每个浸出槽一次可以装矿数十吨 或数百吨，浸出周期为十天至数百天。或数百吨，浸出周期为十天至数百天。 （1）铜的提取）铜的提取 n1950s，kennecott开始原生硫化铜矿表外矿生物堆浸开始原生硫化铜矿表外矿生物堆浸 n1958年，生物冶金史上第一个专利年，生物冶金史上第一个专利(kennecott) n1970s，铜溶液萃取电极技术商业化应用铜溶液萃取电极技术商业化应用 n1980年，生物堆浸技术的商业化年，生物堆浸技术的商业化(lo aguirre 铜矿铜矿) n1996年，年，德兴铜矿表外

24、矿生物堆浸厂建成投产德兴铜矿表外矿生物堆浸厂建成投产 n2005年，紫金山铜矿硫化铜矿生物堆浸厂建成投产年，紫金山铜矿硫化铜矿生物堆浸厂建成投产 次生硫化铜矿次生硫化铜矿/原生硫化铜表外矿生物堆浸已大规原生硫化铜表外矿生物堆浸已大规 模商业化应用，目前年产阴极铜约模商业化应用，目前年产阴极铜约100万万t/a， 典型矿山有典型矿山有：canana、 qubrada blanca、紫金山、德兴紫金山、德兴 4 微生物浸出新技术发展微生物浸出新技术发展 矿石破碎矿石破碎滴淋浸出滴淋浸出 萃萃 取取电电 积积 智利智利qubrada blanca生物生物 堆浸萃取电积提铜堆浸萃取电积提铜 矿山矿山

25、处理含铜处理含铜1.3%的次生的次生 硫化铜矿石硫化铜矿石 年产阴极铜年产阴极铜8.0万吨万吨 n1997年，年，bhp billton公司成功开发公司成功开发bionic工艺，并工艺，并 建成日产建成日产20kg阴极镍的示范厂阴极镍的示范厂 n1999年，乌干达年，乌干达kasese建成投产含钴黄铁矿生物搅建成投产含钴黄铁矿生物搅 拌浸出厂拌浸出厂 n2000年，年，titan resources nl公司成功地采用生物堆公司成功地采用生物堆 浸技术浸技术（bioheap）完成了硫化镍矿堆浸工业试验，完成了硫化镍矿堆浸工业试验， 但由于资源条件发生变化而未实现产业化但由于资源条件发生变化而未

26、实现产业化 n2004年，北京有色院在云南墨江运用生物堆浸技年，北京有色院在云南墨江运用生物堆浸技 术处理含砷低品位镍钴矿，工业试验获得成功术处理含砷低品位镍钴矿，工业试验获得成功 （2）镍钴的提取）镍钴的提取 titan resources nl公司硫化镍矿生物堆浸试验厂公司硫化镍矿生物堆浸试验厂 商业化进程商业化进程 n1970s，开发难处理金矿生物预氧化技术（，开发难处理金矿生物预氧化技术（gencor） n1986年，年， 建成建成10t/d biox工艺示范厂（工艺示范厂（fairview ） n1994年，年， bactech工艺在工艺在youanm矿的商业应用获得成功矿的商业应用

27、获得成功 n我国近几年分别在山东莱洲、烟台和辽宁风城建立了生我国近几年分别在山东莱洲、烟台和辽宁风城建立了生 物预氧化提金工厂，实现了产业化应用物预氧化提金工厂，实现了产业化应用 含砷等难处理金精矿生物预氧化工艺已经获得大规模含砷等难处理金精矿生物预氧化工艺已经获得大规模 商业化应用商业化应用 典型矿山典型矿山：fairview、sansu、山东莱州山东莱州 （3）金矿预氧化）金矿预氧化 fairview难处理金矿生物预氧化厂，目前处理量扩增至难处理金矿生物预氧化厂，目前处理量扩增至100t/d 山东莱州山东莱州bactech工厂工厂 精矿成分：精矿成分：s 24.6， as 6.7 设计处理

28、量：设计处理量：200tpd 操作温度操作温度：4045 低品位黄铜矿生物堆浸低品位黄铜矿生物堆浸 bhp公司在公司在escodida 建立含铜建立含铜0.5的低品位黄铜矿生物的低品位黄铜矿生物 堆浸矿山堆浸矿山 ，年产，年产18万吨阴极铜的，万吨阴极铜的，2006年年6月投产月投产 biocop ：处理含砷黄铜矿精矿处理含砷黄铜矿精矿 2004年，年，bhp公司采用极端嗜热嗜酸菌在公司采用极端嗜热嗜酸菌在spence建成生建成生 物搅拌浸出物搅拌浸出sxew工业试验厂工业试验厂 mintek联合南非开普顿大学、联合南非开普顿大学、nicico公司开发公司开发硫化锌硫化锌 精矿生物搅拌浸出技术

29、、黄铜矿原矿生物堆浸技术精矿生物搅拌浸出技术、黄铜矿原矿生物堆浸技术 tpo 开展开展镍锌铜矿低温生物堆浸工业试验镍锌铜矿低温生物堆浸工业试验 （4）其他新技术）其他新技术 智利智利spence高砷铜精矿高砷铜精矿 (cu33，as4.5，s35 ) 生物搅拌浸出生物搅拌浸出 作业温度：作业温度：7880 浸出周期：浸出周期：710天天 铜浸出率：铜浸出率：95 砷固定率：砷固定率：90 年产阴极铜年产阴极铜2万吨万吨 amiras 堆浸计划堆浸计划：由由bhpbiliton 等多家跨国矿业公司联合等多家跨国矿业公司联合 csiro、ubc和南非开普敦大学等研究机构开展从细菌生长到和南非开普敦

30、大学等研究机构开展从细菌生长到 堆浸模拟等方面的研究。以期提高硫化矿生物堆浸效率，并堆浸模拟等方面的研究。以期提高硫化矿生物堆浸效率，并 实现产业化。实现产业化。 bioshale 计划计划：开展开展black shale ores生物浸出技术研究，生物浸出技术研究， 以回收其中的稀贵金属。以回收其中的稀贵金属。 biomine计划计划：由欧盟委员会联合由欧盟委员会联合12家企业、家企业、7家科研单位、家科研单位、 14所高校和所高校和2个政府机构进行生物冶金技术研究；该计划投资个政府机构进行生物冶金技术研究；该计划投资 1790万欧元，预期万欧元，预期4年完成。年完成。 “973”微生物冶金

31、基础研究计划微生物冶金基础研究计划：2005年正式启动，预计年正式启动，预计5年年 内建立原生硫化矿专属菌种选育及遗传改造方法和微生物浸内建立原生硫化矿专属菌种选育及遗传改造方法和微生物浸 出过程复杂界面强化作用理论，揭示浸矿微生物重要功能基出过程复杂界面强化作用理论，揭示浸矿微生物重要功能基 因的作用机制和微生物冶金过程多因素强关联规律。因的作用机制和微生物冶金过程多因素强关联规律。 geobiotics公司开发的公司开发的geocoat 工艺完成工业试验工艺完成工业试验 n1998年，年， geocoat 工艺在南非开展工业试验获得成功工艺在南非开展工业试验获得成功。该该 工艺采用中等嗜热

32、嗜酸菌堆浸处理金精矿，操作温度工艺采用中等嗜热嗜酸菌堆浸处理金精矿，操作温度42， 生物预氧化生物预氧化88天后，金氰化回收率达到天后，金氰化回收率达到91.5 n2002年，开展年，开展geocoat 工艺处理黄铜矿精矿的研究。采用嗜工艺处理黄铜矿精矿的研究。采用嗜 热嗜酸菌氧化浸出热嗜酸菌氧化浸出140天，铜浸出率达到天，铜浸出率达到97 n2004年，年， geocoat 工艺运用该工艺处理工艺运用该工艺处理rosh pinah矿山的矿山的 闪锌矿精矿。采用嗜热嗜酸菌氧化浸出闪锌矿精矿。采用嗜热嗜酸菌氧化浸出66天，天，zn浸出率达到浸出率达到 95 矿山废石中的硫化矿物在自然条件下氧矿

33、山废石中的硫化矿物在自然条件下氧 化溶解，大量硫酸根和重金属离子进入矿区水系化溶解，大量硫酸根和重金属离子进入矿区水系 n自上世纪自上世纪80年代起，国外开展了硫酸还原菌年代起，国外开展了硫酸还原菌(srb)处理酸性矿山处理酸性矿山 废水研究；废水研究；90年代实现了产业化年代实现了产业化 n我国有关微生物处理酸性矿山废水的研究起步较晚，目前尚处于我国有关微生物处理酸性矿山废水的研究起步较晚，目前尚处于 研究阶段研究阶段 5 5 酸性矿山废水的治理酸性矿山废水的治理 运用运用biosulphide process技术处理技术处理copper queen 铜矿酸性铜矿酸性 矿山废水并回收铜，年回

34、收铜矿山废水并回收铜，年回收铜1500吨吨 6 微生物选矿技术发展趋势微生物选矿技术发展趋势 高效浸矿菌种方面高效浸矿菌种方面 n耐寒耐寒/耐高温耐高温/耐盐耐盐/高活性浸矿菌种选育与浸矿应用高活性浸矿菌种选育与浸矿应用 n异养菌的选育与浸矿应用异养菌的选育与浸矿应用 n浸出过程中微生物生态变化与控制技术研究浸出过程中微生物生态变化与控制技术研究 n现代分子生物学技术在微生物浸矿中的应用现代分子生物学技术在微生物浸矿中的应用 生物浸出过程基础理论与工程化技术研究方面生物浸出过程基础理论与工程化技术研究方面 n浸出过程中细菌生长模式研究浸出过程中细菌生长模式研究 n浸矿过程氧化机理的深入认识浸矿

35、过程氧化机理的深入认识 n浸出过程数学模拟优化浸出过程数学模拟优化 n生物冶金工程化技术的完善与标准化生物冶金工程化技术的完善与标准化 生物冶金技术的应用领域方面生物冶金技术的应用领域方面 n 黄铜矿原矿生物堆浸技术开发黄铜矿原矿生物堆浸技术开发 n 镍、钴、锌等硫化矿生物浸出技术开发镍、钴、锌等硫化矿生物浸出技术开发 n 低温生物堆浸技术研究低温生物堆浸技术研究 n 异养菌在煤炭浮选，铝土脱硅、红土镍矿等异养菌在煤炭浮选，铝土脱硅、红土镍矿等 的应用研究的应用研究 n 生物冶金技术在酸性矿山废水和矿区环境治生物冶金技术在酸性矿山废水和矿区环境治 理等方面的应用理等方面的应用 生物提铜与传统工

36、艺的比较生物提铜与传统工艺的比较 项项 目目传统选冶工艺传统选冶工艺生物提铜工艺生物提铜工艺 处理铜品位（处理铜品位（% %）1.091.090.500.50 可利用铜资源（万可利用铜资源（万t t ）5050150150 设计规模（万设计规模（万t t cu/acu/a）5 51 1 年吨铜投资（万元）年吨铜投资（万元）3.63.62.52.5 生产成本（万元生产成本（万元/ t / t cu cu ）1.81.81.21.2 阴极铜价格（万元阴极铜价格（万元/ / t t cu cu ） 1.81.81.81.8 经济效益（万元经济效益（万元/a/a）0 060006000 紫金山铜矿生物

37、堆浸紫金山铜矿生物堆浸- -萃取萃取- -电积技术电积技术 堆堆 浸浸 萃萃 取取 万吨级生物堆浸万吨级生物堆浸-sx-ew -sx-ew提铜矿 提铜矿 山山 矿石破碎矿石破碎 电电 积积 概况概况 n 我国超大型铜矿床之一，累计探明的铜金属储量我国超大型铜矿床之一，累计探明的铜金属储量650650万吨万吨 n 矿床分为三个矿体，分为氧化矿带、次生矿带和原生矿带矿床分为三个矿体，分为氧化矿带、次生矿带和原生矿带 n 海拔海拔4560-5120m4560-5120m，外部环境条件差，外部环境条件差 试验厂试验厂 n海拔海拔4200m4200m n规模规模300300吨电铜堆浸吨电铜堆浸/ /搅拌

38、浸出搅拌浸出 n北京有色院负责堆浸技术，北矿院负责搅拌浸出技术北京有色院负责堆浸技术，北矿院负责搅拌浸出技术 首期首期1 1万吨电铜堆浸工程建设万吨电铜堆浸工程建设 n海拔海拔4500m4500m n工艺方案：全堆浸工艺方案：全堆浸 n投资投资8.68.6亿元亿元 云南低品位镍钴矿生物堆浸中间工厂云南低品位镍钴矿生物堆浸中间工厂 低品位镍钴矿生物堆浸提镍钴技术低品位镍钴矿生物堆浸提镍钴技术 生物浸出过程反应的多样性；生物浸出过程反应的多样性； 浸出过程生物种群的多样性浸出过程生物种群的多样性； 生物芯片技术的应用；生物芯片技术的应用； 生物堆浸过程各种参数的匹配关系生物堆浸过程各种参数的匹配关

39、系。 生物浸出过程反应的多样性生物浸出过程反应的多样性 溶出反应：硫化矿被氧化并产酸。比如溶出反应：硫化矿被氧化并产酸。比如 cufes2+2o2+4h2o cuso4+feso4+8h+ cufes2+fe2(so4)3+4h2o cuso4+3feso4+8h+s0 交代反应：产酸被还原，同时有新的矿物生成。交代反应：产酸被还原，同时有新的矿物生成。 中和反应：对氧化矿而言是中和耗酸反应。中和反应：对氧化矿而言是中和耗酸反应。 电化学催化反应：在两种硫化矿之间产生伽伐尼电池导致浸出被活化电化学催化反应：在两种硫化矿之间产生伽伐尼电池导致浸出被活化 或抑制。或抑制。 bacteria bac

40、teria 4242242 8588115sohfesoscuohcusocufes bacteria 浸出过程中的化学环境随时空因素的改变浸出过程中的化学环境随时空因素的改变 而改变，以满足浸出多样性的需要。而改变，以满足浸出多样性的需要。 浸出过程生物种群的多样性浸出过程生物种群的多样性 硫化矿生物浸出过程中存在多种微生物。典型的种及其特性见下表：硫化矿生物浸出过程中存在多种微生物。典型的种及其特性见下表： 微生物微生物主要特征主要特征 acidithiobacillust: 20-40, ph:1.2-4, 氧化 fe2+, s0 和 sxoyn-. leptospirillumt: 1

41、5-45, ph:0.7-4, 氧化 fe2+. acidiphiliumt: 25-50, ph:1.0-6.0, 氧化 s0. ferroplasmat: 15-63, ph:0.4-2.5, 氧化 fe2+. sulfolobust: 20-95, ph:1.0-5.5, 氧化 fe2+, s0 和 sxoyn-. metallosphaerat: 50-85, ph:1.0-5.0, 氧化 fe2+, s0 和 sxoyn-. alicycolbacillust: 30-75, ph:1.0-8.0.共存微生物 实 验 室 研 究 结 果 表 明 ： 在 铜 矿 的 生 物 堆 浸 过

42、 程 中 ，实 验 室 研 究 结 果 表 明 ： 在 铜 矿 的 生 物 堆 浸 过 程 中 ， acidithiobacillus 和和 leptospirillum 可能是优势菌群。可能是优势菌群。 生物芯片技术的应用生物芯片技术的应用 采用生物芯片技术能更加快速、准确的鉴采用生物芯片技术能更加快速、准确的鉴 定矿堆内的生物种群。定矿堆内的生物种群。 生物浸出过程中各种参数的匹配关系生物浸出过程中各种参数的匹配关系 生物电化学生物电化学 环境环境 t, ph, e,等等. 微生物生态微生物生态 代谢，随时空因素的改代谢，随时空因素的改 变而变化变而变化 浸出反应和产物浸出反应和产物 s2

43、-, s2o32-,s0, fe2+, fe3+, cu2+, h+. 浸出液浸出液 物料平衡和废弃物料平衡和废弃 物处理物处理 酸性溶液循环酸性溶液循环 浸浸 渣渣 sx-ew fe, ca 和和 mg产品产品 堆参数堆参数 矿物种类，堆尺寸，颗粒矿物种类，堆尺寸，颗粒 大小，喷淋制度大小，喷淋制度 cu 1 1 煤炭生物脱硫的发展煤炭生物脱硫的发展 指通过培育出针对含硫化合物的菌种，利用煤中指通过培育出针对含硫化合物的菌种，利用煤中 含硫化合物的生物化学反应，或微生物在黄铁矿表面含硫化合物的生物化学反应，或微生物在黄铁矿表面 的吸附改性，用沥滤或浮选的手段实现脱硫的目的。的吸附改性，用沥滤

44、或浮选的手段实现脱硫的目的。 与传统方法相比，煤炭生物脱硫具有常温、常压、与传统方法相比，煤炭生物脱硫具有常温、常压、 温和、耗能低、污染少、成本小、不损耗热值等优点，温和、耗能低、污染少、成本小、不损耗热值等优点， 同时具有脱除有机硫的潜力。同时具有脱除有机硫的潜力。 二二 煤炭生物脱硫煤炭生物脱硫 起源与分类起源与分类 煤的微生物脱硫是由生物冶金技术发展起来的。煤的微生物脱硫是由生物冶金技术发展起来的。 最早在最早在19471947年，年，colmercolmer和和hinklehinkle发现，氧化亚铁硫杆发现，氧化亚铁硫杆 菌能够促进煤中的黄铁矿的氧化溶解，从而揭开了微菌能够促进煤中的

45、黄铁矿的氧化溶解，从而揭开了微 生物脱硫研究的序幕。生物脱硫研究的序幕。 煤的微生物脱硫技术可以分为微生物浸出法和微煤的微生物脱硫技术可以分为微生物浸出法和微 生物表面处理法两大类。生物表面处理法两大类。 微生物浸出法是通过微生物的氧化作用，将黄铁微生物浸出法是通过微生物的氧化作用，将黄铁 矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水后将其分离，矿氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水后将其分离， 从而完成煤的脱硫过程。这种方法的优点是装置简单，从而完成煤的脱硫过程。这种方法的优点是装置简单， 仅需要在煤堆上面撒上含有微生物的水，通过水的浸仅需要在煤堆上面撒上含有微生物的水，通过水的浸 透，实现煤的微生物

46、脱硫，生成的硫酸在煤堆底部收透，实现煤的微生物脱硫，生成的硫酸在煤堆底部收 集。但其缺点是处理周期长，一般需要集。但其缺点是处理周期长，一般需要3030天左右，而天左右，而 且浸出的废液容易造成二次污染。且浸出的废液容易造成二次污染。 微生物表面处理法，也称微生物浮选法，是将大微生物表面处理法，也称微生物浮选法，是将大 量繁殖的细菌液，加在待处理高硫煤浆中，在一定浓量繁殖的细菌液，加在待处理高硫煤浆中，在一定浓 度的细菌和介质条件下（温度、度的细菌和介质条件下（温度、phph值），细菌会有选值），细菌会有选 择性地吸附在黄铁矿表面，使黄铁矿表面由疏水变为择性地吸附在黄铁矿表面，使黄铁矿表面由疏

47、水变为 亲水，但细菌却难以在煤颗粒表面吸附，煤粒仍然保亲水，但细菌却难以在煤颗粒表面吸附，煤粒仍然保 持疏水性，再利用浮选技术把煤和黄铁矿分离。目前持疏水性，再利用浮选技术把煤和黄铁矿分离。目前 研究使用最多的微生物是氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫研究使用最多的微生物是氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫 杆菌。杆菌。 1 1）脱硫机理。一般以）脱硫机理。一般以dbtdbt作为模型化合物来表征微生物作为模型化合物来表征微生物 对煤中有机硫的脱除机理，以微生物对煤中黄铁矿硫的氧对煤中有机硫的脱除机理，以微生物对煤中黄铁矿硫的氧 化过程表征对无机硫的脱除机理。化过程表征对无机硫的脱除机理。 有机硫的脱除机理分为有机

48、硫的脱除机理分为4-s4-s机理机理17 17和 和kodamakodama机理机理18 18， ， 所谓所谓4-s4-s机理指微生物选择性氧化机理指微生物选择性氧化dbtdbt中的硫，不破坏芳环中的硫，不破坏芳环 结构，不降低煤的热值；结构，不降低煤的热值；kodamakodama机理是指微生物以机理是指微生物以dbtdbt中中 碳为碳源，降解芳环结构，对碳为碳源，降解芳环结构，对dbtdbt中的硫没有或只有部分氧中的硫没有或只有部分氧 化，通过生成含硫的水溶性化合物达到脱硫的目的，但煤化，通过生成含硫的水溶性化合物达到脱硫的目的，但煤 的热值受到损失。的热值受到损失。 2、微生物浸滤法、微

49、生物浸滤法 矿物加工学（矿物加工学（2） 第二章第二章 矿物矿物(煤煤)的生物处理的生物处理 4-s4-s途径途径 kodama途径途径 有有 机机 硫硫 脱脱 硫硫 机机 理理 无机硫的脱除机理无机硫的脱除机理 可能包含两种途径：可能包含两种途径： 一种是黄铁矿直接被微生物氧化成铁离子和硫酸根离子一种是黄铁矿直接被微生物氧化成铁离子和硫酸根离子 42342222 2)(22154sohsofeohofes 另一种是微生物先将另一种是微生物先将fefe2+ 2+氧化为 氧化为fefe3+ 3+， ，fefe3+ 3+作为强氧化剂与 作为强氧化剂与 金属硫化物反应，将黄铁矿硫氧化为硫酸根离子或元

50、素硫金属硫化物反应，将黄铁矿硫氧化为硫酸根离子或元素硫 sfefefes hsofeohfefes 232 16215814 23 2 2 4 2 2 3 2 影响因素影响因素 微生物浸滤法脱硫的影响因素，主要集中在物理、化微生物浸滤法脱硫的影响因素，主要集中在物理、化 学、生物三个方面学、生物三个方面 物理因素物理因素 化学因素化学因素 生物因素生物因素 煤粒度煤粒度 培养基组成培养基组成 菌体活性菌体活性 煤孔结构煤孔结构 毒物毒物 微生物群落微生物群落 固体浓度固体浓度 气体组成气体组成 接种物大小接种物大小 温度温度 phph值值 抗毒性抗毒性 压力压力 煤反应性煤反应性 中试状况中试

51、状况 在欧共体资助下，意大利于在欧共体资助下，意大利于19921992年年9 9月建成一个干煤处理量为月建成一个干煤处理量为5050千千 克克/ /小时的微生物浮选中试装置，采用氧化亚铁硫杆菌为脱硫菌，在分小时的微生物浮选中试装置，采用氧化亚铁硫杆菌为脱硫菌，在分 成两组的成两组的6 6个体积为个体积为7.57.5立方米的搅拌槽式生物反应器中，对粒度小于立方米的搅拌槽式生物反应器中，对粒度小于 40um40um的细粒煤进行处理。试验煤浆的固体浓度范围的细粒煤进行处理。试验煤浆的固体浓度范围6.5%-41.5%6.5%-41.5%，达到稳，达到稳 定的时间为定的时间为1010天左右。在煤浆流速为

52、天左右。在煤浆流速为250l/h250l/h时，在前时，在前5 5个反应器内，脱个反应器内，脱 除除90%90%的黄铁矿需要的黄铁矿需要6.2546.254天。天。 美国匹兹堡煤堆沥试验，将美国匹兹堡煤堆沥试验，将2323吨粒度小于吨粒度小于5cm5cm的粗煤在室内沥滤，的粗煤在室内沥滤， 一年后大约一年后大约50%50%的黄铁矿被脱除；的黄铁矿被脱除； 3 3 微生物微生物- -浮选法浮选法 微生物微生物- -浮选法是通过亲水的氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿浮选法是通过亲水的氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿 表面的选择性吸附，增大黄铁矿表面的亲水性，使其可浮表面的选择性吸附，增大黄铁矿表面的亲水性，使其可浮

53、性受到抑制，从而实现与煤粒的分离。性受到抑制，从而实现与煤粒的分离。 脱硫机理。利用微生物在黄铁矿表面的吸附，以细菌脱硫机理。利用微生物在黄铁矿表面的吸附，以细菌 的体表代替黄铁矿的表面，增强黄铁矿表面亲水性，然后的体表代替黄铁矿的表面，增强黄铁矿表面亲水性，然后 借助浮选手段，强化煤炭的浮选脱硫效果。借助浮选手段，强化煤炭的浮选脱硫效果。 菌种的选育菌种的选育 名名 称称 形态特征形态特征 表面特性表面特性 最佳环境最佳环境 氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌 thiobacillus thiobacillus ferrooxidans ferrooxidans 0.5-2um 0.5-2um 直短杆状直短杆状 接触角接触角20-3020-30 荷负电（荷负电（ph2.0ph2.0） ph1.4-1.5 ph1.4-1.5 温度温度20-35 20-35 氧化硫硫杆菌氧化硫