生物选矿共61页

• Boon假定黄铁矿的溶解以间接作用方式进行：
Fe3+与黄铁矿反应转化为Fe2+；Fe2+经细菌氧化变为Fe3+；两步 反应以Fe3+和Fe2+的互相转化相关联 第一步，Fe2+的生成速率
Fe2

Fe2 [FeS2 ]

1

max Fe2
B[Fe2 ]
[Fe3 ]

– 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
– 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腐蚀， 惰性的矿物充当阴极被保护
– 接触作用(充分肯定吸附细菌对矿物溶解的促进作用)
吸附在矿物表面的细菌，通过其胞外层结合的大量Fe3+离子对细菌进行氧 化溶解
acidocaldarius
– 1976年，Golovacheva R.S等分离出中等嗜热嗜酸菌
Sulfobacillus thermosulfooxidans
– 1994年，Hallberg K.B分离出中等嗜热嗜酸菌Acidithiobacillus
caldus
一、浸矿微生物
典型浸矿微生物分类
定态，此时的速率即为浸 出过程的速率。
由上面模型得到的黄铁矿浸出速率与溶液电位的关系线与实践数据相吻合
二、矿物－微生物作用
浸矿过程动力学
– 堆浸过程数学模拟
堆浸过程数学模型需要考虑热量和物质的传输，液体和 气体的流动以及堆中发生的各种生物化学反应。
国外以Dixon为代表的学者，开展了从液体流动、空气和 热量传递以及矿物溶解等各种因素的堆浸模拟研究。 国内相关研究还十分缺乏
一、浸矿微生物
典型浸矿微生物的发现史
– 1922年，Waksman and Joffe分离出 Acidithiobacillus thiooxidans – 1947年，Hinkle与Colmer分离出Acidithiobacillus ferrooxidans – 1972年，从美国矿床中分离出Leptospirillum ferrooxidans – 1973年，Briereyetal分离出极端嗜热嗜酸菌Sufolobus
– 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 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
二、矿物－微生物作用
1）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
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。在没有细菌的作用时这一氧化作用只是 热力学上可行,十分缓慢而不具实用价值,由于细菌的参与 使这一过程加快。 如：（1）黄铁矿
Fe2

1
[FeS2 B[Fe2
] max Fe2
] [Fe3
]
当两个速率相等时， 达到了浸出过程的假定稳
第二步，细菌参与下Fe2+消耗速率

qFe2
Fe2 Cx

1

K
q max Fe2
[Fe3 ]
[Fe2 ]

Fe2

C qmax x Fe2
1 K[Fe3 ] [Fe2 ]
1.15.0
杆状 好氧、化能自养、革兰氏阴 性菌，单鞭毛，可动
螺旋状 好氧、化能自养、革兰氏阴 性菌，有鞭毛，可动
杆状 好氧、化能自养、革兰氏阴 性菌，单鞭毛，可动
球形 好氧、化能自养、革兰氏阴 性菌，不可动
杆状 好氧、化能自养、革兰氏阳 性菌
三、微生物浸矿工艺
氧化亚铁硫杆菌细胞形态图
氧化亚铁微螺菌细胞形态图
次生硫化铜矿/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100万t/a，
典型矿山有：Canana、 Qubrada Blanca、紫金山、德兴
矿石破碎
智利Qubrada Blanca生物 堆浸－萃取－电积提铜 矿山 处理含铜1.3%的次生硫 化铜矿石 年产阴极铜8.0万吨
筑堆 萃取
三、微生物浸矿工艺
2）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 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。 3）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 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。
矿物加工学（2）
含金 氧化 矿体 的原 地浸 出示 意图
三、微生物浸矿工艺
4）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 中进行，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 或数百吨，浸出周期为十天至数百天。
四、硫化矿生物浸出－铜的提取
商业化历程
2FeS 27O2 2H 2源自 细菌 2FeSO4 2H 2 SO4 4FeSO4 O2 2H 2 SO4 细菌 2Fe2 (SO4 )3 2H 2O
二、矿物－微生物作用
（2）黄铜矿 CuFeS2 4O2 细菌CuSO4 FeSO4
（3）辉钼矿
滴淋浸出 电积
四、硫化矿生物浸出－镍钴的提 取
– 2019年，BHP Billton公司成功开发BioNIC工艺，并 建成日产20kg阴极镍的示范厂
三、微生物浸矿工艺
4）搅拌浸出试验 （1）半连续浸出试验 （2）连续浸出试验
第二篇 矿物的生物与化学处理
第二章 矿物(煤)的生物处理
矿物加工学（2）
微生物连续浸出实验装置 1-浸出反应器；2-调浆反应器；3-给矿机；4-矿浆收集器；5-矿浆
三、微生物浸矿工艺
3、微生物 浸矿工艺过程 微生物浸矿方法： 1）微生物堆浸 2）微生物搅拌浸出 3）微生物地浸 4）微生物槽浸
u rx umaxcs cx ks cs
qs

rs cx
umaxcs Ysx (ks cs )
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)；
菌的条件下，可以被快速氧化，生成硫酸铁。 硫酸铁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。 凡是利用Fe3+为氧化剂的金属矿物的浸出，都是间
接浸出。如：（1）黄铁矿
FeS2 7Fe2 (SO4 )3 8H 2O 15FeSO4 8H 2 SO4
二、矿物－微生物作用
三、微生物浸矿工艺
1、微生物浸矿的影响因素 （1）菌种 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 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。
（2）细菌的适应性 （3）培养基的成分及氧和碳 （4）有害组分和抑制组分
三、微生物浸矿工艺
三、微生物浸矿工艺
1）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 在不透水的地面，在矿堆表面喷洒细菌浸矿剂浸出，在低处建集液池收 集浸出液。
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
矿物加工学（2）
微 生 物 氧 化 难 浸 金 矿 的 堆 浸 工 艺 流 程
三、微生物浸矿工艺
2）物理化学因素
（1）PH值 （2）温度 （3）氧化还原电位
3）工艺技术因素
（1）矿石粒度 （2）矿浆浓度
4）其他影响因素
（1）表面活性剂 （2）光照 （3）金属离子 （4）渗透压
三、微生物浸矿工艺
2、 微生物浸矿的实验研究方法 1）微生物浸矿的典型流程
原矿或精矿 矿石准备 细菌浸出 固液分离
– 嗜温嗜酸菌
最佳生长温度30－45℃，主要包括Acidithiobacillus ferrooxidans，
Acidithiobacillus thiooxidans，Leptospirillum ferrooxidans
– 中等嗜热嗜酸菌
最佳生长温度45－55℃，主要有Acidimicrobium ferrooxidans，
一、浸矿微生物
极端嗜热嗜酸菌
嗜温嗜酸菌
一、浸矿微生物
浸矿微生物的鉴定
– 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果 确定菌株的归属。
– 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
它主要包括：16S rRNA基因序列分析 、PCR-DGGE技术、DNA G+C 含量测定和DNA/DNA杂交、DNA探针分析等等
– 协同作用
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
二、矿物－微生物作用
浸矿过程动力学
– 颗粒反应动力学模型
研究内容包括：细菌在矿物表面的吸附平衡，矿物溶解的 反应动力学与扩散动力学等方面
二、矿物－微生物作用
Sulfobacillus thermosulfidooxidans，Sulfobacillus acidophilus
– 极端嗜热嗜酸菌
最佳生长温度60－85℃，包括Sulfolobus acidocaldarius， Sulfolobus solfataricus及Acidianus brierleyi等