细菌堆浸浸铀技术的发展及展望2

第17卷第6期 2008年6月
中 国 矿 业
C HINA MINING MA GAZINE
V o l.17,N o.6
Jun 2008
细菌堆浸浸铀技术的发展及展望
苑俊廷,孙占学
(东华理工大学土木与环境工程学院,江西抚州344000)
摘 要:细菌堆浸浸铀技术是从贫矿、废矿和复杂矿中回收铀金属的一种简单易行的生产工艺。

本文主要介绍了国内外细菌堆浸浸铀技术的发展历程、实际应用状况、目前存在的问题以及发展趋势。

关键词:铀矿石;堆浸;细菌浸出;细菌氧化;氧化亚铁硫杆菌
中图分类号:T D983 文献标识码:B 文章编号:1004-4051(2008)06-0045-04
The developments and prospects of bio -heap leaching
uranium technology
Y U A N Jun -ting,SU N Zhan -xue
(Depar tment o f Civil Engineering and Envir onmenta l Eng ineering ,East
China Institute of T echnolog y,Fuzhou 344000,China)
Abstract:T he technolog y o f Bio -heap leaching uranium is a simple and feasible product ion pro cess w hich recover s ur anium metal fro m depleted ,w aste and complex uranium m ine .T his paper ma inly intr o -duces dev elo pment pr ocess,the actual applicatio n,ex isting pro blems and dev elopment tr end o f domestic and fo reig n Bio -heap leaching ur anium techno lo gy.
Key words:uranium or e;heap leaching;bio -leaching;bio -o x idat ion;thiobacillus ferro ox idans
收稿日期:2008-03-18
作者简介:苑俊廷(1984-)男,山西忻州人,在读硕士研究生。

铀矿石细菌堆浸工艺是将细菌浸出技术与铀矿石堆浸工艺相融合的一项工艺技术,它除了具有堆
浸工艺的特点外,还具有细菌浸出的优越性。

依靠细菌的作用,实现对矿石中黄铁矿等硫化矿物及贫铀浸出剂中Fe 2+
的氧化,利用细菌氧化代谢产物H 2SO 4和Fe 3+为铀的浸出提供溶浸剂,通过改善铀浸出动力学、强化浸出过程来弥补酸法堆浸的不足之处,提高铀的浸出率,缩短生产周期,节省硫酸及氧化剂,降低生产成本,减少对环境所造成的不利影响。

因而细菌堆浸浸铀技术具有良好的经济效益和环境效益[1],现已发展成为世界许多国家铀生产的支撑性技术。

中国是铀矿资源不甚丰富的国家,现已探明的铀矿储量居世界第10位之后[2],不能适应发展核电发展的长远需要,而且目前我国铀矿冶工业出现原材料价格上涨,矿山不断老化,新开矿点投资短缺,按常规水冶加工经济亏损等问题[3]。

在这种形势下,细菌堆浸浸出技术由于其一系列优点,在低
品位铀矿浸出中发挥越来越重要的作用。

它在不断降低我国天然铀提取生产的投资和成本,不断提高提铀生产效率和产品质量的同时,逐步扩大了我国铀矿资源的开发利用范围和拓展了我国可供开发的铀资源量。

1 细菌堆浸浸铀技术的国内外研究
(1)国外细菌堆浸技术的研究进展
20世纪80年代,世界上共有14座铜的细菌氧化提取厂投入生产。

世界上第一座金的细菌浸出厂于1986年在南非的Fairview 建成投产,到目前已有8个细菌浸金厂投产。

第一座钴的细菌氧化提取工厂于1999年在乌干达的Kasese 钴业公司建成投产,目前由于其回收流程较为复杂,需要除铁,回收铜和锌,所以其工业应用很有限[4]。

细菌浸出铀矿最早的例子是葡萄牙的/镭公司0在1953年开始进行的铀矿自然浸出研究[5]。

并在1956年的第二届国际和平利用原子能会议上,他们发表了/铀的自然浸出0研究报告。

从此细菌浸出的研究和应用开始受到各国的重视。

加拿大的伊利奥特湖地区是世界有名的铀产区,该地区的斯坦洛克矿从
中国矿业第17卷
1964年起在采空区利用细菌浸出铀,平均每月回收U3O86804kg,已达当时全矿总产量的7%。

1965年葡萄牙堆浸年产U3O845t,加拿大井下细菌回收83~8716t/a,法国井下和堆浸回收的U3 O8在40t/a左右。

经过20年的发展,加拿大细菌浸出铀的年产量已达420t之多。

法国也有一些铀矿用细菌进行地下浸出,如埃卡尔勃耶尔铀矿原以化学浸出为主,后改用细菌浸出,到1975年产铀由原25t增至35t。

此外,美国、南非等也用这一方法生产铀[6]。

到目前为止,细菌堆浸工艺在国外已广泛应用,技术上日趋成熟,正逐渐成为处理低品位铜、铀、含硫砷金矿石等矿的重要手段。

(2)国内细菌堆浸技术的研究进展
我国对细菌浸矿技术方面的研究是从20世纪60年代末开始的,并已先后在铀、铜等金属的生产应用中取得成功[7]。

我国利用含细菌的酸性矿井水从低品位铜矿石中回收铜的细菌堆浸研究开始于1979年。

1997年德兴铜矿大型堆浸厂的投产,标志着我国细菌浸铜技术有了重大进展。

堆浸厂采用细菌堆浸-萃取-电积工艺,设计年生产能力为2000t阴极铜。

2000年紫金矿业建成细菌堆浸厂,所处理矿石含Cu0168%。

目前该矿正在进行建设年产20000t阴极铜的细菌堆浸厂的可行性研究。

细菌预氧化堆浸提金技术近年来也进入工业化应用阶段。

烟台黄金冶炼厂2000年建成投产的生物氧化厂加工难处理含砷金精矿,处理量为60t/d,该金精矿以常规浸出仅回收其中10%的金,而生物氧化浸出金的回收率高达96%。

莱州黄金冶炼厂采用的CCD流程,生产能力100t/d,也于2001年4月建成投产。

细菌浸镍还未见工业化应用的报道,国内的研究主要以金川低品位镍矿资源)))贫矿和尾矿为研究对象,进行细菌浸出试验研究。

方兆珩[8]等采用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌(TT)2B1的混合比例浸出金川贫矿,镍、铜、钴的浸出效果较好。

细菌堆浸铀矿技术在经过十几年的探索之后,已建立了较完善的实验体系,开发研究能力有很大提高,在处理低品位铀矿石上有了一定规模的工业尝试(扩大和工业试验),2005年核工业北京化冶院用细菌堆浸法处理抚州铀矿低品位矿石半工试验(2200t)取得成功[9]。

2浸矿菌种与浸出机理
(1)浸矿菌种
目前已被报告可用于浸矿的细菌有20多种,分属自养菌、异养菌和兼性菌。

常用的浸铀细菌是自养菌,这类细菌生长在普通细菌所不能生存的酸性水体中,利用无机物的氧化过程获得能量,以CO2为主要碳源和以无机含氮化合物作为氮源合成细胞物质,并在促进矿石中硫、铁等成分的氧化作用的同时,获得新陈代谢的能量,自养自生。

己用于硫化矿细菌浸出的菌种主要有氧化亚铁硫杆菌(简称T1F)、氧化硫硫杆菌(简称T1T)和氧化亚铁微螺菌(简称L1F)。

其中氧化亚铁硫杆菌可以氧化Fe2+、元素硫(S)和还原态硫化物;氧化硫硫杆菌能氧化元素硫,不能氧化Fe2+;氧化亚铁微螺菌能氧化Fe2+,但不能氧化元素硫[10]。

在矿物浸出过程中,后两种细菌通常与其他菌种混合使用,以提高矿物中有价金属的浸出率。

(2)浸出机理
在大多数铀矿石当中,或多或少存在一些金属硫化矿,比较常见的有黄铁矿。

这些金属硫化矿为浸矿细菌提供了能源,在适宜的环境下,矿石中的FeS2等受空气和水的作用或者受浸矿细菌的浸蚀作用,生成FeSO4和H2SO4。

FeSO4在细菌作用下,很快被氧化为Fe2(SO4)3,而Fe2(SO4)3是一种很好的氧化剂,又可以氧化黄铁矿,生物化学反应如下:
4FeS2+15O2+2H2O细菌2Fe2(SO4)3+2H2SO4
(1)
上述反应产生的硫酸高铁是一种强氧化剂,可氧化黄铁矿和四价铀:
FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2v15FeSO4+8H2SO4
(2)
FeS2+Fe2(SO4)3v3FeSO4+2S(3) U O2+2Fe2(SO4)3v2FeSO4+UO2+2S(4)
反应(2)、(3)、(4)产生的硫酸亚铁和硫又可作为能源被细菌氧化为硫酸高铁和硫酸:
4FeSO4+O2+2H2SO4
细菌
2Fe2(SO4)3+2H2O
(5)
2S+3O2+2H2O
细菌
2H2SO4(6)
(5)式产生的硫酸高铁按(2)、(3)、(4)又可氧化更多的黄铁矿和四价铀。

反应中生成的元素硫会使矿物表面钝化,妨碍金属进一步浸出。

但细菌(氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌)是不断作用的,因此当元素硫一旦生成,也就不断与细菌作用而生成硫酸。

细菌作用下生成的硫酸和三价铁正是金属硫化矿浸出所需的浸出剂和强氧化剂[11]。

以上是细菌浸出过程中基本的生物化学反应,但在铀矿石的细菌浸出工艺中,除了最初加入细菌溶液
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第6期苑俊廷等:细菌堆浸浸铀技术的发展及展望
后,在浸出过程中还需要对细菌溶浸液进行补充与再生,这对整个浸出过程至关重要。

细菌溶浸液的再生过程与细菌培养基本相似。

在实际生产中,经常使用的操作过程主要是使溶浸液不断再生和循环利用。

部分再生可以控制循环液中的铁和其他杂质的含量,一方面使细菌能更好地生长繁殖;另一方面,可以避免铁和其它杂质元素在循环中积累而影响浸出和金属回收过程的正常运行。

3细菌堆浸浸铀技术在工业应用中存在的问题随着细菌堆浸浸铀工艺的推广应用,存在的一些问题在生产中逐渐暴露出来,致使铀浸出率偏低,浸出周期较长,造成铀资源的浪费等一系列问题,下面我从以下几个方面谈谈铀矿堆浸中存在的主要问题及对策。

我国西南地区相对气候湿润,雨水丰沛,年平均温度较高,对生物堆浸较为有利;相反,西北地区,气候干燥,水源短缺,对采用生物堆浸工艺处理难浸金矿影响很大。

尤其在青海、新疆的戈壁地区,由于蒸发量大,降水少,常规堆浸用水一般会达到1B1,生物堆浸时用水会达到1B3~5,仅水一项的费用会达到20~60元/t 的水平,从而会成为生物堆浸的最主要制约因素。

另外,西北地区工业基础较差,生物堆浸重要耗材硫酸产地远,运距长等,都会直接增加生产成本。

(1)菌种问题
由于硫化矿的浸出是放热反应过程,嗜热细菌的应用成为生物湿法冶金的一个热门研究方向。

而我们目前的试验工作由于规模较小尚未遇到耐热问题,但从国外报道来看,耐热菌种的选择已经成为提高生物氧化效率乃至可否采用生物堆浸工艺的基本因素。

从目前室内菌种的耐热试验的结果来看,现有细菌在50e条件下活性则变得很弱,甚至停止了氧化作用。

国外文献资料报道在50e~80e 温度下耐热菌仍然有很强的活性,这就要求我们在加大生产实践力度的同时,不断开发培育出活性强、适应范围广的耐热菌种来。

(2)矿石因素
酸耗问题。

关于碱性难浸铀矿石生物堆浸过程中的酸耗问题应从两个方面考虑,一是经济因素;二是过度的酸耗还会给工艺本身带来很大的问题,大量的硫酸盐(硫酸钙)的出现使整个堆体渗透性受到破坏,从而直接影响生物氧化效果。

渗透问题。

保持良好的矿堆渗透能力是取得良好堆浸效果的基本条件,对于生物堆浸而言这一条件则显得更为苛刻。

因为菌液的渗透能力比氰化溶液更差,一旦菌液渗透不均匀或很差,那么它所带来的后果是致命的,关于这一方面的影响在室内柱浸试验时也有反映,对个别难浸矿石而言,细粒级的试验效果往往差于粗粒级的,其中的原因就是渗透问题造成的。

对含泥量高、渗透性差的矿石,添加渗滤物质以改善渗透性能进行了研究,结果表明,这一手段可有效地在一定时期内提高铀矿石的渗透系数和铀的浸出率,缩短浸出周期。

硫含量问题。

关于矿石中硫含量多少对生物堆浸有利,目前尚未明确的定量概念,但是过低的硫含量(<1%)显然对生物氧化是不适应的,这一点在室内试验中已经得到充分证明。

至于矿石中硫含量的上限是多少仍然没有定论,生物堆浸专家布里尔利教授曾经谈到硫含量最好不要超过6%,这可能也是一个经验数字。

机械包裹问题。

对于矿石中金矿物被机械(非金属)包裹时,便于基本的生物氧化理论相悖,因此,对于生物堆浸来说都是不适应的。

(3)氧化周期
从理论上讲,矿石粒度愈小氧化速度愈快,从长期的室内试验来看,在堆浸范畴内通过降低矿石粒度增加氧化速度缩短氧化周期是困难的,有时还会因渗透问题产生相反的结果。

要将氧化周期缩短到堆浸工艺所能接受的范围内,主要还是从改善氧化条件着手,选择优良菌种是十分关键的环节,大量的试验结果表明不同的菌种氧化效果差异很大,除此之外,应尽可能地为生物氧化提供优良的环境,例如提供较为充足的氧气,控制合理的温度空间、pH值等,这些都可能提高氧化速度,缩短氧化周期。

(4)室内试验与现场生产
与常规堆浸相比,生物柱浸试验与野外需要几乎相同的时间,不同的是生物柱浸试验结果很难像常规柱浸那样定量、准确的反映现场的试验与生产,其主要原因就是一些在常规柱浸试验对其试验结果影响不大的参数(如温度、pH),对生物堆浸而言则是非常苛刻的,有时几乎是决定性的。

众所周知,生物氧化过程是一个放热过程,这一现象在槽式氧化和现场堆浸过程中都有一定的反映,但在室内柱浸试验时很难观察到,主要原因,一是试验体相对较小,放热能力有限;二是试验装置很难聚热,这样不仅影响氧化效果,甚至还要影响菌种的选择,尤其是菌种耐热能力的选择。

如何准确有效地预测难浸铀矿的生物氧化效果,是目前许多专家正在研究的课题1建立合适的数学模型是最为有效的方法之一,霍尔特姆曾在1994年建立一个以氧
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中国矿业第17卷
化理论建立的数学模型,通过简单的、有条件的试验得到验证。

我们认为生物堆浸过程是一个十分复杂的化学、生物和物理过程,无论采用何种理论依据都很难全面准确的描述其整个作用过程,而在大量试验基础上,通过确立室内试验结果和现场生产效果之间的关系,建立与个别主要技术参数相关的经验模型更具实际意义。

解决这些问题的主要途径除上述在分析问题时提到的如培养氧化能力强、适应范围广的高效菌种以提高氧化效率之外,更重要的是改进堆浸工艺及设备,营造适合菌种作用的环境。

例如采用温室堆浸、吸热材料覆盖矿堆、滴灌系统保温滴淋、细菌氧化再生液逆流淋浸等技术。

4前景展望
资源综合利用是我国经济和社会发展中一项长远的战略方针,也是一项重大的技术经济政策。

随着科学技术的进步和经济的发展,国内外对铀产品的生产和需求与日俱增,因而,适合于从贫矿、废矿和复杂矿中回收金属的细菌堆浸技术,已显示出巨大的优越性和广阔的发展前景。

但我国的细菌堆浸浸铀技术与先进的国家相比,仍有一定的差距,需要进一步加强以下几个方面的研究:¹高性能浸矿菌种的筛选驯化和提高细菌氧化速度的研究;º细菌堆浸浸出的工艺流程、工艺参数的研究与开发;»适应性较强细菌堆浸工艺的研究;¼细菌堆浸系统设备的研制(氧化装置、淋洗系统各参数的测定及自动控制设备仪器等);½细菌堆浸浸矿数学模型的建立;¾细菌堆浸浸矿的工业应用。

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1112胡凯光,谭凯旋,杨仕教.细菌浸矿机理和影响因素探讨[J].湿法冶金,2004,(9).
(上接第38页)
供相对完整准确的信息,从而保证命令控制模式的有效性。

(5)完善矿产资源综合利用指标体系
制定和完善矿产资源综合利用的技术指标体系和评价指标体系,为环境管理政策的制定提供标准,尤其是对命令控制型模式更为重要。

其中包括矿产资源共、伴生资源综合利用率,废石围岩利用率和尾矿利用率,煤矸石利用率,主要矿种的采矿回收率、选矿回收率,矿产资源综合勘探、综合评价的指标;建立和完善矿产资源综合开发利用标准体系,建立矿山资源综合开发利用的经济指标体系和评估验证体系。

采用科学的方法综合评价矿山企业综合利用的水平,按技术可行、经济合理的要求,评价、监督矿山企业综合利用工作。

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