在氣升式反應器中用中度嗜熱混合菌浸出含砷難浸金精礦

余潤蘭，吳發登，陳 安，劉 晶，彭志俊，季家舉，邱冠周

（1. 中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083； 2. 生物冶金教育部重點實驗室，湖南 長沙410083）

在氣升式反應器中用中度嗜熱混合菌浸出含砷難浸金精礦

余潤蘭1,2，吳發登1，陳 安1，劉 晶1，彭志俊1，季家舉1，邱冠周1,2

（1. 中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083； 2. 生物冶金教育部重點實驗室，湖南 長沙410083）

在分批浸出基礎上，以15%礦漿濃度在氣升式反應器中用中度嗜熱混合菌采用半連續方式補加無鐵9 K溶液浸出含砷難浸金精礦，降低體系中鐵和砷離子濃度，提高含砷難浸金精礦鐵砷脫除率。結果表明，在補加流量為每次333 mL時，金的氰化回收率達到90%以上，比直接氰化提高了2倍。

氣升式反應器；難浸金精礦；半連續；生物冶金

細菌氧化預處理難浸金精礦因浸出周期廠、預處理效率低而在工業應用中受限。保證預處理效果前提下，增大礦漿濃度是提高預處理效率的有效途徑。但在高礦漿濃度下，浸出液中不斷積累的鐵、砷抑制細菌活性且高濃度的鐵離子導致生成大量黃鉀鐵礬沉淀鈍化礦物表面，嚴重影響浸出效果[1,2]。本文在分批浸出基礎上，以半連續方式浸出，在氣升式反應器中發生恒容反應，維持氣升式反應器中對金精礦生物浸出有利的浸出環境，研究不同體積浸出液流量對金精礦浸出過程的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗礦樣

實驗用含砷金精礦200目以下占68.1%，主要礦物物相為磁黃鐵礦（Fe7S8）、砷黃鐵礦（FeAsS）、黃鐵礦（FeS2），金的含量達47.2g/t，砷含量極高占19.32%。

1.2 浸礦微生物?

實驗用浸礦微生物為用難浸高砷金精礦在5%礦漿濃度通過連續傳代培養的中度嗜熱混合菌，主要包含SSulfobacillus thermosulfidoxidans、Leptospirillums ferriphilum和Acidithiobacillus caldus等種屬的細菌。

1.3 培養基

實驗用培養基為改進的9 K培養基，以高砷金精礦為能源代替硫酸亞鐵，初始pH 1.6。9 K培養基基礎鹽溶液的配方為（g/L）：(NH4)2SO4(3)、K2HPO4(0.5)、MgSO4?7H2O (0.5)、KCl (0.1)、Ca(NO3)2(0.01)。

2 實驗方法

2.1 不同補加流量對浸出的影響

在有效體積為2 L的氣升式反應器中注入2 L 15%的金精礦礦漿，接種量5×107cell?mL-1、初始Ph 1.6、浸出溫度45 ℃、通入足量空氣進行生物浸出。當浸出液中鐵離子濃度達到15 g/L時向反應器中采用半連續方式補加pH=2.0的無鐵9 K溶液。實驗過程中每8 h補加1次無鐵9 K溶液，每次排放的浸出液經靜置，收集沉淀立即返回到氣升式反應器中繼續浸出，上清液經中和處理后排放。無鐵9 K溶液補加流量(w)分別為每次167、 333、500和667 mL。測定浸出體系中溶鐵、溶砷及細菌濃度的變化，浸出結束后，分析浸出渣中全鐵和砷含量，計算鐵、砷的脫除率:

2.2 氰化浸金

氰化前，將浸出殘渣用6 mol/L的鹽酸處理10 min，3 000 r/min離心去上清夜，重復一次。然后用蒸餾水洗滌三次，烘干稱重。稱取10 g經處理的礦渣倒入攪拌槽中，加入100 mL 0.041 mol/L的NaCN溶液，再用Ca(OH)2調節溶液pH至11.5左右，控制攪拌速率600 r/min，浸出時間1 d。浸出結束后，真空抽濾礦漿，廢水進行無毒處理，濾餅經干燥混勻、取樣送檢（原子吸收光譜），按照下式計算金的回收率：

2.3 分析方法

浸出液中鐵離子采用1,10-啰鄰菲啉分光光度法在510 nm測定[3]；溶砷（soluble arsenic, SAs）離子濃度采用砷鉬藍比色法在840 nm處比色測定[4,5]；細菌濃度采用血球計數板直接計數；浸出渣中全鐵和砷采用ICP全元素定量分析。

3 結果與討論

3.1 不同補加流量對金精礦生物浸出的影響

3.1.1 不同補加流量對細菌生長的影響

半連續補加無鐵9 K時，在過剩鐵離子和有毒砷離子被帶走的同時必有細菌流失。預處理過程中高的細菌濃度有利金精礦浸出。

圖1為不同補加流量浸出體系中細菌的生長曲線（圖中箭頭為補加起始點）。細菌生長受很多因素影響，如pH、溫度、溶氧量、剪切場、碳源、氮源、能源等。在本研究中，反應體系呈酸性、溫度恒定、通氣充足、礦漿濃度恒定即剪切環境一致，因此能給細菌帶來生長阻力的是能源和細菌流失。據微生物學知識及對照組細菌生長情況，計算出混合細菌的世代時間G=1.01 d。對于有效體積為2 L的反應器，理論上只要營養物質充足，補加流量小于660 mL每次就不會造成細菌大量流失。w=167實驗組因出水流量過小，細菌流失影響很小，但出水流量小，浸出體系中的過剩鐵離子及有害砷離子不能及時排出，浸出環境得不到有效改善，影響細菌生長，因此與對照組細菌生長相近；相反對于w=667組，雖能有效排出有害離子，但也將對細菌生長繁殖必須的能源物質如Fe2+、還原態硫等大量流失，同時細菌流失嚴重，均造成細菌數量減少。對于w=500組，細菌維持在一個相對穩定的狀態，可能是因為能源物質的流失還不足以影響細菌生長，細菌的及時繁殖填補了細菌的流失量；對于w=333的實驗組，在這個流速時，很好的平衡了細菌流失和能源物質缺失，促進了細菌的生長。

圖1 不同浸出液流量下細菌的生長曲線Fig.1 The growth curves of bacteria at different flows of the leaching solution

3.1.2 不同補加流量對浸出體系中鐵、砷離子濃度的影響

生物浸出中，浸出液中的鐵（包括Fe2+和Fe3+）對金精礦的預處理非常重要。Fe2+為鐵氧化細菌生長繁殖提供能源物質，被氧化成Fe3+，Fe3+作為氧化劑氧化分解硫化礦。但并不是Fe3+濃度越高越好，當Fe3+濃度過高，對溶液中的浸礦微生物的生長和代謝起到抑制作用，同時生成的鐵礬沉淀覆蓋在礦物表面，妨礙礦物進一步氧化。

圖2為浸出液中溶鐵、溶砷濃度在不同出水流量下隨浸出時間的變化情況。溶鐵濃度主要由硫化礦溶解速率和9 K補加流量決定。一般來說，浸出體系中細菌濃度越大，細菌活性越高，硫化礦溶解速率越大；對于補加流量，毫無疑問補加流量越大，鐵離子流失越大。w=167中細菌濃度很高，但其溶鐵濃度變化跟對照組相似，可能是因補加流量小，鐵砷的流失少，浸出環境未得到改善，抑制了細菌活性；其二是鐵離子濃度過高，加速砷酸鐵及鐵礬沉淀，鈍化金精礦表面。對于w=333組，在補加無鐵9 K溶液后，溶鐵濃度有小幅上升，在18g/L左右的水平，這樣既保持了較高濃度鐵離子氧化硫化精礦的優勢，又不至于因鐵離子濃度過高影響細菌活性和形成鐵沉淀。在w=500組中，溶鐵離子略有下降，在該體系中，細菌濃度恒定在每毫升6×108個細菌，不是影響溶鐵的關鍵因素，溶鐵濃度很大程度上取決于浸出液的排放。在w=667的體系中，鐵離子濃度急劇下降，在該體系中，細菌和高鐵離子流失嚴重，硫化礦溶解速率減小，同時浸出液中補加前累積的鐵也隨浸出液排放逐漸流失。

圖2 不同浸出液流量下溶鐵(a)和溶砷(b)濃度隨時間的變化Fig. 2 The variations of SFe (a) and SAs (b) with time at different flows of the leaching solution

從圖2（b）可看出，除了w=167的體系中溶砷濃度仍有上升外，其他實驗組在補加9 K后，均有明顯下降現象，體系中溶砷濃度得到有效控制，遠在細菌可耐受上限以下，起到了有效消除砷離子對細菌毒害的作用。

3.2 不同補加流量對氰化浸出的影響

圖3給出了鐵、砷的浸出率及相應氰化金回收率情況。金的氰化回收率與砷的脫除率有關，從圖中可以看出，直接氰化金精礦，金的回收率很低，僅有31.1%。當砷的脫除率達到60%以上時，金的回收率可以達到80%以上。在不同補加流量下，w=333實驗組的金回收率最高，高達91.35%，比直接氰化提高了2倍，達到了生物預處理的目的。

圖3 不同浸出液流量下鐵砷脫除率及金回收率Fig. 3 The removal of total iron, arsenic and gold recovery at different flows of the leaching solution

4 結 論

采用半連續方式處理金精礦，在補加流量為333 mL每次時金回收率最高，達到了91.35%，是金精礦直接氰化的3倍，顯著提高了金的回收率，達到了生物預處理目的。

［1］Gao J, Kang J, Wu X, et al. Effect of Fe2+on growth activity ofL. ferriphilum[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(1): 159-162.

［2］Daoud J, Karamanev D. Formation of jarosite during Fe2+oxidation byAcidithiobacillus ferrooxidans[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(9): 960-967.

［3］GB3049-86. 化工產品中鐵含量測定的通用方法, 鄰菲羅啉分光光度法 [S].

［4］周月雯. 砷鉬藍法測定三價砷和五價砷 [J]. 環境保護科學, 1990, 16(4): 45-47.

［5］Yu Y, ZHu Y, A.E. W-J, et al. A kinetic study of the oxidation of arsenopyrite in acidic solutions: implications for the environment [J]. Applied Geochemistry, 2004, 19(3): 435-444.

Bioleaching of Arsenic-Containing Refractory Gold Concentrate by Mixed Moderate Thermophiles in an Airlift Reactor

YU Run-lan1,2，WU Fa-deng1，CHEN An1，LIU Jing1，PENG Zhi-jun1，JI Jia-ju1，QIU Guan-zhou1,2
（1. Central South University, Hunan Changsha 410083, China；2. Key Laboratory of Biometallurgy of Ministry of Education, Hunan Changsha 410083, China）

On the basis of batch-bioleaching, semi-continuous bioleaching was used to bioleach arsenic-containing refractory gold concentrate with high pulp density by mixed moderate thermophiles in airlift reactor. Non-ferrous 9K medium was fed in batch every 8 h to decrease the concentration of iron and arsenic in the airlift reactor. The results indicate that the recovery of gold can reach up to 90% when the additional volume flow is 333 ml every time while the gold recovery of direct cyanidation of the gold concentrate is only 31%.

Airlift reactor; Refractory gold concentrate; Semi-continuous; Bioleaching

TQ 131

A

1671-0460（2012）11-1160-03

資助基金：中南大學學位論文創新項目（No.2010ssxt247），國家973項目（No. 2010CB630900）。

2012-05-29

吳發登（1985-），男，中南大學資源加工與生物工程學院2009級生物工程系碩士，研究方向:生物冶金，E-mail：csubiowufd@126.com。

余潤蘭（1965-），男，教授，博士學位，2004年中南大學博士畢業。主要從事生物冶金、生物工程、生物電化學等領域的教學和科研工作。E-mail：csubio507@126.com。