某低品位硫化鎳礦石細菌氧化堆浸工藝研究

任洪勝 鄭沈吉 劉新艷 張鳴昕 韓治緯 郞淳慧 崔商哲

摘要：針對吉林省某高鎂型低品位硫化鎳礦石，利用細菌氧化堆浸工藝，通過誘變馴化培養高效率的浸礦菌株，對催化劑及柱浸粒度、制粒與否、浸出pH、接種菌量等工藝條件進行了研究。結果表明：使用誘變改良菌種H4 3，在柱浸粒度-10 mm、浸出pH值2、接種菌量30 %、氧化浸出時間150 d、室溫及添加Ag+催化劑的條件下，鎳、銅浸出率分別為72.22 %、71.03 %，指標良好，為低品位硫化鎳礦石資源的開發利用提供了技術依據。

關鍵詞：硫化鎳礦石;低品位;細菌氧化;堆浸;浸出率

中圖分類號：TF815文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）06-0059-05doi：10.11792/hj20220613

鎳是國民經濟建設中不可或缺的重要金屬材料，廣泛應用于現代科技和工業領域。由于多年來對鎳礦資源的強化開采，高品位資源越來越少，出現了大量的低品位礦、表外礦、廢礦等，這些礦石采用傳統選礦方法回收，基本無經濟效益。細菌氧化堆浸技術是回收這些資源經濟有效的方法，通過堆浸噴淋的方式，在細菌作用下，可將礦石中的鎳直接產出硫酸鎳產品，無需傳統的礦石磨礦、浮選、冶煉過程，具有成本低、投資少、環境友好、有價成分回收率高等特點[1-3]。本次試驗以吉林省某低品位硫化鎳礦石為研究對象，通過誘變馴化培養高效率的浸礦菌株，并對細菌浸出柱浸粒度、浸出pH、接種菌量等條件進行研究，為此類低品位硫化鎳礦石資源開發利用提供新的工藝路線。

1 礦石性質

吉林省某鎳礦石為高鎂型低品位硫化鎳礦石，金屬礦物主要有金屬硫化物、金屬氧化物及金屬碳酸鹽礦物。金屬硫化物有磁黃鐵礦、馬基諾礦、鎳黃鐵礦、硫鐵鎳礦、針鎳礦、黃銅礦、黃鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦等;金屬氧化物有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、白鈦石等;金屬碳酸鹽礦物有菱鐵礦。脈石礦物主要有輝石、橄欖石、蛇紋石、綠泥石、云母類、黏土礦物、基性斜長石、石英、角閃石、碳酸鹽礦物、碳質及少量其他變質礦物。礦石礦物組成分析結果見表1。

磁黃鐵礦、馬基諾礦是該礦石中相對含量最高的金屬硫化物，多呈他形晶—半自形晶粒狀集合體，少量呈自形晶單晶狀態，其單晶粒徑多較細小，為0.02～0.05 mm，集合體粒徑較粗大，為0.5～1.0 mm或數毫米。磁黃鐵礦、馬基諾礦晶體中分布的被熔離鎳黃鐵礦呈似火焰狀、葉片狀、透鏡狀等細小晶體，同時磁黃鐵礦、馬基諾礦常呈不同方位、不同形態的不混溶體被包裹在鎳黃鐵礦、黃銅礦中。磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦、黃銅礦多緊密共生，呈共結結構。磁黃鐵礦、馬基諾礦晶體中常有細小的暗色變質礦物蛇紋石、綠泥石等分布。磁黃鐵礦、馬基諾礦少量沿脈石礦物片理、節理分布，另有少量呈細脈狀分布。磁黃鐵礦、馬基諾礦相對含量為2.50 %。

鎳黃鐵礦是礦石中主要的含鎳硫化物，含量較少的次生硫化物為硫鐵鎳礦、針鎳礦等，多呈他形晶粒狀，少呈半自形晶—自形晶粒狀或集合體，粒度以0.037～0.100 mm為主，部分集合體粒徑粗大，常為數毫米，部分顆粒細小，在0.010 mm以下。晶體常呈火焰狀或羽毛狀分凝體分布于磁黃鐵礦、馬基諾礦、黃銅礦中，其晶體常見黃銅礦、磁黃鐵礦、馬基諾礦或脈石礦物細小包體，也見有微細粒鎳黃鐵礦、硫鐵鎳礦、針鎳礦等在其他金屬硫化物、金屬氧化物、金屬碳酸鹽礦物或脈石礦物中分布，鎳黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦三者嵌布關系極為密切，多呈共結結構，部分鎳黃鐵礦等金屬硫化物在脈石礦物粒間呈海綿隕鐵結構分布。鎳黃鐵礦、硫鐵鎳礦、針鎳礦等相對含量為2.00 %。

礦石中的銅多以金屬硫化物黃銅礦的形式出現，多呈他形晶粒狀或集合體，單晶粒徑多為0.02～0.05 mm，部分顆粒細小，在0.005 mm以下。黃銅礦與磁黃鐵礦、鎳礦物緊密共生，多呈共結結構，其晶體中常分布似火焰狀、葉片狀的鎳黃鐵礦晶體，其細小晶體在鎳黃鐵礦、硫鐵鎳礦、針鎳礦及脈石礦物中有分布。黃銅礦相對含量為0.60 %。

原礦化學成分分析結果見表2，原礦鎳物相分析結果見表3，原礦銅物相分析結果見表4。

2 細菌氧化試驗菌種及方法

2.1 菌種誘變馴化

菌種的優化改良可通過誘變馴化育種技術得以實現。誘變馴化育種是指利用各種誘變劑處理微生物細胞，提高其基因的隨機突變頻率，通過一定的篩選方法獲得所需要的高產優質菌種。本次試驗采用以氧化亞鐵硫桿菌為主的混合菌種Z3 7作為基礎菌種，分別用紫外線和微波對菌種進行物理誘變，利用亞硝基胍對菌種進行化學誘變，初步篩選出紫外線誘變菌株G4 4、H4 3及微波誘變菌株I4 3，并進行進一步馴化，以適應礦石性質[4-5]。以粒度為-2 mm的原礦為研究對象，對誘變后菌種進行3次馴化，馴化試驗結果表明，菌株H4 3已適應礦石性質，浸出效果良好。

2.2 試驗方法

低品位硫化鎳礦石細菌氧化堆浸（柱浸）試驗分2個階段進行：第一階段通過對柱浸粒度、制粒與否、浸出pH、接種菌量、溫度等影響細菌浸出的關鍵因素進行研究，獲得原礦細菌浸出的最優工藝參數;第二階段對菌種誘變改良、催化劑、氧化浸出時間進行考察，計算鎳、銅浸出率。通過2個階段的細菌氧化堆浸試驗研究，獲得科學合理的工藝參數，為該低品位硫化鎳礦石資源開發利用提供有效途徑。

堆浸試驗設備由耐腐蝕塑料和軟管制作而成，堆浸柱尺寸為1.0 m（高） ×100 mm，每柱裝礦10 kg。柱浸前，先用稀硫酸溶液酸浸預處理10 d。噴淋制度為間歇噴淋制，噴淋2 d停1 d，噴淋強度為15 L/（h·m2），培養基為0K培養基，液固比為1.0。試驗研究過程中采用亞鐵離子氧化速率法、生物顯微鏡計數法及氧化還原電位法測定細菌的浸礦活性。試驗中每10 d取浸出液樣品進行分析檢測，測定氧化還原電位和Fe3+轉化率，細菌氧化堆浸結束后，用清水噴淋洗滌堆浸柱內礦樣，洗滌時間7 d。柱浸過程中鎳、銅浸出率由浸出液鎳、銅質量濃度計算得出，最終浸出率由堆浸渣鎳、銅品位計算得出[6-9]。

3 第一階段柱浸試驗

3.1 試驗條件

第一階段柱浸試驗條件見表5。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 柱浸粒度

柱浸粒度對浸出指標的影響見表6。

從表6可以看出：-10 mm、-25 mm、-40 mm 3種柱浸粒度中，-10 mm粒度礦石浸出效果最好;當氧化浸出時間為200 d時，-10 mm粒度礦石鎳、銅浸出率分別為72.45 %、71.54 %，而-25 mm粒度礦石鎳、銅浸出率分別為65.28 %、63.85 %，-40 mm粒度礦石鎳、銅浸出率分別為60.00 %、56.54 %;-10 mm粒度礦石鎳、銅浸出率明顯高于-25 mm、-40 mm粒度礦石。

研究結果同時也表明：-10 mm粒度礦石在堆浸180 d 時，鎳、銅浸出率分別為72.16 %、71.14 %，與堆浸200 d時鎳、銅浸出率基本相當。

3.2.2 制粒與否

原礦（-10 mm）制粒與否對浸出指標的影響見表7。

從表7可以看出：-10 mm低品位鎳礦石制粒后與未制粒進行堆浸，鎳、銅浸出率基本相當。本次試驗制粒與否對鎳、銅的堆浸周期及鎳、銅浸出率影響不大，這很可能是因為堆浸柱裝載的10 kg礦量較小，非制粒情況下試驗操作條件也較好，導致制粒堆浸優勢不明顯，因此細菌氧化堆浸是否需要制粒需對較大規模礦石進行堆浸研究驗證。

3.2.3 浸出pH

浸出pH對浸出指標的影響見表8。

從表8可以看出：當pH值為2、氧化浸出時間為200 d時，鎳、銅浸出率分別為72.45 %、71.54 %;當pH值為4、氧化浸出時間為200 d時，鎳、銅浸出率分別為67.36 %、66.15 %;pH值為2時鎳、銅浸出率明顯高于pH值為4時。因此，適宜pH值為2。

3.2.4 接種菌量

細菌氧化堆浸接種菌量對浸出指標的影響見表9。

從表9可以看出：接種菌量在30 %和40 %時對原礦堆浸效果影響不大。綜合考慮，接種菌量宜為30 %。

3.2.5 溫 度

溫度對浸出指標的影響見表10。

從表10可以看出：細菌氧化堆浸溫度為30 ℃和室溫時，鎳、銅浸出率基本相當。這是由于本次試驗在室內進行，室溫在17 ℃～30 ℃，該溫度對細菌的繁殖增長較為適宜，與堆浸柱恒溫30 ℃差別不是很明顯。在實際生產過程中，由于礦堆體量較大，礦堆內部環境穩定，礦堆中心溫度較高，更有利于細菌的繁殖和生長，細菌氧化礦物的速度將進一步加快，堆浸周期將進一步縮短。

4 第二階段柱浸試驗

4.1 試驗條件

在第一階段柱浸試驗最佳柱浸粒度、浸出pH、接種菌量、溫度等工藝參數的基礎上，第二階段針對菌種誘變改良、催化劑、氧化浸出時間進行進一步考察、驗證，以期獲得更穩定、優良的工藝參數。試驗條件見表11。

4.2 試驗結果分析

4.2.1 菌種誘變改良

菌種誘變改良對浸出指標的影響見表12。

從表12可以看出：在不添加催化劑硝酸銀的條件下，采用經紫外線誘變改良后的菌種H4 3對-10 mm粒度低品位鎳礦石進行細菌氧化堆浸，當堆浸180 d時，鎳、銅浸出率分別為72.16 %、71.14 %，而普通菌種Z3 7的鎳、銅浸出率則分別為64.11 %、63.70 %，前者明顯高于后者;在添加5 g/t硝酸銀催化劑的條件下，采用菌種H4 3對-10 mm粒度低品位鎳礦石進行細菌氧化堆浸，當堆浸150 d時，鎳、銅浸出率分別為72.22 %、71.03 %，而普通菌種Z3 7的鎳、銅浸出率則分別為62.82 %、59.93 %，前者明顯高于后者;說明改良后菌種氧化性能明顯優于普通菌種。

4.2.2 催化劑

添加Ag+催化劑（硝酸銀）對浸出指標的影響見表13。

從表13可以看出：在使用普通菌種Z3 7條件下，未添加Ag+催化劑堆浸180 d時，鎳、銅浸出率分別為64.11 %、63.70 %;添加Ag+催化劑時，鎳、銅浸出率分別為68.96 %、68.03 %，Ag+催化劑使用效果明顯。采用誘變改良后菌種H4 3，加入Ag+催化劑后，細菌氧化堆浸速度也明顯加快，當堆浸150 d時，鎳、銅浸出率分別為72.22 %、71.03 %;而未添加Ag+催化劑堆浸180 d時，鎳、銅浸出率分別為72.16 %、71.14 %;添加Ag+催化劑后氧化周期縮短了約30 d。

4.2.3 氧化浸出時間

使用誘變改良菌種H4 3，在溫度為室溫、柱浸粒度為-10 mm、浸出pH值為2、接種菌量為30 %且添加Ag+催化劑的情況下，氧化浸出時間對鎳、銅浸出指標的影響見表14。

從表14可以看出：在添加Ag+催化劑的情況下，原礦細菌氧化堆浸150 d后，鎳、銅浸出率基本不再增加，浸出過程基本結束。原礦酸浸時間10 d，氧化浸出時間150 d，洗滌時間7 d，因此原礦細菌氧化堆浸總周期為167 d。

5 結 論

1）吉林省某高鎂型低品位硫化鎳礦石中鎳品位為0.530 %，硫化鎳中鎳分布率為93.96 %，硅酸鎳中鎳分布率為5.28 %;原礦中銅品位為0.260 %，氧化鎂品位為19.18 %。

2）使用誘變改良菌種H4 3，在柱浸粒度-10 mm、浸出pH值2、接種菌量30 %、氧化浸出時間150 d、室溫及添加Ag+催化劑的條件下，鎳、銅浸出率分別為72.22 %、71.03 %，試驗指標較理想，為該類型低品位硫化鎳礦石開發利用提供了新的技術路線。

3）原礦細菌氧化堆浸至150 d后，鎳、銅浸出率基本不再增加，浸出過程基本結束。此時，原礦酸浸時間10 d，氧化浸出時間150 d，洗滌時間7 d，因此原礦細菌氧化堆浸總周期為167 d。

4）試驗菌種以氧化亞鐵硫桿菌為主，含有氧化硫硫桿菌和鐵螺旋菌等。細菌無毒、無污染，對人體及動植物無害，不會對環境造成污染。

[參 考 文 獻]

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Study on biological oxidation heap leaching process of low-grade nickel sulfide ores

Ren Hongsheng，Zheng Shenji，Liu Xinyan，Zhang Mingxin，Han Zhiwei，Lang Chunhui，Cui Shangzhe

（Metallurgical Research Institute of Jilin Province）

Abstract：The biological oxidation heap leaching process where high-efficiency leaching strains are domesticated and cultivated is used to treat certain high magnesium and low-grade nickel sulfide ores from Jilin Province.The process conditions such as catalyst and column grain size，granulation，leaching pH and bacterial inoculation amount are studied.The results show that the leaching rates of nickel and copper are 72.22 % and 71.03 % respectively under the conditions：column grain size of -10 mm，leaching pH value of 2，bacterial inoculation amount of 30 %，biological oxidation heap leaching for 150 d，room temperature and addition of Ag+ catalyst.The index is good.The study provides technical basis for the development and utilization of low-grade nickel sulfide ore resources.

Keywords：nickel sulfide ore;low grade;biological oxidation;heap leaching;leaching rate

收稿日期：2022-02-10; 修回日期：2022-03-15

基金項目：吉林省科技廳科技發展計劃項目（20190303055SF）

作者簡介：任洪勝（1971—），男，吉林長春人，正高級工程師，從事選礦技術研究工作;長春市前進大街2266號，吉林省冶金研究院，130012;E-mail：rhs1971@163.com