鎳尾礦細菌堆浸的模擬試驗研究

摘要：細菌冶金技術用于處理低品位的尾礦，可有效溶解礦石中的鎳元素。本試驗選用礦坑中的菌種作為原始菌種進行培養，考察pH和溫度對菌種生長的影響，并利用尾礦池浸模擬堆浸，對比不同固液比的細菌浸出效果。試驗結果表明，最佳pH為2，最佳溫度為30 ℃，此時細菌濃度可達4.6×108個/mL。經尾礦池浸模擬，固液比分別為30%、40%和50%時，鎳的浸出率分別為80.0%、76.2%、63.9%，浸出渣的鎳品位分別為0.026%、0.031%、0.047%。細菌冶金技術對尾礦有很好的浸出效果，可以解決尾礦長期堆存問題，應用前景廣闊。

關鍵詞：生物浸出；尾礦；鎳；池浸；堆浸；模擬試驗

中圖分類號：TD926.4；TF815 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）04-000-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.04.003

Simulated experimental study on bacterial heap leaching of

nickel tailings

WANG Xin1，2， YANG Hongying1，2， TONG Linlin1，2

（1. Key Laboratory for Ecological Utilization of Multimetallic Mineral， Ministry of Education， Northeastern University;

2. School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang 110819， China）

Abstract： Bacterial metallurgy technology is used to treat low grade tailings， which can effectively dissolve nickel in ores. In this experiment， the bacteria in the mine pit are selected as the original bacteria for cultivation， and the effects of pH and temperature on the growth of the bacteria are investigated， and tailings pond leaching is used to simulate heap leaching， and the effects of bacterial leaching with different solid-liquid ratios are compared. The experimental results show that the

optimal pH is 2， the optimal temperature is 30 ℃， and the bacterial concentration can reach 4.6×108 pieces/mL. After tailings pond leaching simulation， when the solid-liquid ratio is 30%， 40% and 50%， the nickel leaching rates are 80.0%， 76.2% and 63.9%， respectively， and the nickel grades of the leaching residue are 0.026%， 0.031% and 0.047%， respectively. Bacterial metallurgy technology has a good leaching effect on tailings， which can solve the long-term stockpiling problem of tailings， and has a broad application prospect.

Keywords： biological leaching; tailings; nickel; pond leaching; heap leaching; simulation experiment

鎳作為一種耐腐蝕、抗氧化的金屬材料，被廣泛應用在鋼鐵工業、軍事工業以及汽車工業。我國鎳礦資源豐富，其同時伴生鈷、鐵、銅等金屬，但是隨著高品位易采鎳礦的消耗，剩余鎳礦品位相對較低，開采條件差[1]。鎳資源缺口日益擴大，我國嚴重依賴進口[2-4]。因工藝條件限制，不能處理的浮選尾礦和低品位硫化礦大量堆積，形成尾礦庫，造成大片土地被覆蓋，存在安全問題與環境污染[5-7]。尾礦鎳品位較低，但是其中蘊藏的鎳資源非常可觀，如果能充分利用，可以緩解鎳資源需求，另外，處理后的鎳尾渣可以應用在建筑行業[8]。因此，如何處理這些尾礦成為重要的研究方向，環境友好、浸出成本低的生物冶金技術逐漸走向前臺，該技術既可以避免重要金屬資源浪費，又可以解決環境問題[9-10]。本文利用尾礦池浸模擬堆浸，通過試驗研究細菌浸出的最優條件，分析利用細菌冶金技術從尾礦中浸出鎳的可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

某尾礦庫堆存大量鎳尾礦，鎳品位為0.13%，其主要化學成分如表1所示。試驗選用的菌種采自當地礦坑，將其命名為ZXJE511菌，9K培養基提供細菌生長能量。試驗過程中，根據細菌生長情況，合理進行添加。所需藥品有（NH4）2SO4、KCl、K2HPO4、MgSO4·7H2O、Ca（NO3）2、FeSO4和濃硫酸。

1.2 試驗步驟

一是細菌培養條件篩選。分別量取培養好的菌液20 mL，倒入多個錐形瓶中，另外加入180 mL 9K培養基，配制成10%的接種量，分別把錐形瓶的溶液pH調成設定值，在轉速160 r/min、不同溫度的振蕩箱中進行培養。每天定時檢測培養液的氧化還原電位、Fe2+濃度以及細菌濃度。二是不同固液比（30%、40%、50%）條件下的尾礦生物浸出試驗。取200 mL 9K培養基，分別加入150 g、200 g、250 g鎳尾礦，調節pH至2.0，然后加入菌液300 mL，再次調節pH至2.0，并在接下來的試驗過程中調節溶液體積，使其在固定刻度，pH始終保持在2，定時檢測鎳浸出率。

2 結果與討論

2.1 不同pH條件下氧化還原電位、Fe2+濃度及細菌濃度變化

細菌培養過程中，及時檢測培養液的氧化還原電位、Fe2+濃度以及細菌濃度變化。由圖1可以看出，培養液在前3 d的氧化還原電位變化很小，從第4天開始，pH為1.5和2.5的培養液氧化還原電位開始快速增加，第6天達到700 mV，此時溶液氧化能力較強，這從側面證明細菌大量生長。而pH為0.5的培養液氧化還原電位緩慢下降，維持在380～400 mV，這說明細菌不適宜在此pH環境下生長。

Fe2+氧化過程可以提供細菌生長所需的能量，在細菌培養過程中，Fe2+濃度變化如圖2所示。pH為1.5和2.5的培養液中，Fe2+濃度在前2 d緩慢下降，從第3天開始急速下降。pH為1.5的培養液中，3 d內Fe2+濃度從8.3 g/L降到近乎為零。pH為2.5的培養液中，Fe2+濃度更是2 d內從8.6 g/L降到0 g/L。pH為0.5的培養液中，Fe2+濃度相對穩定，始終維持在7.5～7.8 g/L。

由圖3可知，pH為1.5和2.5的培養液中，前2 d細菌濃度基本維持在4.0×107～5.2×107個/mL，第3天細菌濃度緩慢增加，第4天到第5天細菌經歷對數生長期，細菌濃度為2.2×108～3.4×108個/mL。而在pH為0.5的培養液中，細菌濃度僅為2.0×107個/mL，經顯微鏡觀察，在此環境下，細菌活性較差，部分細菌發生死亡。綜上所述，ZXJE511菌生長環境的適宜pH應不小于1.5。

2.2 ZXJE511菌的最佳pH及溫度條件試驗

為了更準確地確定適宜ZXJE511菌生長的最佳pH和溫度，設計5個試驗組。試驗組一pH為2，溫度為25 ℃；試驗組二pH為2，溫度為30 ℃；試驗組三pH為2.5，溫度為30 ℃；試驗組四pH為3，溫度為30 ℃；試驗組五pH為2，溫度為45 ℃。其他試驗條件同上。

由圖4可知，在試驗組二、試驗組三、試驗組四與試驗組五中，細菌培養5 d，培養液的氧化還原電位介于633～700 mV，其中，相比試驗組三、試驗組四，試驗組二、試驗組五氧化還原電位更高。經過5 d培養，試驗組四培養液的氧化還原電位才達到402 mV，這說明pH過高不適宜ZXJE511菌生長。

由圖5可知，在5個試驗組中，前3天Fe2+濃度緩慢下降，從第3天到第5天，Fe2+濃度從8.3 g/L急速減少，接近于零，其中試驗組二、試驗組五下降速度十分明顯。試驗組四前期Fe2+濃度緩慢下降，第5天為6.3 g/L，這說明試驗組四條件不適宜ZXJE511菌生長。

由圖6可知，在5個試驗組中，ZXJE511菌前期增長緩慢，從第3天開始進入對數生長期。試驗組五的細菌濃度從5.2×107個/mL增加到3.1×108個/mL，而試驗組一、試驗組二更明顯，細菌濃度分別達到4.0×108個/mL和4.6×108個/mL。試驗組四細菌一直緩慢生長，最終細菌濃度只有1.6×108個/mL，與試驗組二相差較大。綜上所述，ZXJE511菌生長環境的最佳pH為2，最佳溫度為30 ℃。

2.3 不同固液比尾礦生物浸出

本試驗采用ZXJE511菌進行鎳尾礦浸出，在pH為2、室溫（夏季）的最佳條件下，分別選取固液比為30%、40%、50%的礦漿進行對比，鎳浸出率如圖7所示。固液比為30%時，試驗前期浸出速度較快，浸出35 d時，鎳浸出率可達57.6%，這是因為細菌處于對數生長期，細菌氧化作用加快浸出，后期浸出速度減慢，浸出90 d后，鎳浸出率達到80.0%，浸后渣中鎳品位為0.026%。固液比為40%時，試驗前期浸出速度較快，浸出35 d時，鎳浸出率接近51.8%，浸出90 d后，鎳浸出率可達76.2%，浸后渣中鎳品位為0.031%。固液比為50%時，與固液比為30%、40%的試驗組相比，整體浸出速度較慢，最終浸出率達到63.9%，浸后渣中鎳品位為0.047%。

3 結論

本文通過尾礦池浸模擬堆浸，探索出鎳尾礦細菌浸出的新工藝，以解決尾礦長期堆存造成的污染，同時回收金屬鎳，為企業創造新的價值。試驗結果表明，ZXJE511菌生長環境的最佳pH為2，最佳溫度為30 ℃，這時細菌濃度達到4.6×108個/mL。鎳尾礦的鎳品位為0.13%，礦漿的固液比分別為30%、40%、50%時，經過90 d細菌池浸，鎳浸出率分別達到80.0%、76.2%、63.9%，浸出渣的鎳品位分別為0.026%、0.031%、0.047%。

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