微生物冶金研究及应用示例
摘要：微生物冶金是微生物学与矿物加工学相交叉而产生的一门新兴的边缘学科，开展这方面的研究具有重要的学术意义及广阔的应用前景。本文主要对微生物冶金以及其在矿物开采中的应用进行了较全面的综述，包括微生物冶金发展概况、冶金微生物、微生物冶金技术及冶金过程的机理，并介绍了微生物冶金技术的应用现状。
关键词：生物冶金；硫化矿；冶金技术；生物浸出
矿产资源的开发与利用是支持全球经济发展与社会进步的重要基础之一。随着全球工业化迅速发展带来的自然资源的飞速开发，导致优质富矿资源日趋枯竭，从而品位低以及成分复杂的贫矿资源开始受到人们日渐关注，难选冶炼矿石所占比例不断攀升。常规冶金技术在对低品位低矿物的加工过程中所体现出的产量低、成本高、污染大等缺点，在技术和经济上已无法满足工业生产需求，微生物冶金技术逐渐受到人们的重视[1]。
生物冶金技术又称生物浸出技术，其本质是利用自然界中的微生物或其代谢产物溶浸矿石中有用金属的一种技术。这些微生物为适温细菌，靠无机物生存，对生命无害，它们可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的酸性金属氧化成可溶性的金属盐，不溶的贵金属留在残留物中。并一旦溶液可与残留物分离，在溶液中和之前，采取传统加工方式，如溶剂萃取等方法来回收溶液中的金属；可能存在于残留物中的金属，经细菌氧化后，通过氰化物提取。生物冶金技术具有能耗少、设备简单、操作方便、成本低、工艺流程简单、无污染等优点[2-3]，在矿物加工及冶金领域逐渐受到重视并发展壮大起来,是未来冶金行业发展的重要方向之一[4]。因此，微生物冶金技术的研究及其应用对冶金学的发展具有重要的理论和实际意义[5-6]。
1 微生物冶金发展概况
生物冶金的应用研究开始于20世纪40年代。1947年，Colmer和Hinkel[7]
首次从酸性矿坑水中分离到氧化亚铁硫杆菌。其后，Temple等[8]和Leathen等[9]先后发现这种细菌能够将Fe2+氧化为Fe3+，并且能够将矿物中的硫化物氧化为硫
酸。1958年，Zimmerley等[10]首次申请了生物堆浸技术的专利，并将该专利委托于美国Kennecott铜业公司，从而开启了现代微生物冶金的工业应用。 生物冶金最早是应用于低品位铜矿石的生物浸出，1958年，美国率先进行了铜矿石的堆浸生产。此后，智利、前苏联、日本、加拿大、澳大利亚、巴西、西班牙、印度等国都先后采用微生物堆浸法来处理低品位的混合型铜矿石，或采用原位浸出法回收井下难采矿石中的金属铜。智利的Lo Aguirre采用生物冶金对铜矿石进行堆浸，仅10余年时间处理量就达到16 000 t/d[11]。澳大利亚一家铜矿企业用氧化亚铁硫杆菌浸出铜精矿，浸出液再采用萃取-电积工艺处理，证明了铜精矿的微生物浸出在技术和经济上都具有可行性[12]。迄今为止，生物冶金在工业上应用最多的还是从铜矿中回收金属铜。20世纪80年代，生物冶金开始推广到其他贵金属的提取。金精矿通常采用槽浸法来处理，堆浸工艺主要用于处理低品位金矿石，目前，细菌的预氧化技术已成为极具竞争力的金矿预氧化工艺。20世纪60年代，铀矿的生物冶金也逐渐开始进行工业应用[13]。生物冶金的巨大优势使得这项技术迅猛发展，目前生物冶金在矿冶工业中已得到广泛应用。继铜、金、铀的生物冶金实现工业化生产之后，镍、钴、锌、锰也逐渐实现工业化应用
[14]
。
中国采用生物冶金浸矿的专业研究始于20世纪60年代，中国科学院微生物研究所对铜官山铜矿进行微生物浸出的实验研究取得了显著进展[15]。目前，生物冶金的研究大多还处于实验室研究阶段，工业化应用的实例还不多。80年代，中国科学院微生物研究所、中南大学、北京有色金属研究总院、北京矿冶研究总院、中国科学院过程工程研究所等单位，分别对铜、镍等低品位矿石的生物冶金及含砷金矿的预氧化技术进行了广泛研究。1997年5月，中南大学与江西铜业公司合作，在江西德兴铜矿建成了我国第1家年产2 000 t阴极铜的微生物堆浸厂，到2000年，紫金矿业也建成微生物堆浸厂，处理矿石含铜0.68%。国内微生物提金技术近年来也进入了工业化的应用阶段，烟台的黄金冶炼厂在2000年建成投产了生物预氧化工厂，对含砷较高的金精矿进行预处理，处理量达到60 t/d，高砷金精矿常规浸出仅能回收10%的金。而经过生物预氧化后，回收率能够达到96%。另外，镍的微生物浸出实践也在甘肃金川集团逐步施行。总的来说，我国微生物浸出技术的研究还大多处于实验室研究阶段，工业化应用的实例还不
多。
2 微生物冶金
2.1 冶金微生物
微生物冶金又叫微生物浸出或细菌浸出，它是利用自然界中的特定微生物的生理生化作用，使矿石中的金属溶解、富集的湿法冶金技术。据报道可用于浸矿的微生物的细菌有几十种，按它们生长最佳生长温度分为，中温菌(mesophile)， 中等嗜热菌 (moderate thermophile)，与高温细菌 (thersopbile) [16]。目前常用的有氧化亚铁硫杆菌 (T．ferrooxidaus)，氧化硫硫杆菌 (T．thiooxidans)，氧化亚铁微螺菌 (L．ferrooxidans Sulfobacillus)[17]，Thermoacldophilic archaebacteria等，冶金菌主要生存在适合自身生长而其它菌不能存活的酸性矿坑水中，在适合的温度、pH及无机盐浓度的条件下，以 Fe(II)、S、或硫化矿为能源物质，对这些物质的氧化过程中获得能量，合成维持自身生长的物质，同时产生利于浸矿的酸或者其他一些代谢物。
2.2 微生物冶金技术
按照微生物在矿物加工中的作用可将生物冶金技术分为：生物浸出、生物氧化、生物分解[18]。
2.2.1 生物浸出
硫化矿的细菌浸出的实质是使难溶的金属硫化物氧化，使其金属阳离子溶入浸出液，浸出过程是硫化物中S2-的氧化过程。硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用，[19-21]同时还具有原电池效应及其它化学作用。其浸出机理是：
——直接作用：浸出过程中，微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解。用反应方程式表示为：
式中M——Zn、Pb、Co、Ni等金属。
——间接作用：微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子，氧化成三价铁离子，产生的高铁离子具有强氧化作用，其对硫化矿进一步氧化，硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子，铁离子被催化氧化，如此反复。