微生物冶金研究、應用進展和展望

蘇天罡

摘 要：微生物冶金是指在微生物的生理生化的作用下將礦物中的金屬以金屬離子的形式溶解到溶液中。微生物冶金相較于傳統冶金技術有很大的優勢，在國內外都有較多的實踐的例子，而且其發展前景廣闊。本文就目前該技術的發展進展以及應用進行一些總結和展望。

關鍵詞：微生物冶金；礦物開采；冶金技術

中圖分類號：TD853.37 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）17-0222-02

1 引言

工業的發展使得人們對礦產資源的需求量不斷加大，現有的礦石資源不斷被消耗在可預見的未來礦產資源的短缺必然是限制工業發展，進而阻礙現代化進程的因素之一。經過人類的大力開采，全世界范圍內的礦產資源呈現原礦品位低，礦資源難處理的態勢，這就對傳統的冶金技術提出了挑戰。而微生物冶金技術能突破傳統冶金方法無法利用低品位礦、尾礦、金屬共生礦等難處理礦的限制，已經在冶金領域包括回收低品位礦產中的金屬、預處理難處理的礦石、對三廢的治理等方面，顯示出具有明顯優勢的應用前景，同時與傳統的冶金技術相比，微生物冶金對環境更加友好，工藝流程更加簡單，成本更低以及耗能更少。

2 微生物冶金

根據微生物在金屬冶煉中的作用，可以分為三種微生物冶金技術：微生物浸出、微生物氧化、微生物分解。微生物浸出是指使用含有微生物的溶劑，利用特定微生物獨有的生理生化作用，溶解礦石中的金屬，并將其富集起來的濕法冶金技術。生物氧化是對包含金屬的難處理的載體礦物進行預氧化，是其中的金屬更容易解離出來的技術。例如很多難處理的金礦，需要被冶煉提取的金屬金以特殊的方式被包裹在黃鐵礦、砷黃鐵礦等載體硫化礦物之中，而用傳統的冶金技術很難將其中的金提取出來，而通過微生物氧化的預處理，可以為下一步酸浸出創造條件，易于金的提取。生物分解技術主要應用在鋁土礦中，微生物代謝可將礦石中的碳酸鹽礦物分解產生二氧化碳，而產生的二氧化碳溶解在水中生成碳酸，碳酸會進一步加速碳酸鹽的分解。這三種技術中應用最廣研究最為深入的是微生物浸出技術。

2.1 微生物冶金的菌種

應用于微生物浸出技術的微生物多為桿菌能生長在普通細菌無法生存的酸性礦坑水中，它們通過攝取環境中的無機物來合成自身組織，利用對礦石中硫、鐵的氧化獲得的能量來促進物質的合成。礦石中中金屬自然溶解的速率很慢，但在微生物的作用下溶解速率可以提高105倍。目前已知的參與微生物浸出的細菌種類有20多種，其中主要的是如下幾種：

（1）氧化鐵硫桿菌：是目前在銅礦浸出中最常用的菌種，是一種自養微生物，生存環境的pH值在2～3，能在酸性礦坑水中生存，主要生存于含硫的溫泉和礦石、含金礦石等之中。通過氧化鐵和硫獲得生物合成所需的能量來推動自身所需有機物的合成。（2）硫化芽孢桿菌：在自然界中存在廣泛，在火山口、硫化礦中均有發現。（3）氧化嗜酸古菌：不是細胞，屬于古細菌，一種自養微生物，生長生存所需的能量可通過氧化硫、亞鐵和硫化物來獲得，2～3是其最適生長的pH值范圍。（4）氧化硫桿菌：存在于硫和硫化物礦石之中，可以氧化亞鐵至高價鐵，也可以氧化硫以及一些還原態的硫化合物，最適生長pH值為2.0～2.5。（5）微螺球菌：在黃銅礦礦堆中廣泛存在，不能氧化硫及其還原態化合物，能氧化亞鐵離子以及黃、白鐵礦。生長的最適宜pH值范圍是2.5～3.0。

2.2 微生物浸出的機理

目前關于微生物浸礦的機理研究主要有如下三種：

2.2.1 直接作用

微生物浸礦的直接作用是指微生物吸附在礦石表面，通過體內的硫、鐵氧化物酶直接氧化硫化物，使金屬溶解在酸液里。其過程包括：微生物通過靜電力等物理吸附或者通過一層黏膜來化學吸附在礦石表面、氧化二價亞鐵離子或者硫元素以及低價態硫化學物獲得能量、氧化過程中形成的電子透過細胞壁與細胞呼吸所需的氧結合。

2.2.2 間接作用

研究認為，微生物在分解礦石成分中氧化生成在Fe3+在浸礦中起著重要的作用，即微生物浸礦的間接作用。微生物的氧化還原代謝產生的硫酸鐵和硫酸作用于礦石中的化合物，起到溶解出其中金屬的效果。這種作用主要包括氧化產物與礦石成分發生絡合反應、氧化還原產生的Fe3+以及其他物質與金屬化合物發生氧化還原反應、代謝產生的無機酸或者有機酸溶解金屬化合物。

2.2.3 原電池效應

當需浸出的礦產由兩種或者兩種以上的礦物體系構成且同時浸沒在電解質溶液中，多種物質之中彼此存在電位的高低，這樣與電解質一起構成了原電池，電位高的充當陰極，電位低的充當陽極，電子從低電位向高電位發生轉移形成電流。原電池形成會加速礦物的氧化，而微生物的存在會強化原電池效應。

2.3 微生物冶金的工業

目前的微生物浸出工藝主要有如下幾種：

（1）堆浸法：該法廣泛應用于浸出各種尾礦、廢礦中的金屬，通過從礦堆上方噴淋酸性浸礦溶液，在重力作用下浸礦溶液自上而下經過礦堆，與礦堆中的化合物接觸發生反應。該方法的成本低、操作簡單，適合處理尾礦、廢礦、貧礦。但其堆浸所需的時間是由礦物中成分所決定，有可能出現堆浸時間過長的問題。（2）槽浸法：槽浸法是將礦料放在攪拌槽中，加入浸礦溶液，使整個浸出過程在攪拌槽中完成。該法的優點是浸出周期短，金屬的回收率高，浸出的條件容易控制。但同時該法對需對浸出的礦石進行預處理，嚴格控制礦石的直徑，而且對設備要求比較高，生產成本高，一般用來處理高品位礦石。（3）就地浸出法：該法用來處理低品位難開采的礦石。直接在礦體中實施，設計開鑿浸出液通過的通道，將浸出液灌注入通道，抽至地表面進行回收。該法省去了采礦的步驟是一種直接回收金屬的浸出法。

3 微生物冶金的應用以及特點

目前微生物冶金技術可應用在多種金屬的幾乎所有硫化礦的浸出中。在國外，微生物浸出的方法提取礦石中的銅和鈾，以及對砷金礦的預氧化已經應用到產業化生產中。endprint

在銅的冶金中，生物提取出的銅的總量約占世界總的銅提取量的25%，在美國、智力、澳大利亞等國家，微生物冶金提取銅已經是一項產業化的生產技術，在我國銅礦資源相對匱乏，貧礦較多，礦體中多含復雜金屬，由于國內的銅礦的原礦品位低，精礦品味偏低，適合微生物浸出法進行金屬的冶煉。目前我國已經在江西德興、紫金山銅礦、中條山銅礦峪礦這三個礦使用微生物浸出法進行金屬冶煉。

鈾作為一種重要的戰略資源今年來是世界各國重點開產的金屬。加拿大、葡萄牙在20世紀60年代應用生物浸鈾法對鈾進行開采，而后美國、西班牙等國也相繼開展了生物浸鈾。我國目前有一定生產規模的生物浸鈾，從菌株選育、工藝流程優化等方向對生物浸鈾技術進行發展，并取得顯著效果。

對于金的開采，通過生物氧化技術對金礦礦石進行預氧化能顯著得提高金的回收率，國內外目前已建立多個生物氧化提金廠。

傳統的冶金方法需要高溫、高壓、強酸、強堿等劇烈的反應條件而微生物冶金的條件更加溫和，對設備的要求比較低，生產成本低而且生產過程易于控制。在處理廢礦、尾礦、貧礦上具有優勢使得資源利用率得到提高，而且生物冶金使用的浸出液易于運輸，具有應用廣的特點。同時，生物冶金中使用的浸出液可以反復使用，對環境無污染，對礦石的預處理要求比較都，具有節能環境友好的優點。

4 影響微生物冶金的因素

4.1 菌種

目前應用于微生物冶金的菌種有20多種，不同菌種對同一金屬礦，以及同一菌種對不同的金屬礦的適應能力上存在很大的差異。經過一系列的實驗室手段進行馴化過后的菌種比自然界中本身存在的菌種的冶煉效果要好很多。而通過分子生物學以及基因工程等手段對冶金技術中微生物進行遺傳改造，提高其在金屬冶煉過程中的效率，也是目前微生物冶金的一個方向。

4.2 礦石特性

礦產本身的化學組成是影響微生物浸出的一個關鍵因素，礦石中某些金屬元素的溶出會影響微生物的生長、代謝、繁殖。礦石成分的電位差對浸出效率也有一定影響。礦石中某些元素的溶出會改變酸溶液中的pH值。此外，礦石粒的大小也會影響浸出效率，當礦石粒較小時，其比表面積較大，更有益于與微生物的接觸，增加了浸出的反應表面積，但如果礦石粒過小對于堆浸法而言，會不利于空氣的流通以及溶液的滲透，從而影響浸出效率。

4.3 溫度、pH值以及離子濃度

不同的浸出菌對溫度的耐受度不同，中溫菌只有在溫和的溫度下才能發揮作用，當溫度高于45攝氏度時微生物的生長受到影響甚至會死亡。而極端嗜熱菌能在65攝氏度以上的條件下正常生存，并有很高的浸出率。同樣，不同的微生物有最適的生存pH值，一般浸出菌的最適pH值低于3，同時pH值對金屬在溶液中的存在有很大影響，當pH值大于7時，金屬會形成沉淀。浸出的浸出離子強度也會影響微生物的代謝，離子濃度過高時會不利于微生物的氧化還原代謝以及礦物表面的微生物密度。

5 展望

微生物冶金這項技術早已存在，其本身具有很多傳統冶金技術沒有優勢，目前越來越受到重視。但這項技術目前依然有很多值得改進的地方，如目前浸出所用的微生物的適應性普遍較差，對溫度的適應范圍不夠大，可以通過生產工程菌來改善微生物的氧化能力；對冶金的反應設備進行改善，提高微生物浸出的效率以及優化生產工藝；研究微生物冶金工藝中的熱力學、電力學以及微生物生長曲線為進一步改善技術提供理論指導。微生物冶金是目前全世界著力發展的冶金技術，和國外相比我國發展起步晚，但研究進程較快，相信不久的將來微生物冶金能在國內外的冶金工業發展中起到決定性的作用。

參考文獻

[1]李學亞，葉茜.微生物冶金技術及其應用[J].礦業工程，2006，4（2）：49-51.

[2]周洪波，毛峰，王玉光.嗜酸微生物與生物冶金技術[J].礦物巖石地球化學通報，2015，34（2）：269-276.

[3]呂飛龍，李江.微生物冶金在礦物開采中的應用進展[J].化學工程與裝備，2012（5）：131-133.

[4]李宏煦，王淀佐.生物冶金中的微生物及其作用[J].有色金屬工程，2003，55（2）：58-63.endprint