低碳高效生物氧化提金槽的設計與應用

摘要：為應對當前生物氧化預處理提金技術中面臨的核心氧化槽處理能力受限、能耗高及碳排放量大等挑戰，研究設計了一種低碳高效生物氧化提金槽，成功實現了單槽處理能力突破1 000 m3，并預期節能15 %～20 %，氧化酸氣排放量減少90 %以上的目標。在實際應用中，每臺設備的一次性投資降低了10 %～20 %，顯著提升了整體氧化提金效率，縮短了微生物氧化周期，設備運行能耗降低了10 %以上，同時確保了氧化槽酸氣的無污染排放。低碳高效生物氧化提金槽的設計與應用在高效提取金元素的同時降低能耗與碳排放，推動了行業向綠色可持續發展方向邁進，為生物氧化預處理提金技術的廣泛應用提供了堅實支撐。

關鍵詞：低碳高效；生物氧化預處理；提金槽；環保；技術創新；降低能耗

中圖分類號：TF111""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0061-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241212

引 言

生物氧化預處理提金技術依托自然微生物資源，精選嗜硫嗜鐵浸礦菌株，經培養馴化后，在適宜條件下，利用其代謝活動直接或間接氧化分解硫化礦基質，破壞包裹金的黃鐵礦、砷黃鐵礦等有害組分，有效釋放金礦物。經數十年工程實踐，該技術面臨市場需求增長與技術革新的挑戰，傳統小型氧化槽（≤1 000 m3）已難以滿足生產需求。同時，綠色、低碳、高效的生產理念對微生物濕法冶金氧化槽的技術創新與市場推廣提出了更高要求。生物氧化提金槽作為該工藝的核心設備，其系列化與標準化在中國尚處于初步發展階段，現有設備多源自引進或初步國產化。傳統操作中，需強烈攪拌以維持礦漿懸浮并確保溶解氧充足［1］。然而，現有設備存在充氣與攪拌結構缺陷，導致傳質效率低、剪切力高、氧化效能不佳［2-4］。因此，優化傳質效能、提高溶解氧濃度及減小剪切力，是開發節能、低碳、安全環保且高效智能的大型生物氧化提金設備的核心要素。

本研究依據市場主流攪拌器設計的新趨勢，通過設計理念與設備結構的革新及工藝功能的拓展，創新設計了低碳高效的生物氧化提金槽，實現了單槽處理能力突破1 000 m3，預期節能15 %～20 %，氧化酸氣排放量減少90 %以上的目標，有效減輕企業氣體排放污染。在確保實際應用可行性的基礎上，實施多元化應用設計創新策略，以促進生物濕法冶金技術的廣泛普及，引領行業技術進步。

1 低碳高效生物氧化提金槽的設計

1.1 系統分級

依據生物氧化提金工藝的實際需求，將提金槽設計為多級配置，旨在實現更加低碳、節能、高效的工業應用。一級調整槽采用多個小容量、低功率槽體，配備獨立風機供風與換熱系統，以優化微生物繁殖條件；微生物成活后，依次進入二級放大氧化槽、三級深度氧化槽及四級緩沖氧化槽。其中，一級調整槽的單槽處理量不超過二級放大氧化槽的一半；三級深度氧化槽與二級放大氧化槽的單槽處理量相當，但風量與換熱量均減少10 %以上，旋流微泡曝氣器與換熱器數量配置減少10 %以上，攪拌系統功率相應降低10 %以上；四級緩沖氧化槽的單槽處理量不小于三級深度氧化槽，且在不進行換熱與減少曝氣的情況下，攪拌功率進一步降低10 %以上。各級微生物氧化提金槽的結構大小、內構件種類與數量均根據實際需求進行優化，以確保在滿足生物氧化工藝的前提下，最大限度地降低能耗與設備投資。相較于傳統設計中結構大小與內構件功能均相同的配置，多級設計更符合企業節能低碳的需求，有助于降低投資與運行成本。低碳高效生物氧化提金槽結構示意圖見圖1。

1.2 低碳高效反應器

生物氧化提金槽需要高效功率輸出，以促進大量氣體與固體的有效分散，同時避免泛液現象的發生［5-6］。其核心功能組件通常涵蓋氣體供給單元、攪拌裝置、氣體分布裝置及熱交換管束。在實際應用中，空氣供給系統的能耗往往高于攪拌裝置。基于市場需求與技術發展，低碳高效反應器的構造進一步擴展為負載基礎槽體、固液氣混勻系統、儲能換熱系統、安全環保控制系統、生產應急處理與取樣分析輔助系統。

1.2.1 負載基礎槽體

負載基礎槽體專為微生物氧化礦漿設計，集成了進出料與物料投加組件。槽體各層板材厚度依據特定算法確定，材質多樣，涵蓋碳鋼（配防腐內襯）、不銹鋼、非金屬（PP纏繞罐等）及混凝土等。其高徑比為1∶1，并依據液位配置外部加固環。流體進出方式包括上進下出折流與負壓下進上出溢流2種。鋼槽制造流程涉及板材預彎、脹圈緊固及倒裝吊裝［7］。考慮壓力、腐蝕性及設備壽命等因素，槽底壁厚不小于最下層厚度，硫酸環境下腐蝕裕量為4 mm（含鋼板公差0.56 mm），不銹鋼腐蝕速率為0.1～1 mm/a。立式圓柱反應器壁厚則通過“定設計點法”精確計算［8］。

1.2.2 固液氣混勻系統

1.2.2.1 機械攪拌系統

機械攪拌強度劃分為十級，其中，六級及以下能有效實現固體懸浮，七至十級則屬于高速流體攪拌范疇，適用于臨界反應器等場合。特別注意的是，第十級攪拌強度旨在滿足特定需求，即懸浮沉降速度為0.02～0.03 m/s的微量固體，并在低黏度條件下使液體表面呈現波浪形態［9］。攪拌強度的設定直接決定了攪拌器轉速的合理取值范圍。攪拌強度（Ni）計算公式見式（1）。

Ni=18.3～24.1dj/D1.5ndj（1）

式中：D為攪拌槽直徑（mm）；n為槳葉轉速（r/min）；dj為攪拌器直徑（mm），dj=0.4D～0.5D。

攪拌電動機功率（pm）計算公式［10］見式（2）。

pm=Np1+0.6（m－1）=Np0.4+0.6m（2）

式中：NP為功率準數；m為攪拌槳層數。

電動機能耗要求二級IE4以上，因此，生物氧化提金槽電動機選型安全系數按照節能原則取值1.1［11］。

減速機優先選擇立式減速機，其傳動效率高，檢修、維護相對方便，安裝精度高。減速機受力分析公式［12］見式（3）～（5）。

TQ=9 550Np/n（3）

式中：TQ為傳動軸傳遞的最大扭矩（N·m）。

Fr=0.3TQfs/dj（4）

式中：Fr為攪拌軸徑向旋轉時的徑向力（N）；fs為安全系數，只有劇烈攪拌或者偏心攪拌時才大于1，一般取值為1。Mmax=FrL（5）

式中：Mmax為軸的最大彎矩；L為力臂。

復合型雙支點傳動減速機支座由雙支點支架、傳動軸、密封端蓋及軸向/徑向軸承構成［13］。其雙支點設計不僅穩固支撐，還通過復合軸承配置保護輸出軸，促進大型減速機在攪拌機械中的應用，確保攪拌器穩定。模塊化設計便于維護拆裝，無需拆卸攪拌器即可維修減速機，提高效率。電動機經立式減速機減速，驅動中間軸及聯軸器旋轉，帶動攪拌器在大型微生物濕法冶金槽中工作。該機械攪拌系統集成高效電動機與復合型雙支點傳動減速機，提升了傳動效率，實現了低碳節能。

1.2.2.2 空心攪拌軸

設計過程中，攪拌軸的選擇需遵循結構兼容性、強度及臨界轉速標準，確保運行穩定安全。從材料力學角度看，實心軸圓周剪應力分布不均，中間材料承載潛力未充分發揮；而合理壁厚的空心軸則能提高剛度和強度，有效節約材料并減輕質量。空心軸在加工上具有便利性和精度易達成的優勢，雖加工繁瑣，卻能在大型攪拌系統中顯著節約材料［14］。空心攪拌軸外圓直徑的計算可參考生物氧化反應器設計理論，以滿足實際應用需求［10］。

1.2.2.3 攪拌葉輪

攪拌葉輪旨在實現固液氣三相或兩相混合，滿足固體懸浮、溶解及互溶等要求，功能包括：①氣體分散以滿足傳質需求［15］；②維持固體均勻懸浮；③實現葉輪推流攪拌。攪拌形式分為氣體攪拌和機械攪拌，大型固液氣混勻反應器在礦山應用中仍以機械攪拌為主。

目前，市場主流生物氧化提金槽采用A315渦輪攪拌器，該攪拌器葉輪投影面積比接近1∶1，攪拌軸角度30°～60°，葉輪局部卷曲隨著排液量不同，彎曲角度10°～40°，葉輪剪切力僅為普通渦輪葉輪的1/4，功率可降低45 %［16］。

1.2.2.4 旋流微泡曝氣器

生物氧化提金槽采用旋流微泡曝氣器，融合了鼓風布氣與機械攪拌技術。傳統穿孔管式布氣環設計復雜，易磨損堵塞，氣泡直徑大，不利于氧的有效利用。旋流微泡曝氣器設計獨特，通透防堵，內部碎泡結合機械攪拌，氧氣利用率顯著提升20 %以上，風機能耗減少25 %。其優化氣孔設計降低氣體傳輸阻力，壓縮空氣經微泡系統輸送至曝氣器，以微泡注入礦漿，攪拌葉輪促進快速均勻分散。此外，該旋流微泡曝氣器服務面積大，具有高效攪拌能力，優于傳統技術［17］。旋流微泡曝氣器結構示意圖見圖2。

1.2.2.5 旋流微泡曝氣攪拌裝置

針對機械攪拌中常見的斷軸及能耗相抵問題，旋流微泡曝氣攪拌裝置利用壓縮空氣噴射產生的負壓效應，有效抽吸反應器槽底礦漿固體顆粒，并伴隨壓縮氣體在旋流微泡曝氣器內部實現混勻噴出。此過程中，旋流微泡曝氣攪拌裝置的負壓抽吸與內部微泡切割機制共同促進了固體懸浮及氣液固三相的均勻混合。因此，旋流微泡曝氣攪拌技術在大型固液氣混合反應器中展現出獨特優勢，具有廣闊的應用前景。

1.2.3 儲能換熱系統

微生物氧化提金過程中，需維持氧化槽溫度在45 ℃左右以保障細菌活性，主要通過內部換熱器調節礦漿溫度。儲能換熱系統以列管換熱器為核心，采用整體更換結構，實現蓄能熱交換，同時凈化處理換熱水以防污垢降低效率。

儲能換熱系統由列管換熱器、監控模塊、蓄能系統、冷卻塔、凈化水池等組成。其中，監控模塊含角度調節閥、流量計、溫度傳感器等，蓄能系統含集束管換熱器、蓄能水池、蓄能水泵，凈化水池含回水池、沉砂池、加藥出水池。正常工作時，冷卻水經列管換熱器對氧化槽降溫后，進入蓄能系統二次熱交換，再經冷卻塔完全放熱后凈化回流。蓄能水池的熱水可用于其他熱源需求。該系統具備自動調節溫度、故障檢測及凈化功能，確保換熱管路暢通無阻，提高生物氧化工藝能源利用率，實現顯著節能［18-19］。儲能換熱系統示意圖見圖3。

1.2.4 安全環保控制系統

在微生物氧化提金過程中，硫化物氧化需要大量氧氣，故需持續向礦漿供壓縮空氣，維持礦漿含氧量為4 mg/L。同時，自養型細菌最適pH值為1.0～1.5，導致生產中伴隨大量酸性氣體從生物氧化槽逸出。

為實現無害化處理，采用槽體封閉與引風機抽氣，增設泡沫回收、酸氣吸收及碳吸附凈化裝置，確保氣液分離與酸氣吸收，防止環境污染。工作時，集氣頂收集氣體，引風機確保酸性氣體全部負壓引出；管道冷凝器與酸性氣液分離器分離泡沫、氧化液與酸性氣體，酸化液再脫泡后返回微生物氧化槽；分離出的酸性氣體經酸氣吸收塔循環噴淋凈化，最終通過引風機安全排放至大氣。此安全環保控制系統有效解決了工業生產中酸性氣體無序排放問題，保護了生態環境，助力企業實現經濟與環保雙贏。安全環保控制系統示意圖見圖4。

1.2.5 生產應急與取樣分析輔助系統

1.2.5.1 生產應急系統

1）冷卻應急。當環境溫度過高，生物氧化槽內的換熱器難以有效散熱或發生故障時，會影響微生物活性。此時，補水閥會向應急池加入換熱水，并啟動循環泵。循環泵將應急池中的冷卻水泵送至各輔助冷卻噴淋環，對生物氧化提金槽外壁進行冷卻。冷卻水流回應急池循環使用，直至應急冷卻結束，再排空應急池內的冷卻水。

2）檢修應急。生物氧化提金槽若因內部換熱器、曝氣器、攪拌器故障或槽體泄漏需檢修時，將采取以下措施：并聯的放大氧化槽關閉對應分礦閥，停止供礦，并開啟應急排液閥，將槽內礦漿排入應急池。檢修完成后，再將應急池內礦漿泵回原槽。對于串聯的深度氧化槽或緩沖氧化槽檢修，則通過循環泵連接上一級槽的應急排液閥，按工藝流量將礦漿排至下一級槽，實現檢修槽的短路，同時開啟檢修槽的應急排液閥，將礦漿排入應急池。檢修結束后，恢復原有工藝管路，并將應急池內礦漿泵回相應氧化槽。

3）系統斷電應急。自動切換備用發電機發電，保障生物氧化提金基本工作需求。

1.2.5.2 深度取樣分析機

為調整生物氧化提金工藝參數，深度取樣分析機需要在生物氧化提金任意深度快速取樣并分析水質。該深度取樣分析機可水平移動，核心組件包括多功能機體、緩沖罐、固液分離罐等，工作模式分為常規定點取樣在線分析與連續深度取樣在線分析2種，確保生產參數調整及時準確。深度取樣分析機結構見圖5。

深度取樣分析機利用末端重力取樣器與導流管，精準定點或連續獲取指定深度礦漿樣品，避免攪拌干擾。通過負壓抽液、排液及反洗，現場在線分離固液，制取水樣進行精準分析。PLC系統實現全程自動化，速度快且操作重復性好。觸摸屏軟件統計數據，指導工藝優化。該機便于在線維護，一臺即可覆蓋所有槽體取樣分析。

2 智能控制系統

生物氧化預處理技術在提金工藝中占據核心地位，其關鍵在于優良浸礦菌種的培育與馴化。菌種的生存能力和代謝強度受多種因素制約，包括磨礦細度、礦漿濃度等，需通過實時自動監測系統來精確調控這些參數，以最大化氧化活性，提升提金效率。技術層面，研究引入了大數據系統，該系統能夠自動采集并匯總數據，為工藝參數的優化提供科學依據。同時，智能化自檢維護技術通過實時感知多元數據，實現了故障預警與自我調控。深度取樣分析機能夠在任意深度進行自動取樣，并進行在線分析，以精確調節工藝參數。換熱與曝氣控制方面，研究增設了流量計、溫度檢測及閥門控制系統，實現了換熱量的自動調控與風量的自動調節。攪拌器則根據實時監測數據與大數據分析結果，自動調整轉速，以降低能耗。為降低企業成本，研究提出了遠傳顯示與人工調節閥門的設計方案，減少了控制系統開發、硬件投入及人才需求，同時降低了電纜使用量［20］。

3 應用效果

某企業生物氧化提金槽常壓使用，介質為濃度14 %、平均密度1.12×103 kg/m3的礦漿溶液，其中，90 %的固體顆粒粒度為80 μm，固體密度3.47×103 kg/m3，溶液黏度0.5 Pa·s，反應溫度設定42 ℃。槽體規格為直徑12 m、高度12.5 m，電動機功率132～160 kW；攪拌軸尺寸273 mm×80 mm/325 mm×40 mm；單槽換熱量9 000 kW，管子長度50 m。一級氧化槽換熱器采用6×5組60 mm管道，二級氧化槽換熱器采用5×5組60 mm管道，采取陣列式旋流曝氣器設置，單個通氣量可達1.33～1.43標方/min。放大氧化槽槽體需要86臺，深度氧化槽需要75臺，理論上旋流曝氣器氧利用率較穿孔管曝氣器高出20 %，則旋流曝氣器應用數量分別最低可降至60臺和52臺。

設計過程中需要依據實際生產數據，確保攪拌過程中礦漿、氣泡均勻分散。

基于當前原料市場狀況、加工復雜度、國內外標準件價格差異、勞動力成本、運輸費用及風險等因素，該規格氧化槽的估算成本為300萬～600萬元。相較于以往設計，該企業每臺設備的一次性投資降低了10 %～20 %。鑒于建設需求，在控制初期固定投資的同時，更需關注生產運行成本。因此，生物氧化提金槽的設計精細考慮了氣液固三相混合均勻性、熱交換效率、安全環保措施及取樣分析環節，實現低碳、高效、環保及智能化的生產模式。設計中融入了系統分級新工藝與低碳節能的結構創新，相較于傳統工藝，此設計顯著提升了整體氧化提金效率，縮短了微生物氧化周期，設備運行能耗降低了10 %以上，氧化酸氣排放量減少90 %以上。

4 結 語

研究針對生物氧化預處理提金技術中面臨的核心挑戰，即氧化槽處理能力受限、能耗高及碳排放量大等問題，成功設計并應用了一種低碳高效的生物氧化提金槽。通過系統分級、低碳高效反應器設計、儲能換熱系統、安全環保控制系統及生產應急與取樣分析輔助系統的綜合優化，實現了單槽處理能力突破1 000 m3，預期節能15 %至20 %，氧化酸氣排放量減少90 %以上的顯著成效。在實際應用中，該設計不僅降低了企業設備的一次性投資10 %～20 %，還顯著提升了整體氧化提金效率，縮短了生物氧化周期，設備運行能耗降低了10 %以上。同時，通過槽體封閉、氣體負壓引出及酸氣吸收等措施，確保了氧化槽酸氣的無污染排放，實現了經濟效益與環保效益的雙贏。該低碳高效生物氧化提金槽不僅推動了生物氧化預處理提金技術向綠色、低碳、高效方向發展，還為該技術的廣泛應用提供了堅實的技術支撐。

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Design and application of a low-carbon

and high-efficiency bio-oxidation gold extraction tank

Abstract：To address challenges in current bio-oxidation pretreatment gold extraction technology，such as limited oxidation tank capacity，high energy consumption，and significant carbon emissions，this study designed a low-carbon and high-efficiency bio-oxidation gold extraction tank.The design successfully achieved a single-tank capacity exceeding 1 000 m3，with expected energy savings of 15 %-20 % and a reduction in acidic gas emissions by over 90 %.In practical applications，the design reduced one-time investment costs for each unit by 10 %-20 %，significantly improved overall oxidation and gold extraction efficiency，shortened the microbial oxidation cycle，and decreased operational energy consumption by more than 10 %，while ensuring the pollution-free emission of acidic gases.The design and application of this low-carbon and high-efficiency bio-oxidation gold extraction tank can efficiently recover gold elements，reduce energy consumption and carbon emissions，and promote the green，sustainable development of the industry.This innovation provides solid support for the broader adoption of bio-oxidation pretreatment gold extraction technology.

Keywords：low-carbon and high-efficiency;bio-oxidation pretreatment;gold extraction tank;environmental protection;technological innovation;energy consumption reduction