在气升式反应器中用中度嗜热混合菌浸出含砷难浸金精矿

余润兰，吴发登，陈 安，刘 晶，彭志俊，季家举，邱冠周

（1. 中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083； 2. 生物冶金教育部重点实验室，湖南 长沙410083）

在气升式反应器中用中度嗜热混合菌浸出含砷难浸金精矿

余润兰1,2，吴发登1，陈 安1，刘 晶1，彭志俊1，季家举1，邱冠周1,2

（1. 中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083； 2. 生物冶金教育部重点实验室，湖南 长沙410083）

在分批浸出基础上，以15%矿浆浓度在气升式反应器中用中度嗜热混合菌采用半连续方式补加无铁9 K溶液浸出含砷难浸金精矿，降低体系中铁和砷离子浓度，提高含砷难浸金精矿铁砷脱除率。结果表明，在补加流量为每次333 mL时，金的氰化回收率达到90%以上，比直接氰化提高了2倍。

气升式反应器；难浸金精矿；半连续；生物冶金

细菌氧化预处理难浸金精矿因浸出周期厂、预处理效率低而在工业应用中受限。保证预处理效果前提下，增大矿浆浓度是提高预处理效率的有效途径。但在高矿浆浓度下，浸出液中不断积累的铁、砷抑制细菌活性且高浓度的铁离子导致生成大量黄钾铁矾沉淀钝化矿物表面，严重影响浸出效果[1,2]。本文在分批浸出基础上，以半连续方式浸出，在气升式反应器中发生恒容反应，维持气升式反应器中对金精矿生物浸出有利的浸出环境，研究不同体积浸出液流量对金精矿浸出过程的影响。

1 实验部分

1.1 实验矿样

实验用含砷金精矿200目以下占68.1%，主要矿物物相为磁黄铁矿（Fe7S8）、砷黄铁矿（FeAsS）、黄铁矿（FeS2），金的含量达47.2g/t，砷含量极高占19.32%。

1.2 浸矿微生物?

实验用浸矿微生物为用难浸高砷金精矿在5%矿浆浓度通过连续传代培养的中度嗜热混合菌，主要包含SSulfobacillus thermosulfidoxidans、Leptospirillums ferriphilum和Acidithiobacillus caldus等种属的细菌。

1.3 培养基

实验用培养基为改进的9 K培养基，以高砷金精矿为能源代替硫酸亚铁，初始pH 1.6。9 K培养基基础盐溶液的配方为（g/L）：(NH4)2SO4(3)、K2HPO4(0.5)、MgSO4•7H2O (0.5)、KCl (0.1)、Ca(NO3)2(0.01)。

2 实验方法

2.1 不同补加流量对浸出的影响

在有效体积为2 L的气升式反应器中注入2 L 15%的金精矿矿浆，接种量5×107cell•mL-1、初始Ph 1.6、浸出温度45 ℃、通入足量空气进行生物浸出。当浸出液中铁离子浓度达到15 g/L时向反应器中采用半连续方式补加pH=2.0的无铁9 K溶液。实验过程中每8 h补加1次无铁9 K溶液，每次排放的浸出液经静置，收集沉淀立即返回到气升式反应器中继续浸出，上清液经中和处理后排放。无铁9 K溶液补加流量(w)分别为每次167、 333、500和667 mL。测定浸出体系中溶铁、溶砷及细菌浓度的变化，浸出结束后，分析浸出渣中全铁和砷含量，计算铁、砷的脱除率:

2.2 氰化浸金

氰化前，将浸出残渣用6 mol/L的盐酸处理10 min，3 000 r/min离心去上清夜，重复一次。然后用蒸馏水洗涤三次，烘干称重。称取10 g经处理的矿渣倒入搅拌槽中，加入100 mL 0.041 mol/L的NaCN溶液，再用Ca(OH)2调节溶液pH至11.5左右，控制搅拌速率600 r/min，浸出时间1 d。浸出结束后，真空抽滤矿浆，废水进行无毒处理，滤饼经干燥混匀、取样送检（原子吸收光谱），按照下式计算金的回收率：

2.3 分析方法

浸出液中铁离子采用1,10-啰邻菲啉分光光度法在510 nm测定[3]；溶砷（soluble arsenic, SAs）离子浓度采用砷钼蓝比色法在840 nm处比色测定[4,5]；细菌浓度采用血球计数板直接计数；浸出渣中全铁和砷采用ICP全元素定量分析。

3 结果与讨论

3.1 不同补加流量对金精矿生物浸出的影响

3.1.1 不同补加流量对细菌生长的影响

半连续补加无铁9 K时，在过剩铁离子和有毒砷离子被带走的同时必有细菌流失。预处理过程中高的细菌浓度有利金精矿浸出。

图1为不同补加流量浸出体系中细菌的生长曲线（图中箭头为补加起始点）。细菌生长受很多因素影响，如pH、温度、溶氧量、剪切场、碳源、氮源、能源等。在本研究中，反应体系呈酸性、温度恒定、通气充足、矿浆浓度恒定即剪切环境一致，因此能给细菌带来生长阻力的是能源和细菌流失。据微生物学知识及对照组细菌生长情况，计算出混合细菌的世代时间G=1.01 d。对于有效体积为2 L的反应器，理论上只要营养物质充足，补加流量小于660 mL每次就不会造成细菌大量流失。w=167实验组因出水流量过小，细菌流失影响很小，但出水流量小，浸出体系中的过剩铁离子及有害砷离子不能及时排出，浸出环境得不到有效改善，影响细菌生长，因此与对照组细菌生长相近；相反对于w=667组，虽能有效排出有害离子，但也将对细菌生长繁殖必须的能源物质如Fe2+、还原态硫等大量流失，同时细菌流失严重，均造成细菌数量减少。对于w=500组，细菌维持在一个相对稳定的状态，可能是因为能源物质的流失还不足以影响细菌生长，细菌的及时繁殖填补了细菌的流失量；对于w=333的实验组，在这个流速时，很好的平衡了细菌流失和能源物质缺失，促进了细菌的生长。

图1 不同浸出液流量下细菌的生长曲线Fig.1 The growth curves of bacteria at different flows of the leaching solution

3.1.2 不同补加流量对浸出体系中铁、砷离子浓度的影响

生物浸出中，浸出液中的铁（包括Fe2+和Fe3+）对金精矿的预处理非常重要。Fe2+为铁氧化细菌生长繁殖提供能源物质，被氧化成Fe3+，Fe3+作为氧化剂氧化分解硫化矿。但并不是Fe3+浓度越高越好，当Fe3+浓度过高，对溶液中的浸矿微生物的生长和代谢起到抑制作用，同时生成的铁矾沉淀覆盖在矿物表面，妨碍矿物进一步氧化。

图2为浸出液中溶铁、溶砷浓度在不同出水流量下随浸出时间的变化情况。溶铁浓度主要由硫化矿溶解速率和9 K补加流量决定。一般来说，浸出体系中细菌浓度越大，细菌活性越高，硫化矿溶解速率越大；对于补加流量，毫无疑问补加流量越大，铁离子流失越大。w=167中细菌浓度很高，但其溶铁浓度变化跟对照组相似，可能是因补加流量小，铁砷的流失少，浸出环境未得到改善，抑制了细菌活性；其二是铁离子浓度过高，加速砷酸铁及铁矾沉淀，钝化金精矿表面。对于w=333组，在补加无铁9 K溶液后，溶铁浓度有小幅上升，在18g/L左右的水平，这样既保持了较高浓度铁离子氧化硫化精矿的优势，又不至于因铁离子浓度过高影响细菌活性和形成铁沉淀。在w=500组中，溶铁离子略有下降，在该体系中，细菌浓度恒定在每毫升6×108个细菌，不是影响溶铁的关键因素，溶铁浓度很大程度上取决于浸出液的排放。在w=667的体系中，铁离子浓度急剧下降，在该体系中，细菌和高铁离子流失严重，硫化矿溶解速率减小，同时浸出液中补加前累积的铁也随浸出液排放逐渐流失。

图2 不同浸出液流量下溶铁(a)和溶砷(b)浓度随时间的变化Fig. 2 The variations of SFe (a) and SAs (b) with time at different flows of the leaching solution

从图2（b）可看出，除了w=167的体系中溶砷浓度仍有上升外，其他实验组在补加9 K后，均有明显下降现象，体系中溶砷浓度得到有效控制，远在细菌可耐受上限以下，起到了有效消除砷离子对细菌毒害的作用。

3.2 不同补加流量对氰化浸出的影响

图3给出了铁、砷的浸出率及相应氰化金回收率情况。金的氰化回收率与砷的脱除率有关，从图中可以看出，直接氰化金精矿，金的回收率很低，仅有31.1%。当砷的脱除率达到60%以上时，金的回收率可以达到80%以上。在不同补加流量下，w=333实验组的金回收率最高，高达91.35%，比直接氰化提高了2倍，达到了生物预处理的目的。

图3 不同浸出液流量下铁砷脱除率及金回收率Fig. 3 The removal of total iron, arsenic and gold recovery at different flows of the leaching solution

4 结 论

采用半连续方式处理金精矿，在补加流量为333 mL每次时金回收率最高，达到了91.35%，是金精矿直接氰化的3倍，显著提高了金的回收率，达到了生物预处理目的。

［1］Gao J, Kang J, Wu X, et al. Effect of Fe2+on growth activity ofL. ferriphilum[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(1): 159-162.

［2］Daoud J, Karamanev D. Formation of jarosite during Fe2+oxidation byAcidithiobacillus ferrooxidans[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(9): 960-967.

［3］GB3049-86. 化工产品中铁含量测定的通用方法, 邻菲罗啉分光光度法 [S].

［4］周月雯. 砷钼蓝法测定三价砷和五价砷 [J]. 环境保护科学, 1990, 16(4): 45-47.

［5］Yu Y, ZHu Y, A.E. W-J, et al. A kinetic study of the oxidation of arsenopyrite in acidic solutions: implications for the environment [J]. Applied Geochemistry, 2004, 19(3): 435-444.

Bioleaching of Arsenic-Containing Refractory Gold Concentrate by Mixed Moderate Thermophiles in an Airlift Reactor

YU Run-lan1,2，WU Fa-deng1，CHEN An1，LIU Jing1，PENG Zhi-jun1，JI Jia-ju1，QIU Guan-zhou1,2
（1. Central South University, Hunan Changsha 410083, China；2. Key Laboratory of Biometallurgy of Ministry of Education, Hunan Changsha 410083, China）

On the basis of batch-bioleaching, semi-continuous bioleaching was used to bioleach arsenic-containing refractory gold concentrate with high pulp density by mixed moderate thermophiles in airlift reactor. Non-ferrous 9K medium was fed in batch every 8 h to decrease the concentration of iron and arsenic in the airlift reactor. The results indicate that the recovery of gold can reach up to 90% when the additional volume flow is 333 ml every time while the gold recovery of direct cyanidation of the gold concentrate is only 31%.

Airlift reactor; Refractory gold concentrate; Semi-continuous; Bioleaching

TQ 131

A

1671-0460（2012）11-1160-03

资助基金：中南大学学位论文创新项目（No.2010ssxt247），国家973项目（No. 2010CB630900）。

2012-05-29

吴发登（1985-），男，中南大学资源加工与生物工程学院2009级生物工程系硕士，研究方向:生物冶金，E-mail：csubiowufd@126.com。

余润兰（1965-），男，教授，博士学位，2004年中南大学博士毕业。主要从事生物冶金、生物工程、生物电化学等领域的教学和科研工作。E-mail：csubio507@126.com。