Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 10
1.1. Состояние минерально-сырьевой базы (МСБ) золота Российской Федерации 10
1.2. Признаки упорности руд 13
1.3. Способы переработки упорных золотосодержащих концентратов
1.3.1. Окислительный обжиг 16
1.3.2. Автоклавное выщелачивание 19
1.3.3. Кислотно-кислородное выщелачивание 22
1.3.4. Сверхтонкое измельчение 23
1.3.5. Бактериальное окисление 25
1.4. Обзор методов интенсификации процесса биовыщелачивания упорного золотосульфидного концентрата 31
1.4.1. Кислотность среды 31
1.4.2. Температурный режим 32
1.4.3. Использование адаптированной культуры бактерий 33
1.4.4. Применение ассоциации микроорганизмов 34
1.5. Мировая практика промышленного использования ассоциаций микроорганизмов
при переработке минерального сырья различного типа 41
Выводы по главе 1 47
2. Материалы и методы исследования 50
2.1. Объект исследований 50
2.2. Физико-химические методы исследований 51
2.3. Минералогические методы исследования 52
2.4. Вещественный состав упорного золотосульфидного концентрата
2.4.1. Химический состав исследуемого концентрата 54
2.4.2. Фазовый анализ золота 55
2.4.3. Фазовый анализ мышьяка и железа в концентрате 56
2.4.4. Гранулометрический состав концентрата 57
2.4.5. Результаты минералогических исследований 58
2.4.6. Выводы по результатам исследований вещественного состава концентрата 64
2.5. Методы изучения микроорганизмов 65
2.5.1. Адаптация штаммов и проведение выщелачивания в статическом режиме 65
2.5.2. Количественньш учет микроорганизмов методом прямого подсчета под
световым микроскопом с фазово-контрастной приставкой 67
2.5.3. Количественный и качественный учет бактерий методом посева в десятикратных разведениях 68
2.5.4. Манометрический метод исследования активности биомассы 68
2.6. Укрупненно-лабораторная установка непрерывного бактериального
выщелачивания 69
3. Экспериментальная часть 72
3.1. Изучение потенциальной активности микроорганизмов родов Acidithiobacillus, Leptospirillum, Sulfobacillus и Feiroplasma по биоокислению различных энергетических субстратов 73
3.2. Исследование влияния штаммового разнообразия микроорганизмов на кинетику-биоокисления Майского концентрата в проточном режиме 76
3.2.1. Физико-химические параметры растворов бактериального окисления ". 78
3.2.2. Кинетика биоокисления арсепопирита и пирита концентрата Майского месторождения 81
3.3. Анализ полученных экспериментальных данных с точки зрения ферментативного катализа 83
3.3.1. Порядки реакций биоокисления основных сульфидных минералов 83
3.3.2. Константы скоростей биоокисления арсенопирита и пирита 86
3.3.3. Кинетические параметры и ингибирование бактерий продуктами реакций
3.4. Кинетика бактериального окисления основных сульфидных минералов 97
3.5. Изучение влияния технологических параметров на особенности формирования ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии
3.5.1. Влияние плотности пульпы на количественный состав микроорганизмов 100
3.5.2. Влияние температуры на количественный состав микроорганизмов 101
3.5.3. Влияние кислотности пульпы на количественный состав микроорганизмов 106
3.6. Исследование кинетики бактериального выщелачивания сульфидных минералов
ассоциацией микроорганизмов при различных температурах в статическом режиме... 111
3.6.1. Изучение влияния температурного фактора на бактериальное выщелачивание сульфидных мышьяка и железа в периодическом режиме 111
3.6.2. Изучение влияния температуры процесса на кинетику биоокисления пирита концентрата Майского месторождения ассоциацией микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии 113 ВЫВОДЫ по главе 3 120
4. Укрупненно-лабораторные испытания и разработка двухстадиальной технологии бактериального выщелачивания концентрата майского месторождения 123
4.1. Физико-химические параметры процесса бактериального выщелачивания 124
4.2. Кинетика бактериального окисления основных сульфидных минералов 126
4.3. Минералогические исследования продукта бактериального окисления 128
ВЫВОДЫ по главе 4 140
5. Гидрометаллургическая переработка кеков биовыщелачивания концентрата майского месторождения 142
5.1. Аэрация и сорбционное цианирование твердых продуктов биоокисления 142
5.2. Обезвреживание мышьяксодержащих бактериальных растворов и хвостов
цианирования 144
ВЫВОДЫ по главе 5 145
6. Двухстадиальная технология бактериального выщелачивания упорных золотосульфидных концентратов 147
6.1. Рекомендуемая биогидрометаллургическая схема переработки упорных золотосодержащих концентратов 147
6.2 Ожидаемый экономический эффект от использования рекомендуемой технологии 149
6.3. Апробация разработанной технологии для биоокисления концентратов пирит арсенопиритового типа 150
Выводы по главе 6 155
Заключение 156
Список литературы
- Признаки упорности руд
- Минералогические методы исследования
- Исследование влияния штаммового разнообразия микроорганизмов на кинетику-биоокисления Майского концентрата в проточном режиме
- Кинетика бактериального окисления основных сульфидных минералов
Введение к работе
Актуальность работы. По итогам работы золотодобывающей промышленности в 2009 году, Россия, обладая высоким ресурсным потенциалом золота в недрах и значительным резервом разведанных месторождений, занимает лишь пятое место среди золотодобывающих стран.
При этом минерально-сырьевая база золота России, по разведанной массе запасов, достаточна для наращивания золотодобычи. Преобладающее количество запасов золота (59 %) сосредоточено в собственно золоторудных месторождениях, из которых четвертую часть составляют упорные золото-мышьяковые руды, характеризующиеся преимущественной или существенной ролью тонкодисперсного золота, связанного с мышьяковистым пиритом и арсенопиритом.
В мировой практике для переработки такого упорного золотосодержащего сырья в основном применяют следующие методы: окислительный обжиг, автоклавное выщелачивание или биогидрометаллургическую технологию. При разработке и выборе новых эффективных процессов извлечения золота из упорного сульфидного сырья специалисты отдают предпочтение гидрометаллургическим методам, так как в этом случае, наряду с достижением высоких технико-экономических показателей, исключается загрязнение окружающей среды вредными газовыми и пылевыми выбросами мышьяка, серы, сурьмы и др. При сравнении автоклавного метода вскрытия упорного золота и биовыщелачивания выявляются некоторые преимущества бактериальной технологии: более высокие показатели по извлечению золота, простота технологического оборудования, более низкие капитальные и эксплуатационные расходы, отсутствие высоких температур и давлений.
Вопросам изучения процесса бактериального окисления упорного золотосодержащего сырья посвящены труды видных отечественных и зарубежных ученых: С.И. Полькин, Э.В. Адамов, В.В. Панин, Г.И. Каравайко, Т.Ф. Кондратьева, Т.А. Пивоварова, Г.В. Седельникова, П.М. Соложенкин, В.П. Небера, А.В. Белый, Brierly C.L., van Aswegen P.C., Silverman M. P., Crundwell F.K., Sand W., Tuovinen O. H. и др.
Существующие способы бактериального окисления упорного золотосодержащего сырья характеризуются большой продолжительностью процесса (5-6 суток) и неполным окислением наиболее упорного золотосодержащего сульфида – пирита (45-60%). Поэтому проблема интенсификации бактериального окисления упорного золотосульфидного сырья является актуальной.
Цель работы Интенсификация технологии бактериального окисления упорных золотосульфидных концентратов с использованием ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии.
Основная идея работы заключается в использовании ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, для ускорения процесса биоокисления золотосодержащих сульфидов – арсенопирита и пирита – в двухстадиальном температурном режиме.
Методы исследований: изучение вещественного состава концентрата с применением пробирного и химического анализов (атомно-абсорбционного, масс-спектрометрического и атомно-эмиссионного с индуктивно связанной плазмой), метода анализа изображений, оптической и электронной микроскопии, лабораторных и укрупненно-лабораторных испытаний.
Основные задачи исследований:
– выбор штаммов бактерий для создания ассоциации микроорганизмов эффективно окисляющей золотосодержащие сульфидные минералы упорного концентрата;
– теоретическое изучение процесса биоокисления упорного золотосульфидного концентрата различными ассоциациями микроорганизмов с точки зрения ферментативного катализа;
– исследование условий формирования ассоциации и ее жизнедеятельности в зависимости от основных технологических параметров биовыщелачивания;
– изучение влияния температурного режима на кинетику биоокисления основных золотосодержащих сульфидов ассоциацией микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии;
– разработка технологии бактериального окисления с использованием рекомендуемой ассоциации микроорганизмов на примере упорного концентрата Майского месторождения;
– апробация разработанной технологии для биоокисления концентрата месторождения Кючус.
Научная новизна
-
Впервые исследована кинетика бактериального окисления упорного золотосульфидного концентрата различным консорциумом бактерий с точки зрения теории ферментативного катализа. На основе выполненных расчетов констант скорости окисления сульфидов показаны преимущества использования ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные, по сравнению с монокультурой Acidithiobacillus ferrooxidans.
-
Установлено, что в процессе бактериального окисления арсенопирита определяющую роль выполняют бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans. Интенсификация его биоокисления ассоциацией микроорганизмов происходит в результате ускорения окисления промежуточных продуктов реакции.
-
Установлено, что при использовании рекомендуемой ассоциации бактерий с изменением температуры с 32С до 42С уменьшается энергия активации, увеличивается скорость биовыщелачивания в 1,7 раза и повышается степень окисления пирита.
Практическое значение работы заключается в разработке двухстадиальной технологии биоокисления упорных золотосульфидных концентратов с применением ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, которая обеспечивает высокую степень окисления сульфидов и высокое извлечение золота – 94-98% при снижении продолжительности процесса со 120 до 90-96 часов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов, полученных в диссертационной работе, основывается на использовании большого объема экспериментальных данных, их статистической обработке, современных методах химического анализа.
Личный вклад автора заключается в проведении литературного обзора, постановке цели и задач исследований, выполнении экспериментов по бактериальному выщелачиванию упорных золотосульфидных концентратов и извлечению золота из продуктов биоокисления, теоретических расчетов кинетических параметров процесса биоокисления сульфидов различными ассоциациями бактерий, анализе и обобщении полученных результатов.
-
Научно-обоснованный выбор ассоциации хемолитотрофных микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, для интенсификации процесса бактериального выщелачивания упорных золотосульфидных концентратов основан на изучении кинетических закономерностей процесса окисления сульфидных минералов различными культурами бактерий и формировании ассоциации, характеризующейся видовым и родовым разнообразием бактерий, обладающих наибольшей активностью к окислению сульфидов и «вскрытию» упорного золота в оптимальных для них условиях.
-
Бактериальное окисление основного золотосодержащего минерала – арсенопирита – с помощью ассоциации микроорганизмов, включающей умеренно-термофильные бактерии, рекомендуется проводить в мезофильных условиях при t=34-36C, в которых наибольшую окислительную активность имеют штаммы Acidithiobacillus ferrooxidans, о чем свидетельствуют практически неизменные значения кинетических параметров процесса: предельная скорость ферментативной реакции и кажущаяся константа Михаэлиса, которые не зависят от видового разнообразия микроорганизмов в исследуемых ассоциациях.
-
Повышение максимальной скорости бактериального окисления пирита (с 3,45 до 5,42 г/л в сутки) и доокисление элементной серы эффективнее протекает в умеренно-термофильных условиях при t=38-42С с использованием ассоциации микроорганизмов, включающей умеренно-термофильные бактерии Sulfobacillus и археи Ferroplasma.
-
Разработанная технология и режимы бактериального выщелачивания золотосульфидного концентрата с применением ассоциации микроорганизмов, включающей умеренно-термофильные бактерии, предусматривает двухстадиальное окисление: на I стадии при t=34-36С – преимущественно арсенопирита, на II стадии при температуре t=38-42С – пирита и обеспечивает эффективную переработку концентратов пирит-арсенопиритового типа с высокой степенью окисления: 98,7% арсенопирита и 87,3% пирита, извлечение золота 98% при снижении продолжительности выщелачивания со 120 до 90 часов.
Реализация результатов работы. Рекомендуемая биогидрометаллургическая технология использована в ОАО «Якутская горная компания» при разработке технологического регламента и составлении технико-экономического обоснования для проектирования промышленного предприятия по переработке упорных руд Кючусского месторождения.
Апробация работы: Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2007-2010, Москва); на 4-ой и 5-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (2007, 2008, Москва); на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные проблемы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых» (2008, Москва); на Международном конгрессе обогатителей «International Mineral and Process Congress» (2008, China, Beijing; 2010, Australia, Brisbane); на V-м Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (2009, Москва); на VII-м конгрессе обогатителей стран СНГ (2009, Москва).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья планируется к изданию в Цветных металлах №1, 2011 г.
Объем работы. Диссертация изложена на 168 стр., состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 153 наименований, содержит 57 рисунков и 23 таблицы.
Признаки упорности руд
Бактериальные методы выщелачивания относятся к одному из современных направлений научно-технического прогресса в области переработки минерального сырья - биотехнологии металлов, характеризующиеся высокой степенью извлечения целевого компонента и экологической безопасностью.
Биотехнология металлов — это процессы извлечения металлов из руд, горных пород, продуктов обогащения и металлургии при участии микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Биотехнология занимается не только бактериальным выщелачиванием металлов из твердых минеральных субстратов, но и выделением их из промышленных растворов и сточных вод. Наибольшее распространение биогеотехнология получила при кучном бактериальном выщелачивании бедных и забалансовых руд меди и урана, а также при чановом выщелачивании упорных концентратов благородных и цветных металлов (медных, цинковых, никель-кобальтовых и др.). С использованием микроорганизмов возможно проводить очистку сточных вод, селективную флотацию сульфидных минералов, биосорбцию металлов и др.
Цель бактериального выщелачивания упорного сульфидного золотосодержащего сырья, как и выше рассмотренных технологий, - вскрытие золота, заключенного в минералах носителях, главным образом арсенопирите, пирите, путем их окисления.
В 1947 году Хинкелем и Колмером (Hinkle and Colmer) из дренажных кислых вод угольной шахты были выделены микроорганизмы, способные принимать участие в окислении двухвалентного железа до трехвалентного. Данные микроорганизмы в настоящее время известны как Acidithiobacillus ferrooxidans [103].
Стоит отметить, что Россия - одна из первых стран, где создавались теоретические и практические разработки по чановым бактериальным методам как самостоятельного направления в области обогащения и переработки полезных ископаемых. Основные положения биогеотехнологии разработаны в СССР в 70-80-е годы. Первые крупные теоретические и экспериментальные разработки по выполнены в Московском институте стали и сплавов (С. И. Полькин, Э. В. Адамов, В. В. Панин) [3, 69] и Институте микробиологии АН СССР (Г. И. Каравайко и др.) [26, 28].
Наряду с теоретическими исследованиями процесса бактериального окисления в Тульском филиале ЦНИГРИ в 1974 году [78] была смонтирована первая в мире опытная установка по биогидрометаллургической переработке упорных золотосульфидных концентратов, где проводились полупромышленные испытания данной технологии [73, 89, 95].
В то время как в СССР и, в дальнейшем, в России проводились многочисленные полупромышленные испытания биогидрометаллургической технологии, за рубежом началось интенсивное промышленное освоение метода биоокисления для переработки упорных концентратов [120, 131, 140, 141].
Лидером и первопроходцем по внедрению биотехнологии для переработки упорного золотосодержащего сырья является компания «Дженкор» (Gencor), владеющая правами на технологию ВЮХ. Исследование данной технологии было начато в конце 70х годов, а в 1986 г. на заводе Фэйрвью (Fairview), ЮАР, была пущена промышленная установка по биоокислению упорного сульфидного золотосодержащего концентрата [145].
Для бактериального окисления упорного золотосодержащего сырья используются хемолитотрофные бактерии, реализующие уникальный принцип жизнедеятельности, в соответствии с которым они получают энергию в результате окисления сульфидных минералов, серы, ее промежуточных соединений и ионов закисного железа, являющиеся для них энергетическим субстратом. Источником углерода для таких видов бактерий служит углекислота, содержащаяся в атмосфере воздуха или получаемая при растворении карбонатных минералов перерабатываемого сырья, либо органические вещества. По отношению к кислороду- микроорганизмы, участвующие в процессах выщелачивания сульфидных минералов, являются аэробами. Это значит, что для осуществления окислительных дыхательных процессов им необходим кислород (в протекающем при этом энергетическом метаболизме кислород является акцептором электронов). Для нормального роста и развития бактерий требуется наличие в среде минеральных солей (биогенов), и в первую очередь соединений азота и фосфора, которые используются бактериями при энергетическом метаболизме. Также необходимо присутствие таких элементов, как калий и магний.
Микроорганизмы, принимающие участие в биоокислении сульфидных минералов, являются ацидофилами, т.е. осуществляют свою жизнедеятельность в кислых средах. Обычно рН пульпы бактериального выщелачивания поддерживают на уровне 2,0-1,5. Кислая среда, требующаяся для бактерий, неблагоприятна для развития большинства других микробов, поэтому устраняет необходимость стерильных условий. Поскольку органические вещества токсичны для данного рода бактерий, они не патогенны и неспособны вызвать какие-либо заболевания. Таким образом, бактерии, применяемые в технологии биоокисления, не представляют угрозы для здоровья людей и животных.
Наибольшее распространение по переработке упорного золотосодержащего сульфидного сырья получила технология чанового бактериального окисления концентратов.
Основные минералы упорных золотосульфидных концентратов представлены обычно пирротином, арсенопиритом, пиритом и в меньших количествах — халькопиритом, сфалеритом и др. Окисление наиболее распространенных сульфидных минералов в процессе бактериального окисления описывается химическими реакциями, представленными ниже [2, 11, 36, 68, 100, 102, 144].
Основные реакции окисления арсенопирита выглядят следующим образом: 2FeAsS + 702 + 2Н20 + H2S04 бактеРии Fe2(S04)3 + 2H3As04 (5) FeAsS + Fe2(S04)3 -FeAs04 + 2FeS04 + 2S (6) FeAsS + Fe2(S04)3 + 0,75O2 + 1,5H20 - 3FeS04 + S + H3As03 (7) Из данных уравнений следует, что в процессе биоокисления арсенопирита происходит перераспределение мышьяка между жидкой и твердой фазами, в которых он находится как в трех-, так и в пятивалентной форме. В растворе он находится преимущественно в виде мышьяковой и мышьяковистой кислот. Количество мышьяка в осадке зависит от рН раствора, концентрации и валентности находящихся в растворе мышьяка и железа. Также при окислении арсенопирита происходит образование элементной серы по реакциям (6, 7).
Минералогические методы исследования
В процесс бактериального выщелачивания поступают пиритные хвосты, предварительно измельченные до 80% класса -35 мкм. Плотность питания цикла биовьтщелачивания - 20% тв. Рабочая температура в танках поддерживается па уровне 42С, рН составляет 1,4-1,5 и 1,5-1,7 в первичных и вторичных реакторах соответственно. Для окисления пирита используется ассоциация мезофпльных и умеренно-термофильных микроорганизмов: Lept о spirillum, At. thiooxidans, At. caldus, Sulfobacilhis thermosulfidooxidans [115].
Степень окисления пирита в первичных реакторах находится на уровне 60%. Во вторичных пирит доокисляется еще на 20-30%. Извлечение кобальта в раствор составляет 80%. Продолжительность биовыщелачивания — 6 суток.
Пульпа после биовыщелачивания направляется на фильтрацию, а фильтрат - в цикл очистки насыщенного раствора от железа и последующего извлечения цинка, меди, кобальта и никеля. Извлечение кобальта из раствора составляет 99,9%.
Чановое биовыщелачивание халькопиритов ого концентрата. В мире большое внимание развитию технологии чанового биоокисления халькопиритового концентрата уделяют такие компании, как: BRGM, BacTech/Mintek, BHP-Billiton.
В 2001 г. компанией Mintek был получен патент [134] на процесс чанового и кучного выщелачивания халькопирита с контролированием окислительного потенциала пульпы. Для этого используются термофильные микроорганизмы, способные контролировать значение окислительного потенциала на границе халькопирит-бактерия. Показано, что термофильные микроорганизмы более эффективны для выщелачивания данного вида сырья [116].
В дальнейшем компания BacTech/Mintek совместно с Industrias Penoles (Мексика) на руднике в Монтеррее (Monterrey, Mexico) построила опытный завод с полным циклом переработки медного концентрата: биовыщелачивание умеренно-термофильными микроорганизмами, экстракция органическими растворителями, электроэкстракция [136, 147].
Для переработки халькопиритового концентрата компания BHP-Billiton разработала биотехнологию BioCOP с использованием экстремально-термофильных архей [106]. Пилотные тесты с использованием данной технологии были проведены совместно с КОДЕЛКО (CODELCO) на руднике Манса (Mansa Mina), Чили. Данная технология предусматривает чановое выщелачивание флотационного концентрата мезофильными, умеренно-термофильными и термофильными микроорганизмами при температуре 65-80С. После многочисленных лабораторных испытаний был построен опытно-промышленный завод производительностью 20000 т/год катодной меди, который успешно проработал 18 месяцев в период 2004-2005 гг. По полученным результатам работы данного предприятия было принято решение о строительстве завода производительностью 100000 т/год катодной меди [111]. Также промышленные реакторы установлены на руднике Перинг (Pering Mine), Южная Африка, для подтверждения ранее полученных результатов и отработки технологии [107]. В настоящее время этот процесс известен как Billiton-CODELCO [104].
Кучное бактериальное окисление концентратов цветных и благородных металлов Компанией ГеоБиотикс (GeoBiotics) разработана и запатентована технология GEOCOAT, предназначенная для переработки сульфидных концентратов благородных или цветных металлов методом кучного выщелачивания, которая, по утверждению разработчиков, совмещает в себе «высокое извлечение чанового процесса с низкими затратами кучного процесса» [119]. Для переработки руды благородных или цветных металлов кучным выщелачиванием, компания разработала технологию GEOLEACH.
В качестве инокулята используются мезофильные Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, а также термофильные архей Salfolobus и Acidianus.
Технология GEOCOAT с успехом применяется компанией African Pioneer Mining s на руднике Агнес (Agnes), Южная Африка. Данное предприятие было введено в строй в 2003 году для переработки 12000 т упорного сульфидного золотосодержащего концентрата в год. Продолжительность кучного биовыщелачивания составляет 60-75 дней. В настоящее время компания Геобиотикс проводит исследования по применению технологии для переработки дважды упорных руд золоторудного пояса Карлин, Невада и Ашанти, Гана.
Кучное бактериальное выщелачивание сульфидных никелевых руд. В мире существует много крупных никелевых месторождений с низким содержанием никеля, одним из которых является самое крупное в Европе месторождение в Соткамо (Sotkamo), Финляндия. Запасы данного месторождения насчитывают 340 млн. тонн руды с содержанием, %. 0,27 Ni, 0,14 Си, 0,02 Со, 0,56 Zn. Содержание сульфидов железа составляет 16%. Из них 2/3 приходится на пирротин и 1/3 на пирит. Никель представлен пентландитом и виоларитом.
Многочисленные исследования, проведенные в 80-х годах, показали, что наиболее перспективным методом извлечения никеля является кучное биовыщелачивание всей массы руды. По результатам проведенных работ летом 2005 г. была воздвигнута 50000 т пилотная куча.
Ассоциация микроорганизмов, участвующая- в процессе бактериального выщелачивания, представлена следующими видами: At. ferrooxidans, At.thiooxidans или At. albertensis, At. caldus, Leptospirillum ferrooxidans [122].
На Международном Конгрессе Обогатителей в Пекине в 2008 году (XXIV IMPC, Beijing, China) был сделан доклад об еще одном пилотном испытании кучного выщелачивания сульфидной никелевой руды. Речь шла о месторождении Моджианг (Mojiang), провинция Юннань (Yunnan), Китай, запасы которого оцениваются в 4 млн тонн руды с содержанием, %: 0,5 Ni, 0,34 As [146]. На 50% никелевые минералы представлены герсдорфитом. Часть никеля заключена в пирите, содержание которого в руде составляет 22%.
В 2003 году были закончены, лабораторные испытания по бактериальному выщелачиванию никеля, и в июне того же года была сооружена 10000 т пилотная куча. Температура процесса варьировалась в пределах 38-55С в зависимости от сезона. Выщелачивание проводилось аборигенными адаптированными мезофильньїмиї и умеренно-термофильными микроорганизмами. По результатам пилотных испытаний было показано, что извлечение никеля в раствор в промышленных масштабах должно составить 70% при продолжительности выщелачивания 1 год.
Компанией Titan Resources NL разработана технология- кучного выщелачивания медно-никелевых руд с использованием термофильных бактерий или комбинацией их с мезофильными. Исследования показали, что более 90% никеля, меди и кобальта можно извлечь из медно-никелевой руды (0,73% Ni и 0,87% Си) методом кучного бактериального выщелачивания с использованием бактерий при температуре 45-60С [100].
Кучное бактериальное выщелачивание медных руд. Процесс кучного выщелачивания меди применяется уже более 400 лет: в 1566 году в Северной Венгрии был организован полный цикл выщелачивания меди с использованием системы орошения. В Испании на руднике Рио-Тинто начали применять принудительное кучное выщелачивание меди из руд, содержащих 1,5% меди и 45% пирита в 1725 году. Этот процесс используется там до сих пор. В России также проводилось извлечение меди методом кучного выщелачивания из руд Волковского, Николаевского и др. месторождений [4].
Исследование влияния штаммового разнообразия микроорганизмов на кинетику-биоокисления Майского концентрата в проточном режиме
Анализ потребления; кислорода: позволяет не только быстро оценить окислительную активность бактерий впульпе, но и дает возможность определить пути ее интенсификации. Например,, изменяя рН или другие, факторы в опытных; сосудиках с пульпой и сравнивая показания по потреблению кислорода с контрольным вариантом, можно выдать рекомендации по корректировке тех или иных параметров, ведения, процесса бактериального; выщелачивания. Как известно, определение, скорости5 потребления кислорода при различных температурах и концентрациях. субстратов позволяет также дать, оценку целому ряду кинетических параметров-таких; как максимум специфической скорости потребления кислорода, порядок реакции (используя дифференциальный метод Вант-Роффа), энергия активации и деактивации потребления-1 кислорода, температурный коэффициент.
Все экспериментальные исследования по изучению- кинетики бактериального окисления упорного концентрата Майского месторождения, разработка двухстадиальной технологии выщелачивания сульфидного золотосодержащего концентрата пирит-арсенопиритового типа, а также апробация данной технологии проводились на укрупненно-лабораторной установке, смонтированной в ЦНИГРИ:
Анализ мировой практики; бактериального выщелачивания упорных золотосодержащих концентратов показал, что процесс успешно, реализуется в непрерывном режиме в аппаратах чанового типа: Биоокисление сульфидных концентратов осуществляется; согласно принципам непрерывного культивирования. бактерий по однопоточной схеме (пульпа с определенной скоростью проходит по всем выщелачивающим аппаратам) или;трехпоточной [78,.97], когда пульпа в начале процесса делится на три потока и параллельно поступает в три аппарата. Далее пульпа объединяется и поступает в следующие реакторы выщелачивания.
Применение многопоточной схемы при биоокислении труднообогатимого золотосодержащего сырья обеспечивает повышение производительности установки по сравнению с однопоточной схемой. При этом достигаются аналогичные результаты по биоокислению основных золотосодержащих сульфидов - арсенопирита, пирита и антимонита.
Исходя из предпосылок, что обязательным элементом биопроцесса является аэрация пульпы, можно было: бы предположить, что оптимальным аппаратом для биоокислительного процесса является пневматический перемешиватель типа «Пачук». Однако при пневматическом перемешивании в аппарате образуются глобальные турбулентные потоки жидкости, при которых не обеспечивается режим микросмешивания в объеме реактора [30, 31]. При этом пузырьки воздуха, подаваемого в пачуки для аэрации и перемешивания, поднимаясь наверх, коалесцируют, увеличиваясь в размерах до 10-20 мм. В результате поверхность контакта газа с жидкостью и, следовательно, растворение газовой фазы уменьшается [58].
Принимая во внимание преимущества многопоточной схемы непрерывного бактериального выщелачивания и реакторов с механическим перемешиванием и принудительной аэрацией, в ЦНИГРИ была смонтирована укрупненно-лабораторная установка непрерывного выщелачивания (рисунок 2.8), которая полностью моделирует двухпоточную схему биоокисления за счет установки в начале процесса первичного реактора вдвое большего объема, чем последующие вторичные реакторы.
Укрупненно-лабораторная установка непрерывного бактериального выщелачивания Приготовление питания бактериального выщелачивания осуществляется в аппарате типа контактный чан, где перерабатываемый флотоконцснтрат смешивается с технической водой и раствором питательных солей в соотношении Т:Ж=1:5. Из контактного чана пульпа концентрата закачивается в первичный реактор с помощью перистальтического насоса, а далее самотеком распределяется во вторичные реакторы. Из последнего реактора пульпа биоокисления поступает в конус-сгуститель.
Первичный п вторичные реакторы изготовлены из нержавеющей стали, имеют объем 4 л и 2 л соответственно, снабжены механической лопастной мешалкой и патрубком для принудительной подачи воздуха. Подача воздуха во все реакторы осуществляется с помощью компрессора.
Реакторы оснащены отражательными перегородками для предотвращения завихрения жидкости в аппарате и образования воронки [79]. В соответствии с практикой количество устанавливаемых перегородок — 4.
Нагрев реакторов биоокисления осуществляется вольфрамовыми нагревателями, погруженными в пульпу. Регулирование и измерение температуры происходит при помощи прибора «Термодат». К нему подключен датчик на основе термосопротивления, который регистрирует температуру. При этом значение измеренной температуры выводится на экран прибора. Этот же прибор производит и управление нагревателем — отключая и включая его при достижении заданных значений температур. Погрешность регулирования - ± 1 С
Кинетика бактериального окисления основных сульфидных минералов
Выше было установлено, что увеличение родового и видового разнообразия микроорганизмов в пульпе бактериального выщелачивания ведет к интенсификации процесса биоокисления золотосульфидных минералов. Это согласуется с ранее сделанным выводом Кондратьевой Т.Ф. и Пивоваровой Т.А. (ИНМИ РАН) о положительном влиянии штаммового разнообразия консорциума бактерий на биовыщелачивание пирротин-арсенопирит-пиритового концентрата.
При рассмотрении потенциальной активности хемолитотрофных ацидофильных микроорганизмов, характерных для золотосульфидных месторождений России, было показано, что каждый вид и род бактерий обладает собственными фенотипическими признаками: оптимальными значениями рН и температуры для осуществления своей жизнедеятельности, скоростями роста и окисления используемых энергетических субстратов.
В связи с этим при изучении роли микробных сообществ в биогидрометаллургических технологиях особый интерес представляет не только изучение качественного состава консорциумов бактерий, но и динамика,их изменений в условиях непрерывных процессов биоокисления.
Многочисленные исследования показали, что на активность роста и окисления 94 энергетических субстратов (сульфиды, ионы Fe , сера и ее восстановленные формы), а также формирование ассоциаций микроорганизмов значительно влияют, помимо вещественного состава" исходного сырья, технологические режимные параметры -плотность пульпы, температурный режим ведения процесса, кислотность среды - рН, а также биологические особенности используемых штаммов бактерии [18, 39].
При рассмотрении влияния режимных технологических параметров (плотности пульпы, температурного режима, рН) на формирование ассоциаций микроорганизмов и эффективность переработки труднообогатимого минерального сырья использовались, в основном, бактерии, выделенные из концентратов и руд золоторудных месторождений и адаптированные к условиям выщелачивания и исходному сырью. Плотность пульпы имеет особое значение в технологии чанового выщелачивания, т.к. она определяет производительность процесса и в конечном итоге основные технико-экономические показатели процесса.
Оптимальная плотность пульпы- при биоокислении упорных золотосодержащих концентратов зависит от исходного содержания выщелачиваемых металлов в исходном продукте. Так, при биоокислении золотосодержащих концентратов с содержанием мышьяка 3-5% при соотношении Т:Ж=1:3 за 100-120 час процесса достигаются удовлетворительные показатели по биоокислению арсенопирита (90-95%). Однако при содержании мышьяка более 5% для достижения аналогичных показателей необходимо увеличение продолжительности процесса. В ходе исследования по оптимизации плотности пульпы выявлено, что при Т:Ж=1 :(2,5-3) увеличение исходной биомассы (количества) бактерий не дает существенного прироста степени биоокисления золотосодержащих сульфидов. Возможно, что активность бактерий при высокой плотности пульпы инактивирована всем комплексом компонентов пульпы, в том числе и увеличением концентрации выщелачивающих элементов.
Микробиологический анализ пульпы бактериального выщелачивания показал, что увеличение плотности питания приводит к снижению концентрации в жидкой фазе микроорганизмов всех видов и родов (таблица 3.9).
Оптимальная плотность пульпы при биоокислении упорных золотосодержащих концентратов зависит от исходного содержания выщелачивающих минералов, в частности арсенопирита, пирита, пирротина в исходном золотосодержащем сырье. В то же время промышленная практика эксплуатации установок чанового выщелачивания и проведенные исследования по влиянию плотности пульпы рост бактерий и скорость окисления энергетических субстратов показали, что высокая активность бактерий и высокая скорость выщелачивания наблюдается при соотношении Т:Ж не менее 1:(4-5). Проведенные исследования по влиянию плотности пульпы на рост бактерий позволили установить, что наибольшее количество микроорганизмов наблюдается при Т:Ж не менее 1:(4-5), что должно обеспечить наибольшую скорость биоокисления золотосульфидных концентратов в промышленном масштабе. Полученные данные подтверждаются и мировой практикой эксплуатации установок чанового бактериального выщелачивания, в соответствие с которой процесс проводится при Т:Ж=1 :(4-5) [76, 145].
Известно, что одним из основных факторов при бактериальном выщелачивании является температура среды, т.к. от нее зависит протекание биологических процессов. Температура влияет на скорость ферментативных процессов, стабильность фермента, скорость распада фермент-субстратного комплекса, на сродство фермента к субстрату, на сродство фермента к активаторам и ингибиторам, на изменение концентрации растворенного кислорода и углекислого газа [26].
На базе результатов микробиологического анализа среды выщелачивания по биоокислению более 20 сульфидных золотомышьяковых концентратов России и стран СНГ проведена статистическая обработка массива данных по выявлению зависимости между концентрацией клеток микроорганизмов в жидкой фазе и температурой ведения биопроцесса. Результаты статистической обработки данных микробиологического анализа приведены на рисунках 3.15-3.17.
