超高温古细菌的重要特征及其应用前景.pdf

第 卷第 期（总第 期） 年 月 湿法冶金 Hydrometallurgy of China Vol No （Sum ） Dec 超高温古细菌的重要特征及其应用前景 张在海 ， 郭文鹏 ， 杨俊奎 ， 张双龙 （ 昆明霖海微生物工程有限公司 ， 云南 昆明 ； （ 西藏玉龙铜业股份有限公司 ， 西藏 昌都 ） 摘要 ： 在自然界极端环境中采集到一种能在 环境中生长的球状原生质生物体 ， 并成功地对其进行培 养 。 生物体命名为超高温古细菌 。 这种古细菌的繁殖能力极强 ， 浸矿过程中可以自动升温 ， 温度达 。 介绍了结合氧化铜矿工业生产状况和氧化硫化混合铜矿工业试验结果 。 对不同性质物料的工业试验结 果表明 ： 无论是原生硫化铜矿 、 结合氧化铜矿 ， 还是缺硫 、 低硫并含不同品位铁的物料 ， 用超高温古细菌浸出 ， 金属浸出率均较高 ， 而且自动高温（ ）或超高温（ ） ； 酸耗大幅度降低 ； 对于低硫氧化铜矿 ， 有效浸出时间通常在 h 之内 ， 低液固体积质量比 、 缺氧或缺少空气等不良因素对高温和铜的浸出影响不 明显 ， 而低压条件对高温产生影响显著 。 关键词 ： 超高温古细菌 ； 生物浸出 ； 原生硫化铜 ； 结合氧化铜 ； 高海拔地区 中图分类号 ： TF 文献标志码 ： A 文章编号 ： （） DOI ： j cnki sfyj 收稿日期 ： 作者简介 ： 张在海（ ） ， 男（侗族） ， 湖南人 ， 博士 ， 副教授 ， 主要从事冶金微生物资源及其应用技术研究 。 生物冶金过程中 ， 金属浸出率和浸出时间随 温度升高而明显改善 。 最近 年来 ， 关于中等高 温菌（moderate thermophile）和高温菌（thermo phile）的研究较多 ， 有的是对新发现菌种及其特 性的研究 ， 有的是对浸出微生态多样性及其功 能进行研究 。 在浸出技术方面 ： 有的获得了较 高的金属浸出率 ， 但浸出时间较长 ； 有的需要在 尾液中加温和重新培养菌种 ； 有的在浸出率 、 浸 出时间和技术经济指标等方面仍然与中温菌的相 差不大 。 生产性能方面 ， 多数学者更偏爱于中 等高温菌 ， 认为高温菌多数是球型原生质体 ， 抗金 属离子和搅拌的剪切力较差 ， 不能在较高的矿浆 浓度中应用 ， 而中等高温菌多数是有壁的杆菌类 ， 具有良好的抗性 ， 因而更有优势 。 我们认为 ， 中等高温菌的金属浸出率 、浸出时间在技术经济 上虽然有了进一步改善 ， 但难以满足经济生产的 要求 ， 特别是针对难浸原生硫化铜没有根本性突 破 ， 铜浸出率在 左右就出现钝化 。 超高温古细菌（hyper thermophile archaea） 是一种能在 条件下生长 、 生理生化特性 相似的连续菌群 ， 具有自动升温 ， 高效浸出原生硫 化铜矿 、结合氧化铜矿和合金的能力 。 年 ， 本文第一作者关于超高温古细菌的论文首次发 表 ， 初步总结了这种细菌在商业应用中的技术经 济性能 。 年 ， 补充了结合氧化铜 矿 、 低硫且低铁或低硫高铁铜矿 ， 减免硫酸用量 ， 以及在高海拔地区应用等方面的研究 ， 研究结果 在技术 、 经济及环保方面较充分地展现了超高温 古细菌的优越性 。 1 超高温古细菌的重要特征 1 1 自然状态为球状或簇团状 ， 原生质体 超高温古细菌为从极端环境中用液态培养基 富集而来 。 固体培养基由 层组成 ， 上层是 pH 为 的硫酸铜营养液 ， 下层为 pH 的 硫化钠营养液 。 经过 h 培养 ， 黑色背景下长出 许多光滑透明 、 肉质的淡蓝色亮点 ， 呈半球状 ， 约 mm 。 图 是用超高温古细菌浸出云南个旧卡房铜 矿酸浸渣时 下的自然形态 。 可以看出 ， 超高 温古细菌自然生长时 ， 呈球状或簇团状 ， 单体大小 约 m ， 密度较高 。 第 卷第 期张在海 ， 等 ： 超高温古细菌的重要特征及其应用前景 图 1 超高温古细菌在 75 矿浆中的自然形态 1 2 自主升温至高温或超高温 图 为超高温古细菌在海拔 m 的西藏 尼木铜矿中培养时的自动升温情况 。 接种量为 ， 培养总量为 m 。 可以看出 ， 超高温 古细菌接种后立即升温 ， 无适应期 ， 能从 自 动升温到最高温度约 。 图 2 超高温古细菌在海拔 3 900 m的西藏尼木铜矿中 培养时的自动升温情况 1 3 较广范围内传代时间随温度升高而缩短 一种简易的测定自然传代时间的方法是 ： 将 超高温古细菌以体积分数 的接种量连续接 种到质量分数 的铜精矿中 ， 选择浸出曲线中 加速增长段的某点为转接点 ， 连续接种 次 ， 每隔 h 测定 次溶液中的铜质量浓度 ， 绘出 条完整 的浸出曲线 ， 从曲线中读出相同铜浸出量或铜浸 出率时所经历的时间 ， 此时古细菌恰好扩增 倍 。 然后在不同温度（ 、 、 、 ）下 ， 从低 到高依次转接 ， 测出不同温度下的传代时间 。 图 是超高温古细菌的传代时间与温度的关 系 。 可以看出 ， 超高温古细菌的自然传代时间随 温度升高而缩短 ， 即从中温的 min ， 到中等高 温的 min ， 再到高温和超高温的 min 和 min 。 图 3 超高温古细菌在不同温度条件下的传代时间 1 4 一定范围内浸出能力随温度升高而增强 以超高温古细菌在浸出高温氧化酸浸锗渣的 生产应用为例 。 从生产系统中取 菌浆 ， 分别 在 、 和 下进行试验 ， 连续搅拌浸出 h 。 图 是不同温度条件下超高温古细菌浸出锗 的效果对比 。 可以看出 ： 超高温古细菌在 时 对锗的浸出效果明显优于 下的浸出效果 ， 与 时的浸出效果相当 ； 浸出 h 后 ， 加氧化剂 高锰酸钾 ， 锗浸出率未能进一步提高 。 图 4 超高温古细菌在不同温度下对高温氧化酸 浸锗渣的浸出效果 2 超高温古细菌的应用 2 1 云南个旧卡房铜矿酸浸渣的浸出 原料为加温酸浸后的铜浸出渣 ， 其中 ： Cu 、 Fe 、 S 质量分数分别为 、 和 ； 渣中的铜主要为结合氧化铜 ， 以类质同象 形式赋存于褐铁矿中 ， 见微量黄铜矿颗粒 ； 余铜 粒度在 目以下 。 连续搅拌系统由 个矱 m m PP 桶组成 。 在第 桶中加料加酸 ， 第 桶加入萃 余液以降温和稀释矿浆 ， 控制液固体积质量比为 ， pH ， 日处理浸出渣 t 。 表 为 超高温古细菌浸出卡房铜矿酸浸渣时的部分生产 记录（ 年）。 湿法冶金 年 月 表 1 超高温古细菌浸出卡房铜矿酸浸渣时的部分生产记录（2013 年） 日期 矿浆温度 酸浸渣中 wCu） 菌浸渣中 wCu） 铜浸出率 k a W M C 9 / % ? ? & fl / k a W M C 9 / % ? ? & fl / k a W M C 9 / % ? ? & fl / k a W M C 9 / % ? ? & fl / k a W M C 9 / % ? ? & fl / k a W M C 9 / % ? ? & fl / 从表 看出 ， 自然生产中 ， 温度通常达 ， 并长期稳定 。 设渣率为 ， 则加温酸浸 渣用超高温古细菌浸出可以再提取 的铜 。 2 2 西藏尼木铜矿工业试验 尼木铜矿矿石为氧化铜矿和硫化铜矿的混合 铜矿 ， 品位低 ， 组成复杂 ， 铜品位在 之间 。 湿法堆浸厂海拔 m ， 因矿石中含黄 铜矿 、方黄铜矿和结合氧化铜矿 ， 浸出率只达 。 近 年来的反复搅拌浸出研究结 果表明 ， 铜浸出率难以超过 ， 因此矿山也无 经济效益 。 超高温古细菌搅拌浸出工业试验中 ， 原矿由 拉萨市尼木县运到个旧有色金属合金厂湿法分 厂 ， 共 t ， 日处理矿石约 t 。 原矿中 ： Cu 、 Fe 、 S 质量分数分别为 、 和 ； 铜矿物有孔雀石 、锰铜矿 、黄铜矿和含铜褐铁矿 ， 其中 自 由 氧化铜约占 ，硫 化 铜 约 占 ， 结合氧化铜约占 ； 的铜矿物 粒度在 目以下 。 原矿磨矿粒度 目以下占 。 矿浆液固体积质量比由低到高经历 个连续阶 段 ： 第 阶段 ， 矿浆密度在 gcm 之 间 ， 相当于液固体积质量比（ ） （ ） ； 第 阶段 ， 矿浆密度在 gcm 之间 ， 相 当于液固体积质量比（ ） （ ）。 图 为 超高温古细菌工业试验中各桶矿浆自动温度变化 情况 。 可以看出 ： 超高温古细菌浸出尼木铜矿时 ， 当液固体积质量比由 向 逐减时 ， 第 桶的矿浆自动温度由约 向 逐降 ； 当 液固体积质量比由 向 逐减时 ， 第 桶矿浆温度由 向 降低 ； 内循环 桶温度变化接近一致 ， 未循环的各桶按流经顺序 依次增高 。 表 是超高温古细菌浸出时各桶渣中 铜质量分数（ 年）。 图 5 超高温古细菌工业试验中各桶矿浆 自动温度变化情况 表 2 超高温古细菌浸出时各桶渣中铜质量分数（2013 年） 桶号 日期 P? M 故障故障故障 M M ? ” Y ? M ? ” Y ? M ? ” Y ? M ? ” Y ? M ? ” Y ? M ? ” Y ? 第 卷第 期张在海 ， 等 ： 超高温古细菌的重要特征及其应用前景 从表 看出 ： 当浸出到第 桶时（ 、 因故 障未使用） ， 相当已浸出 h ， 渣铜基本低于 ， 在 之间 ， 铜浸出率约在 之间 。 偶有因加入硫酸量严重不足 、 渣铜超出 的情况 。 随温度下降 ， 渣铜略有升高 。 2 3 西藏玉龙铜矿半工业试验 西藏玉龙铜矿石为氧化铜矿和硫化铜矿的混 合矿 ， 结合率高 。 连续搅拌湿法厂位于海拔 m 处 ， 采用蒸汽加温 ， 原设计加温到 ， 现场操 作难以达到 。 建有硫酸厂 ， 用硫磺制酸 ， 煤和 硫酸价格均为 元t 。 加温酸浸渣中铜质量分 数为 ， 铜浸出率在 之间 。 年超高温古细菌浸出半工业试验所用 矿石中 ：Cu 、S 、Fe 质量分数分别为 ， 和 ； 每批处理矿石 t 。 铜矿物有氧化铜矿 、锰铜矿和少量硫化铜 矿 ， 如辉铜矿和黄铜矿 ，其中自由氧化铜占 ， 结合氧化铜占 ， 硫化铜占 ； 铜矿物赋存状态主要是细粒级或微粒级 。 图 为 加温酸浸对照试验结果 ， 图 为超高温古细菌培 养过程中的自动升温和铜浸出情况 ， 图 为强化 搅拌与充气条件下的温度 、 铜浸出情况 。 图 6 加温酸浸对照试验结果 图 7 超高温古细菌培养过程中的自动升温和 铜浸出情况（2014 年） 图 8 强化搅拌与充气条件下最高温与 铜浸出情况 （2014 年） 从图 看出 ， 分别在 、 和 条件下加 温酸浸 ，浸出渣中铜质量分数相应为 、 和 。 从图 看出 ： 超高温古细菌能使 矿浆温度由 自动升温到 ， 并能在浸 出过程中将渣中铜质量分数降到 左右 ； 浸 出渣中的铜降低到一定后不再随温度升高而降 低 。 物相分析结果显示 ， 硫化铜矿物仅余 ， 说明基本浸出完全 。 从图 看出 ， 当温度达到最 高温度约 后 ， 长期稳定 ， 强搅拌（ 月 日 前）和充入空气（ 月 日后）均未能提高最高温 度和浸出率 。 半工业试验结果表明 ， 用超高温古细菌在高 海拔地区浸矿 ， 低温 、 缺氧或改变矿浆浓度并不影 响最高温的达成和铜的浸出 ， 而低气压的影响较 为明显 。 3 超高温古细菌浸出机制探讨 前期研究发现 ， 超高温古细菌浸出低品位黄 铜矿精矿时 ， 不存在中间产物 ， 过程中残余的铜仍 是黄铜矿 ， 在高温和高效浸出状态下 ， 中间产物 不能积累成稳定的可测产物 。 对高硫化矿物和合 金的浸出过程中获得高温不难用传统的生物氧化 理论解释 。 随后 年的研究发现 ： 个旧卡房铜矿酸浸渣 属缺硫中等含铁物料 ， 铁矿物主要是针铁矿 、 褐铁 矿 ， 伴有微量黄铁矿 、 磁铁矿 ； 尼木铜矿属低硫且 低铁物料 ， 铁以褐铁矿 、 黄铁矿形式存在 ； 玉龙铜 矿属低硫高铁物料 ， 铁以褐铁矿 、铁铝榴石为主 ， 伴有微量黄铁矿 。 超高温古细菌浸出这些物料 时 ， 溶液中的亚铁质量浓度较低 ，