Жизнедеятельность и активность тионовых микроорганизмов при подземном выщелачивании цветных металлов

ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И АКТИВНОСТЬ ТИОНОВЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ПРАКТИКА 88

Цель работы

Факторы, влияющие на жизнедеятельность и активность тионовых микроорганизмов в сульфидных минералах

Бактериальное выщелачивание сульфидов может активно протекать только при благоприятных для жизнедеятельности бактерий условиях среды. Основные факторы, определяющие эти благоприятные условия, можно разделить на три группы.

К первой группе относятся физико-химические факторы: pH среды, окислительно-восстановительный потенциал, температура, степень аэрации, концентрация кислорода -и углекислого газа.
Ко второй группе относятся биологические факторы: концентрация бактерий и возраст культуры, минеральный состав питательной среды, адаптация культуры, применение смеси культур и пр.
Третья группа факторов — технологическая. К ней относятся прежде всего соотношение Т:Ж в выщелачиваемой пульпе, способ перемешивания и аэрация, схема выщелачивания, крупность материала, время выщелачивания и пр. Она имеет большое значение при чановом методе бактериального выщелачивания.
Одним из наиболее важных факторов бактериального окисления сульфидных минералов является активная кислотность среды. Как уже отмечалось выше, бактерии Т.ferrooxidans нормально растут и развиваются только в кислой среде при pH от 2 до 4. Однако оптимум pH, при котором бактерии наиболее активны, даже в этих узких пределах значений pH различен для разных минералов и руд.
В процессе развития микроорганизмы проходят как бы четыре фазы: лаг-фазу, экспоненциальную, стационарную и фазу отмирания. Для технологии бактериального выщелачивания имеет значение продолжительность лаг-фазы, т.е. начальной фазы развития, которая характеризуется приспособлением бактерий к окружающей среде, и экспоненциальной фазы, в которой рост и активность микробной популяции описываются экспоненциальным законом. Общее время выщелачивания определяется продолжительностью этих двух фаз, а фактическое время выщелачивания — продолжительностью экспоненциальной фазы.
Как показали исследования, при изменении pH в ту и другую сторону от оптимальных значений (2,3-2,6) продолжительность лаг-фазы микроорганизмов резко увеличивается, т.е. с 3-5 ч при pH 2,3 до 75 ч при pH 3 и до 250 ч при pH 1,5. Увеличение продолжительности лаг-фазы сопровождается снижением активности микроорганизмов. Подобная закономерность была установлена нами при изучении бактериального выщелачивания мышьяка в растворах, имеющих pH 1,7-4. Бактерии лучше всего окисляют арсенопирит при pH 2,3-2,5. При этом pH за 16 суток было выщелочено из арсенопирита 6,8 г/л мышьяка. За это же время при pH 2 мышьяка выщелочилось в 1,2 и при pH 3 в 1,4 раза меньше, чем при pH 2,5. Наименьшая скорость выщелачивания мышьяка была при pH 1,4 и 4.
Необходимо отметить трудность поддержания pH раствора на оптимальном уровне, особенно после того, как бактерии, пройдя лаг-фазу, начинают активно участвовать в окислении минерала. Так, при выщелачивании арсенопирита через сутки pH раствора изменяется на 0,1-0,15 единиц, а через 3 суток уже на 0,5-0,6 единиц. Вначале выщелачивания, когда бактерии только выходят из лаг-фазы и менее активны, происходят в основном химическое выщелачивание и подщелачивание среды в результате расходования имеющейся в растворе серной кислоты. При активном бактериальном окислении арсенопирита и при гидролизе образующегося сернокислого окисного железа выделяется серная кислота и раствор подкисляется.
При pH исходных бактериальных растворов менее 2, когда обычная культура Т.ferrooxidans имеет меньшую активность, чем при pH 2,3-2,5, расход серной кислоты на химическое выщелачивание арсенопирита не компенсируется образованием кислоты при окислении его бактериями и поэтому pH среды повышается до 2. Возможно также, что бактерии сами способны в какой-то мере регулировать pH среды. При окислении сернокислого закисного железа, являющегося наиболее доступным источником энергии для бактерий, установлено, что наибольшие скорости окисления его до окисного наблюдаются также при pH раствора 2,5. При pH 1,7 скорость окисления закисного железа уменьшается почти в 2 раза. После первых суток окисления pH раствора снижается до 2,3-2,5. Поддержание pH среды на уровне 3,5 не удается из-за гидролиза образующегося сернокислого окисного железа, при котором выделяется серная кислота.
Распространение бактерий Т.ferrooxidans в месторождениях сульфидных руд также зависит от pH среды. Максимальное их количество наблюдается в кислой среде, особенно при pH 2,5-3,5. В участках месторождений, для которых pH среды значительно отличается от оптимальных величин, бактерии поселяются в микрозонах, где создают наиболее благоприятные условия для своей жизнедеятельности.
Большое значение при бактериальном выщелачивании сульфидных минералов имеет соотношение величин окислительно-восстановительного потенциала среды и электрохимического потенциала выщелачиваемых сульфидных минералов. Для интенсивного окисления минералов бактериями необходима достаточная разность между значением электродного потенциала сульфидного минерала и ОВП бактериального раствора, которая свидетельствует об энергетическом равновесии между средой н минералом, а следовательно, о возможности окисления последнего в этих условиях.
Одновременное присутствие в рудах сульфидов различных металлов создает сложный комплекс продуктов их окисления, которые способствуют развитию бактерий и интенсифицируют окисление минералов, либо угнетают микроорганизмы и прекращают их дальнейшее развитие. Значительное взаимное влияние сульфидных минералов на их окисление в гидрометаллургических системах изучено уже давно. Показано, что марказит в контакте со сфалеритом окисляется в 4-6 раз медленнее, а сфалерит в 10-12 раз быстрее, чем в мономинеральных фракциях.
Поведение сульфидов и их смесей определяется стационарным электродным потенциалом, величина которого зависит прежде всего от состава среды, pH и температуры. При контакте электроположительных и электроотрицательных минералов окисление минерала с более высоким значением электродного потенциала замедляется, а минерала с более низким потенциалом — ускоряется.
Таким образом, бактериальное выщелачивание имеет селективный характер, который зависит от разницы в величинах электрохимических потенциалов присутствующих в руде сульфидных минералов и разницы между электродным потенциалом минералов и окислительно-восстановительным потенциалом среды.
Как указывалось выше, микроорганизмы Т.ferrooxidans могут расти и развиваться только в определенном интервале температур. Поэтому температура является одним из основных и важных факторов при бактериальном выщелачивании. Известно, что оптимальной для жизнедеятельности бактерий Т.ferrooxidans является температура 28-35 °С.
Одним из решающих факторов, определяющих эффективность протекания микробиологических окислительных процессов, является крупность выщелачиваемого материала. Это относится ко всем видам бактериального выщелачивания - подземному, кучному и чановому. При подземном бактериальном выщелачивании на месте залегания необходимо, чтобы руда имела естественную проницаемость для фильтрации бактериальных растворов, которая осуществляется по трещинам и порам рудного тела. Для создания хорошей проницаемости рудное тело, имеющее эффективную пористость более 5-10%, необходимо предварительно раздробить. Подземное выщелачивание обычно сопровождается закупоркой каналов и пор. Особенно это свойственно карбонат содержащим рудам. При этом резко снижаются фильтрационные свойства рудного тела. Для улучшения фильтрации необходимо увеличить гидростатическое давление подаваемого бактериального раствора.
При кучном выщелачивании куски выщелачиваемой руды должны иметь также определенный оптимальный размер, так как при большой их крупности извлечение металлов будет низким, а мелкие куски руды и шламы закупоривают каналы для просачивания раствора. Размер кусков руды, закладываемой в кучи, зависит от системы разработки месторождения, состава вмещающих пород и применяемого выщелачивающего раствора. Бактериальный раствор удовлетворительно просачивается через руду, уложенную в кучу, при крупности кусков руды от 19 до 25 мм. Увеличение их размеров снижает скорость пропитки и извлечение металлов. Более мелкая руда забивает поры и каналы в теле отвала и затрудняет фильтрацию раствора через толщу кучи, что снижает скорость выщелачивания и извлечения металлов. Содержание мелких классов в отсыпаемой руде не должно превышать 10-20 %.
Наличие в среде, в которой происходит микробиологическое выщелачивание, достаточного количества кислорода - необходимое условие для активного роста клеток, являющихся аэробными микроорганизмами. Поэтому при бактериальном выщелачивании с участием бактерий Т.ferrooxidans и Т.thiooxidans аэрация является одним из основных факторов, влияющих на развитие бактерий и на скорость биологического окисления сульфидных минералов. Аэрация выщелачивающих и питательных растворов осуществляется при чановом методе выщелачивания энергичным перемешиванием растворов, засасыванием воздуха из атмосферы и принудительной его подачей под давлением. При выщелачивании в перколяторах эффективным оказался часовой расход трех объемов воздуха на один объем раствора.
Для окисления различных субстратов требуется разное количество кислорода. Определено, что для окисления сульфата закиси железа в сульфат окиси бактериям необходимо 0,14 кг кислорода на каждый килограмм железа, а для полного перевода 1 кг элементарной серы в сульфаты необходимо 2 кг кислорода. Аналогично, при окислении 1 кг халькопирита потребность кислорода составляет 0,74 кг, т.е. для выщелачивания 1 кг меди из халькопирита необходимо 2,13 кг кислорода. Вводе при 20 °С содержится 8-10^-4 г/л кислорода, т.е. 6,4 кг на 1000 м³, но этого количества кислорода недостаточно для бактериального окисления, и поэтому роль аэрации в этом процессе становится очевидной.
Для более плотных пульп при выборе оптимального способа перемешивания и интенсивной аэрации пульпы следует учитывать не только количество поглощаемого кислорода в процессе выщелачивания, но и оптимальные условия закрепления микроорганизмов на минеральной поверхности. Основной задачей эффективного перемешивания пульпы при чановом методе бактериального выщелачивания является поддержание всей массы материала во взвешенном состоянии, хорошее диспергирование подаваемого воздуха, но при отсутствии резких перепадов плотности пульпы и значительных центробежных сил, усиливающих абразивное действие твердых частиц, в результате чего ухудшаются условия закрепления и удержания бактерий на минеральной поверхности.