不同能源物质对At.f菌浸出低品位铜尾矿的影响
董颖博，林海，莫晓兰，傅开彬
(北京科技大学 土木与环境工程学院 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083)
摘要：以嗜酸氧化亚铁硫杆菌LD-1菌株(At.f LD-1)为研究对象，研究硫酸亚铁、硫代硫酸钠和黄铁矿3种能源物质对At.f LD-1菌株浸出低品位铜尾矿浸出体系及铜浸出效率的影响。研究结果表明：At.f LD-1菌株浸出铜尾矿初期加入适量的硫酸亚铁、硫代硫酸钠、黄铁矿均能提高铜的浸出效率，其中以硫代硫酸钠的效果最为显著；初始加入二价铁质量浓度为5 g/L时浸出效果较好，46 d铜浸出率达35.00%，与不加硫酸亚铁的相比提高13.63%；硫代硫酸钠中S质量浓度为1 g/L时浸铜效果最好，46 d铜的浸出率达到38.10%，与不加硫代硫酸钠的相比提高23.70%；加入黄铁矿对提高铜浸出率也能起到促进作用，浸出46 d后铜浸出率达34.17%，与不加黄铁矿时相比提高11.00%。
关键词：At.f LD-1菌株；硫酸亚铁；硫代硫酸钠；黄铁矿；铜尾矿；浸出
中图分类号：TD925.5 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)05-1181-07
Effect of different energy sources on At.f bacterial leaching of low-grade copper tailings
DONG Ying-bo, LIN Hai, MO Xiao-lan, FU Kai-bin
(Key Laboratory of Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, School of Civil & Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: The effect of different energy sources on bio-leaching of the low-grade copper tailings was studied with strain Acidthiobacillus ferrooxidans (At.f ) LD-1. The results show that ferrous sulfate, sodium thiosulfate and pyrite can improve the efficiency of copper leaching. When the initial mass concentration of ferrous is 5 g/L, the copper leaching rate reaches 35.00% after 46 d leaching, 13.63% higher than that without ferrous sulfate. When sodium thiosulfate is added with 1 g/L of initial S mass concentration, the copper leaching rate reaches the highest value of 38.10% after 46 d leaching. It is improved by about 23.70% compared with the copper leaching rate without sodium thiosulfate. Pyrite is also able to enhance the effect of copper leaching. The copper leaching rate reaches 34.17% after 46 d leaching, 11.00% higher than that without pyrite.
Key words: At.f LD-1; ferrous sulfate; sodium thiosulfate; pyrite; copper tailing; leaching
待-1eri with lfate waleaching ra尾矿作为矿山固体废物的主要组成部分，其长期堆存不仅占用大量土地，破坏生态环境，而且存在安全隐患等一系列问题，更为重要的是，尾矿中含有大量的有价资源，是亟待开发和利用的宝贵二次资源[1]。采用微生物浸矿技术处理低品位尾矿是一种有效的方法，具有成本低、投资少、工艺流程短、设备简单、应用范围宽、易于管理、环境友好等特点[2]。嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidthiobacillus ferrooxidans, 简称At.f菌) 作为浸矿的主要菌种，被广泛应用于处理常规矿物加工方法无法处理或没有经济效益的矿产资源，尤其用于浸出那些含量特别少、粒径特别小或有用成分被包裹的矿石[3]。At.f菌属于严格自养型微生物，有较强的合成能力，能利用简单无机物合成本身所需的糖、蛋白质、核酸、维生素等复杂的细胞物质。At.f菌从氧化Fe2+和还原态硫的氧化过程中获得同化CO2和生长所需要的能量[4]，它的培养基由简单的无机物组成，以Fe2+和还原态硫复合物为能源。目前，国内外对不同能源物质条件下菌种的生长特性研究较多[5-6]，而在不同能源物质对菌种浸矿体系和浸出效率的影响方面研究很少。而浸出效率较低是微生物技术处理低品位矿石的一个主要障碍，研究不同能源物质对浸矿体系以及浸出效率的影响，对于优化浸出过程、提高浸出速率具有重要意义。在此，本文作者以实验室开发的优良浸出铜尾矿菌种作为实验菌株，对湖北大冶某废弃铜尾矿进行浸出实验。在浸矿初期，加入不同含量的硫酸亚铁、硫代硫酸钠以及黄铁矿，考察不同能源物质对浸出体系以及尾矿中铜浸出效率的影响。
1 实验
1.1 实验矿样
试验矿样取自湖北大冶某废弃尾矿，平均铜品位为0.2%，主要含铜矿物为黄铜矿，另有微量的铜蓝。矿样化学多元素分析结果和XRD图谱分别如表1和图1所示。从表1和图1可见：尾矿中主要含有石英、方解石和白云石等矿物，含铜矿物含量较低。铜矿物嵌布粒度较小，多与脉石矿物连生。
表1 试样化学多元素分析结果(质量分数)
Table 1 Analysis results of multi-element of copper tailing %
1.2 菌种及培养基的制备
实验所用菌种为At.f LD-1菌株，采自湖北大冶某铜矿酸性矿坑水中(pH约为4.5)，经过筛选、分离、鉴定、耐铜驯化培养、适应尾矿环境驯化培养后所得。委托北京三博远志生物技术有限责任公司完成序列测定，其16S rDNA基因库登录序列号为FN811931.1。菌种最佳培养条件如下：初始pH为2.0，摇床温度为30 ℃，转速为160 r/min。采用改进型4.5K培养基，
图1 矿样XRD谱图
Fig.1 X-ray diffraction pattern of copper tailing
将基础无机盐培养液于121 ℃灭菌20 min，能源物质硫酸亚铁经微孔滤膜(直径为0.22 μm) 真空抽滤除菌，之后混合使用。实验所用硫代硫酸钠也采用抽滤除菌，黄铁矿采用间歇灭菌。
实验菌种制备方法：将菌种恒温培养至生长对数期，对菌液进行离心，在5 000 r/min转速下离心20 min，去上清液得到固体，用pH为2.0、预先灭过菌的硫酸溶液对沉淀进行洗涤和重悬浮，然后，离心去上清液。如此反复操作3次，以得到纯的细胞悬液，在生物显微镜下计数，调整细菌浓度。
1.3 实验方法
尾矿细菌浸出实验均在250 mL锥形瓶中进行，装入90 mL已灭菌且pH为2.0、含有不同浓度硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、硫代硫酸钠(Na2S2O3)和黄铁矿的稀硫酸溶液，设计所加硫酸亚铁中Fe2+、硫代硫酸钠中S的质量浓度均分别为1，5和10 g/L，黄铁矿(纯度为87%)加入量为0.6 g/L，即Fe2+质量浓度为2.4 g/L+S 2.6 g/L，之后接入10 mL纯化后的At.f LD-1菌液，细菌浓度均为1.0×108 个/mL，矿浆含量为5%，置于温度为30 ℃、转速为160 r/min的空气浴恒温摇床内振荡培养。浸出初期定时定量用10%稀硫酸调节浸出体系的pH，定期测定浸出液中pH、氧化还原电位和Cu2+质量浓度。蒸发的水分用蒸馏水补足，取样消耗的液量用相应的溶液补充，使锥形瓶内溶液保持在100 mL刻度线。
1.4 分析方法
用S20 seveneasy pH仪测量浸出体系的pH，采用铂-甘汞复合电极在PHS-2F型pH计的电位档测定浸出体系氧化还原电位；Cu2+质量浓度采用原子吸收光谱法测定；在ZBM-300E无穷远生物显微镜下观察细菌并采用血球计数板测定浸出液中活细菌的数量。
2 结果和讨论
2.1 基础培养基对浸出效果的影响
At.f LD-1菌株生长和繁殖需要从外界摄取各种营养物质，其中包括碳源、氮源、能源、磷源及其他微量元素。该菌为无机化能自养菌，所以，碳源一般来自空气中的二氧化碳，能源物质为溶液中的Fe2+、硫化矿及额外添加的单质硫等。磷源及其他营养元素需要以基础培养基的形式向浸矿溶液中添加。然而，在实验中，尾矿中所含各种元素会释放在浸出液中，可补充菌种生长所必需的一些营养元素。针对这种情况，设计了基础培养基对尾矿浸出效果影响实验，以确定浸矿实验所用培养液组成。本实验过程中使用的基础培养基为无铁4.5K培养基。
基础培养基对浸出效果的影响见表2。从表2可见：浸矿初期是否添加基础培养基对浸铜效果影响不明显。因为随着尾矿中含Mg，P，K和Na等脉石矿物的溶解，可以不断释放营养元素来满足菌种生长，所以，实验采用pH为2.0的稀硫酸溶液代替了无机盐基础培养液。在浸矿初期，pH有所升高，这是尾矿中含有较多碱性脉石矿物所致。为了防止pH过高对菌种生长不利，在尾矿浸出实验前2 d，每组均定时定量加入10%稀硫酸调节浸出体系的pH，使其稳定在适合菌种生长的范围内。
表2 基础培养基对浸出效果的影响
Table 2 Effect of basic medium on copper leaching rate %
2.2 不同初始Fe2+质量浓度对At. f LD-1菌浸出铜尾矿的影响
At.f菌在以硫酸亚铁为能源物质时，Fe2+通过细菌被代谢为Fe3+，氧作为电子受体，At.f菌在代谢过程中获得能量[7]。以Fe2+作为At.f LD-1菌株的能源物质进行铜尾矿浸出实验，在不同初始Fe2+质量浓度下，浸出体系pH和氧化还原电位Eh随时间的变化分别如图2和图3所示。从图2和图3可见：不同初始Fe2+质量浓度下浸出体系pH均呈先上升后下降最终保持稳定的趋势。浸出前期体系的pH上升主要是尾矿中碱性矿物耗酸所致。此外，浸矿过程本身会消耗H+(如反应(1))。之后补加了一定量的稀硫酸，同时，体系浸出一段时间后部分氧化分解的硫化矿所产生的S被细菌氧化为硫酸，Fe3+发生水解以及黄铁钾钒沉淀的生成使培养体系酸度增加(如反应(2)~(4))，从而使溶液的pH有所降低。随着初始Fe2+质量浓度的增加，pH越来越低，当初始Fe2+质量浓度为10 g/L时，浸出28 d后体系pH降低至1.9，而不加入硫酸亚铁的浸矿体系最终pH稳定在2.3左右。其原因可能是Fe2+质量浓度越高，氧化后浸出液中Fe3+较多，促进了反应(3)和(4)的进行，导致酸度较快增加[8]。
(1)
(2)
(3)
(4)
从图3可以看出：氧化还原电位Eh均随着Fe2+的氧化逐渐上升到最高值，维持在相对稳定的范围内，且初始Fe2+质量浓度越高，Eh也越大；在初始Fe2+质量浓度为10 g/L浸出28 d后，Eh稳定在580 mV，比不加硫酸亚铁浸出液的氧化还原电位Eh高20 mV左右。这是因为当溶液中含有大量的Fe2+时，细菌首先利用Fe2+作为能源，代谢产生大量的Fe3+并使溶液电位升高，Fe3+与Fe2+等质量浓度是引起电位升高或降低的关键因素。细菌以溶液中Fe2+为能源，菌密度快速增大，导致Fe2+氧化作用进一步增强，使浸出液中Fe3+与Fe2+等质量浓度较高，从而使浸出液的Eh提高。
图2 不同初始Fe2+质量浓度对浸出体系pH的影响
Fig.2 Influence of ferrous iron at different initial mass concentrations on pH of leaching system
图3 不同初始Fe2+质量浓度对浸出体系Eh的影响
Fig.3 Influence of ferrous iron at different initial concentrations on Eh of leaching system
图4所示为不同初始Fe2+质量浓度下At.f LD-1菌株浸出铜尾矿的对比效果。从图4可见：初始Fe2+质量浓度为1和5 g/L时的浸出效果好于初始不加Fe2+的菌浸效果，尤其在Fe2+质量浓度为5 g/L时，浸出效果最好，浸出46 d后铜的浸出率达到35.00%，而初始不加Fe2+的铜浸出率为30.80%；但是，当Fe2+质量浓度增加至10 g/L时，铜浸出率反而有所下降，仅为28.10%。其原因是：在矿物细菌浸出过程中，高的溶液电位是影响浸出的重要因素[9]，细菌将Fe2+氧化为Fe3+，使溶液氧化还原电位升高，但硫酸亚铁是速效能源，浸矿菌会优先利用，浸矿体系加入过多的硫
图4 不同初始Fe2+质量浓度下At.f LD-1菌对铜尾矿的浸出效果
Fig.4 Copper leaching rates under different initial ferrous iron mass concentrations
酸亚铁会影响浸矿菌前期对黄铜矿的浸出，并导致黄钾铁矾沉淀得过早和过多产生，沉积在矿物颗粒表面，成为质子和电子传递的屏障，阻碍矿物的进一步氧化分解，并最终使浸出速率减小[10-11]。所以，为了减少沉淀的产生，又能在适合黄铜矿浸出的适宜范围内加速硫化铜矿的氧化分解，必须保持适量的起始总铁离子质量浓度[12]。从图4可以看出：初始加入质量浓度为5 g/L的Fe2+时，尾矿中铜的浸出效果最好，能够加强尾矿的生物浸出。
2.3 不同初始Na2S2O3质量浓度对At.f LD-1菌浸出铜尾矿的影响
以Na2S2O3为能源物质时，At.f LD-1菌浸出铜尾矿体系pH的变化情况如图5所示。从图5可以看出：溶液中pH变化趋势与以硫酸亚铁为能源物质有所不同；当空白试验和初始Na2S2O3中S质量浓度为1 g/L时，溶液pH先上升后下降；当S质量浓度为5和10 g/L时，溶液pH先上升后下降，之后又上升，过一段时间后快速下降。前期pH上升主要是尾矿中碱性矿物耗酸和Na2S2O3在酸性溶液中迅速分解所致[13]。但初始加入Na2S2O3中S质量浓度为5和10 g/L时，由于加入Na2S2O3过多，所补加稀硫酸被消耗，导致pH又开始上升；分别在第8和14 d时，溶液pH又快速下降，28 d时均已降至1.70左右。这是随着At.f LD-1菌的大量繁殖，Na2S2O3和反应(5)产生的S被细菌氧化产酸所致，如反应(6)和(2)。
(5)
(6)
图5 不同初始S质量浓度对浸出体系pH的影响
Fig.5 Influence of S at different initial mass concentrations on pH of leaching system
图6所示为不同初始Na2S2O3质量浓度下，At.f LD-1菌浸出尾矿体系Eh的变化情况。从图6可见：不同浸出条件下的氧化还原电位均逐渐上升达到最高值，最终维持在560~580 mV范围内；但随着初始Na2S2O3质量浓度的增大，浸出体系Eh达到最高稳定值的浸出时间延长；当初始Na2S2O3中S质量浓度为1 g/L时，10 d后浸出体系的Eh已快速上升到544 mV，之后缓慢升高并稳定在575 mV左右；而在相同浸出时间下，当S质量浓度为5和10 g/L时，浸出体系的Eh较低，仅分别为487和465 mV。这是因为在不同初始Na2S2O3质量浓度下，At.f LD-1菌浸出铜尾矿体系中氧化还原电位的变化是由Na2S2O3中低价态硫的氧化程度所决定，同时，与不同初始Na2S2O3质量浓度下浸出体系pH的变化呈一定的相关性。
图6 不同初始S质量浓度对浸出体系Eh的影响
Fig.6 Influence of S at different initial mass concentrations on Eh of leaching system
图7所示为不同初始S质量浓度下At.f LD-1菌浸出铜尾矿的效果。从图7可以看出：初始S质量浓度为1 g/L时的浸出效果最好，浸出46 d后铜的浸出率能达到38.10%；在At.f LD-1菌浸出铜尾矿初期，当Na2S2O3质量浓度较高时，导致溶液pH过高，使At.f LD-1菌的生长受到抑制，所以，浸出10 d时，初始S质量浓度为5和10 g/L的浸出体系铜浸出率远低于S质量浓度为1 g/L和初始不加Na2S2O3的铜浸出率，之后，随着At.f LD-1菌的生长，溶液pH开始下降，从而又为菌种大量繁殖和尾矿浸出体系提供了较好的pH环境，所以，后期铜浸出率有较大幅度提高，46 d时铜浸出率几乎达到了初始不加Na2S2O3的铜浸出率，但仍低于S质量浓度为1 g/L时的浸出率。因此，适量的起始Na2S2O3质量浓度对菌种生长繁殖和尾矿浸出是必要的。结果表明：当初始加入Na2S2O3的S质量浓度为1 g/L时，尾矿中铜的细菌浸出效果最好。
图7 不同初始S质量浓度时At.f LD-1菌对铜尾矿的浸出效果
Fig.7 Copper leaching rates under different initial S mass concentrations
2.4 黄铁矿作为能源物质对At.f LD-1菌浸出铜尾矿的影响
At.f 菌不但可以利用Fe2+和低价态的硫作为能源，也可以将硫化矿作为能源物质，黄铁矿中含有的Fe和S均为还原态，而这2种物质的氧化过程都能够为细菌提供生长所需要的能源，促进其快速生长[14]。黄铁矿作为At.f LD-1菌能源物质浸出铜尾矿体系的pH和Eh的变化如图8和图9所示。从图 8和图9可见：黄铁矿作为能源物质的细菌浸出液中pH在浸出2 d后开始下降，停止补加酸后仍能够在较长时间保持低pH环境；随着浸出过程的进行，溶液pH还略有降低，28 d时浸出液pH为1.99；而浸出时间相同时，初期不加黄铁矿的浸出体系pH为2.35左右。这可能是因为以黄铁矿为能源物质时，细菌浸出铜尾矿过程产酸，类似细菌溶解金属硫化物的过程，它完全基于Fe3+对元素S的氧化作用，直至元素硫中的6个电子全部被转移，形成S2O32-，反应中还伴随单质S的产生，S2O32-进一步被氧化，经由SnO62-和S8最后生成SO42- [15](见反应(7))。从图9可以看出：初期加入黄铁矿的浸出体系Eh和不加黄铁矿浸出体系的Eh变化趋势相同，但在浸出后期明显高于不加黄铁矿浸出体系的Eh，提高10 mV以上。因为随着At.f LD-1菌的大量繁殖，黄铁矿中溶解出的Fe2+被氧化的速度高于Fe3+对其他元素的氧化速度，导致溶液电位升高。
图8 能源物质黄铁矿对浸出体系pH的影响
Fig.8 Influence of pyrite on pH of leaching system
图9 能源物质黄铁矿对浸出体系Eh的影响
Fig.9 Influence of pyrite on Eh of leaching system
(7)
加入与不加入能源物质黄铁矿时At.f LD-1菌浸出尾矿的铜浸出率对比效果如图10所示。从图10可以看出：加入能源物质黄铁矿后，尾矿中铜的浸出率有所提高；在浸出前期，这种作用不是很明显，一直到浸出8 d左右，加入黄铁矿的浸出体系铜浸出率比不加黄铁矿的仅高出1.00%，这是因为黄铁矿不溶于水，与硫酸亚铁和硫代硫酸钠相比，属于缓效能源，其作用滞后是必然的；但在浸出46 d后前者铜的浸出率能达到34.17%，与不加黄铁矿相比，铜浸出率提高11.00%。这表明At.f LD-1菌可以利用黄铁矿中的亚铁和硫作为生长的能源物质，能够提高铜浸出效率，但
图10 能源物质黄铁矿对浸出体系铜浸出率的影响
Fig.10 Influence of pyrite on copper leaching rate
与培养基中的亚铁离子和硫代硫酸钠相比，其铜浸出率偏低。
3 结论
(1) 不同硫酸亚铁用量对At.f LD-1菌浸铜效率的影响有所差异。当Fe2+质量浓度较小时，铜浸出率较小，但当亚铁质量浓度较高时，铜浸出率并非随着Fe2+质量浓度的增大而增大。当初始加入Fe2+质量浓度为5 g/L时，对于At.f LD-1菌浸矿是适宜的，能够加强铜尾矿的细菌浸出，尾矿中铜的浸出效果最好，46 d时铜浸出率达到35.00%，与不加硫酸亚铁的铜浸出率相比提高13.63%。
(2) 适宜的硫代硫酸钠用量能够有效提高细菌浸铜效率，初始Na2S2O3中S质量浓度为1 g/L时的浸铜效果最好，细菌浸出46 d后铜的浸出率能达到38.10%，与不加Na2S2O3相比铜浸出率提高23.70%。
(3) At.f LD-1菌浸出铜尾矿体系加入黄铁矿能够对提高铜浸出率起到促进作用，浸出46 d后铜的浸出率能达到34.17%，与不加黄铁矿相比铜浸出率提高11.00%。
(4) 不同能源物质对细菌浸出尾矿体系和铜浸出效率的影响程度不同。硫酸亚铁、硫代硫酸钠和黄铁矿3种能源物质都能够提高细菌浸出低品位铜尾矿的铜浸出效率，其中硫代硫酸钠的浸出效果最为显著。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-04-20；修回日期：2010-06-28
基金项目：北京市教育委员会共建项目(XK100080432)
通信作者：董颖博(1983-)，女，河南郑州人，博士研究生，从事微生物选矿研究；电话：010-62333603；E-mail: gaia1983@163.com
