[科普中国]-细菌浸铀

历史沿革

在自然界中，细菌氧化金属硫化物成为可溶性硫酸盐的现象早已存在，只是由于当时未发明显微镜，不知细菌对矿物的氧化浸出作用。直到1922年鲁道夫(Rudolf)和海尔布劳涅尔(Helbronner)叙述了用氧化铁硫杆菌作用于黄铁矿和闪锌矿并使铁和锌转变为相应的硫酸盐的能力。同年，瓦克斯曼(Waks-man)从土壤中、1947年科尔梅尔(colmer)从烟煤矿废水中分离出一种氧化铁硫杆菌(thiobacillus fer-rooxidans)的细菌。1954年布赖涅尔(Bryner)在酸性废矿井水中发现了氧化铁杆菌(ferrobacillus fer-rooxidans)，并证实了其溶解铜矿物的能力。

氧化亚铁的杆菌及其应用一直是开发细菌浸出的重点研究内容，其进展大致可分为如下四个阶段：(1) 1945～1960年期间，研究细菌的生理特征，确定其为化能自养细菌；(2) 1960～1964年，在利用氧化铁硫杆菌进行黄铜矿浸出时，确定了细菌培养方法和添加表面活性剂的方法；(3) 1965～1977年，在实验室及工业生产规模试验中，用氧化铁硫杆菌或氧化硫铁杆菌(fer-robacillus sulfooxidans)浸出低品位铜矿、铀矿、锰矿及砷钴矿等；(4) 1978年至20世纪90年代初用细菌浸出法对含砷难处理金矿的氧化预处理及含硫煤脱硫处理等进行了研究。

中国和所有工业发达国家一样对细菌浸出的开发和应用进行了大量工作，中国科学院微生物研究所在1960年从广东云浮茶洞毒砂矿酸性矿水中首次分离出氧化铁硫杆菌，并鉴别了其生理特征；70年代初进行了铜矿选矿尾矿的工业规模生产实践，之后又完成了从金属选矿尾矿中浸出砷钴矿及难处理金矿脱砷等半工业规模试验；80年代完成了砷锑金矿、金矿、银砷矿等的14种难处理金矿的细菌氧化试验研究。在基础研究方面，还有中国科学院化工冶金研究所开展的浮选药剂对细菌生长的影响及硫化物浸出动力学研究，中南工业大学开展的各种离子对细菌反应活性的影响及硫化物电化学反应机理和动力学研究等。

原理反应公式(1)细菌浸出过程系以细菌直接氧化金属硫化物中的铁和硫，使之变为金属硫酸盐，例如：

(2)以细菌间接氧化硫化物、硫酸亚铁和元素硫形成硫酸高铁和硫酸，以浸出矿石中的金属氧化物，例如：

两种作用相辅相成，构成了良性循环。

(3)硫酸铁将低价铀氧化成高价铀：

细菌作用具体地讲，在铀矿石的细菌浸出过程中，细菌的主要作用表现在以下两个方面：

(1)依靠细菌实现铀矿石中的黄铁矿等硫化矿物的氧化，解除硫化矿物对铀等有价金属的包裹，同时利用硫化矿物氧化代谢产物硫酸和三价铁为铀的浸出提供浸出剂和氧化剂。

(2)依靠细菌作用完成贫铀浸出剂的氧化再生，将溶液中的二价铁氧化为三价铁，提高氧化还原电位后返回用作浸出剂，而不必再补充氧化剂。2

工艺流程细菌浸铀工艺流程由以下几个基本工序组成：

**(1)矿石准备工序：**对于堆浸和渗滤浸出，该工序包括配矿、破碎、堆矿或装矿；搅拌浸出包括配矿、破碎和磨矿；地浸包括钻孔施工、安装等。

**(2)浸出工序：**该工序有细菌浸出剂制备、粗矿块或细矿粒的堆浸和渗滤浸出作业以及磨细矿浆的搅拌浸出作业。

**(3)固液分离工序：**堆浸和渗滤浸出可直接得到用以回收金属的澄清浸出液；搅拌浸出必须进行固液分离，可以用过滤的办法得到清液或者通过逆流倾析和洗涤得到含固量很低浸出液回收金属，也可以经粗砂分离后直接用矿浆吸附工艺回收金属；对地浸采铀而言，由于浸出液含砂(泥)量少，只需要通过澄清或砂滤处理即可。

**(4)铀回收工序：**可以通过多种方法由浸出液中回收金属，其中有沉淀、离子交换和溶剂萃取等。

(5)细菌浸出剂再生工序： 该工序是将回收金属后含Fe2+吸附尾液，全部或部分地氧化再生以便返回浸出工序。

细菌浸出剂的再生过程和细菌培养过程基本相似。在实际生产中，经常使用的操作过程，主要是使浸出剂不断再生和循环利用。

浸出剂再生的办法有两种，一种是将提取金属后的尾液经过生物反应器氧化再生，然后返回浸出工序继续使用，整个流程实现浸出剂的闭路循环，也可以将部分尾液再生循环使用，其余部分处理后排放。部分再生可以控制循环液中的铁和其他杂质的含量，使其不至于在循环中积累而影响浸出和金属回收过程的正常运转。此外，在生产实践中，还可以将部分澄清浸出液，不经过金属回收工序而直接由细菌氧化，提高电位值后返回浸出工序。这样可以维持浸出所需氧化电位，并可节省氧化剂。

优点用细菌浸出法回收贫矿与废石中的铜，生产成本低(只有常规法的1/3～1/2)、基建费用省(只常规法的1/5～1/4)，因而可经济地处理某些常规法无法处理的矿物原料。细菌浸出的最大缺点是氧化速度慢，浸出周期长，细菌的培养和繁殖受到一些客观条件(如地质条件、严寒冰冻等)的制约。细菌浸出在美国、加拿大、前苏联、西班牙、智利、澳大利亚、墨西哥、中国等已用于工业生产。美国、加拿大、法国、西班牙、葡萄牙与前苏联也在开展细菌浸铀的工业试验。细菌浸出的开发研究还涉及到锌、钴、镍等硫化矿与某些氧化矿。随着生物科学的发展，人们致力于弄清楚细菌浸出过程酶的作用，培育新的微生物，强化细菌培养再生过程，加强与冶金学科的配合，强化细菌溶浸过程和优化提取回收过程。

浸用细菌与细菌浸出有关的坑内水中的细菌主要有氧化硫铁杆菌、氧化铁硫杆菌、氧化铁杆菌。这些菌的共同特征是宽0.5μm左右、长1.0到数微米的杆菌，生长在普通微生物所不能存在的强酸性坑内水中。这些菌对革兰氏染色呈阴性反应，能运动，利用硫酸铵为氮源。其中氧化硫铁杆菌是真正的自养性细菌，能氧化元素硫和硫代硫酸盐而不能氧化低价铁，嗜酸，在pH值低至0.6时仍能生长。氧化铁硫杆菌是一种能氧化低价铁、硫化物和元素硫的自养性细菌，可生长在强酸性坑水中，其适宜生长的pH值为2～2.5。这种细菌以空气中的二氧化碳为碳源，以无机氮化物为氮源，性嗜酸嗜氧，能将硫酸亚铁和硫化铁中的铁氧化成高价铁，将硫化矿物中的硫和元素硫氧化成硫酸。

培养氧化硫杆菌时用莱顿(leaten)无机盐培养基，其成分为： (NH4)2SO4 0.15g，KCl 0.05g，K2HPO40.05g，MgSO4·7H2O 0.50g，Ca (NO3)2 0.01g，蒸馏水1000mL，10% (质量或体积) FeSO4·7H2O10mL。培养氧化硫铁杆菌用瓦克斯曼(Wakesman)元素硫培养基，其成分为： (NH4)2SO40.2g，KH2PO43～4g，MgSO4·7H2O0.5g，CaCl2·2H2O0.25g，蒸馏水1000mL，硫粉1.0g，FeSO4·7H2O 0.01g。

培养方法是将调整好pH值的培养基分装在已消毒的三角瓶中作浅层培养，取1～10mL矿坑水放入瓶内并测定和调整好pH值，然后置于301～303K恒温箱内进行培养。当以元素硫作能源时只限于静止培养。培养1～2天后即可检查是否有氧化铁硫杆菌和氧化硫杆菌生长，通过显微镜观察细菌形态并计数，并测定Fe与Fe比的变化和pH值变化，来考察培养效果。