影响细菌浸出率的因素

三、影响细菌浸出率的因素

生物浸矿反应涉及微生物的生长、繁殖，极其复杂，需要应用微生物学、生物化学、物理化学、冶金学等多学科知识。提高生物浸矿速度的方法可归纳为以下几个方面:

1.高效浸矿微生物的选育

目前应用最广泛的浸矿微生物为自养、嗜酸的硫杆菌属细菌。这类细菌生长速度慢、代期长，如氧化亚铁硫杆菌的代期长达5～12h，而大肠杆菌的代期只有17min。无论是细菌对矿石的直接作用，还是细菌的间接浸矿作用，细菌的生长速度都是决定浸矿速度的重要因素。另外，提高浸矿细菌的活性和抗胁迫能力也相当重要，包括提高细菌氧化Fe²⁺、S⁰、矿石的活性;增强细菌氧化其他非铁金属离子的能力及对有机物、氰化物、表面活性剂、重金属离子的抗性;提高细菌抗高温、抗寒、抗噬菌体感染及对矿石选择性吸附能力;加快细菌产生活性浸矿物质(如胞外酶、有机酸、过氧化物等)的速度和产量。除了从自然界中筛选高效浸矿微生物外，更重要的是运用育种手段获得优良菌种，包括传统的驯化方法、诱变育种、杂交育种，和现代的原生质体融合技术及基因工程育种。其中驯化育种和诱变育种目前用得较为普遍。Groudeva等人用诱变方法提高了氧化亚铁硫杆菌氧化Fe²⁺、S⁰的活性。Rowlings和Woods运用基因工程进行氧化亚铁硫杆菌抗砷载体的组建，得到抗砷菌株，用于含砷金精矿的生物氧化，提高了金的提取率。

2.细菌浸矿条件的优化

细菌浸矿过程涉及细菌生长、繁殖的一系列生化反应，因此，有必要控制浸矿介质的营养成分、矿浆电位、pH值、温度、离子浓度等，使细菌体内的生物催化剂——酶的活性保持在最高水平，促进细菌生长与繁殖，以提高浸矿速度。

(1)营养成分

保持较高的细菌生长速度，重要条件之一是提供细菌生长必需的足够营养。目前应用的大多数浸矿细菌为自养、好氧微生物，浸矿介质中必须保持充足的溶解氧和CO₂。研究表明，磷酸盐浓度是浸出速率的限制因素，而NH₄⁺浓度为总浸出率的限制因素。一般浸出液中缺少NH₄⁺，应适当补充。多数矿石中含有磷酸盐，可根据矿石组成情况，通过试验确定最佳添加量。其他生长因子，如铁、硫、钙、镁、钠等，通常矿石中含有，可以不加或少加。

(2)pH值

介质pH值过高或过低，都将影响细菌的存活与生长、繁殖速度。大多数浸矿细菌嗜酸性，生长pH=1.5～6.0。氧化亚铁硫杆菌最佳生长pH=2.5～3.0。

(3)矿浆电位Eh

介质的氧化还原电位影响细菌体内许多酶的活性及氧化磷酸化过程。对硫化矿的浸矿反应而言，氧化还原电位越高，浸出效果越好;但对细菌生长，Eh在400～700mV范围内细菌保持较高代谢活性。实际浸矿过程应兼顾两方面因素。

(4)温度

细菌体内的蛋白质、核酸对温度敏感。温度过高，蛋白质、核酸变性;温度过低，细菌体内的酶促反应速度将下降。氧化亚铁硫杆菌的生长温度范围是5～40℃，最佳温度是28～30℃。金属硫化矿的氧化浸出为放热反应，搅拌槽浸有时温度可达90℃以上，堆浸的矿堆内部温度有时高达80℃以上。因此，采取某些散热措施是必要的，使用某些耐高温的菌株也是人们感兴趣的方向，实际上，浸矿体系中往往存在着大量的嗜热细菌，对温度的耐受限度可达80～90℃。

(5)金属离子

某些微量金属离子是浸矿微生物的生长因子，影响细菌的生理生态及代谢反应。但是，如果金属离子浓度过高，将抑制细菌生长，甚至杀死细菌。对浸矿细菌产生抑制的一些离子的“极限浓度”见表14-9。

表14-9　　一些离子的“极限浓度”(mol/L)

某些离子，如Ag⁺，Hg²⁺，As³⁺，Pd²⁺等，即使在很低浓度时，也会抑制浸矿细菌体内某些酶的活性。

3.矿石性能的改善

矿石的矿物学特征、电化学性质、表面特性等都将影响细菌与矿物的作用方式和矿石的溶解特性。

(1)矿石粒度

从反应动力学角度，矿石粒度愈细的反应速度愈快。但是，实际浸矿过程中并非粒度越细越好，对于堆浸，必须考虑空气流通和矿层的渗透性，矿块应有一个合适的粒度范围和配比;搅拌浸出还应考虑磨矿耗能及粒度太细造成的矿浆黏性增大等不利因素，各种被浸矿石存在一个最佳粒度，应通过试验确定。

(2)矿物的电化学性质

大多数硫化矿具有导电性，在浸出介质中发生一系列的电化学反应，硫化矿物的细菌浸出反应实际上是电化学过程，例如，黄铜矿的细菌浸出体系中，在表面发生如下电化学反应:

阳极CuFeS₂→Cu²⁺+Fe²⁺+S⁰+4e

阴极4H⁺+O₂+4e→2H₂O

阳极CuFeS₂溶解产生不导电的元素硫，覆盖在矿物表面，阻碍电子传递，致使黄铜矿的电化学溶解停止。向体系中加入少量Ag⁺，可明显提高铜的细菌浸出速度。有人研究了银的催化机理，确定Ag⁺的催化作用是通过一系列电化学反应发生的。其他一些金属阳离子，如Sn²⁺，As³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Ru³⁺等，对黄铜矿的细菌浸出均有一定的催化效果，其原因可能是这些阳离子进入矿物晶格，改变了矿物的电化学性质所致。

(3)矿石的化学成分

矿石的化学成分影响其中某些矿物的生物浸出速度，例如，当黄铜矿与黄铁矿共生时，黄铜矿的细菌氧化速度将加快，而当与闪锌矿或方铅矿共生时，其溶解却受到抑制。另外，矿石中某些重金属元素如汞，砷，铅等溶解出来将会影响微生物的生长、繁殖甚至存活。