含砷难处理金矿的细菌氧化预处理研究现状

       一、引言

       含砷难处理金矿是指金以显微或次显微甚至晶格金的形式被包裹于含砷的硫化物矿物之中的矿石，属极难处理矿石。在这类矿石中，金往往以显微或次显微甚至晶格金的形式浸染于毒砂、黄铁矿等硫化矿中。含砷含碳是这类矿石中“最顽固的”，属双重极难处理矿石，采用常规氰化提金工艺处理，金的浸出率很低，主要因为在这类矿石中金以极微细粒形态被含砷硫化物包裹，在氰化浸出过程中，金很难与浸出药剂相结合，而且溶液中形成的砷的硫化物溶解度较高，氰化时会大量消耗溶液中的氰化物和溶解氧。含砷金矿的难处理性并不在于含砷量的多少，而在于有多少微细粒金被包裹在含砷的硫化矿物之中。

       据统计，目前世界上约2/3的金矿资源属于难处理矿，而世界黄金总产量的1/3左右是产自难处理金矿，这一比例今后必将进一步增高。在我国已探明的黄金储量中，有30%为难处理金矿，其中含砷金矿是最难处理的，从20世纪70年代中期起，在云南、贵州、广西、四川、陕西、甘肃、辽宁、青海、新疆等地区陆续发现了这类金矿。因此，含砷难处理金矿的预处理工艺的研究具有极其重要的意义。

       而细菌氧化预处理工艺与其它工艺相比，具有以下优点：①常温常压下进行的硫化物的细菌氧化过程；②流程简单、操作方便；③投资少、生产成本低、处理后金回收率高，有较高的经济效益；④对环境影响小，具有较好的社会效益。因此，细菌预氧化预处理方法是处理含砷难浸金矿的最有发展前途的一种方法。

       细菌氧化是一个复杂的过程，化学氧化、细菌氧化与原电池反应同时发生。人们对细菌在浸矿中的作用说法存在许多观点，研究认为细菌在浸矿中的作用机理主要有三类：（1）浸矿细菌直接氧化作用机理。认为浸出过程浸矿细菌直接与矿物接触发生氧化反应。其中有人认为还有初级次级氧化反应机理。（2）浸矿细菌间接氧化作用机理。认为浸矿细菌使Fe2+重新被氧化为Fe3+，此时Fe3+为氧化剂，可使金属硫化物氧化成硫酸盐。（3）复合氧化作用机理。认为直接氧化作用和间接氧化作用共同作用。反应如下：

       该反应产生的硫酸高铁是一种强氧化剂，又与含砷硫化物金矿反应。

       4FeAsS + 4Fe2 (SO4)3 + 5O2 (g) + 6H2O＝12FeSO4 + 4H3AsO4 + 4S

       4FeSO4 + 2H2SO4 + O2＝2Fe2 (SO4)3 + 2H2O  

       无论是直接作用还是间接作用，还是直接作用与间接作用的复合作用，都会发生细菌氧化二价铁的过程，但是目前对于细菌氧化机理还没有完全弄清楚。

       二、细菌氧化影响因素

       细菌预氧化过程中影响因素的确定取决于难浸金矿石的矿物学特性以及对硫化物氧化程度的要求，而细菌预氧化过程各因素控制的正确与否，直接决定了细菌预氧化成效的关键。        

细菌预氧化过程中最重要的因素有：①细菌因素：细菌种类、细菌的驯化、氧化过程的pH值、氧化温度、氧化时间、细菌接种量等；②矿物因素：难处理矿金矿类型、矿石化学成分、矿物组成、硫化物表面性质等；③工艺因素：物料粒度、矿浆浓度、Fe3+浓度、充气量、反应器结构、表面活性剂等。其中细菌因素反映了主体（细菌）自身的生物生理和生化特性；矿物因素反映了客体（难浸金矿）受细菌作用的情况，直接影响预处理设备的规模和操作成本；而工艺因素则涉及细菌氧化矿物的最佳操作条件，是改善细菌氧化能力和矿物被氧化难度的中介。

       细菌氧化预处理工艺采用的细菌种类主要是氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌、叶硫球菌以及嗜热硫氧化菌等，它们属化能自养菌、好氧，这些细菌的繁殖速度较慢，要通过常规的技术缩短细菌氧化的时间是很难的。细菌氧化技术研究的内容是细菌本身的活性、耐砷性、耐温性、耐酸性、培养基类型、细菌对矿石的选择性及细菌与硫化物矿物反应的机理等。细菌氧化技术工业应用的主要内容是反应器的充气方式、热交换方式、搅拌方式、反应器连接方式以及细菌氧化技术与常规提金工艺的连接等。

       三、细菌氧化预处理工艺流程

       细菌氧化预处理工艺只是作为含砷难处理金矿氰化浸出前的一种预处理方法，其工艺流程包括Biox工艺、Bactech工艺、Minbac工艺、Newmont公司的细菌氧化堆浸工艺。图1给出某细菌氧化提金厂含砷难浸金精矿的细菌氧化预处理提金工艺。该含砷难处理金矿石，生产中细菌氧化预处理工艺为四段氧化、三段洗涤、二段中和的流程；含砷金精矿经除屑浆化后，用泵送至旋流器进行分级；分级的底流给入磨机进一步细磨，分级的溢流流入浓缩机浓缩；浓缩机的溢流进入回水池，缩机的底流在加入营养基后用泵送到一段生物氧化槽；经过连续四段生物氧化氧化后的矿浆给入—高效浓缩机进行浓缩；浓缩后的底流给入压滤机，溢流入中和系统；经两段连续压滤后，滤渣经碱性预处理后送到氰化回路浸出提金滤液返回高效浓缩机；高效浓缩机的溢流在中和系统经二段中和，中和后的体给入压滤机压滤，滤饼即为中和渣，送往堆场堆存，滤给入回水池，循环使用。

                                                                                                            图1 某细菌氧化提金厂含砷难浸金精矿的细菌氧化预处理提金工艺

       四、国内外细菌氧化预处理工艺研究现状及进展

       （一）国外研究现状及进展

       难浸金矿的细菌氧化预处理，最先是1964年在法国提出，法国人首次尝试利用细菌浸出红土矿物中的金，取得了令人鼓舞的效果；1977年苏联最先发表了实验结果；北美最先用搅拌反应槽对难浸金矿石及精矿进行细菌氧化，对于搅拌反应槽式细菌氧化厂的投产和推广，具有奠基作用；1984~1985年，加拿大Giant Bay微生物技术公司对北美及澳大利亚的30多种金精矿进行了细菌氧化实验研究。1986年南非的Fairview金矿建立了世界上第一个细菌氧化提金厂，实现了含砷难浸金矿细菌氧化预处理法在世界上的首次商用，该厂处理的金精矿含Au120g·t—1、S29%、As8%，金的回收率达95%以上 。澳大利亚Wiluna矿的工业应用证明，细菌氧化可节省投资近20%，节省生产成本10%，而金的回收率增加13%。世界上第一座大型细菌处理厂是加纳的Ashanti生物氧化系统，1995年扩建设计规模为960t/d。Pezinok选矿厂利用细菌氧化处理含砷金精矿，精矿中Au34g·t—1、全铁40.59%、As15.5%，金的回收率达89%。1996年美国纽蒙特公司在内华达州的卡林金矿进行了数百吨到百万吨级的一系列细菌氧化堆浸工业试验，并取得成功，利用该技术在处理卡林矿处理的矿石品位Au0.6～1.2g·t—1，矿石粒度为80%小于19mm，细菌氧化周期为80～100d，金回收率为60%～70%，每吨矿石的加工成本为5美元左右。据资料介绍，美国纽蒙特黄金公司已经完成225万吨含砷原生金矿细菌氧化预处理堆浸生产试验,，生产总费用8.6美元/吨。20世纪90年代初美国内华达州Tonkin Springs金矿在未进行中试及细菌氧化作业的工程研究仓促建成了处理量为20t/d精矿的细菌氧化厂，结果工厂投产运行失败。

       （二）国内研究现状及进展

       我国含砷难浸金矿细菌氧化预处理研究是从中国科学院微生物研究所最早开始的。1973年6月裘荣庆等从广东云浮茶洞毒砂矿酸性矿水中分离筛选出氧化铁硫杆菌T—3，经过后来的驯化，细菌的耐砷能力达6g/L。地矿部西安综合岩矿测试中心以含砷难浸金精矿为对象进行了细菌预氧化研究，研究了菌种培养、分离和耐砷驯化方式，筛选出耐砷达17g/ L的菌种，细菌适用于高砷难浸金矿细菌预氧化，经过实验室吨级单槽细菌预氧化难浸原生金矿试验，证实该菌种对含高砷金矿的脱砷率达到98%，金的浸出率达到89%。1998年6月由中国矿业总公司和陕西省地矿局合作，采用地矿部西安综合岩矿测试中心细菌预氧化技术建成日处理10t金精矿的陕西中矿生物矿业工程有限公司生物提金厂正式投产，同年产出第一炉合质金，该厂处理含砷(7～16) %的金精矿，经(120～168)h的生物预氧化，金的浸出率达到95%，每处理一吨金精矿的直接成本为488元(试剂、水电、人员工资)。

       近十几年来，我国含砷难浸金矿细菌氧化预处理研究发展很快，取得了一些突破性进展。2000年由中国有色工程设计研究总院设计并建成了我国第一个细菌氧化预处理—氰化提金厂—山东烟台黄金冶炼厂建成50t/d含砷金精矿的生物提金厂，标志了我国含砷难处理金矿的细菌预处理工艺已经从科研阶段转向工业化生产，该厂处理的金精矿含Au52.7g·t—1、S24.42%、As3.58%，2003年生产指标中金的回收率达95.40%。2001年在原山东莱州黄金冶炼厂基础上，采用澳大利亚BacTech公司技术，建成100t/d金精矿的山东天承金业股份有限公司生物提金厂。杨洪英等采用HQ—0211嗜热菌对含砷为11.78％金精矿进行氧化6d后，脱砷率达到99.24％，金的回收率达92.12％。钟少燕等对云南某含砷难浸金精矿进行细菌氧化预处理研究，结果表明采用细菌氧化预处理后，金浸出率达到98.25％。佟琳琳等对湖南某高砷难处理金精矿进行了细菌氧化-氰化提金研究，该金精矿含Au66.18g·t—1、As11.28%，在不同条件下进行细菌氧化试验，试验结果表明金的浸出率均达90%以上。罗志雄等采用中温菌和常温菌浸出含砷金精矿，结果表明中度嗜热嗜酸铁氧化菌和嗜酸氧化亚铁硫杆菌的浸矿效果不同，浸矿机理也不相同。闫颖等采用经长期驯化的嗜中温混合菌群进行活化，并用活化菌种对山东某含砷金矿进行细菌氧化预处理，结果表明，经过不同的活化条件，细菌脱砷率也不同，经过两次活化后，脱砷率可达89%。近年来细菌氧化预处理工艺得到了长足的发展，工业应用也遍地开花，表1给出了国内外主要难浸金矿采用细菌预处理的生产厂。

                                                                                                                            表1  国内外主要难浸金矿采用细菌预处理的生产厂

       五、展望

       我国含砷难浸金矿储量丰富，而细菌预氧化技术适用于难选的高砷金矿石，所以该项技术的进一步研究和应用，必将为我国黄金工业乃至整个矿业生产带来巨大的经济效益。目前影响细菌预氧化工艺大规模工业应用的主要因素是细菌(氧化硫铁杆菌)耐热性差、氧化周期较长等。为解决这些问题国家正加大生物产业的科研投入，增强企业和院校间互相合作，使细菌氧化预处理工艺在工业化生产中发挥应有的作用。