固定化細(xì)胞移動床浸出高硫高鐵低銅難選銅礦中銅的研究

汪銀梅，曹文平

( 徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008 )

生物浸礦技術(shù)以低耗、環(huán)保等優(yōu)勢，對金屬銅礦、難冶煉的金礦處理已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)化規(guī)模。但是，利用生物浸礦技術(shù)所得的金屬浸出率仍然較低，因為生物冶金工業(yè)中所用的微生物受環(huán)境影響較大。而影響浸礦微生物數(shù)量和活性的環(huán)境因素有：酸堿度、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)、表面活性劑等[1-3]。為提高其微生物濃度慣用的方法，就是利用其特性選擇使用一些生物載體(亦稱填料)使微生物吸附在其上生長，使其不容易失活、更容易提高其活性和生物富集程度[4-5]。該做法成功應(yīng)用于工業(yè)化過程中，并取得了良好的效果。

混合浸礦微生物聯(lián)合浸出金屬礦石，已經(jīng)是一個眾所周知的理論，因為混合細(xì)菌所具有的酶系統(tǒng)，肯定比單一細(xì)菌所具有的酶系統(tǒng)要復(fù)雜得多，所以容易發(fā)揮混合菌群之間的聯(lián)合作用，并且能提高浸出率[6-7]。本項目將T.f和T.t菌混合并固定在生物載體上，并結(jié)合水處理中生物載體的移動理論和技巧，使混合菌體附著載體在系統(tǒng)內(nèi)不斷移動，增加傳質(zhì)效果，從而達(dá)到提高浸礦微生物活性和數(shù)量的目的，并為新型浸礦系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

1 材料和方法

1.1 礦樣

礦樣是取自江西銅業(yè)公司東鄉(xiāng)銅礦，為硫化銅礦，磨細(xì)至75 μm，其化學(xué)成分如表1所示。銅的物相分析如表2所示。

表1 原礦多元素化學(xué)分析結(jié)果/%

表2 銅物相分析結(jié)果/%

從表1和表2可見，礦樣中銅的含量較低，僅為0.97%，屬于低品位硫化銅礦，含S量達(dá)20.17%，含鐵量也比較高，達(dá)到22.42%，屬于含高硫高鐵的銅礦，且氧化程度偏大。因此，如果用傳統(tǒng)選冶方法對這種類型的礦石進(jìn)行選冶，效果較差。

1.2 目的菌群培育

將礦石磨碎至75 μm，分別裝入兩個錐形瓶中，并分別放入少量的無菌水，并用稀硫酸調(diào)節(jié)至氧化亞鐵硫桿菌(T.f)和氧化硫硫桿菌(T.t)各自適宜的pH值，在自然條件下(25℃～30℃，14d)培育出試驗所需要的目的菌種；然后，利用表3中的配方，配制出T.f和T.t液體培養(yǎng)基經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)。擴(kuò)大培養(yǎng)步驟是：將自然培育好的兩種菌液分別取10mL樣品，接種到裝有100mL各自液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，置于水浴恒溫(恒溫30℃)振蕩器上，搖速為200 r/min連續(xù)振蕩培養(yǎng)，每10d轉(zhuǎn)移培養(yǎng)一次，連續(xù)轉(zhuǎn)移培養(yǎng)4～5次，直至細(xì)菌濃度富集度超過108cfu/mL。即得到目的菌液。

表3 試驗過程中目標(biāo)菌種培養(yǎng)基配方

1.3 馴化菌種和放大培養(yǎng)

在裝有T.f菌液體培養(yǎng)基的試管中,加入CuSO4，使銅離子濃度為2.5 g/L，并將試管放在恒穩(wěn)30℃、轉(zhuǎn)速為200 r/min的搖床內(nèi)培養(yǎng)，并定時監(jiān)測其中T.f菌數(shù)量。待T.f菌濃度富集到107～108cfu/mL的時候，再緩緩增加銅離子濃度到5 g/L、10 g/L，直到50 g/L。最后，將本次實驗所得到高銅離子耐受T.f菌，用高銅離子濃度的液體培養(yǎng)基反復(fù)放大、轉(zhuǎn)移培養(yǎng)以達(dá)到超過108cfu/mL，待用。T.t菌馴化和培養(yǎng)方法與T.f菌相同，耐受濃度為20g/L。

1.4 反應(yīng)器與載體

反應(yīng)器：反應(yīng)器有效容積約為3000 mL(直徑10 cm，高45 cm)，為有機(jī)玻璃材質(zhì)。該反應(yīng)器裝置如圖1(a)所示。

載體：為自行制作，在塑料瓶蓋上綁小鐵絲，使其能在浸提系統(tǒng)中自由移動。該載體具有耐酸、表面粗糙、比表面積大、價廉、對微生物無毒等優(yōu)點，如圖1(b)所示。

1.5 分析方法

Cu2+濃度采用可見光分光光度計分析法；細(xì)菌計數(shù)采用稀釋平板法；亞鐵氧化活性的測定方法采用的是重鉻酸鉀滴定法，測定不同培養(yǎng)時期培養(yǎng)液中殘存的Fe2+含量，計算Fe2+的氧化速度[8]；元素硫氧化活性的測定方法：通過接種一定量的細(xì)菌到到固定濃度的單質(zhì)硫粉培養(yǎng)基中，再定時測定培養(yǎng)液中的酸堿度變化，據(jù)研究資料顯示，在浸礦試驗過程中，pH值的降低與氧化硫硫桿菌的的生長狀況和它氧化活性是呈正相關(guān)的；pH值用phs-3c酸度計直接讀取。

3 結(jié)果與討論

3.1 T.t 菌的菌落特征

T.t菌落經(jīng)過放大不同倍數(shù)的照片見圖2。從圖2(a)可知，T.t菌落較小，約為1 mm，圓形，不透明，白色，突起，干燥。

從圖3可見，混合菌種固定以后，硫化銅礦的浸出率明顯高于沒固定的混合菌種的浸出率。第3 d，沒固定的菌種浸礦系統(tǒng)中的浸出率僅為5.43%，而經(jīng)固定的菌群浸礦系統(tǒng)，浸出率達(dá)到10.21%；浸出18 d后，固定菌群的浸礦系統(tǒng)浸出率為45.23%，而沒固定細(xì)胞的浸礦系統(tǒng)的浸出率僅為28.56%。因為微生物固定后，載體與細(xì)菌的官能基團(tuán)存在一個共價鍵，因此，它的主鏈結(jié)構(gòu)得到了加固，微生物的生存環(huán)境得到了穩(wěn)固，使得微生物不易流失，對pH值變化、生物毒性都不會那么明顯耐受性能力明顯提高[13]。

圖1 生物反應(yīng)器及載體

圖2 T.t菌的菌落特征分析

將其菌落放入顯微鏡下并放大40倍進(jìn)行觀察，見圖2(b)。從圖2(b)可見，T.t菌是絲狀交織在一起的，呈淡淡的黃色。可以看出，T.t菌落周圍為抑菌圈(菌落暈)，可能是因為T.t菌所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，而導(dǎo)致其他細(xì)菌無法靠近其生長領(lǐng)域所造成的。由T.t菌的革蘭氏染色結(jié)果可知，T.t菌呈短桿狀，屬于革蘭氏陰性菌。

3.2 混合菌種的固定與否對硫化銅礦浸出率的影響

實驗條件：pH=2.0左右，T.f細(xì)菌接種量為10%，T.t菌接種量為20%，礦漿濃度10%，礦石粒度75 μm。實驗結(jié)果如圖3所示。

3.3 固定菌種種類不同與浸出率之間的關(guān)系

實驗條件：pH=2.0左右，T.f菌接種量為10%，T.t菌接種量為20%，礦漿濃度10%，礦石粒度75 μm。比較固定不同菌種的方式進(jìn)行浸出，其試驗結(jié)果見圖4。

由圖4可見，在浸出3 d時，無菌的浸出率僅為1.67%，固定T.t菌浸出率為4.56%，固定T.f菌的浸出率為8.87%，而固定混和菌種的浸出率為10.21%；浸礦時間為18 d時，無菌條件下的浸出率為6.87%，固定T.t菌的浸出率為14.57%，固定T.f菌的浸出率為27.67%，而固定混合細(xì)菌的浸出率達(dá)到了45.23%。因為T.t菌能增強(qiáng)T.f菌的浸礦作用，能為T.f菌浸礦提供良好的環(huán)境。

3.4 固定混合菌的混合比例對硫化銅礦浸出率的影響

實驗條件：pH為2.0，礦石粒度為75 μm，礦漿濃度為10%，混合菌種的接種量比例分別為：T.f∶T.t=1∶1 ；T.f∶T.t=1∶2 ； T.f∶T.t=1∶3 ；T.f∶T.t=2∶1時的實驗結(jié)果，如圖5所示。

由圖5所示，不同T.f與T.t的混合比例在浸出初期，對銅的浸出率影響不明顯；從第3 d以后，菌種混合比例的不同，浸出率逐漸出現(xiàn)差異，到第18 d時，T.f∶Tt=1∶1的銅浸出率為32.21%，T.f∶T.t=1∶2的銅浸出率為45.23%，T.f∶T.t=2∶1的銅浸出率為23.12%，T.f∶T.t=1∶3的銅浸出率為31.78%。由實驗中的四種不同混合菌比例的浸出率，可得出最優(yōu)浸出混合菌比例為T.f∶T.t=1∶2。

圖3 混合菌種的固定與否對浸出率的影響

圖4 固定菌種的不同對浸出率的影響

圖5 混合菌的混合比例對銅浸出率的影響

4 結(jié)論

1)T.t菌落周圍為抑菌圈，是因為T.t菌能釋放出酸性物質(zhì)，抑制其他細(xì)菌生長，為T.f菌的生長和浸礦提供酸性環(huán)境。

2)固定混合菌比未固定混合菌具有更好的效果，第18 d時，相比于未固定的混合菌浸出系統(tǒng)，浸出率要高出16.67%。

3)固定菌群種類不同，對系統(tǒng)的浸出效果具有較大的差異，將T.f與T.t的混合固定，其第18d的浸出效果達(dá)到45.23%，比單獨(dú)T.f或T.t菌以及接種菌群效果要好的多。說明T.f與T.t的混合能協(xié)作工作，達(dá)到優(yōu)化配置的效果。

4)T.f與T.t的混合最優(yōu)化比例為1∶2。

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