1、典型浸矿微生物的发现史1922年，Waksman and Joffe分离出 Acidithiobacillus thiooxidans1947年，Hinkle与Colmer分离出Acidithiobacillus ferrooxidans1972年，从美国矿床中分离出Leptospirillum ferrooxidans 1973年，Briereyetal分离出极端嗜热嗜酸菌Sufolobus acidocaldarius 1976年，Golovacheva R.S等分离出中等嗜热嗜酸菌Sulfobacillus thermosulfooxidans1994年，Hallberg K.B分离出中
2、等嗜热嗜酸菌Acidithiobacillus caldus,一、浸矿微生物,一、浸矿微生物,典型浸矿微生物分类嗜温嗜酸菌 最佳生长温度3045，主要包括Acidithiobacillus ferrooxidans，Acidithiobacillus thiooxidans，Leptospirillum ferrooxidans 中等嗜热嗜酸菌 最佳生长温度4555，主要有Acidimicrobium ferrooxidans，Sulfobacillus thermosulfidooxidans，Sulfobacillus acidophilus 极端嗜热嗜酸菌 最佳生长温度6085，包括Su
3、lfolobus acidocaldarius，Sulfolobus solfataricus及Acidianus brierleyi等,常见浸矿微生物,一、浸矿微生物,一、浸矿微生物,嗜温嗜酸菌,极端嗜热嗜酸菌,浸矿微生物的鉴定浸矿微生物的鉴定采用多相分类方法 即：从形态学、生理生化特性、细胞化学组分、免疫学与分子生物学上加以区分鉴定和描述，继而综合各项鉴定结果确定菌株的归属。分子生物学手段是目前细菌鉴定分类中极其重要的一类研究方法 它主要包括：16S rRNA基因序列分析 、PCR-DGGE技术、DNA G+C含量测定和DNA/DNA杂交、DNA探针分析等等,一、浸矿微生物,浸矿微生物代谢
4、系统 不同细菌具有不同的氧化系统，以A.f 菌研究最多，其氧化系统表述如下：,一、浸矿微生物,Fe2+1/4O2H+ Fe3+1/2H2O,细菌,2S02H2O3O2 2H2SO4,细菌,铁氧化系统,硫氧化系统,浸矿微生物生长动力学最早的细菌的铁氧化生长动力学模型是由Lawson和Lacey建立的，其方程式表述如下：目前已发展出以Fe浓度、氧浓度等为限制性影响因素的各种生长动力学模型，但多集中在铁氧化类细菌；对硫氧化类细菌的生长动力学模型描述较少,一、浸矿微生物,Cs最大比生长率（l/h）；Cx细胞浓度（mol/L）；u比生长速率(L/h)；Umax最大比生长速率(L/h)；ks培养基饱和常数
5、(mol/L)；rx细胞生长速率(mol C/L/h)；rs底物消耗速率(mol S/L/h)；qs细胞底物比消耗速率(mol S/mol C/h)；Ysx底物生长得率(mol C/mol S)；,1）直接作用理论 是指在有水、空气存在的情况下，细菌与矿物表面接触，将金属硫化物氧化为酸溶性的二价金属离子和硫化物的原子团。在没有细菌的作用时这一氧化作用只是热力学上可行,十分缓慢而不具实用价值,由于细菌的参与使这一过程加快。 如：（1）黄铁矿,二、矿物微生物作用,（2）黄铜矿,（3）辉钼矿,（4）稀有金属镓和锗的硫化矿,二、矿物微生物作用,2）间接作用理论 在多金属的硫化矿床中，通常含有黄铁矿，在
6、有细菌的条件下，可以被快速氧化，生成硫酸铁。 硫酸铁是一种高效金属矿物氧化剂和浸出剂，其它金属矿物都可以被其浸出。 凡是利用Fe3+为氧化剂的金属矿物的浸出，都是间接浸出。如：（1）黄铁矿,二、矿物微生物作用,（2）铀矿物,（3）铋矿物,（4）铜矿物,二、矿物微生物作用,3）复合作用理论 是指在细菌浸出过程中，既有细菌的直接作用，又有Fe3+氧化剂的间接作用；有时以直接作用为主，有时则以间接作用为主。 这是迄今为止被普遍接受的细菌浸矿机理。,二、矿物微生物作用,矿物微生物作用的认识历程间接作用 矿物溶解是酸性条件下Fe3+离子的氧化结果，细菌只是起到Fe3+离子再生的作用直接作用 细菌吸附到矿
7、物表面，细菌通过氢键、离子键或蛋白酶与矿物作用矿物间电化学作用 当两种硫化矿相互接触构成的电化学对中，活泼的矿物充当阳极发生腐蚀，惰性的矿物充当阴极被保护接触作用(充分肯定吸附细菌对矿物溶解的促进作用) 吸附在矿物表面的细菌，通过其胞外层结合的大量Fe3+离子对细菌进行氧化溶解协同作用 矿物氧化溶解既有Fe3+离子的化学氧化作用，又有矿物表面吸附细菌的催化溶解作用,二、矿物微生物作用,对于细菌对矿物溶解产物硫的氧化溶解作用的认识是统一的,二、矿物微生物作用,浸矿过程动力学颗粒反应动力学模型 研究内容包括：细菌在矿物表面的吸附平衡，矿物溶解的反应动力学与扩散动力学等方面,Boon假定黄铁矿的溶解
8、以间接作用方式进行： Fe3+与黄铁矿反应转化为Fe2+；Fe2+经细菌氧化变为Fe3+；两步反应以Fe3+和Fe2+的互相转化相关联,第一步，Fe2+的生成速率,第二步，细菌参与下Fe2+消耗速率,当两个速率相等时，达到了浸出过程的假定稳定态，此时的速率即为浸出过程的速率。,由上面模型得到的黄铁矿浸出速率与溶液电位的关系线与实践数据相吻合,二、矿物微生物作用,浸矿过程动力学堆浸过程数学模拟 堆浸过程数学模型需要考虑热量和物质的传输，液体和气体的流动以及堆中发生的各种生物化学反应。 国外以Dixon为代表的学者，开展了从液体流动、空气和热量传递以及矿物溶解等各种因素的堆浸模拟研究。 国内相关研
9、究还十分缺乏,二、矿物微生物作用,1、微生物浸矿的影响因素 （1）菌种 不同细菌对矿物的氧化和浸矿作用是不同的。目前用于浸矿的细菌主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁微螺菌、氧化硫硫杆菌和嗜酸硫杆菌。实际上，菌液是各种细菌的混合液。 （2）细菌的适应性 （3）培养基的成分及氧和碳 （4）有害组分和抑制组分,三、微生物浸矿工艺,1 细胞壁;2细胞膜;3细胞质;4鞭毛;5纤毛;6荚根;7周质间隔,三、微生物浸矿工艺,氧化亚铁硫杆菌细胞形态图,氧化亚铁微螺菌细胞形态图,三、微生物浸矿工艺,2）物理化学因素 （1）PH值 （2）温度 （3）氧化还原电位 3）工艺技术因素 （1）矿石粒度 （2）矿浆浓度 4）
10、其他影响因素 （1）表面活性剂 （2）光照 （3）金属离子 （4）渗透压,三、微生物浸矿工艺,2、 微生物浸矿的实验研究方法 1）微生物浸矿的典型流程,三、微生物浸矿工艺,2）摇瓶试验 它是一种分批培养方法。在反应器中一次性加入培养基，然后接种并在一定条件下培养，浸出过程不再加任何物料，浸出结束后放出培养液处理。 3）微生物柱浸试验 无论浸出介质是否循环，柱浸可作为地浸、堆浸的实验室模拟。浸柱直径应大于矿石颗粒直径的10倍，浸柱高度至少应该是柱直径的5倍。,三、微生物浸矿工艺,4）搅拌浸出试验 （1）半连续浸出试验 （2）连续浸出试验,三、微生物浸矿工艺,矿物加工学（2）,第二章 矿物(煤)的
11、生物处理,第二篇 矿物的生物与化学处理,微生物连续浸出实验装置 1-浸出反应器；2-调浆反应器；3-给矿机；4-矿浆收集器；5-矿浆,3、微生物 浸矿工艺过程 微生物浸矿方法： 1）微生物堆浸 2）微生物搅拌浸出 3）微生物地浸 4）微生物槽浸,三、微生物浸矿工艺,1）微生物堆浸 微生物堆浸一般多在地面上进行，通常利用斜坡地形，将矿石堆在不透水的地面，在矿堆表面喷洒细菌浸矿剂浸出，在低处建集液池收集浸出液。 该工艺的特点是：规模大、浸出时间长，成本低。,微生物堆浸工艺流程示意图,三、微生物浸矿工艺,矿物加工学（2）,微生物氧化难浸金矿的堆浸工艺流程,2）微生物搅拌浸出 一般用于处理高品位的矿石
12、或精矿；用于搅拌浸出的物料一般粒度非常细，浓度比较低。 搅拌过程中还需控制温度，以免影响细菌生长。 3）微生物地浸 又称原地浸出或溶浸采矿，它是通过地面钻孔至金属矿体，然后由地面注入细菌浸矿剂到矿体中，浸矿剂在多孔金属矿体中循环，最后经泵将浸出液抽到地面并回收。,三、微生物浸矿工艺,矿物加工学（2）,含金氧化矿体的原地浸出示意图,4）微生物槽浸 矿石槽浸是一种渗透浸出过程，通常在浸滤池或者槽中进行，一般用于处理高品位的矿石或精矿。 矿石粒度比堆浸小，每个浸出槽一次可以装矿数十吨或数百吨，浸出周期为十天至数百天。,三、微生物浸矿工艺,商业化历程1950S，Kennecott开始原生硫化铜矿表外矿
13、生物堆浸1958年，生物冶金史上第一个专利(Kennecott)1970S，铜溶液萃取电极技术商业化应用 1980年，生物堆浸技术的商业化(Lo Aguirre 铜矿)1996年，德兴铜矿表外矿生物堆浸厂建成投产2005年，紫金山铜矿硫化铜矿生物堆浸厂建成投产 次生硫化铜矿/原生硫化铜表外矿生物堆浸已大规模商业化应用，目前年产阴极铜约100万t/a，典型矿山有：Canana、 Qubrada Blanca、紫金山、德兴,四、硫化矿生物浸出铜的提取,矿石破碎,筑 堆,滴淋浸出,萃 取,电 积,智利Qubrada Blanca生物堆浸萃取电积提铜矿山处理含铜1.3%的次生硫化铜矿石 年产阴极铜8.
14、0万吨,1997年，BHP Billton公司成功开发BioNIC工艺，并建成日产20kg阴极镍的示范厂1999年，乌干达Kasese建成投产含钴黄铁矿生物搅拌浸出厂2000年，Titan Resources NL公司成功地采用生物堆浸技术（Bioheap）完成了硫化镍矿堆浸工业试验，但由于资源条件发生变化而未实现产业化2004年，北京有色金属研究院在云南墨江运用生物堆浸技术处理含砷低品位镍钴矿，工业试验获得成功,四、硫化矿生物浸出镍钴的提取,四、硫化矿生物浸出镍钴的提取,Titan Resources NL公司硫化镍矿生物堆浸试验厂,商业化进程1970S，开发难处理金矿生物预氧化技术（Gen
15、cor）1986年， 建成10t/d BIOX工艺示范厂（Fairview ）1994年， BacTech工艺在Youanm矿的商业应用获得成功我国近几年分别在山东莱洲、烟台和辽宁风城建立了生物预氧化提金工厂，实现了产业化应用 含砷等难处理金精矿生物预氧化工艺已经获得大规模商业化应用典型矿山：Fairview、Sansu、山东莱州,四、硫化矿生物浸出金矿预氧化,四、硫化矿生物浸出金矿预氧化,Fairview难处理金矿生物预氧化厂，目前处理量扩增至100t/d,四、硫化矿生物浸出金矿预氧化,山东莱州Bactech工厂精矿成分：S 24.6，As 6.7设计处理量：200tpd操作温度：4045,
16、低品位黄铜矿生物堆浸 BHP公司在Escodida 建立含铜0.5的低品位黄铜矿生物堆浸矿山 ，年产18万吨阴极铜的，2006年6月投产Biocop ：处理含砷黄铜矿精矿 2004年，BHP公司采用极端嗜热嗜酸菌在Spence建成生物搅拌浸出SXEW工业试验厂Mintek联合南非开普顿大学、NICICO公司开发硫化锌精矿生物搅拌浸出技术、黄铜矿原矿生物堆浸技术TPO 开展镍锌铜矿低温生物堆浸工业试验,四、硫化矿生物浸出新技术进展,四、硫化矿生物浸出新技术进展,智利Spence高砷铜精矿(Cu33，As4.5，S35 )生物搅拌浸出作业温度：7880浸出周期：710天铜浸出率：95砷固定率：90
17、年产阴极铜2万吨,AMIRAs 堆浸计划：由BHPBiliton 等多家跨国矿业公司联合CSIRO、UBC和南非开普敦大学等研究机构开展从细菌生长到堆浸模拟等方面的研究。以期提高硫化矿生物堆浸效率，并实现产业化。BIOSHALE 计划：开展black shale ores生物浸出技术研究，以回收其中的稀贵金属。BioMinE计划：由欧盟委员会联合12家企业、7家科研单位、14所高校和2个政府机构进行生物冶金技术研究；该计划投资1790万欧元，预期4年完成。“973”微生物冶金基础研究计划：2005年正式启动，预计5年内建立原生硫化矿专属菌种选育及遗传改造方法和微生物浸出过程复杂界面强化作用理论
18、，揭示浸矿微生物重要功能基因的作用机制和微生物冶金过程多因素强关联规律。,四、硫化矿生物浸出新技术进展,GeoBiotics公司开发的GEOCOAT 工艺完成工业试验1998年， GEOCOAT 工艺在南非开展工业试验获得成功。该工艺采用中等嗜热嗜酸菌堆浸处理金精矿，操作温度42， 生物预氧化88天后，金氰化回收率达到91.52002年，开展GEOCOAT 工艺处理黄铜矿精矿的研究。采用嗜热嗜酸菌氧化浸出140天，铜浸出率达到972004年， GEOCOAT 工艺运用该工艺处理Rosh Pinah矿山的闪锌矿精矿。采用嗜热嗜酸菌氧化浸出66天，Zn浸出率达到 95,四、硫化矿生物浸出新技术进展
19、,酸性矿山废水的成因：矿山废石中的硫化矿物在自然条件下氧化溶解，大量硫酸根和重金属离子进入矿区水系 微生物处理酸性矿山废水自上世纪80年代起，国外开展了硫酸还原菌(SRB)处理酸性矿山废水研究；90年代实现了产业化我国有关微生物处理酸性矿山废水的研究起步较晚，目前尚处于研究阶段SRB处理酸性矿坑水的基本反应,五、酸性矿山废水的治理,五、酸性矿山废水的治理,运用BioSulphide Process技术处理Copper Queen 铜矿酸性矿山废水并回收铜，年回收铜1500吨,六、生物冶金技术发展趋势,高效浸矿菌种方面耐寒/耐高温/耐盐/高活性浸矿菌种选育与浸矿应用异养菌的选育与浸矿应用浸出过程
20、中微生物生态变化与控制技术研究现代分子生物学技术在微生物浸矿中的应用生物浸出过程基础理论与工程化技术研究方面浸出过程中细菌生长模式研究浸矿过程氧化机理的深入认识浸出过程数学模拟优化生物冶金工程化技术的完善与标准化,六、生物冶金技术发展趋势,生物冶金技术的应用领域方面黄铜矿原矿生物堆浸技术开发镍、钴、锌等硫化矿生物浸出技术开发低温生物堆浸技术研究异养菌在煤炭浮选，铝土脱硅、红土镍矿等的应用研究生物冶金技术在酸性矿山废水和矿区环境治理等方面的应用,“十五”期间,在国家科技部科技攻关计划的支持下,开展次生硫化铜矿生物提铜工程化技术研究,建成国内首座硫化铜矿石生物堆浸提铜矿山，该成果获2005年度中国
21、有色金属工业科学技术进步一等奖。申请发明专利4项，已授权2项。,紫金山铜矿生物堆浸-萃取-电积技术,生物提铜与传统工艺的比较,紫金山铜矿生物堆浸-萃取-电积技术,堆 浸,萃 取,紫金山铜矿万吨级生物堆浸-SX-EW提铜矿山,矿石破碎,电 积,西藏玉龙铜矿（生物）湿法提铜技术,“十五”期间,在国家科技部科技攻关计划的支持下,开展西藏玉龙铜矿生物提取技术开发,完成生物柱浸扩大试验，获授权专利1项。在“十一五”国家科技支撑计划的支撑下，将建成高寒环境条件下复杂铜矿高效提铜产业化矿山。,西藏玉龙铜矿（生物）湿法提铜技术,概况我国超大型铜矿床之一，累计探明的铜金属储量650万吨矿床分为三个矿体，分为氧化
22、矿带、次生矿带和原生矿带海拔4560-5120m，外部环境条件差,试验厂海拔4200m规模300吨电铜堆浸/搅拌浸出有色院负责堆浸技术，北矿院负责搅拌浸出技术,西藏玉龙铜矿（生物）湿法提铜技术,首期1万吨电铜堆浸工程建设海拔4500m工艺方案：全堆浸投资8.6亿元,“十五”期间,在云南省科技计划和北京有研总院技术创新基金的支持下,建成国内首座年处理5万吨硫化镍矿石的生物堆浸提镍半工业试验厂，半工业试验获得成功, 已获授权发明专利 1项。,低品位镍钴矿生物堆浸提镍钴技术,云南低品位镍钴矿生物堆浸中间工厂,低品位镍钴矿生物堆浸提镍钴技术,生物浸出过程反应的多样性；浸出过程生物种群的多样性；,生物芯片技术的应用；生物堆浸过程各种参数的匹配关系。,生物浸出和生物芯片技术,生物浸出过程反应的多样性.,生物浸出过程反应的多样性,浸出过程中的化学环境随时空因素的改变而改变，以满足浸出多样性的需要。,浸出过程生物种群的多样性,硫化矿生物浸出过程中存在多种微生物。典型的种及其特性见下表：,实验室研究结果表明：在铜矿的生物堆浸过程中，Acidithiobacillus 和 Leptospirillum 可能是优势菌群。,生物芯片技术的应用,采用生物芯片技术能更加快速、准确的鉴定矿堆内的生物种群。,生物浸出过程中各种参数的匹配关系,
