CN105154671A

CN105154671A - 细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺及其应用

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Publication number: CN105154671A
Application number: CN201510437259.7A
Authority: CN
Inventors: 周洪波; 王玉光; 李凯; 仉丽娟; 周文博; 康鑫; 史美玉
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: CN105154671B

Abstract

一种细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺，包括以下步骤：将细小颗粒工业固体废物筛分成若干个粒级；将分级后的工业固体废物根据设定的不均匀系数和曲率系数进行级配并混匀，然后进行熟化，得到级配散体；采用上述级配散体进行薄层筑堆。前述的筑堆工艺在生物堆浸中的应用方式包括：在铺设好最底层和防渗层后，再铺设一层粗砂作为底层，在该底层上分别以粒径为10～15mm和5～10mm的矿石作为一级缓冲层和二级缓冲层，然后以前述筑堆工艺进行筑堆，筑好堆后采用稀硫酸溶液进行预先喷淋，待喷淋渗出液pH稳定到1～2后接入微生物，开始进行生物浸出。本发明能够显著提高堆浸体系的渗透性、保证渗流均匀、且有利于微生物生长。

Description

细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺及其应用

技术领域

本发明属于微生物湿法冶金领域，尤其涉及一种细颗粒工业固体废物的高效生物堆浸工艺。

背景技术

矿产资源是人类社会发展和国民经济建设的重要物质基础。经济的快速增长与矿产资源的大量消耗密切相关，现阶段我国70％以上的农业生产原料、80％以上工业原料和90％以上的能源来自于矿产资源。然而，我国矿产资源品位极低、多矿伴生或共生、复杂难处理，且中小型矿居多，传统选矿冶金工艺不能有效处理这些矿产资源，存在资源可利用率低、生产流程长、经济效益差等问题。这使得我国金属矿产资源供给处于严重短缺的状况，成为制约我国社会和经济发展的主要因素之一。另外，由于长期以来我国对矿业采用粗放式经营，采富弃贫、采易弃难、优矿劣用，人们缺乏对我国矿产资源匮乏状况的正确认识，综合利用意识薄弱，矿山企业盲目开采，对共/伴生矿石、低品位矿石、尾矿和表外矿等直接丢弃或利用率很低。如：2011～2013年我国的尾矿产生量分别为15.81、16.21和16.49亿吨，呈现出持续增长的趋势，但是利用率只有18.9％。

堆浸技术是生物冶金技术中处理低品位矿石应用较为广泛的一种技术，适宜处理尾矿、废石和有色金属冶炼渣等工业固体废物资源，但存在浸出周期长、金属回收效率低等难题，在我国表现的尤为突出。其中关键问题之一就是由于大部分此类资源粒度较小，有时含泥量较高，导致浸堆渗透性极差。堆浸技术决定着浸出液在矿堆中的渗透性以及均匀性，进而决定堆浸的浸出率及浸出速率。矿堆渗透性差及渗流不均匀必然导致堆浸工艺的失败。在细小粒度矿石的综合利用方面，申请号为201110116090.7的中国发明专利公开了一种红土镍矿堆浸方法，将红土镍矿破碎至1～10mm进行堆浸，然后进行四级串联堆浸，但是需要进行预先洗矿去掉细小颗粒的泥质成分，而且没有对筑堆工艺本身进行优化；申请号为201210161604.5的中国发明专利公开了一种低品位混合铜矿石分阶段堆浸工艺，将矿石破碎至0～15mm，采用可复用堆场和永久性堆场串联浸出，但同样没有对筑堆工艺本身进行优化；申请号为201180060170.3的中国发明专利公开了一种含锰矿石的堆浸方法，将小于6mm的矿石与硫化物矿石按5∶1的比例混合后，加入自石灰、水泥或聚合物等粘合剂进行制粒，最后进行堆浸，硫化物矿石的作用是与氧化锰反应获得Mn²⁺；申请号为201410250889.9的中国发明专利公开了一种铜熔铸浮渣生物堆浸回收铜工艺，将铜熔铸浮渣破碎至20mm以下，再按1∶5～5∶1的比例加入10mm以下的硫化矿，制粒后进行堆浸，硫化矿的作用是提供Fe³⁺。当矿堆中各种粒径的矿石分配不合理时，渗透性过大容易造成溶液渗流不均匀，易出现紊流、优势流等渗流状态，最终造成浸出率和浸出效率不理想；渗透性过小容易当导致溶浸液在其间的渗流速度很慢，同样会造成浸出率和浸出效率不理想。

在提高堆浸体系渗透性方面，科研人员也进行了研究，如筑堆前将细质泥矿或者粉状矿与粒度大的矿石分开，提高入堆的矿石粒度来提高渗透性(Ghorbanietal.MineralsEngineering,2011,11:1172-1184；武彪等.金属矿山,2010,12:54-57；王洪江等.黄金,2011,2:46-50；姚高辉等.矿业工程,2011,8:1-5；吴爱祥.矿业研究与开发,2011,5:22-26；刘美林等.有色金属(冶炼部分),2012,7:1-5)；采用形状类球、尺寸相近的材料提高堆底部垫层通透性(吴爱祥等.矿业工程,2006,6:5-8)；添加高分子聚合物等表面活性剂或者水泥石灰等无机造粒剂制粒(参见樊保团等.湿法冶金,2004,4:211-214；Lewandowski和Kawatra.InternationalJournalofMineralProcessing,2009,3-4:88-93；Dhawanetal.MineralsEngineering,2013,41:53-70)、添加氧化钙作为疏松剂(参见申请号为200310118916.9的中国专利)、堆中布液和机械松动等(参见王贻明等.金属矿山,2007,8:16-18)。

总体来看，现有的堆浸技术一般不能充分利用细小粒度(小于10mm)的矿石及工业固废物，且需要添加额外的材料，存在工艺复杂、成本高、浸出效率低等问题，且不能保证渗流效果。可见，目前我国在细小颗粒工业固体废物的综合利用和金属元素回收方面还存在很多不足。对于我国堆浸技术而言，筑堆技术、高效堆浸体系建立和如何提高堆浸体系的渗透性等方面的研究极度匮乏，特别是在细小粒度的尾矿和废矿等细小颗粒工业固体废物筑堆技术方面已经远落后于实践应用需求，这在某种程度上限制了我国堆浸技术的进一步发展和推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种能够显著提高堆浸体系的渗透性、保证渗流均匀、且有利于微生物生长的细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺，还相应提供该筑堆工艺在生物堆浸中的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺，包括以下步骤：

(1)将细小颗粒工业固体废物筛分成若干个粒级；

(2)将分级后的不同粒度大小的工业固体废物根据设定的不均匀系数和曲率系数进行级配并混匀，然后进行熟化，得到级配散体；

(3)采用上述级配散体进行薄层筑堆。

上述的筑堆工艺中，优选的，所述细小颗粒工业固体废物包含硫化矿尾矿、废石或有色金属冶炼渣。

上述的筑堆工艺中，优选的，将所述细小颗粒工业固体废物筛分成6～8个粒级。

上述的筑堆工艺中，优选的，经所述步骤(1)筛分后的细小颗粒工业固体废物的粒度小于10mm。所述步骤(2)中级配散体的含水率为8％～10％(w/w)。

上述的筑堆工艺中，优选的，对所述级配散体设定的不均匀系数为15～34。不均匀系数是指在级配曲线上累计百分含量达到60％所对应的有效粒径与累计百分含量达到10％所对应的有效粒径比值。

上述的筑堆工艺中，优选的，对所述级配散体设定的曲率系数为1.5～3.5。曲率系数Cc是指在级配曲线上累计百分含量达到30％所对应的有效粒径二次方与累计百分含量达到60％和10％所对应的有效粒径之积的比值。

当级配散体的不均匀系数为15～34，曲率系数为1.5～3.5时，能够显著提高细粒度的矿石的渗透性，达到了生物堆浸的要求。

上述的筑堆工艺中，优选的，所述级配散体的d₁₀控制为0.1～0.3mm。

上述的筑堆工艺中，优选的，所述级配散体的d₃₀控制为0.4～1.6mm。

上述的筑堆工艺中，优选的，所述级配散体的d₆₀控制为1.1～5.0mm。

上述的筑堆工艺中，优选的，所述细小颗粒工业固体废物为硫化矿尾矿、废石或有色金属冶炼渣。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述本发明的筑堆工艺在生物堆浸中的应用，包括以下步骤：

在铺设好最底层和防渗层后，再铺设一层粗砂(10mm左右)作为底层，在该底层上分别以粒径为10～15mm和5～10mm的矿石作为一级缓冲层和二级缓冲层，然后以上述的筑堆工艺进行筑堆，筑好堆后采用pH为1.0～2.0的稀硫酸溶液进行预先喷淋，待喷淋渗出液pH稳定到1.0～2.0后接入微生物，开始进行生物浸出。

经过我们反复的研究发现：生物浸出液对固体废物的溶解能力一定时，生物堆浸技术能否成功将更多取决于生物浸出液在固体废物堆中的渗流效果——即渗透性；生物浸出属于化学过程，而生物浸出液的渗流属于物理过程，后者为前者提供实现所必需的条件。随着粒径的增加，单位体积内的孔隙体积和平均孔隙直径随之增大，使得流体能够流经的面积增大，单位时间内的渗流量随着粒径的增加而增加。从流体力学角度出发，只有渗透性达到一定的范围时才不会成为浸出效率的限制因素，渗透性越好，越有利于溶质运移和浸出效率提高；但是从化学反应角度出发粒度越小越好，粒度越小比表面积越大，浸出液与颗粒接触面积越大，越有利于溶解反应。因此，两者之间存在一定的不可调和性。但我们长期的研究和大量、反复的实验分析表明，这两个限制因素之间的平衡控制并不能通过简单的实验来确定，因为这涉及到多种粒径的矿石，在某个或者几个粒径的矿石所设定的配比一定时，矿石散体的级配却并不固定，具有很大的不确定性，即使预先设定好矿石粒径或者几个的矿石的比例，也可以画出无数条级配曲线。更需要强调的是，本发明的最终目的是为了提高浸出效率，而不是简单的提高渗透性，渗透性的提高也并不意味着一定能提高浸出效率，只有找到二者的平衡点才能真正有效提高堆浸的效率。

图1所示为矿石粒度对溶质穿透曲线的影响，其结果表明矿石粒度为10-15mm和8-10mm时，穿透体积比均为1.0左右；而矿石粒度为5-8mm和2.5-5mm时，穿透体积比均为1.5左右。矿石粒度为0.8-2.5mm时，穿透体积比为2左右。此后随着矿石粒度的降低，穿透体积比增加程度越来越明显。其中矿石粒度为0.18-0.38mm和0.15-0.18mm时，穿透体积比分别达到了15和23左右，明显不利于溶质的运移。溶质运移和矿石溶解反应是生物堆浸中涉及到的两个主要过程，其中溶质运移对矿石的溶解反应具有正向调节作用。只有包括金属离子等在内溶解反应的产物被迅速转运走，氧化剂和营养物质被迅速转运进来，才能保证生物浸出的效率和浸出率，因此溶质运移是决定生物堆浸能否成功的关键因素之一。本研究表明，只有矿石粒度大于10mm时穿透体积为1左右，较小的矿石粒度不利于溶质的对流运输，尤其是极细粒度的矿石。但是，F5的粗粒度矿石散体的孔隙较大，较容易发生优先流，同样不利于生物浸出。

图2所示为矿石粒度对堆浸体系的渗透性的影响，结果表明细小颗粒物料的渗透性极差，根本不适用于进行堆浸。因此，采用已有技术无法对我国上百亿吨尾矿等细小颗粒工业固体废物资源进行充分、高效回收和利用。

图3所示为级配散体的不均匀系数和曲率系数对渗透性的影响。结果表明通过将细颗粒物料(如小于0.15mm)与粗颗粒物料进行合理的配比，能够有效提高渗透效果。然而，在某个粒径的矿石所占百分含量一定时，矿石散体的级配并不固定，具有很大的不确定性，即固定该粒径的矿石百分含量可以画出无数条级配曲线。由于每条级配曲线的粒径组成不同，甚至会相差很大，且矿石粒径对渗透性影响很大。因此，究竟何种级配效果最好，且满足工程施工要求需要进行大量的实验和计算模拟进行确定。

而本发明通过大量的实验、计算机模拟及分析测试，最终提出了上述优化改进的筑堆工艺，其在显著提高细粒度固体废物堆的渗透性(参见图1、图2和图3)的同时，还可以更好地满足生物堆浸的要求，进而改善生物堆浸的浸出效果，提高资源的利用率和回收率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的上述技术方案综合采用流体力学、散体力学、渗流力学、土力学、矿物学和生物学等技术手段，在大量实验的基础上运用统计学手段，获得了尾矿和废石等工业固体废物堆浸所需的最优级配。与目前已有技术相比，本发明所获得的矿石级配散体能够显著提高细小粒堆浸体系的传氧传质系数，各种粒径的矿石分配合理，溶浸液渗流比较均匀，保证了微生物生长所需的条件，从而提高了生物堆浸的效率，扩大了湿法冶金的应用范围。

本发明细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺最终获得的级配散体，可适用于细小颗粒的硫化矿尾矿、废石或有色金属冶炼渣等工业固体废物的生物堆浸处理，其不仅能够显著提高细小颗粒的尾矿和废石等工业固体废物堆浸体系的渗透性，解决了细小颗粒堆浸体系透水透气性能差、微生物不能生长的难题，而且还解决了细小颗粒矿石难以利用的问题，扩大了生物湿法冶金的应用范围，对工业固体废物的综合利用及有价金属元素的回收具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明渗透性研究中不同粒度的堆浸体系下金属离子穿透堆体所需的浸出液体积比(流出液体积比：从反应器底部流出的浸出液体积与矿石孔隙体积之比，量纲为1；相对浓度：底部流出液示踪剂浓度与反应器顶部进水口示踪剂浓度之比，量纲为1)。

图2为本发明渗透性研究中不同粒度的堆浸体系的渗透性对比。

图3为本发明渗透性研究中级配散体的不均匀系数和曲率系数对渗透性的影响。

图4为本发明实施例1的两种级配散体中各粒径矿石所占比例曲线。

图5为本发明实施例1低品位硫化铜矿堆浸过程中铜浓度随时间变化情况。

图6为本发明实施例2低品位含砷难处理金矿生物堆浸脱砷率随时间变化情况。

图7为本发明实施例3的两种级配散体中各粒径矿石所占比例曲线。

图8为本发明实施例3低品位硫化铜矿堆浸过程中铜浓度随时间变化情况。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：西藏玉龙低品位硫化矿堆浸

本实施例所用低品位硫化矿来源于西藏玉龙铜矿，绝大部分矿石粒度小于10mm。

采用本发明的细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺对本实施例的低品位硫化矿进行处理，具体包括以下步骤：

(1)将本实施例的低品位硫化矿筛分成8个粒级，具体包括：10～8mm、8～5mm、5～2.5mm、2.5～0.8mm、0.8～0.38mm、0.38～0.18mm、0.18～0.15mm和小于0.15mm；筛分后的低品位硫化矿的粒度均小于10mm。

(2)将分级后的不同粒度大小的低品位硫化矿根据设定的不均匀系数和曲率系数进行级配并混匀，然后进行熟化，得到级配散体。其中，级配散体I的不均匀系数Cu为17，曲率系数Cc为2；级配散体II的不均匀系数Cu为33，曲率系数Cc为3；各级配散体的级配曲线如图4所示，级配散体I的d₁₀控制为0.2mm，d₃₀控制为0.9mm，d₆₀控制为2.5mm；级配散体II的d₁₀控制为0.2mm，d₃₀控制为1.4mm，d₆₀控制为5.0mm；

不均匀系数Cu是指在级配曲线上累计百分含量达到60％所对应的有效粒径与累计百分含量达到10％所对应的有效粒径比值，如下所示：

Cu＝d₆₀/d₁₀

曲率系数Cc是指在级配曲线上累计百分含量达到30％所对应的有效粒径二次方与累计百分含量达到60％和10％所对应的有效粒径之积的比值，如下所示：

Cc＝d₃₀ ²/(d₆₀*d₁₀)

以上表达式中：Cu为不均匀系数；Cc为不均匀系数；d₆₀为在级配曲线上累计百分含量达到60％所对应的有效粒径；d₃₀为在级配曲线上累计百分含量达到30％所对应的有效粒径；d₁₀为在级配曲线上累计百分含量达到10％所对应的有效粒径。

(3)采用上述级配散体进行薄层筑堆。铺设好最底层和防渗层后，再铺设一层10mm左右的粗砂作为底层。在底层上分别以粒径为10～15mm和5～10mm的矿石作为一级缓冲层和二级缓冲层；最后以含水率为8％～10％(w/w)的级配散体进行筑堆；堆高为2～3m，长宽各30～35m；筑好堆后采用稀硫酸溶液(pH为1.0～2.0)预先喷淋，待喷淋渗出液pH稳定到1.0-2.0后接入微生物，开始进行生物浸出。喷淋强度7～20L/m²/h。喷淋管的间距为0.5m～1m。

由图1、图2、图3可见，从流体力学角度出发只有渗透性达到一定的范围时才不会成为浸出效率的限制因素，渗透性越好，越有利于溶质运移和浸出效率提高；但是从化学反应角度出发粒度越小越好，粒度越小比表面积越大，浸出液与颗粒接触面积越大，越有利于溶解反应。因此，渗透性最高不一定代表最终的浸出效果最好。再考虑为了避免沉降、滑坡和管涌等情况的发生，本实施例中确定了不均匀系数、曲率系数等工艺参数条件的平衡点，以有效提高堆浸的效率。

如图5所示，本实施例中自然级配的对照实验组在第20天酸浸结束后，铜的浓度基本不再升高。而本实施例的级配散体I和级配散体II的实验组在接种后，铜的浓度持续上升，100天内浸出率最高达到了85％。

实施例2：低品位含砷难处理金矿堆浸

本实施例所用低品位含砷难处理金矿源于辽宁某金矿的浮选尾矿和废矿。

采用本发明的细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺对本实施例的低品位含砷难处理金矿进行处理，具体包括以下步骤：

(1)将本实施例的低品位含砷难处理金矿筛分成8个粒级，具体包括：10～8mm、8～5mm、5～2.5mm、2.5～0.8mm、0.8～0.38mm、0.38～0.18mm、0.18～0.15mm和小于0.15mm；筛分后的低品位含砷难处理金矿的粒度均小于10mm。

(2)将分级后的不同粒度大小的低品位含砷难处理金矿根据设定的不均匀系数和曲率系数进行级配并混匀，然后进行熟化，得到级配散体。其中，级配散体I的不均匀系数Cu为17，曲率系数Cc为2；级配散体II的不均匀系数Cu为33，曲率系数Cc为3；各级配散体的级配曲线如图4所示，级配散体I的d₁₀控制为0.2mm，d₃₀控制为0.9mm，d₆₀控制为2.5mm；级配散体II的d₁₀控制为0.2mm，d₃₀控制为1.4mm，d₆₀控制为5.0mm；

Cu＝d₆₀/d₁₀

Cc＝d₃₀ ²/(d₆₀*d₁₀)

如图6所示，本实施例中自然级配的对照实验组脱砷率只有20％，金的最终回收率只有50％；而级配散体I的脱砷率达到了50％～60％，金的最终回收率达到了95％。

实施例3：江西德兴低品位硫化铜矿堆浸

本实施例所用低品位硫化矿来源于江西德兴铜矿。

(1)将本实施例的低品位硫化铜矿筛分成6个粒级，具体包括：10～5mm、5～2mm、2～1mm、1～0.25mm、0.25～0.15mm和小于0.15mm；或者10～7mm、7～4mm、4～2mm、2～1mm、1～0.25mm和小于0.25mm。筛分后的低品位硫化矿的粒度均小于10mm。

(2)将分级后的不同粒度大小的低品位硫化矿根据设定的不均匀系数和曲率系数进行级配并混匀，然后进行熟化，得到级配散体。对应第一种粒级，级配散体III的不均匀系数Cu为25，曲率系数Cc为3.1；级配散体IV的不均匀系数Cu为16，曲率系数Cc为2.5；各级配散体的级配曲线如图7所示，级配散体III的d₁₀控制为0.15mm，d₃₀控制为1.34mm，d₆₀控制为3.77mm；级配散体IV的d₁₀控制为0.25mm，d₃₀控制为1.60mm，d₆₀控制为4.12mm；

Cu＝d₆₀/d₁₀

Cc＝d₃₀ ²/(d₆₀*d₁₀)

如图8所示，本实施例中自然级配的对照实验组在第20天酸浸结束后，铜的浓度基本不再升高。而本实施例的级配散体III和级配散体IV的实验组在接种后，铜的浓度持续上升，95天内铜的浓度最高达到了33.83g/L，浸出率为78％。而自然级配的最高铜浓度只有18.68g/L，浸出率为约为43％。

Claims

1.一种细小颗粒工业固体废物的筑堆工艺，包括以下步骤：

(1)将细小颗粒工业固体废物筛分成若干个粒级；

(3)采用上述级配散体进行薄层筑堆。

2.根据权利要求1所述的筑堆工艺，其特征在于，所述细小颗粒工业固体废物包含硫化矿尾矿、废矿石或有色金属冶炼渣；将所述细小颗粒工业固体废物筛分成6～8个粒级。

3.根据权利要求2所述的筑堆工艺，其特征在于，经所述步骤(1)筛分后的细小颗粒工业固体废物的粒度小于10mm；所述步骤(2)中级配散体的含水率为8％～10％。

4.根据权利要求1所述的筑堆工艺，其特征在于，对所述级配散体设定的不均匀系数为15～34。

5.根据权利要求4所述的筑堆工艺，其特征在于，对所述级配散体设定的曲率系数为1.5～3.5。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的筑堆工艺，其特征在于，所述级配散体的d₁₀控制为0.1～0.3mm。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的筑堆工艺，其特征在于，所述级配散体的d₃₀控制为0.4～1.6mm。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的筑堆工艺，其特征在于，所述级配散体的d₆₀控制为1.1～5.0mm。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的筑堆工艺在生物堆浸中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

在铺设好最底层和防渗层后，再铺设一层粗砂作为底层，在该底层上分别以粒径为10～15mm和5～10mm的矿石作为一级缓冲层和二级缓冲层，然后以权利要求1～8中任一项所述的筑堆工艺进行筑堆，筑好堆后采用pH为1.0～2.0的稀硫酸溶液进行预先喷淋，待喷淋渗出液pH稳定到1.0～2.0后接入微生物，开始进行生物浸出。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述喷淋时的喷淋强度为7～20L/m²/h；喷淋管的间距为0.5m～1m；筑堆时的堆高为2～3m，长宽各30～35m。