CN110863117B - 一种促进贫辉铜矿生物柱浸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进贫辉铜矿生物柱浸的方法，具体公开了一种基于复合硫氧化菌和黄铁矿外源干预协同促进贫辉铜矿生物柱浸的方法，属于生物工程技术领域。本发明在以9K‑辉铜矿复合培养基作为浸出液，通过添加一定比例黄铁矿和引入外源复配硫氧化菌剂，调控浸出过程各种生化反应的进行，促进浸出过程中的铁硫代谢，降低铁/硫钝化膜的形成；通过分批补加复合硫氧化菌体强化浸出过程生物效应，从而将铜离子浸出率提高33.9％。此方法操作简便易行，经济合理，适用于类似生物浸出过程的大规模推广应用。

Description

一种促进贫辉铜矿生物柱浸方法

技术领域

本发明涉及一种促进贫辉铜矿生物柱浸的方法，具体涉及一种基于复合硫氧化菌和黄铁矿外源干预协同促进贫辉铜矿生物柱浸的方法，属于生物工程领域。

背景技术

辉铜矿大部分是原生硫化物氧化分解再经还原作用而成的次生矿物，含铜成分高，是最重要的炼铜矿石。我国辉铜矿储量丰富，云南东川以及福建紫金铜矿等储有大量辉铜矿。但是随着国民经济的发展，高品位矿石消耗殆尽，我国对铜的需求仍在不断增加，使得铜原料的供应成为了制约铜工业发展的“瓶颈”，因此，应采取切实有效的措施保证我国铜原料的可持续供应。

生物浸出技术是一种新型的绿色冶炼技术，通过微生物氧化矿石将金属离子溶解到溶液中，然后进一步分离、富集和纯化金属资源。相较于传统的火法冶炼，其具有生产投资少、设备操作简单、阴极铜产品质量高和环境友好的优点。生物浸出由于生产成本低，适用于处理低品位矿石，逐渐受到人们的高度重视。然而由于低品位辉铜矿自身复杂的组成成分和特殊的电化学特性，浸出过程中会释放出许多还原态硫化物以及各种重金属离子，严重影响浸出过程正常的生化反应，导致较长的生物浸出周期。所以需要通过外源干预调控浸出过程，一方面通过添加一定比例的黄铁矿，促进浸出过程铁素循环，另一方面，通过分批补加外源硫氧化复配菌剂强化浸出过程硫代谢，强化浸出的同时缩短了菌体生长所需的时间，从而一定程度上缩短了浸出周期。但现有的报导中关于外源调控强化生物浸出的方法一般操作复杂，成本较高，不适于大规模推广应用。

因此，探究更加经济简单的浸出干预策略，强化生物浸出反应以及缩短菌株生长周期，对于强化浸出过程生物效应促进离子循环、铜离子浸出和缩短浸出周期等方面具有重要的意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于黄铁矿促进辉铜矿生物柱浸的新方法，是通过增强铁硫代谢和强化生物效应来促进铜离子浸出。

本发明的目的之一是提供一种促进贫辉铜矿生物柱浸的方法，包括以下步骤：

(1)将复配硫氧化菌剂接种至辉铜矿复合培养基培养，所述复配硫氧化菌剂包括喜温硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)和氧化硫硫杆菌(Acidithiobacilluscaldus)；

(2)在步骤(1)的培养基中添加黄铁矿进行生物浸出，所述的黄铁矿与辉铜矿的添加质量比例为1:3-12。

在本发明的一种实施方式中，氧化硫硫杆菌是嗜酸氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)CCTCC No:M 2012104。

在本发明的一种实施方式中，喜温硫杆菌是喜温硫杆菌(Acidithiobacilluscaldus)CCTCC No:M 2018727。

在本发明的一种实施方式中，所述的辉铜矿复合培养基是9K复合培养基，包括9K培养基、5-15％(w/v)紫金山矿区取回来的酸性矿排水(AMD)和0.5-2％(w/v)贫辉铜矿；9K培养基配方是：(NH₄)₂SO₄ 0.3-0.5g/L，KCl 0.1-0.2g/L，K₂HPO₄ 0.5-0.7g/L，MgSO₄·7H₂O0.5-0.7g/L，Ca(NO₃)₂ 0.010-0.020g/L。

在本发明的一种实施方式中，所述的生物浸出的条件为pH为2.0-3.0，培养温度为30-40℃，培养时间为30-50d。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中添加的复配硫氧化菌剂的初始浓度为3×10⁶-3 ×10⁷cells/mL，其中氧化硫硫杆菌和喜温硫杆菌的细胞数比例为1：1。

在本发明的一种实施方式中，所述的黄铁矿与辉铜矿的添加质量比例为1:3-6。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)的浸出过程，补加复合硫氧化菌剂。

在本发明的一种实施方式中，复配硫氧化菌剂的补加时间包括浸出过程的第5天、第10 天、第15天、第20天、第25天和第30天。

在本发明的一种实施方式中，每次补加复配硫氧化菌剂的量为3×10⁸-3×10⁹cells，其中氧化硫硫杆菌和喜温硫杆菌的细胞数比例为1：1。

本发明利用增强铁硫代谢和强化生物效应促进辉铜矿生物柱浸，首先通过添加外源复配硫氧化菌剂强化浸出过程硫代谢，添加适量比例黄铁矿促进浸出过程铁素循环。黄铁矿是最常见矿物之一，可在硫化铜矿石或浮选获得的铜精矿中找到。在一些研究中，由于黄铁矿与其他硫化铜矿石之间的电化学作用，黄铁矿在加速硫化铜矿石的溶解中起着重要作用，此外在生物浸出中添加黄铁矿将三价铁还原为亚铁离子来控制氧化还原电势也对硫化矿的浸出过程起着一定的促进作用。其次通过分阶段补加菌体强化浸出过程中的生物效应，从而提升了辉铜矿的浸出效率。发明人应用复配硫氧化菌剂进行多次辉铜矿生物柱浸实验，发现本方法具有普适性，当辉铜矿：黄铁矿＝3：1时，采用本方法可将铜离子浸出率提高33.9％。我国黄铁矿储量丰富，极易获取，为本方法的应用提供了有利的条件。此外，本方法操作简单，对设备要求低，为类似生物浸出的过程控制优化提供了一种新的思路。

附图说明

图1：不同外源硫氧化菌剂干预下的铜离子浸出率。

图2：扫描电子显微镜下低品位辉铜矿在不同条件下生物柱浸结束后矿渣表面形态变化： (a)浸出过程中不添加外源干预；(b)辉铜矿：黄铁矿＝6：1时；(c)辉铜矿：黄铁矿＝6： 1，前30天每5天补加3×10⁹cells外源硫氧化菌。

图3：外源干预强化辉铜矿生物柱浸的工艺流程图。

具体实施方式

嗜酸氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)已于2012年10月4日保藏于中国典型微生物保藏中心，保藏编号为CCTCC No:M 2012104，公开于专利申请CN103131650A中。

喜温硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)已于2018年10月31日保藏于中国典型微生物保藏中心，保藏编号为CCTCC No:M 2018727，于2019年7月15日在Journal ofEnvironmental Managements上公开发表SCI论文，论文题目为“Enhanced"contactmechanism"for interaction of extracellular polymeric substances with low-grade copper-bearing sulfide ore in bioleaching by moderately thermophilicAcidithiobacillus caldus”。

实施例1辉铜矿生物柱浸浸出液的制备

9K复合培养基包括三部分：第一部分为9K培养基，含有(NH₄)₂SO₄ 3g，KCl 0.1g，K₂HPO₄ 0.5g，MgSO₄·7H₂O 0.5g，Ca(NO₃)₂ 0.01g，H₂O 1000mL；第二部分：10％(w/v)紫金山矿区取回来的酸性矿排水(AMD)(参考文献：Liu X,Chen B,Chen J,etal.Biogeographical distribution of acidophiles and their effects around theZijinshan heap bioleaching plant[J]. Chemistry and Ecology,2016:1-13.)；第三部分：2％(w/v)贫辉铜矿。

第一部分混合后于121℃下高压蒸汽灭菌20min，灭菌后调节pH至2.0。辉铜矿矿样取自福建紫金山矿区，经破碎研磨后网晒过滤，使矿石粒径约为<48μm。第二部分为紫金山矿区取回来的酸性矿排水(AMD)，按2％(w/v)接种到9K培养基中培养到对数期的菌悬液，培养温度为37℃，转速为170rpm。最后将三部分混合摇匀，调节溶液pH至2.0。

实施例2外源复配硫氧化菌剂强化辉铜矿浸出

通过添加外源硫氧化菌剂强化辉铜矿生物浸出，如图1所示，未添加外源菌剂的对照组和添加嗜酸氧化硫硫杆菌(A.t)、喜温硫杆菌(A.c)和嗜酸氧化硫硫杆菌+喜温硫杆菌(复配硫氧化菌剂，A.t+A.c)的实验组，在浸出45天后的铜离子浸出率分别为17.7％、20.3％、 19.2％和21.2％。其中添加了A.t+A.c双菌的实验组浸出效果最好，较对照组铜离子浸出率提高了19.8％。

结果表明，添加了外源复配硫氧化菌剂的实验组具有更强的铜离子浸出能力，可以更加有效地促进矿石的溶解。这可能是因为外源复配硫氧化菌剂的加入强化了浸出过程中的生物效应，增强了硫代谢过程，减少矿石浸出过程中硫钝化膜的形成，从而提高了浸出效率。

实施例3基于黄铁矿比例干预强化贫辉铜矿生物柱浸过程中的铁硫代谢

通过扫描电子显微镜观察了不同浸出条件下辉铜矿生物柱浸后矿渣表面的形态。从图2a 可以看到，浸出过程中不加入外源干预的条件下，浸出后矿渣表面比较光滑，没有明显的腐蚀痕迹，但发现了一些类似于单质硫颗粒的衍生物，暗示浸出过程生化反应不活跃。当外源添加黄铁矿且辉铜矿：黄铁矿＝6：1(w/w)时，从图2b中可以看出，浸出后矿渣表面出现明显的腐蚀痕迹，说明黄铁矿的添加增强了浸出过程的铁代谢，强化了浸出过程中的相关生化反应。当外源添加黄铁矿，辉铜矿：黄铁矿＝6：1(w/w)且浸出前30天每5天补加一次菌体时，从图2c中可以看出，矿渣表面坑坑洼洼、沟壑纵横出现大量被腐蚀的痕迹，说明分批补加菌体的策略有效地强化了生物浸出过程中的生物效应，从而增强了辉铜矿的溶解。此外，矿渣表面还出现大量的微孔，可能为潜在的微生物附着位点，这有助于菌体对矿物的直接利用。

由此可以看出，添加一定比例的黄铁矿可以加速浸出过程中的铁代谢，强化相关生化浸出反应，分批补加菌体策略也可以强化浸出过程中的生物效应，增强硫代谢，同时强化生物浸出接触机制，从而达到促进辉铜矿浸出的效果。

如表1所示，在加入黄铁矿条件下，当黄铁矿的添加量为辉铜矿的1/12(w/w)时，铜离子浸出效果较对照组提高了24.5％，当黄铁矿的添加量分别为辉铜矿的1/6和1/3时，铜离子浸出分别提高了33.5％和33.9％，均较对照组有明显的提升，但提升效果差异不大。从表2 也可以看出，添加了黄铁矿的实验组较对照组有着更高的亚铁离子、铁离子和细胞浓度，暗示更强的生物和化学浸出效应。

表1贫辉铜矿生物柱浸处理前后的浸出效率对比

实验方案	铜离子浸出率(％)
		辉铜矿(对照)	21.2
辉铜矿：黄铁矿＝12：1(w/w)	26.4
		辉铜矿：黄铁矿＝6：1(w/w)	28.3
辉铜矿：黄铁矿＝3：1(w/w)	28.4

表2不同实验条件下贫辉铜矿生物柱浸主要参数比较

实施例4基于复合硫氧化菌种和黄铁矿协同强化贫辉铜矿生物柱浸过程

当黄铁矿的添加量为辉铜矿的为1/6(w/w)并且每5天补加一次菌体时，铜离子浓度较对照组提高了44.8％。从表3也可以看出添加了黄铁矿和菌体的实验组较对照组有着更高的亚铁离子、铁离子和细胞浓度，原因是黄铁矿的添加强化了辉铜矿浸出过程中的铁代谢，促进了铁氧化菌的生长。

复配硫氧化菌剂的补充有助于降低硫氧化菌种浸出前期生物量积累所需的时间，强化浸出过程中硫氧化菌种的代谢强度，使浸出过程中产生的覆盖在矿石表面的硫快速被利用，避免硫膜的产生，有效防止钝化效应。同时硫氧化菌产生的氢离子可降低浸出体系pH，氧化溶解矿石的同时，还可以抑制黄钾铁矾钝化膜的形成。菌体的添加增强了生物浸出效应，平衡了浸出体系中各种生化反应，抑制了硫钝化膜和黄钾铁矾钝化膜的形成，使矿石表面的电子传递得以更高效进行，最终促进了贫辉铜矿的生物浸出(工艺流程图如图3所示)。

表3复合硫氧化菌种和黄铁矿协同强化贫辉铜矿生物柱浸主要参数比较

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (2)

1.一种促进贫辉铜矿生物柱浸的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将复配硫氧化菌剂接种至辉铜矿复合培养基培养，所述复配硫氧化菌剂由氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans）和喜温硫杆菌（Acidithiobacillus caldus）组成；

（2）在步骤（1）的培养基中添加黄铁矿进行生物浸出，所述的黄铁矿与辉铜矿的添加质量比例为1:3-12；所述的浸出过程，补加复配硫氧化菌剂；每次补加复配硫氧化菌剂的量为3×10⁸-3×10⁹cells，其中氧化硫硫杆菌和喜温硫杆菌的细胞数比例为1：1；

所述氧化硫硫杆菌是嗜酸氧化硫硫杆菌CCTCC No: M 2012104；所述喜温硫杆菌是喜温硫杆菌CCTCC No: M 2018727；

所述的辉铜矿复合培养基是9K复合培养基，包括9K培养基、5-15%（w/v）紫金山矿区取回来的酸性矿排水和0.5-2%（w/v）贫辉铜矿；所述9K培养基的配方是：(NH₄)₂SO₄ 0.3-0.5g/L，KCl0.1-0.2 g/L，K₂HPO₄ 0.5-0.7 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5-0.7 g/L，Ca(NO₃)₂ 0.010-0.020 g/L；

所述生物浸出的条件为pH为2.0-3.0，培养温度为30-40°C，培养时间为30-50 d；

所述步骤（1）中添加的复配硫氧化菌剂的初始浓度为3×10⁶-3×10⁷cells/mL，其中氧化硫硫杆菌和喜温硫杆菌的细胞数比例为1：1；

所述复配硫氧化菌剂的补加时间包括浸出过程的第5天、第10天、第15天、第20天、第25天和第30天。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的黄铁矿与辉铜矿的添加质量比例为1:3-6。

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