固定化细胞移动床浸出高硫高铁低铜难选铜矿中铜的研究

汪银梅，曹文平

( 徐州工程学院环境工程学院, 江苏 徐州 221008 )

生物浸矿技术以低耗、环保等优势，对金属铜矿、难冶炼的金矿处理已经应用到工业化规模。但是，利用生物浸矿技术所得的金属浸出率仍然较低，因为生物冶金工业中所用的微生物受环境影响较大。而影响浸矿微生物数量和活性的环境因素有：酸碱度、温度、营养物质、表面活性剂等[1-3]。为提高其微生物浓度惯用的方法，就是利用其特性选择使用一些生物载体(亦称填料)使微生物吸附在其上生长，使其不容易失活、更容易提高其活性和生物富集程度[4-5]。该做法成功应用于工业化过程中，并取得了良好的效果。

混合浸矿微生物联合浸出金属矿石，已经是一个众所周知的理论，因为混合细菌所具有的酶系统，肯定比单一细菌所具有的酶系统要复杂得多，所以容易发挥混合菌群之间的联合作用，并且能提高浸出率[6-7]。本项目将T.f和T.t菌混合并固定在生物载体上，并结合水处理中生物载体的移动理论和技巧，使混合菌体附着载体在系统内不断移动，增加传质效果，从而达到提高浸矿微生物活性和数量的目的，并为新型浸矿系统的开发提供参考。

1 材料和方法

1.1 矿样

矿样是取自江西铜业公司东乡铜矿，为硫化铜矿，磨细至75 μm，其化学成分如表1所示。铜的物相分析如表2所示。

表1 原矿多元素化学分析结果/%

表2 铜物相分析结果/%

从表1和表2可见，矿样中铜的含量较低，仅为0.97%，属于低品位硫化铜矿，含S量达20.17%，含铁量也比较高，达到22.42%，属于含高硫高铁的铜矿，且氧化程度偏大。因此，如果用传统选冶方法对这种类型的矿石进行选冶，效果较差。

1.2 目的菌群培育

将矿石磨碎至75 μm，分别装入两个锥形瓶中，并分别放入少量的无菌水，并用稀硫酸调节至氧化亚铁硫杆菌(T.f)和氧化硫硫杆菌(T.t)各自适宜的pH值，在自然条件下(25℃～30℃，14d)培育出试验所需要的目的菌种；然后，利用表3中的配方，配制出T.f和T.t液体培养基经扩大培养。扩大培养步骤是：将自然培育好的两种菌液分别取10mL样品，接种到装有100mL各自液体培养基的锥形瓶中，置于水浴恒温(恒温30℃)振荡器上，摇速为200 r/min连续振荡培养，每10d转移培养一次，连续转移培养4～5次，直至细菌浓度富集度超过108cfu/mL。即得到目的菌液。

表3 试验过程中目标菌种培养基配方

1.3 驯化菌种和放大培养

在装有T.f菌液体培养基的试管中,加入CuSO4，使铜离子浓度为2.5 g/L，并将试管放在恒稳30℃、转速为200 r/min的摇床内培养，并定时监测其中T.f菌数量。待T.f菌浓度富集到107～108cfu/mL的时候，再缓缓增加铜离子浓度到5 g/L、10 g/L，直到50 g/L。最后，将本次实验所得到高铜离子耐受T.f菌，用高铜离子浓度的液体培养基反复放大、转移培养以达到超过108cfu/mL，待用。T.t菌驯化和培养方法与T.f菌相同，耐受浓度为20g/L。

1.4 反应器与载体

反应器：反应器有效容积约为3000 mL(直径10 cm，高45 cm)，为有机玻璃材质。该反应器装置如图1(a)所示。

载体：为自行制作，在塑料瓶盖上绑小铁丝，使其能在浸提系统中自由移动。该载体具有耐酸、表面粗糙、比表面积大、价廉、对微生物无毒等优点，如图1(b)所示。

1.5 分析方法

Cu2+浓度采用可见光分光光度计分析法；细菌计数采用稀释平板法；亚铁氧化活性的测定方法采用的是重铬酸钾滴定法，测定不同培养时期培养液中残存的Fe2+含量，计算Fe2+的氧化速度[8]；元素硫氧化活性的测定方法：通过接种一定量的细菌到到固定浓度的单质硫粉培养基中，再定时测定培养液中的酸碱度变化，据研究资料显示，在浸矿试验过程中，pH值的降低与氧化硫硫杆菌的的生长状况和它氧化活性是呈正相关的；pH值用phs-3c酸度计直接读取。

3 结果与讨论

3.1 T.t 菌的菌落特征

T.t菌落经过放大不同倍数的照片见图2。从图2(a)可知，T.t菌落较小，约为1 mm，圆形，不透明，白色，突起，干燥。

从图3可见，混合菌种固定以后，硫化铜矿的浸出率明显高于没固定的混合菌种的浸出率。第3 d，没固定的菌种浸矿系统中的浸出率仅为5.43%，而经固定的菌群浸矿系统，浸出率达到10.21%；浸出18 d后，固定菌群的浸矿系统浸出率为45.23%，而没固定细胞的浸矿系统的浸出率仅为28.56%。因为微生物固定后，载体与细菌的官能基团存在一个共价键，因此，它的主链结构得到了加固，微生物的生存环境得到了稳固，使得微生物不易流失，对pH值变化、生物毒性都不会那么明显耐受性能力明显提高[13]。

图1 生物反应器及载体

图2 T.t菌的菌落特征分析

将其菌落放入显微镜下并放大40倍进行观察，见图2(b)。从图2(b)可见，T.t菌是丝状交织在一起的，呈淡淡的黄色。可以看出，T.t菌落周围为抑菌圈(菌落晕)，可能是因为T.t菌所产生的酸性物质，而导致其他细菌无法靠近其生长领域所造成的。由T.t菌的革兰氏染色结果可知，T.t菌呈短杆状，属于革兰氏阴性菌。

3.2 混合菌种的固定与否对硫化铜矿浸出率的影响

实验条件：pH=2.0左右，T.f细菌接种量为10%，T.t菌接种量为20%，矿浆浓度10%，矿石粒度75 μm。实验结果如图3所示。

3.3 固定菌种种类不同与浸出率之间的关系

实验条件：pH=2.0左右，T.f菌接种量为10%，T.t菌接种量为20%，矿浆浓度10%，矿石粒度75 μm。比较固定不同菌种的方式进行浸出，其试验结果见图4。

由图4可见，在浸出3 d时，无菌的浸出率仅为1.67%，固定T.t菌浸出率为4.56%，固定T.f菌的浸出率为8.87%，而固定混和菌种的浸出率为10.21%；浸矿时间为18 d时，无菌条件下的浸出率为6.87%，固定T.t菌的浸出率为14.57%，固定T.f菌的浸出率为27.67%，而固定混合细菌的浸出率达到了45.23%。因为T.t菌能增强T.f菌的浸矿作用，能为T.f菌浸矿提供良好的环境。

3.4 固定混合菌的混合比例对硫化铜矿浸出率的影响

实验条件：pH为2.0，矿石粒度为75 μm，矿浆浓度为10%，混合菌种的接种量比例分别为：T.f∶T.t=1∶1 ；T.f∶T.t=1∶2 ； T.f∶T.t=1∶3 ；T.f∶T.t=2∶1时的实验结果，如图5所示。

由图5所示，不同T.f与T.t的混合比例在浸出初期，对铜的浸出率影响不明显；从第3 d以后，菌种混合比例的不同，浸出率逐渐出现差异，到第18 d时，T.f∶Tt=1∶1的铜浸出率为32.21%，T.f∶T.t=1∶2的铜浸出率为45.23%，T.f∶T.t=2∶1的铜浸出率为23.12%，T.f∶T.t=1∶3的铜浸出率为31.78%。由实验中的四种不同混合菌比例的浸出率，可得出最优浸出混合菌比例为T.f∶T.t=1∶2。

图3 混合菌种的固定与否对浸出率的影响

图4 固定菌种的不同对浸出率的影响

图5 混合菌的混合比例对铜浸出率的影响

4 结论

1)T.t菌落周围为抑菌圈，是因为T.t菌能释放出酸性物质，抑制其他细菌生长，为T.f菌的生长和浸矿提供酸性环境。

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

3)固定菌群种类不同，对系统的浸出效果具有较大的差异，将T.f与T.t的混合固定，其第18d的浸出效果达到45.23%，比单独T.f或T.t菌以及接种菌群效果要好的多。说明T.f与T.t的混合能协作工作，达到优化配置的效果。

4)T.f与T.t的混合最优化比例为1∶2。

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