某碱性铀矿石微生物柱浸试验

代春艳，孙占学，王学刚，陈功新，陈剑朝

（东华理工大学，江西 抚州344000）

据统计，我国2011年开采铀矿石共计229．7 Mt，仅占全世界总量的0．68%，60%的铀矿石U3 O8所占比例为0．1%～0．3%，铀品位较低，浸出率不高，达不到良好的经济效益［1－4］。如何有效提高铀浸出率，成为近几年来铀矿业研究重点。微生物浸铀具有成本低、投资少、流程短、环境友好等优点，能从低品位铀矿石中有效回收铀资源，许多室内试验以及野外生产均取得了一定成果［5－9］。

我国铀矿床可划分为火山岩型、花岗岩型、碳硅泥岩型和砂岩型四类，已探明的矿床中火山岩型占重要地位［10］，其中部分矿石含有较多碱性矿物，它们主要是磷酸盐和碳酸盐，适于用碳酸钠等试剂进行碱法浸出，但因其动力过程较为缓慢，浸出率较低，所以改用酸法浸出。然而随着矿石品位的降低，单纯的化学浸出不能满足日益增长的铀资源需求，并且碱性矿石耗酸量大、浸出周期长、浸出过程易产生板结，因而选择在室内进行微生物柱浸试验，初步探究其试验周期、耗酸情况和浸出效果，以达到为碱性铀矿的开采提供科学依据、为实现工业堆浸生产提供工艺参数的目的。因此，对碱性铀矿进行微生物浸出研究具有重要意义。

1 试验矿样与菌种

1．1 试验矿样

试验矿样为某火山岩型铀矿床的碱性铀矿石，矿样筛分粒径分为6级，分别为＞5mm、2．5～5 mm、1．25～2．5mm、0．63～1．25mm、0．3～0．63 mm、0．15～0．3mm、0．08～0．15mm，装柱矿石总 质量为42．4kg，原矿品位为0．188%。

表1 碱性铀矿石化学分析结果Table 1 Chemical analysisresult of alkaline uranium ore

从表1可以看出，一方面，矿石中所含Fe2O3和FeO可为细菌的生长繁殖提供能量，对微生物浸矿有利。另一方面，该碱性矿中Fe2O3、CaO、P2O5质量分数较高，表现为铀矿石中赤铁矿化、方解石化、磷灰石化现象，而磷灰石、方解石都是强耗酸矿物，会加大浸出过程中硫酸的消耗量。矿石中高含量的CaO使得高酸浸出时易产生石膏板结包裹住矿石，削弱细菌作用，减缓难溶四价铀化合物向易溶六价铀化合物的转化过程［11］。

1．2 试验菌种

细菌采用从该矿山酸性矿坑水中富集、驯化的氧化亚铁硫杆菌（A．ferrooxidans）与氧化硫硫杆菌（A．thiooxidans）合并培养的混合菌，培养基为尾液（经过吸附柱吸附过的浸出液），pH控制在适合细菌生长的1．80左右，菌液总铁控制在3～5g／L左右，置于水浴锅中30℃培养，每24h可氧化2～5g／L硫酸亚铁。

2 试验装置与方案

2．1 试验装置

试验所需柱浸装置主要有浸出系统、生物接触氧化槽系统、喷淋系统、分析测试系统。浸出系统为两根内径150mm、高2 000mm的有机玻璃柱。生物接触氧化槽系统采用5L小型氧化槽充气培养。喷淋系统由一台恒流蠕动泵连接一个喷淋高位槽组成，采用体积法进行进出液流量计量。分析测试系统采用990型pH计测量每天分析溶浸液和浸出液的pH、Eh，采用 EDTA 法测量Fe3＋、Fe2＋，亚钛还原钒酸铵滴定法测U6＋，统计调节溶浸液加入的硫酸量。

2．2 试验方案

试验将浸出所用柱编号为Z1和Z2，其中Z1为对照柱，试验阶段包括酸化阶段、菌浸阶段和尾液浸出阶段。酸化阶段采用40g／L硫酸进行初始酸化，往后根据浸出液情况逐步降低加酸量，酸化介质均为尾液，酸化阶段喷淋量为10%，喷淋时间为24h；菌浸阶段以及尾液喷淋阶段喷淋量均为5%，喷淋时间均为12h。

3 试验结果与分析

试验共进行170d，其中酸化37d，菌浸23d，尾液浸出110d，翻柱3d。试验过程

Z1和Z2浸出液pH、Eh情况、试验耗酸率、液计铀浸出率等的具体情况如下所示。

3．1 浸出液pH、Eh值情况

Z1和Z2浸出液pH、Eh值变化情况见图1。

图1 浸出液pH、Eh变化图Fig．1 Variation of pH and Ehof leaching liquid

由图1可以看出，酸化阶段过后，浸出液pH值基本维持在2左右，根据反应方程FeS2＋7Fe2（SO4）3＋8H2O ＝15FeSO4＋8H2SO4［12］可知，细菌在代谢过程中会产生硫酸，在一定程度上节约试验总酸耗。浸出液Eh值从菌浸阶段开始在550～650mV波动，当菌液Eh值大于500mV时说明体系内二价铁氧化速率达到要求，通过图形可以判定菌在柱子中的活性很好，满足微生物浸铀要求。从试验第158d开始，Eh值逐渐降低至400mV，原因是在这期间停喷数日导致菌活性降低，浸出作用减弱。

3．2 耗酸率与液计铀浸出率

Z1和Z2耗酸率与液计铀浸出率见图2。

图2 耗酸率、液计铀浸出率变化图Fig．2 Acid consumption and liquid meter leaching rate of uranium ore

由图2可以看出，因为Z1和Z2进液条件基本相同，所以耗酸率情况几乎一致。耗酸率主要集中在酸化阶段（6．8%），菌浸阶段和尾液浸出阶段总耗酸（Z1为2．3%，Z2为2．34%），进一步说明采用微生物浸出可以降低酸耗。截至试验结束，液计铀浸出率Z1为73．86%，Z2为76．75%，Z2比Z1高出2．89%，结合图1可知，从喷菌开始到尾液浸出结束，Z2浸出液氧化还原电位普遍高于Z1，说明菌在Z2中的生长情况优于Z1，因而Z2浸出率较高。

3．3 浸出液铀浓度

Z1和Z2浸出液所含铀浓度变化见图3。

由图3可知，0～27d的酸化阶段和27～60d的菌浸阶段都会出现波峰，60～170d的尾液浸出阶段出铀浓度逐渐降低。当出铀浓度降到20mg，停止喷淋，试验结束。Z1出铀最大值（604．03mg／L）出现在酸化阶段，Z2出铀最大值（658．91mg／L）出现在菌浸阶段，其中个别异常点可能是由分析误差造成。整个试验过程共进行了三次翻柱，分别在第26、78、150d，结合图2、3，翻柱过后，出铀量显著增加，会出现新的波峰，液计铀浸出率曲线增幅变大，第一次翻柱最为明显，第二、三次翻柱也能提高浸出率，但作用逐渐减弱。

图3 浸出液铀浓度变化图Fig．3 Uranium concentration of leaching liquid

3．4 浸出过程翻柱情况

图4清晰地表明试验过程三次翻柱情况：第一次矿石板结严重，呈20～30cm高的柱状，不易击碎；第二次板结情况有所缓解，结块厚度为5～10 cm；第三次翻柱矿石干燥稀松，板结现象消失。随着矿石的翻搅、拌匀，不断增大溶浸液与喷淋不完全矿石的接触概率，使得浸出更加充分。由此可知，翻柱可以保持浸出柱内铀矿石的均匀性、良好的渗透性，为细菌的生长和铀的浸出创造有利的条件，最终提高铀的浸出率，缩短浸出周期。

图4 三次翻柱情况对比图Fig．4 Comparison of three column turnings

4 结论

1）碱性铀矿石中磷酸盐、碳酸盐含量高，耗酸大，试 验 过 程 总 耗 酸 4 122．1kg，耗 酸 率 达 到9．14%。生产中可以采用除碳酸钙预处理等手段减少硫酸使用量，降低生产成本。

2）细菌在柱中代谢活跃，生产状况良好，通过连续喷淋菌液能有效节约酸耗，提高液计铀浸出率，试验证明微生物浸出在碱性矿石中的应用是可行的。

3）浸出过程翻柱不仅能消除板结现象，而且在一定程度上能提高液计铀浸出率，考虑翻柱的经济成本，每个阶段翻柱1次为宜。

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