某低品位铀矿石生物浸出试验研究

张静敏，刘 辉，程 浩，郑 英，孟运生

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

铀矿石生物浸出技术具有减少化学氧化剂用量、降低硫酸使用量、缩短浸出周期、简化废水处理流程、减少环境污染等优点，可有效降低厂矿的生产成本，并增加企业的产能[1]。在采用生物技术浸出低品位铀矿资源时，经济性和环保性的优势尤为明显[2]169。目前的生物浸出技术在处理铀矿石时，需单独建造生物氧化槽，并向生物氧化槽中连续鼓气以促进细菌生长并快速将二价铁氧化成三价铁，然后再将氧化好的高电位菌液打入矿石堆中进行后续浸出[3]。该生物浸出技术需占用空间单独建造生物氧化槽，鼓气的动力费用较高，且需要人员对细菌的生长情况进行监测。如果出现误操作导致细菌大批死亡，再使细菌恢复到工作状态需要很长时间。为此，笔者研究了直接将细菌接入矿石柱内进行浸出的柱内自氧化生物浸出新方法，通过分析浸出液的pH、氧化还原电位及铀浓度等指标，考察新方法的浸出效果，并对比了常规酸浸与新方法细菌浸出的浸出效果。

1 试验原理

铀矿生物浸出技术是利用氧化亚铁硫杆菌或氧化亚铁微螺菌等自养微生物，有选择地溶解、浸出矿石或矿体中的铀，使其从固态转化为液态，达到开采矿石的目的。这些微生物以矿石中的黄铁矿或吸附尾液中的Fe2+作为其生长繁殖过程的能源物质，通过氧化这些能源物质产生硫酸和Fe3+；而矿石中的四价铀可被产生的Fe3+氧化，细菌又可将Fe3+被还原产生的Fe2+作为新的能源物质进行氧化，如此反复进行[1]。

铀矿生物浸出机理如下：

黄铁矿及吸附尾液中的Fe2+在细菌的作用下生成硫酸和Fe3+[3]38，

(1)

(2)

Fe3+作为氧化剂氧化铀矿中的四价铀，

(3)

上述反应产生的Fe2+依靠细菌的作用被氧化为Fe3+。

(4)

2 试验部分

2.1 试验原料及设备

2.1.1试验原料

试验菌种为实验室培养保存的采自矿样本土的氧化亚铁硫杆菌[4]。试验用硫酸为分析纯。

试验用矿样取自地表筑堆堆浸用矿石，粒径-15 mm，矿样经自然干燥、混矿、缩分等处理，矿样各元素化学分析结果见表1。矿样中矿物成分比较简单，有害组分含量低，金属矿物除了沥青铀矿及次生铀矿外，尚有少量铁的硫化物和氧化物，如黄铁矿、赤铁矿等。

表1 矿样各元素化学分析结果 %

从表1可知：该矿样铀品位较低，仅为0.038%，其中四价铀含量为44.2%，浸出时加入氧化剂可缩短浸出周期；矿样中黄铁矿(FeS2)含量低，采用细菌浸出时节酸效果可能不明显；矿石中含有一定量的氟，对浸矿菌株的活性有一定的影响；所含铁元素可以满足生物浸出试验中氧化还原反应的需要，不需要额外补充。

2.1.2试验主要设备

福马牌摇床；雷弗牌BT100s蠕动泵；φ100 mm×2 000 mm玻璃柱。

2.2 试验方法

采用三柱对照动态浸出方式。1#柱为细菌柱浸，柱口开放，以保持柱内空气流通；2#柱为细菌柱浸，模拟井下缺氧环境，将柱口用保鲜膜密封，使浸出柱中空气不流通；3#柱为常规酸法柱浸。其余试验条件相同：矿样20 kg；矿样铀品位0.038%；矿石粒度-15 mm；喷淋强度20 L/(m2·h)；淋停比1∶1；酸化时间11 d；总浸出时间26 d。

测量所得浸出液的体积、pH、Eh，取样后的剩余浸出液采用离子交换吸附并回收铀，吸附尾液返回用作浸出剂(其中“细菌浸出”阶段的吸附尾液进行氧化再生后再返回用作浸出剂)。浸出结束后，用清水喷淋清洗矿石，卸柱晾晒矿渣，并分析渣中铀含量。与以往细菌浸出过程不同，本次试验细菌浸出分3个阶段：酸化期、菌浸期、柱内自氧化期。

2.2.1酸化期

酸化可快速消耗矿石中的耗酸物质，以利于矿石中铀的浸出；同时也为细菌生长及浸出铀提供适宜的酸性环境。首先通入清水，将矿石润湿；然后采用清水配制的硫酸溶液喷淋。当浸出液pH≤2.0时，酸化期结束。

2.2.2菌浸期

酸化结束后，1#、2#柱使用配入硫酸的已驯化好的本土浸矿菌株菌液做浸出剂，菌液ρ(H2SO4)=10～15 g/L，3#柱使用吸附尾液配制相同硫酸浓度的浸出剂。当1#、2#浸出液电位达到一定值时，菌浸阶段结束。

2.2.3柱内自氧化期

当1#、2#柱浸出液电位达到一定值后，三柱的浸出剂均采用吸附尾液加入硫酸配制，控制ρ(H2SO4)≈5 g/L。当浸出液ρ(U)≤0.03 g/L后停止喷淋，浸出结束。

3 试验结果与讨论

柱浸试验结果见表2。各柱浸出液pH、氧化还原电位、浸出液铀浓度、液计浸出率随时间变化关系、1#柱浸出剂和浸出液氧化还原电位对照以及2#柱浸出剂和浸出液氧化还原电位对照如图1～6所示。

表2 铀矿石柱浸试验结果

图1 浸出液pH随浸出时间变化

由图1可看出，在浸出过程中1#柱和2#柱浸出液的pH都基本低于3#柱。这说明1#柱和2#柱内的细菌将矿石中的黄铁矿转化生成了酸。虽然本研究并没有明显降低矿石酸耗；但在处理黄铁矿含量较高的矿石时，是可以达到降低浸出过程中硫酸用量的目的。

图2 浸出液氧化还原电位随浸出时间变化

图3 浸出液铀质量浓度随浸出时间变化

图4 液计铀浸出率随浸出时间变化

由图2～4可以看出，该铀矿易于浸出，在粒径-15 mm时，与常规酸浸相比，细菌浸出可以有效提高浸出液电位，提高浸出液铀质量浓度，提高铀浸出率。浸出26 d后，1#常规菌浸渣计铀浸出率可达到84%，远高于3#常规酸浸的76%。

由表2及图1～4可看出，在缺氧条件下，菌浸柱(2#)中细菌的生理活性和亚铁氧化能力较常规菌浸(1#)均有所降低；但细菌仍能在矿柱内吸附生长，并快速氧化亚铁。缺氧条件下菌浸浸出液的铀质量浓度、浸出液Eh及铀浸出率等指标均高于同期常规酸浸。

图5 1#柱菌浸期和堆内自氧化期浸出剂和浸出液氧化还原电位对照

图6 2#柱菌浸期和堆内自氧化期浸出剂和浸出液氧化还原电位对照

由图2、5、6可看出，浸出进行到第19天时，1#、2#柱浸出剂改用一定酸度的吸附尾液，进入矿柱内部的尾液Eh为400 mV左右，浸出液Eh可达600 mV以上。这表明细菌在矿柱内部生长代谢旺盛，且活性较高，氧化Fe2+的速率较快，对矿柱内浸出金属所需氧化剂已达到自给要求。1#柱在细菌代谢旺盛，活性高时浸出液的Eh一直比较稳定，2#柱则有些起伏。这说明在缺氧状态下，细菌虽能够保持生长，但是其活性和氧化Fe2+的速率还是受到了影响。

4 结论

该矿床属于单铀花岗岩型矿床，矿石中有害组分含量低，矿石中四价铀含量在44.2%左右。在粒度-15 mm条件下，采用细菌浸出，铀的浸出效果明显优于常规酸浸，菌液的加入提高了浸出剂的氧化还原电位、浸出液的铀浓度及浸铀峰值，改善了铀矿石浸出环境和浸出性能，提高了铀的浸出率。浸矿菌株为需氧菌，但只需极微量氧气即可生存，在缺氧条件下浸矿细菌也能在矿柱中附着生长，并快速氧化二价铁。在黄铁矿含量很低(仅有0.07%)且浸出柱没有专门供气的条件下，浸矿细菌也可在铀矿堆内部生长，并且保持较高的活性。