复杂难处理金矿石的生物氧化预处理技术及发展现状

吉 强

（山东黄金矿业科技有限公司选冶实验室分公司，山东 烟台 261441）

1 难处理金矿石定义

难处理金矿石是指那些未经某种形式处理，直接进行常规浸出不能获得满意回收率的矿石，一般的，采用直接氰化浸出时，金回收率小于80%的矿石即被认为是难处理矿石。据统计，难处理矿石的储量约占全世界黄金资源总量的60%，随着优质黄金资源的不断开采，易处理金矿资源占比会越来越少，国内外针对低品位复杂难选金矿资源的回收技术开展了广泛的研究[1]。

2 生物氧化概述

生物氧化预处理技术是利用细菌的氧化作用，将难处理金矿中对金形成包裹的硫化矿、毒砂等矿物氧化分解，把金表面暴露出来，然后再用氰化或其它绿色提金工艺回收金。从60年代开始主要是利用生物氧化法提取铜、铀，进入80年代之后生物氧化法已经开始广泛应用于难浸金矿的处理。1986年，细菌氧化工艺首次在南非实现了工业化，随后多个国家相继建成了20余座细菌氧化厂。我国对于难处理金矿细菌氧化技术的研究虽然开始时间较晚，但是技术及应用发展很快，处理量由开始的几十吨增长到上千吨，氧化效率不断提高，氧化周期不断缩短。难处理金矿可分为微细浸染型金矿、碳质金矿和复杂多金属硫化物金矿等[2]。基于目前生物氧化预处理工艺的原理，该技术在难处理硫化物金矿的浸出前预氧化中得到有效应用。

3 生物氧化反应机理

细菌与硫化矿物的作用类型分为直接作用和间接作用；直接作用，即细菌的细胞和硫化矿固体直接接触而发生生物化学氧化；间接作用，即细菌的代谢产物中的Fe3+对黄铁矿进行化学氧化。通常情况下，两种作用往往会同时存在。包裹金的金属硫化物矿主要是黄铁矿和砷黄铁矿，而氧化这两类矿物最常用的是氧化亚铁硫杆菌。其中黄铁矿的氧化反应如下：

直接氧化反应：

在通风良好的条件下，生成的单质硫会被细菌迅速氧化。

氧化亚铁硫杆菌对砷黄铁矿的氧化分为三个阶段[1]：第一阶段是细菌吸附到矿石表面，细菌与矿石产生直接作用；第二阶段是细菌将Fe2+、As(Ⅲ)氧化为Fe3+、As(Ⅴ)，产生的Fe3+又可氧化As(Ⅲ)和砷黄铁矿；第三阶段是浸出液中Fe3+和As(Ⅴ)生成砷酸铁沉淀。该细菌氧化的三个阶段可用总反应式表示：

其中：一、二阶段n=2，三阶段n=4。

提金中的生物氧化工艺主要用于难处理硫化物金矿的浸出前预处理，与焙烧、热压氧化工艺目的相同，都是将包裹金的矿物氧化来打开包裹，便于金在后续的浸出过程中能够与浸液充分接触。

4 生物氧化的主要菌种

难浸金矿生物预氧化工艺中用的菌种按照最佳生长温度分为：中温菌（20℃～35℃），中等嗜热菌（40℃～55℃），高温菌（60℃～75℃）。现在研究比较多也是用的比较多的主要有氧化亚铁硫杆菌（T.f）、氧化硫硫杆菌（T.t）、耐热氧化硫杆菌（S.t）四种，这些细菌的氧化反应都必须在酸性环境中进行。碱性浸矿菌种是指能在偏碱性环境中生存并保持氧化矿物能力的细菌。但是该菌种的研究较少，而且在浸矿方面尚未得到应用。

5 生物氧化影响因素

（1）矿石粒度和矿浆浓度。生物氧化过程主要发生于矿物表面，大的比表面积有利于生物氧化过程的快速进行，矿物越细，矿石和细菌越容易接触，氧化速度就会越快，若使用堆浸工艺，矿石粒度过细，就会阻碍空气、浸出液的流通，细菌氧化速度反而会变慢。对于低浓度矿浆，粒度越细，浓度越大，细菌氧化速度越快；对于高浓度矿浆，矿浆浓度越大，会导致氧化速度降低。实际生产及相关研究表明，氧化矿浆浓度一般在15%左右，近年来随着生物氧化技术的不断发展，氧化矿浆浓度也有所突破，天利公司[3]通过对浸矿菌种改良与驯化，将氧化矿浆浓度提高到24%～26%，依然获得良好的指标。

（2）温度。温度会直接影响生物氧化工艺中的生物活性，不同的温度会导致细菌菌群的优势菌群发生变化，甚至会造成菌种的死亡，因此生产中需要重点控制氧化槽温度，提高细菌的生物活性。目前普遍应用的多为嗜中温细菌，适宜生长温度为35℃～40℃。天利公司[3]生物氧化提金厂通过对浸矿菌种不断改良驯化，使菌种的工作温度可以控制在38℃～52℃之间，辽宁金凤黄金矿业使用的混合菌群温度耐受范围在10℃～45℃之间。细菌生存的温度区间大，有利于细菌对不同矿种、不同环境的适应性。

（3）矿物中有害化学成分。矿物中硫化物的有害成分会严重影响生物氧化效果。金精矿原料中的砷黄铁矿会在生物氧化过程中溶解释放出来，对浸矿微生物造成严重伤害，使生物氧化效率降低甚至停止。为确保生物氧化进程平稳进行，一是提前对浸矿微生物进行耐砷驯化，培养耐砷菌种[4]；二是改变氧化工艺流程，降低氧化矿浆中的As（Ⅲ）浓度。江西三和金业通过在原生产流程中添加部分氧化槽，进行多级生物氧化，专门处理高砷金精矿，其中的大部分砷被氧化溶解，经固液分离实现降低金精矿中砷含量的目的，并增加了砷浓度自动控制系统，保证了生产稳定运行，提高了生物氧化系统的处理能力，实现了高砷（>10%）金精矿氧化预处理。

此外，细菌氧化工艺的影响因素还有pH值、空气、氧化还原电位等。在生物氧化工艺的生产过程中，必须对以上参数进行严格控制，确保细菌活性，提高氧化速度。

6 难处理金矿生物氧化的主要工艺

（1）细菌堆浸预氧化工艺。堆浸工艺最早应用于低品位铜矿的浸出，后来逐步应用到金矿资源的回收中。细菌氧化堆浸工艺和一般堆浸相似，在此过程中细菌起主要作用，其通过直接作用、间接作用及联合作用与硫化矿物发生化学反应。细菌氧化堆浸主要用于难处理金矿石的预处理，经细菌氧化处理后，矿物形成疏松多孔结构，使金被暴露出来，再用氰化或其它方法浸出金等贵金属。

（2）搅拌预氧化槽浸工艺。搅拌浸出多用于高品位矿石或精矿，如金属硫化矿或难处理金矿的预处理。较高的磨矿细度和较低的矿浆浓度有利于细菌氧化的顺利进行。在细菌氧化浸出前，需要将精矿磨至P90=48-75um。在槽浸工艺中需要对氧化矿浆的温度、酸度等严格控制。目前国内外多数生产厂使用常温混合菌，主要由T.f、T.t和L.f组成。

7 国内外生物预氧化工艺应用现状

自1986年第一个细菌氧化提金厂在南非建成后，国外相继建成20余座细菌氧化工厂。虽然我国对细菌氧化处理难浸金矿的研究起步较早，但实现工业上的应用比较晚，直至1996年，国内建成首家生物氧化提金厂，每天处理10t难浸金精矿。截至目前，在生产的主要生物氧化提金厂见表1。

表1 国内外在生产的生物氧化厂

8 生物氧化工艺的几点建议

细菌氧化预处理金矿石厂的投资较低，工艺流程简单，操作水平要求比较低，不产生任何气体和烟尘，氧化液50%以上都可以循环使用，砷最终存在于浸出渣中或形成沉淀后贮存，不会造成环境污染。为使生物氧化预处理技术继续发扬光大，可以从以下几方面加强生物氧化技术研发。

（1）生物氧化机理研究。细菌与硫化矿物的作用机理研究尚无突破性进展，因此限制了理论研究的系统化和该工艺的工业化。深入开展系统的细菌氧化机理研究，为生物氧化工艺的工业化应用提供理论指导意义重大。

（2）耐性菌种的驯化。开展嗜热中高温菌种培养和驯化，提高氧化效率。其次是矿种性质变化较大时，耐性菌种的驯化显得格外重要，通过耐性驯化，拓宽浸矿微生物生存的温度区间，避免因温度变化造成细菌活性降低甚至死亡。

（3）碱性浸矿菌种研究。现阶段生物氧化所用菌种都是嗜酸微生物，生物氧化预处理必须在酸性条件下进行，对生物氧化设备防腐要求高，而且后续的提金作业必须对酸性矿浆进行中和，增加了操作工序和药剂消耗。因此，在以后的研究中建议尝试打破常规，对中性或碱性浸矿菌种进行研究，找出一种能够在中性或碱性条件下氧化矿物的菌种，必然会有利于生物预氧化工艺快速推广。