生物氧化过程中酸度对生物活性的影响.DOC

1、生物氧化过程中酸度对生物活性的影响王梅君 1,2 陈庆根 1,2 林海彬 1,2 范道焱 1,2 郭金溢 1,2 （1.低品位难处理黄金资源综合利用国家重点实验室，福建 厦门 361101；2.厦门紫金矿冶技术有限公司，福建 厦门 361101）摘要：为明确酸度对生物氧化的影响及影响阈值。本文开展细菌培养酸性条件实验、生物氧化酸度条件实验、BIOX 生物氧化试验及荧光 PCR 菌群结构分析。结果表明，酸度对细菌的活性影响显著，初始酸度值控制在 510 g/L 为适；高酸环境对纯细菌培养和矿物的生物氧化均有不利影响；BIOX 生物氧化过程，一段反应器中酸度 pH 值应控制在 1.01.3 为适，

2、随着氧化过程的进行，二段反应器中细菌对酸的耐受性会增强，酸度由 10 g/L 升高至 35 g/L。荧光 PCR 分析结果表明，与控酸体系比较，不控酸的体系中菌群结构发生明显变化，Sulfobacillus 和 Ferroplasma 的菌量减少了 13 数量级。因此，酸度对细菌活性影响的研究，对今后生物预氧化工业生产和控制运行成本具有重要的指导意义。关键词 高硫高砷金精矿 生物氧化 生物活性 酸度引言生物氧化工艺作为一种矿物预处理工艺 1，在高硫、高砷的金精矿处理上有着不可替代的优势，相较于热压工艺，生物氧化工艺可以减少设备的投入成本，同时可以使硫不被100%的氧化，减少中和成本和系统的热负

3、荷。相较于焙烧工艺，生物氧化中和阶段，溶液中的砷可与铁形成稳定的砷酸铁，减少含砷烟气的处理问题，具有环保上的优势 2。而微生物作为生物氧化的主体，具有敏感的特性，会受到多因素的影响，硫酸作为生物氧化的产物之一，明确其对浸矿工程菌是否有影响，以及影响的阈值，就显得十分有意义。1 材料和方法1.1 矿石及其性质针对某矿山高硫、高砷的金精矿，进行了生物氧化中试试验，金精矿化学多元素、硫化学物相、金化学物相分析结果如表 1-1、1-2 、1-3 所示。1王梅君（1988 年-），女（汉族），福建南平人，学士；主要从事冶金与环保等相关方面研究；通讯地址：福建厦门翔安区舫山南路 3 号；联系电话：1835

4、9257630。表 1-1 化学多元素分析结果/%Table 1 Results of chemical analysis of multi-element analysis /%项目 Au* As TS Fe SiO2 MgO含量 23.86 2.46 36.96 36.28 16.79 1.13项目 Ag* Al2O3 TC 有机碳 CaO Cu含量 22.4 3.48 0.34 0.14 0.74 0.074注：注*单位为 g.t-1 下同。表 1-2 硫化学物相分析结果Table 1-2 Results of sulfur chemical phase analysis项目 硫酸盐中硫

5、 硫化物中硫 其它硫 TS含量/% 0.57 32.58 3.81 36.96比例/% 1.54 88.15 10.31 100.00表 1-3 金化学物相分析结果Table 1-3 Results of gold chemical phase analysis项目 裸露金 氧化物及碳酸 盐包裹金 硫化物包裹金 硅酸盐及其它包裹金 总金含量（g.t -1） 12.51 1.14 10.08 0.13 23.86比例 /% 52.43 4.78 42.25 0.54 100.00由表 1-1 可知，金精矿矿中 Au、S、As 含量分别为 23.86g/t、36.96%、2.46% ，有机碳含量

6、0.14%，为典型的高硫、高砷、低有机炭金精矿。由表 1-2 和 1-3 可知，硫化物中硫占88%，硫化物包裹金为 42.25%，裸露金 52.43%。1.2 菌群菌群从铜铜矿山的酸性矿坑水中提取获得矿山堆浸厂中获得，通过多次的铜矿浸出的培养驯化，在保存在紫金矿冶技术有限公司中厦门紫金矿冶技术有限公司中保存。1. 3 培养基菌液培养阶段，使用用 9K 培养基：( NH4)2SO4 3 g /L，MgSO 47H2O 0. 5 g /L，KCl 0. 1 g /L，K 2HPO4 0. 5 g /L， MgSO47H2O 0. 5 g /L，KCl 0. 1 g /L，Ca( NO3)2 0.

7、01 g /L， pH1. 6 - 1. 8。 实验开始进料以后，只进行氮磷钾的补充，加入无铁盐的培养基在连续预氧化实验过程中添加的培养基 B：( NH4)2SO4 3. 6 g /L，KH 2PO4 1. 7 g /L，KCl 1. 7 g /L， KH2PO4 1. 7 g /L。1. 4 主要试剂和仪器引物 27F 、At.f384R 、L.f402R 、S.t424R、F.a460R 、F.a57F 从生工生物工程（上海）股份有限公司订购，DNA 提取试剂盒由 tiangen( 天根生化科技有限公司 ) 生产，其他培养基配制以及酸碱调节药剂均它试剂为国产分析纯。连续生物预氧化设备的材质

8、为不锈钢材材质， 。由常州智博瑞仪器制造有限公司生产。 pH 计与电位计均由为梅特勒-托利多( Mettler Toledo， Switzerland) 生产。荧光 PCR 仪采购于德国的购自 Biometra( Germany)。1.5 氧化体系工艺流程采用了 BIOX 工艺 3 4：矿物经过浮选得到金精矿，金精矿进行调浆，连续生物预氧化反应体系中试装置主要包括 6 个容积为 10 L 的不锈钢的生物氧化槽( 运行时有效体积为 6 L) ，其工作排列方式 流程如图 1。氧化的前 3 槽为并联，后 3 槽为串联， 。工艺流程为，对浮选的金精矿进行调浆，调浆后即矿浆平行泵入首先平均到达前 3 槽

9、，而后依次串联进入后三槽再分别进入第 4 槽汇合依次流入第 5、6 槽。 ，前三槽为一段，后三槽为一段，矿浆经过六槽以后，完成两段氧化。每个槽中都配备有曝气装置和搅拌装置，各槽进行水浴加热，使各模拟工业化控制温度槽保持预定的工作温度。氰化图 1 BIOX 工艺流程Fig.1 BIOX process flow体系运行前，在前三槽中进行细菌培养，电位达到 600mV 以后当前 3 槽菌液的氧化还原电位不低于 600 mV 后，加入金精矿，矿浆浓度为向槽内加入浓度为 15%的金精矿( 6 L) 矿浆 ，氧化 培养培养 3 d。 第 4d 开始第 4 天，每槽取出 前 3 槽分别取出 1 /3 体积

10、矿浆到转入第 6 槽， 前 3 槽补加金精矿和培养基到原来的体积和浓度前 3 槽中缺失体积以 9K 培养基及金精矿补足；在第 5 天，从前 3 槽分别中各取出出 1 /3 矿浆到转入第 5 槽，前3 槽补加金精矿和培养基到原来的体积和浓度缺失体积由 9K 培养基及金精矿补足；在第6 天，从前 3 槽 每分别槽取出 1 /3 矿浆到转入第 4 槽，前 3 槽补加金精矿和培养基到原来的体积和浓度缺失体积由 9K 培养基及金精矿补足；从从第 6 天开始，每隔 30 min 从第六从第 6 槽取 样出 175 mL 的矿浆 ，前面 5 槽按照原来 并联与串联方式依次转移相同量的矿浆，转移后，前 3 槽

11、补加金精矿和培养基到原来的体积和浓度前 3 槽缺失体积用培养基和金精矿补足。每 30min 取出的样品进行混合，8h 为一个终和样， 间隔 8 h 对第 6 槽取样过滤处理（为 8h 中每隔 30min 取样的混合样） ，滤液检测 送检总 Fe、SO 42 、以及As； 滤渣 进行氰化 混匀氰化 。氰化条件为： 使用 Ca( OH)2 调节整体系 pH 值 1011，液固比 4 矿浆浓度 20%，氰化 时间 24 h，氰化钠浓度 2 ，活性炭密度 45 g /L；氰化渣检测测定 A 金 u、As、砷、TS 总硫、S 6 +。体系运行两次，一次氧化不控制 pH；一次氧化控制 pH，其中第一段 p

12、H 值控制在 1.01.3，二段不控 pH 值。1. 6 菌群结构研究1.6. 1 细菌总 DNA 提取：将 45 连续反应体系的 6 个槽中的矿浆收集后混合对实验过程中，各槽的矿浆进行取样并进行混合，取取 2 mL 样品进行离心( 13000 g，15 min ) ，去上清，收集沉淀物，在离心管中加入 TENP 溶液( Tris50 mmol /L，EDTA 20 mmol EDTA 20 mmol /L，PVP 1%，NaCl 100 mmol /L，PVP 1%， pH10. 0) ，重悬沉淀后，进行离心，去上清，重复TENP 的 洗涤操作，直至上清液的 pH 7。将洗涤后的含矿样品按天

13、根试剂盒要求提取其中的细菌总 DNA。1. 6 2 实时定量 PCR将已知浓度的标准品和未知浓度的待测样品 cDNA 按 10 倍稀释成 4 个浓度梯度，作为标准曲线模板(各 10ul)；将各样品 cDNA 分别稀释 10 倍( 各 10ul)；（反应 mix 20ul，SYBRgreenI mix 10 ul，ddH2O 8 ul，forward primer 0.5 ul ，引物浓度 0.5-1uM，reverse primer 0.5 ul，template 1 ul ）剪好八联管，将 mix 分装到 PCR 八联管中，19ul/管。加模板，将稀释好的模板加入 PCR 管，每管都应更换枪

14、头，加在管壁上刻痕下方，设不加模板的空白对照，及空孔对照盖上管盖，离心，放入定量 PCR 仪中，按设定的参数进行 PCR 反应，程序为：95 5 min， 94 30 s， 55 30 s，72 1 min，共 30 个循环，72 8 min。1.6.3 数据分析利用仪器配套软件分析试验数据，定量样品起始模板量。2 结果与讨论2.1 酸度对生物氧化的影响试验2.1.1 菌种耐酸培育试验试验采用同等活性菌种 20%的转接量，用硫酸进行耐酸试验，体系温度 45，恒温水浴振荡器进行摇瓶培育。各硫酸浓度 Eh 值趋势图如 2 所示。02406801354506507Eh/mv培 育 时 间 /h 5g

15、/L2 图 2 菌种耐酸试验结果Fig.2 bacterial acid test results由图 2 可知，菌种在硫酸浓度 5-10g/L 之间扩培时间在 48h 左右，大于 10g/L 扩培时间开始变长。所以细菌培养的初级阶段，硫酸浓度在 5-10g/L 为宜，对应 pH 值 1.52.0。2.1.2 不同酸度的生物氧化试验对同等活性菌液调节硫酸浓度，添加 5%浓度的金精矿，在体系温度 45，恒温水浴振荡器进行摇瓶生物氧化，试验周期 7 天，各硫酸浓度 Eh 值趋势图如 3 所示，pH 值趋势图如 4 所示，7 天硫氧化率与初始酸度的关系如图 3 所示。-101234567835405

16、0560570 5g/L10 2g/LEh/mV化/d图 3 各硫酸浓度氧化 Eh 值趋势图Fig. 3 The concentration of sulfuricacid oxidation Eh value of the trend012345678.6810.2416.820pH氧 化 时 间 /d 5g/L102 图 4 各硫酸浓度氧化 pH 值趋势图Fig. 4 Trends in sulfuricacid concentration Oxidation pH51025152035405S氧化率%初 始 体 系 硫 酸 浓 度 /L 图 5 各硫酸浓度氧化 7 天的硫氧化率趋势图Fi

17、g.5 sulfuric acid concentration oxidation of 7 days sulfur oxidation rate trend由图 34 可以看出，金精矿的细菌氧化效果受硫酸浓度的影响较大，硫酸浓度在510g/L 对整个氧化效果起促进作用，当硫酸浓度大于 10g/L 后，浓度越大细菌需要越长的时间去适应体系环境，所以细菌氧化金精矿初始阶段宜控制在 510g/L（1.5 pH2.0） 。图 5 直观反映了同等时间和操作条件下，低硫酸浓度下的硫氧化率高于高浓度硫酸体系下的硫氧化率。2.2 BIOX 氧化结果2.2.1 BIOX 体系不控酸氧化为连续进行，矿浆浓度为

18、15%。从第 6 天开始，每隔 30 min ，从第 6 槽取样175 mL，前面 5 槽按原来并联与串联方式依次转移相同量的矿浆，前 3 槽补加金精矿和培养基到原来的体积和浓度前 3 槽缺失体积用培养基和金精矿补足 。对间隔 8 h 的终和样进行过滤处理对第 6 槽取样过滤（。为 8h 中每隔 30min 取样的混合样） ，前三槽（即一段）不进行酸度控制，氧化进行 23d。图 6 不控酸-二级氧化试验结果Fig. 6 No acid - secondary oxidation test results随着体系的运行，氧化 10d 后，体系的氧化电位从 600mv-700mv 降低到 500m

19、v-600mv后，而后不再升高。氧化 10d，硫氧化率为 60%，金的浸出率为 80%。达不到生物氧化的预期效果，而后对整个流程进行诊断排查，二段氧化的的最后一槽（即第六槽：6#）中的酸度达到了 60g/L-70g/L，三价铁的含量达到 50g/L。对氧化铁以及氧化硫的细菌都有抑制0510152025.60.81.21.4.61.82.0 pHEh化/dpH4048052606408 Eh/mV作用 4。2.2.2 BIOX 体系控酸（一级控制 pH 值）一段（前三槽） pH 值控制在 1.01.34，二段（后三槽）不控 pH 值 5 6，1-7d 为细菌培养和细菌驯化阶段，通过控制进料以及出

20、料的量来调控停留时间， 9-15d，停留时间7 天 d ，第 27-36d，停留时间 10 d，第 37-45 d，停留时间 14 d，半连续进料 9 天。试验进行 45d，由于一段并联，监测以 3#为代表，二段串联，6#最能反映最后浸出情况，监测以6#为代表。试验期间一段的第三槽（3#） 、二段的第六槽（6#）Eh 值/ pH 值趋势如图 7、图 8 所示。05105205305405.460.81.214.6182.0 3#pHEh时 间 /dpH340505605701%,4d50 Eh/mv1%,7d图 7 一段（ 3#）Eh 值/ pH 值趋势图Fig. 7（3#） a sectio

21、n of Eh / pH trend05105205305405.240.681.021.461.820 6#pHEh时 间 /dpH 3405056057051%,4d50Eh/ mV1%,7d图 8 二段（6#）Eh 值/ pH 值趋势图Fig.8（6#） a section of Eh / pH trend由试验结果可知，在一段控制 pH =1.0 左右的情况下，体系可以维持着 600mV的电位在运行，渣样的分析结果也表明，生物氧化 7 天，矿物的硫氧化率就到达了 70%，氧化10d，达到 80%，氧化 14d 硫的氧化率达到了 94%，氧化 7d金的浸出率为 80-90%。调节的石灰用

22、量为 70-75kg/t 金精矿。二段 6#槽液体中的铁和酸也相应的降低，Fe约38g/L， H2SO4 约 35g/L。2.3 菌种结构分析采用分子生物学 PCR 检测技术对不控酸的 6L 半连续试验的二段（6#）矿浆进行菌群鉴定，并与控酸的二段（6#）矿浆的菌群结构和数量对比，结果见表 2-1 所示。表 2-1 浸矿体系溶液 PCR 定量分析结果Table 2-1 Dilution system solution PCR quantitative analysis resultsAcidithiobacillus Leptospirillum Sulfobacillus Ferroplas

23、ma菌液 Universal 总菌 氧化铁 氧化铁 氧化硫 氧化铁控酸 108 105-6 104-7 3106-7不控酸 2.69107 6.55108 1106-7 2106 3103 103-6结果表明，不控酸的半连续试验的细菌总数基本少于控酸的，其中钩端螺旋菌Leptospirillum 2106 个/mL 基本一致，嗜酸硫杆菌 Acidithiobacillus 1106-7 个/mL，对硫起氧化作用的 Sulfobacillus 和对铁起氧化作用的 Ferroplasma 偏少，分别为 3103 个/mL 和103-6 个 /mL。因此，分析氧化液 Eh 值较低的原因，可能是由于溶

24、液中的酸度以及铁的含量过高而分别造成氧化铁硫杆菌以及氧化硫硫杆菌受到了活性抑制，甚至是死亡，从而氧化过程中三价铁还原成二价铁以后，不能及时的被细菌氧化成三价铁，从而使得体系的电位降低，同时，死亡的细菌作为有机物，还会包裹在矿物表面，阻止氧化的进一步的进行，使得氧化的效果恶化，达不到预期。3.结论与建议生物氧化过程中酸度对细菌活性影响较大，氧化过程需要对溶液进行中和。但中和过程对碱性物质的加入方式要十分注意，因为局部过碱，会使 pH 急剧升高，造成细菌的死亡，同时，会使铁沉淀，阻碍进一步的反应。（1）细菌扩培阶段，菌种在硫酸浓度 510g/L， pH 值 1.52.0，细菌活性较好，Eh值上升较快。（2）生物氧化细菌对酸有个逐步适应的过程，初始阶段，需控制硫酸浓度 510g/L，氧化过程中通过细菌逐步驯化和适应，细菌对硫酸的适应逐步提高，但氧化 pH 值不能低于 0.5，否则对细菌活性影响较大。