Интенсификация технологии бактериального выщелачивания упорных золотосульфидных концентратов с использованием ассоциации микрооргани

На базе результатов  микробиологического анализа среды  выщелачивания по биовыщелачиванию сульфидных золотомышьяковых концентратов различного состава с использованием, как монокультуры, так и ассоциаций бактерий, проведена статистическая обработка массива данных по выявлению зависимости между концентрацией клеток микроорганизмов в жидкой фазе и температурой ведения биопроцесса. Полученные данные сведены в диаграмму, представленную на рисунке 3.

Рисунок 3 – Области температур жизнедеятельности и активного роста различных микроорганизмов

 

По результатам изучения состава  ассоциации микроорганизмов установлено, что в зависимости от температурного режима в процессе биоокисления упорного золотосодержащего сырья могут участвовать:

• при температуре от 28°С до 45°С – ассоциация микроорганизмов из штаммов бактерий 4-х родов (Acidithiobacillus, Leptospirillum, Ferroplasma и Sulfobacillus);
• при температуре около 45°С – ассоциация микроорганизмов из штаммов бактерий 2-х родов (Ferroplasma и Sulfobacillus);
• при температуре более 45°С – только штаммы бактерий рода Sulfobacillus.

Таким образом, в зависимости от температурного режима ведения процесса биоокисления сульфидного золотосодержащего  сырья и наличия необходимых энергетических субстратов будет доминировать та или иная температурная группа микроорганизмов.

Изучение влияния кислотности  пульпы (рисунок 4)  на численный состав микроорганизмов различных родов, входящих в ассоциацию, показало, что  наиболее оптимальными значениями рН являются: для бактерий рода Acidithiobacillus – 1,9-2,1; Leptospirillum – 1,6-1,9; Ferroplasma – 1,5-1,7; Sulfobacillus – 1,6-1,8.

влияние температуры  на биоокисление арсенопирита и пирита ассоциацией микроорганизмов, включая  умеренно-термофильные бактерии

Скорость выщелачивания  зависит от многих факторов: концентрации реагентов, температуры, скорости перемешивания, поверхности твердой фазы и др. Установление лимитирующей стадии и  определение зависимости скорости процесса от основных технологических параметров позволяет оптимизировать условия бактериального выщелачивания концентратов и определить пути управления процессом окисления золотосодержащих сульфидов.

Выше было показано, что  при различных температурах формируются  ассоциации различного состава. Вследствие этого целесообразно было изучить влияние температурного фактора на биоокисление сульфидного мышьяка и железа ассоциацией микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии.

Результаты проведенного исследования представлены на рисунке 5, из которого видно, что наиболее активно арсенопирит окисляется при температуре 34-36°С.

Установлено, что в процессе бактериального выщелачивания концентрата Майского месторождения после 48 часов происходит ускорение окисления сульфидного  железа при повышенных температурах (38-42°С) по сравнению с остальными температурными режимами. Это происходит в результате того, что к этому времени основная часть арсенопирита окисляется и начинается селективное окисление пирита, которое, как следует из данного эксперимента, происходит более активно при повышенных температурах.

 

 

 

а)	б)	в)
г)	д)	Рисунок 4 – Влияние кислотности пульпы на 1 – максимально наблюдаемое, 2 – минимально наблюдаемое количество бактерий: а) A.ferrooxidans, б) A.thiooxidans, в) L.ferrooxidans, г) Ferroplasma, д) Sulfobacillus при биоокислении сульфидного золотосодержащего сырья.

 

Рисунок 5 – Кинетика биоокисления сульфидных мышьяка и  железа концентрата Майского месторождения  ассоциацией II микроорганизмов, включая умеренно-термофильные, при различных температурах: 1 – 32°С; 2 – 34-36°С; 3 – 38-42°С

 

Для подтверждения данного  факта была изучена зависимость  скорости окисления пирита после  выщелачивания сульфидного мышьяка. С этой целью был наработан  продукт бактериального окисления, характеризующийся наличием арсенопирита в количестве 0,8% и пирита 20,1%. В статическом режиме биоокисления была исследована зависимость скорости окисления пирита ассоциацией микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии, при различных температурах: 32°С, 34-36°С и 38-42°С. Рисунок 6 отображает изменение ОВП пульпы и концентрации Fe⁺³ растворе в зависимости от продолжительности процесса при различных температурах.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о  том, что процессы биовыщелачивания пирита активнее протекают при повышенных температурах: 38-42°С. Об этом свидетельствует более высокое значение ОВП на протяжении всего бактериального выщелачивания в умеренно-термофильных условиях: к 120 часам это значение составило 780 мВ, по сравнению с 722 мВ для температурного режима 32°С. Отмечается и более сильное закисление пульпы при повышенных температурах, что может свидетельствовать об активном протекании окисления пирита, сопровождающееся образованием серной кислоты.

 

а)	б)
Рисунок 6 – Изменение ОВП пульпы (а) и концентрации окисного железа в бактериальных растворах (б) в зависимости от продолжительности процесса биовыщелачивания при различных температурах: 1 – 32°С;   2 – 34-36°С; 3 – 38-42°С

 

Количество Fe⁺³ к 120 часам биовыщелачивания пирита Майского месторождения в умеренно-термофильных условиях больше, чем при t=32°C и составляет 25,2 г/л по сравнению с 20,4 г/л.

Результаты химического  анализа твердых продуктов бактериального окисления пирита концентрата Майского месторождения представлены на рисунке 7. Полученные данные свидетельствуют о том, что процессы бактериального окисления пирита активнее протекают в умеренно-термофильных условиях: содержание сульфидного железа к 120 часам биовыщелачивания снижается с исходных 9,36% до 2,24, 1,51 и 1,02% для температуры 32, 34-36 и 38-42°С соответственно.

Экспериментальными исследованиями установлено влияние температурного фактора на биоокисление пирита концентрата  месторождения Майское. Константа  скорости реакции окисления FeS₂ увеличивается с 0,012 до 0,021 час^-1 при увеличении температуры процесса с 32°С до 42°С.

а)	б)
Рисунок 7 – Изменение  содержания сульфидных форм железа (а) и серы (б) в кеках биоокисления пирита при различных температурах: 1 – 32°С;   2 – 34-36°С; 3 – 38-42°С

 

Для определения лимитирующей стадии процесса биовыщелачивания необходимо определить кажущуюся энергию активации  пирита. Для этого воспользуемся  уравнением Аррениуса, описывающим  зависимость константы скорости реакции от температуры:

                                             (7)

где T – абсолютная температура, °K,

k₀ – предэкспоненциальный множитель,

Е – энергия активации, кДж/моль,

R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль^. град.

В результате преобразований получаем:

                  (8)

Расчет показывает, что  в исследуемом интервале температуры  величина кажущейся энергии активации  пирита составляет 35,1 кДж/моль, что  свидетельствует о том, что процесс  биоокисления пирита упорного золотосодержащего сырья лимитируется биохимической стадией реакции выщелачивания.

Зависимость скорости реакции  от температуры выражается величиной  температурного коэффициента a_(T), который связан с энергией активации соотношением:

                              (9)

 

Для нашего случая величина коэффициента равна α(T)=1,7. Следовательно, при повышении температуры с 32°С до 42°С скорость реакции биоокисления пирита увеличивается в 1,7 раза. Рост скорости окисления пирита приводит к увеличению степени его окисления с повышением температуры при биовыщелачивании упорного золотосодержащего концентрата. После 120 часов биовыщелачивания степень окисления пирита составляет 76,02, 83,86 и 89,14% для 32, 34-36 и 38-42°С соответственно (рисунок 8).

Рисунок 8 – Кинетика биоокисления пирита в статическом режиме ассоциацией микроорганизмов при различных температурных условиях: 1 – 32°С; 2 – 34-36°С; 3 – 38-42°С

 

 

Разработка  технологии двухстадиального биоокисления концентрата Майского месторождения

 

Разработка технологии двухстадиального биоокисления упорного золотосульфидного концентрата  Майского месторождения проводилась  на укрупненно-лабораторной установке в непрерывном режиме бактериального выщелачивания.

В результате проведенных  испытаний установлено (таблица 4), что  в процессе двухстадиального бактериального окиения упорного золотосодержащего  концентрата Майского месторождения  обеспечивается высокая активность бактерий, что приводит к эффективному окислению сульфидных минералов. На это указывают непрерывный рост ОВП с 720 мВ до 760 мВ к 90 часам, а также концентраций ионов Fe⁺³ и As⁺⁵ с 4,2 до 21,6 г/л и с 2,15 до 4,9 г/л соответственно. Окисление Fe⁺² и As⁺³ завершается к 54 часам процесса. По данным химического анализа к 90 часам содержание сульфидной формы мышьяка снижается с 4,6 до 0,08%, железа с 17,58 до 2,35% и серы с 18,42 до 2,67%. Степень окисления основных сульфидных минералов – арсенопирита и пирита – составляет 98,7 и 87,2% соответственно (рисунок 9).

 

Таблица 4 – Основные физико-химические параметры пульпы в процессе двухстадиального бактериального выщелачивания концентрата Майского месторождения 

Параметры	Стадия биоокисления
	I		II
Температура, °С	34-36		38-42
Продолжительность, час	36	54	72	90	108
рН	2,02	1,72	1,7	1,68	1,65
Еh, мВ	720	730	740	760	780
Выход продукта БИО, %	89,4	86,6	82,8	76,7	75,7
Концентрация, г/л
Fe3+	4,2	8,7	14,7	21,6	27,6
Fe2+	0,8	0,0	0,0	0,0	0,0
As5+	2,15	3,18	3,4	4,9	5,2
As3+	0,28	0,0	0,0	0,0	0,0
Активность биомассы по потреблению кислорода в пульпе, мкл/мл·мин.	3,1	3,7	4,4	5,2	5,2

 

Селективность процесса биоокисления сульфидов подтверждается данными, полученными с помощью  растрового электронного микроскопа. Отмечается, что после 36 часов биоокисления зерна арсенопирита значительно подверглись процессу окисления, а зерна пирита затронуты процессом выщелачивания слабо. После 72-х часов биовыщелачивания наблюдается более значительное окисление пирита.

	В процессе двухстадиального биоокисления реализуется селективное протекание процесса выщелачивания концентрата: на I-ой стадии в первые 54 часа происходит окисление арсенопирита до 94,5%, пирит окисляется всего на 61,57%. На II-ой стадии при увеличении температуры происходит преимущественное доокисление пирита до 87,28%, а также практически полностью завершается окисление арсенопирита – 98,7%.
Рисунок 9 – Степень  окисления сульфидных минералов  при двухстадиальном бактериальном  выщелачивании концентрата ассоциацией  микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии.

 

 

Продукты бактериального окисления подвергались гидрометаллургической  переработке по схеме: сгущение (фильтрация) – нейтрализация – аэрация  – сорбционное цианирование. Аэрацию  нейтрализованной пульпы проводили при рН=11,0-11,5 в течение 3-х часов.

Сорбционное цианирование осуществляли в следующих условиях: C_NaCN=1,0 г/л, C_CaO=0,1-0,2 г/л, расход Pb(NO₃)₂ = 0,3 кг/т, продолжительность 24 часа, загрузка смолы марки АМ-2Б – 10% масс. В результате сорбционного цианирования кека биоокисления получены хвосты с содержанием золота 2,4 г/т. Извлечение золота из исходного концентрата составило 98%.

Бактериальные растворы направляли на обезвреживание мышьяка  и железа методом осаждения с  получением экологически безопасных труднорастворимых осадков арсената железа.

По результатам выполненных  исследований разработана технологическая  схема биогидрометаллургической переработки  упорных золотосодержащих концентратов (рисунок 10), включающая двухстадиальное  бактериальное выщелачивание с применением ассоциации умеренно-термофильных бактерий, гидрометаллургическую переработку

 

 

 

Рисунок 10 – Технологическая схема  биогидрометаллургической переработки  упорных золотосульфидных концентратов, основанная на двухстадиальном бактериальном выщелачивании с использованием ассоциации микроорганизмов, включая умеренно-термофильные бактерии.