铀矿原地破碎细菌浸出现场试验研究

    细菌浸矿因成本低、投资少又无环境污染而引起了国内外研究者的广泛关注，已成为当今非常活跃的研究领域，特别是在回收低品位、难处理金属矿方面，细菌浸出具有其独特优势。在铀矿石浸出工艺中通常采用硫酸浸出，双氧水常被用作氧化剂以达到强化浸出的目的，但由于其费用昂贵、具有腐蚀性等缺点而逐步被别的氧化剂代替。细菌由于能够氧化黄铁矿产生硫酸，不仅能作氧化剂，还能节省部分硫酸而被广泛研究。本文针对某硬岩铀矿品位低、浸出率不高、浸出时间长的特点，在我国首次进行了铀矿原地破碎细菌浸出现场试验研究，用细菌代替双氧水作氧化剂进行了强化浸出，取得了良好的试验结果。     一、材料     （一）菌种     试验所用菌种从铀矿山酸性矿坑水中取得，经过不断筛选、驯化得到。     （二）矿石     试验所用矿石的类型为隐爆角砾岩型、花岗岩型和安山岩型，其中隐爆角砾岩型为矿床的主要矿石类型，占矿床总储量的95%以上。矿石共生组合有铀-黄铁矿、铀-赤铁矿、铀-萤石、铀-方解石、铀-绿泥石等，矿石化学成分见表1。 表1  矿石化学成分（质量分数）/%

U	U6+	U4+	F－	S	FeS2	FeO	Fe2O3
0.088	0.048	0.040	0.28	0.16	0.21	0.54	1.01

     表1中数据表明，试验所用矿石含有黄铁矿，有利于细菌的生长、繁殖，对浸出有利；但矿石中F^－含量较高，对细菌浸出造成不利影响，应考虑细菌的驯化培养。     二、细菌浸出机理     现场扩大试验是用放大的设备和试验规模对小型试验中得到的工艺参数进行考察和验证。在室内硫酸、双氧水、细菌对比浸出试验所得到的试验结果基础上开展现场试，室内浸出试验结果见表2。现场试验一方面利用细菌在地表将溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺；另一方面，利用经过驯化培养的细菌注入矿体，使细菌粘附于矿石微粒上，并氧化矿石中的黄铁矿，产生硫酸高铁和硫酸。两方面共同作用，从而提高金属铀的浸出率、缩短浸出时间，节省部分硫酸。现场试验方法是将驯化培养好的菌种与溶浸液一同注入矿体，参与矿石的浸出过程。主要化学反应方程式为：

表2  硫酸、双氧水、细菌室内浸出对比试验结果

浸出条件	浸出率/%
	液计	渣计
10g/LH2SO4	76.9	77.3
10g/LH2SO4+0.4g/LH2O2	98.7	99.5
10g/LH2SO4+细菌	98.2	99.4

     三、试验方法     原地破碎浸出采铀工业试验中，通过计算机模拟，装入适量炸药，采用原地爆破将铀矿石破碎至一定粒度（－150mm粒级约占75%），形成自然矿堆，将含有微生物的溶液喷淋到矿堆顶部，溶液渗入矿堆中，浸出矿石中的金属铀。从矿堆底部流出含金属铀的溶液，汇集到集液池中，然后用泵输送到浸出液中转池，通过吸附塔进行离子交换吸附，吸附尾液再生后，补加部分化学试剂（如硫酸）循环浸出，定期取样和检测浸出液中铀浓度、氧化还原电位、硫酸浓度以及世界范围活性等。     本次细菌浸出现场试验是在结合原地破碎浸出采铀工业试验的基础上进行的，原则上不改变原有工艺流程、不影响正常生产。根据现场条件对生物反应器进行了设计、加工，在原地破碎工业试验溶浸剂配制池的旁边修建生物反应器池，并把吸附尾液部分转入生物反应器。因吸附尾液中Fe²⁺浓度比较低，需补加FeSO₄·7H₂O，所以修建了一个FeSO₄·7H₂O溶解池，浸出工艺流程见图1。

图1  细菌浸出工艺流程1—浸出液中转池；2—吸附塔；3—FeSO₄·7H₂O溶解池；4—生物反应器；5—溶浸剂配制池；6—不锈钢泵；7—高位槽；8—布液网络；9—地下矿堆；10—导液井；11—集液池     四、试验结果     （一）加入细菌后浸出液铀浓度变化     在铀矿的原地破碎浸出现场试验过程中，早、中期浸出液铀浓度较高，浸出一定时间后，浸出液铀浓度逐渐降低。在本试验过程中，当铀浓度降低至130～150mg/L时，停止布液10d，然后重新恢复布液，浸出试验期间每天对浸出液进行取样分析，得到浸出液的金属铀浓度ρ（U）与时间关系曲线如图2所示。其中5月22至6月1日停止布液10d。

图2  浸出液金属铀浓度ρ（U）时间关系曲线     图2结果表明，在铀矿石堆浸过程中，当浸出液金属铀浓度降到一定值时采取停止布液一段时间这一措施，浸出液铀浓度会升高，在一定程度上节省了人力、原材料以及能源等，具有一定经济效益。     停止布液前浸出液ρ（U）＝130～150mg/L，恢复布液浸出液轴浓度从170mg/L很快上升到400mg/L。但维持时间不长，很快又从高峰值降下来。细菌浸出试验从7月19日正式开始，试验前浸出液ρ（U）＝120～140mg/L，而且还处于下降趋势。加入细菌后浸出液铀浓度快速上升至170mg/L，提高铀浓度约30%，并在此浓度维持了较长时间，图2中曲线可以明显看出细菌所起的作用。     （二）加入细菌对硫酸耗量的影响     通过对试验前后学好浸剂与浸出液中硫酸浓度的分析和体积计量，可以对硫酸消耗（简称酸耗）进行估算。硫酸消耗通过溶浸剂与浸出液中硫酸浓度的差值计算，即每升溶浸剂经过矿体后硫酸浓度降低的数值（例如：溶浸剂中ρ(H₂SO₄)＝5g/L，浸出液中剩余硫酸浓度ρ(H₂SO₄)＝2.1g/L时，则硫酸消耗为2.9g/L），酸耗计算方法如下：     溶浸剂中硫酸平均浓度就是某一阶段的总硫酸质量与总溶液体积的比值，浸出液余酸也采用平均值，为该阶段总剩余硫酸质量与浸出液总体积的比值。现场试验表明，溶液流经整个矿体只需1～2d，所以该计算方法基本上不会因为溶液在矿体中的滞留而受影响。     经过初步计算，细菌浸出前平均酸耗为2.9g/L，而试验期间为1.7g/L，即细菌浸出试验期间酸耗较试验前降低1.2g/L，节省硫酸耗量40%。前面对细菌氧化机理进行了分析，对含有黄铁矿矿石用细菌浸出可以节省硫酸这一观点，从细菌浸出现场试验中得到了证实。     五、结论     （一）设计的生物反应器能满足现场试验需求，所用载体能有效固定细菌，细菌能够很好地适应现场环境，快速氧化溶液中的Fe²⁺。     （二）对试验所用铀矿石，采用细菌浸出能提高浸出液中金属铀浓度，，降低酸耗约40%，给企业带来好的经济效益，若试验规模进一步扩大，细菌能得到更充分利用，经济效益将更加明显。