引言
我国进入快速工业化阶段以来，资源消费量高速增长，另一方面，我国矿产资源储量增长缓慢，造成资源保证程度急剧下降。几种主要有色金属储量的保证年限均在10年左右。以铜矿为例，1999年我国矿山年产铜金属量52.01万t，仅满足冶炼能力的44.29％，2008年我国铜精矿自给率降至30％。微生物浸出技术可以经济合理地开发低品位矿石、难采矿体、难选矿石和废石，拓宽矿产资源的利用范围，提高矿产资源利用率。同时，该项技术具有成本低、投资少、流程简单、工作条件温和等优点，且具有良好的环境价值。
一、我国低品位矿产资源现状
我国矿产资源的显著特点之一就是品位低，如我国铜矿的平均品位仅为0.87％，大于200万t级的超大型铜矿品位基本上都低于1％；镍钴贫矿占到总储量的30％～40％；铁矿贫矿占到总储量的95％，锰矿贫矿占到总储量的93％。此外，我国资源总回收率低，矿产固体废弃物排放量大，其中含有不少有用成分，据统计，目前我国金属矿山产生的尾矿堆存量已达50余亿t，并且每年以2～3亿t的速度递增。例如，德兴铜矿祝家废石场自1994年开始排放废石以来，现已排放废石约7000万t，设计最终排放量达6.8亿t，废石中铜金属量估算将超过60万t。
二、低品位矿石微生物浸出技术应用现状
微生物浸出技术建立在化学反应与物理化学作用的基础上，利用某些能溶解矿石中有用成分的浸矿药剂，并借助某些微生物、催化剂、矿石表面活性剂的作用，有选择性地溶解、浸出矿石或矿体中的有用金属成分，使其从固态转化为液态再进行回收，从而达到开采矿石的目的。目前，微生物浸出技术主要分为废石堆浸、矿石堆浸和原地浸出，在铜、金、镍、铀和稀土矿的开采中应用比较广泛。
（一）矿产资源微生物浸出历史回顾
微生物浸出技术是人类对自然界中本已存在的生物地球化学过程有意识地利用过程。早在16世纪，德国Harz地区和西班牙Rio Tinto矿山就采用溶浸方法处理硫化矿石。19世纪末期，俄国人提出原地浸出金矿的设想。1922年Waksman和Joffe从土壤中分离出氧化硫硫杆菌，1947年Colmer和Hinkle又从酸性废坑水中分离出氧化亚铁硫杆菌，人们开始逐渐认识和利用细菌在硫化矿浸出中的作用，20世纪60年代，美国和苏联开始试用原地溶浸法开采铀矿，20世纪70年代，美国Kennecott矿业公司建成世界最大的微生物堆浸场，处理矿石量36亿t，年产7.2万t铜金属，1976年，BHP开始金矿生物浸出技术的实验研究，1986年南非Fairview矿建成世界第一个金矿生物浸出工厂，日处理金精矿10t。近20年，溶浸技术在美国、智利、澳大利亚等国得到推广，20世纪80年代中期，我国对砂岩型铀矿、离子型稀土矿和铜矿进行原地溶浸取得成功。目前，世界上25％的铜、20％的铀来自溶浸开采。
（二）微生物浸出国内外应用现状
随着溶浸技术的广泛应用，超声波技术、高温菌、制粒技术、薄层筑堆法、强制加气以及核爆破技术使微生物浸出技术有了更大的发展。20世纪70年代，超声波被用于加快微生物生长繁殖、强化浸出过程、提高浸出率，使用超声波技术能使红土型镍矿原地浸出回收率由40％提高到50％，使尾矿中铜的浸出率由60％提高到80％。1993年澳大利亚Gi. ralambone铜矿首次对浸出矿堆实施强制加气，为堆内细菌的生长繁殖提供02和CO2；铜精矿的高温菌浸出试验开始于1995年，1997年智利Chuquicamata铜矿建成铜精矿高温浸出工厂，设计年产量2万t电积铜，此外，智利Quebrada Blanca铜矿用硫酸和热水制粒后筑堆浸出，克服了高海拔、寒冷、缺氧等不利因素，日处理硫化矿石1.73万t；2004年，秘鲁 Escondida铜矿采用分层筑堆技术建成大型微生物堆浸场，矿堆占地10万km2，分7层筑堆，每层高17 m，计划年产18万t电积铜。
自20世纪80年代开始到目前为止，世界上先后共有19座生物浸出技术提取铜、钴的工厂投入生产。
（三）微生物浸出理论研究现状
微生物浸出技术的成功应用掀起了溶浸采矿物理化学原理、“三传”(热量、溶质、动量传递)规律、微生物浸矿作用机理等基础理论的研究热潮。
1、浸出过程物理化学原理。溶浸采矿物理化学主要涉及反应平衡与反应速度问题，前者属于浸出过程热力学，主要研究浸出反应过程进行的方向和产物的最大可能产出量；后者属于浸出动力学，主要研究浸出反应速率及其影响因素。G.Heisbourg等人结合x射线光电子光谱和x射线吸收光谱技术，通过浸出试验分析了Th1-XUX02浸出热力学。 King等人研究了温度、浸出液离子成分和矿石颗粒几何形状对浸出动力学的影响；舒荣波等人开展了黄铜矿低电位生物浸出实验，发现高浓度Fe2+离子的存在有助于溶解氧对黄铜矿的氧化浸出。
2、浸出体系热量、溶质、动量传递规律。温度是影响浸出过程的一个关键因素。M.J.Leahy等人建立了一种嗜温和中等嗜热菌浸出辉铜矿的热平衡模型，发现混合菌的自底向上浸出锋移动比嗜温菌的浸出锋移动更快。陈桐等人建立了钙芒硝矿床原位水溶开采的溶解一渗透耦合数学模型， Metodiev等人对细菌周围的流体流动、亚铁离子浓度进行了模拟；Mousavi则采用流体体积法对溶液流动速度场、矿堆内流体体积分数分布进行了模拟，结果表明液体分布主要受矿石表面张力和湍流的影响；李国斌等人则对难浸金矿掺入一定比例骨架材料，解决了矿堆渗透性差的难题。
3、微生物浸矿作用机理。自1950年代发现浸矿细菌以来，微生物一矿物作用机理一直是人们力图解决的基础课题，目前主要存在直接作用、间接作用和复合作用3种假说。直接作用就是指浸矿细菌附着矿石表面与矿石中的硫化矿物发生关系，分泌出的一系列多糖化合物与矿物起作用，使矿物氧化溶解。间接作用是指通过细菌的代谢产物溶解矿石、释放金属离子的过程。复合作用是指细菌直接作用和化学氧化间接作用共同存在的情况。刘辉等人以硬岩铀矿石为研究对象，通过柱浸实验，对比了细菌浸出与酸法浸出的效果。
三、微生物浸出理论研究与发展趋势
尽管国内外对难处理铜、镍、金矿微生物浸出做了大量的研究工作，并在次生铜矿、金、铀等生物溶浸的工业应用上取得了成功，但生物堆浸技术还存在以下关键技术问题：矿石含泥量高、渗透性差；浸出体系物理、化学、生物等因素耦合机理及浸出动力学等研究不够全面、深入；缺乏适用于原生硫化矿浸出的高效专属菌种；难以有效控制溶浸范围，溶浸液流失问题严重；生物浸出矿种数目有限。因此，今后应加强以下几方面的理论研究工作。
（一）浸矿微生物的选育和基础生物学
低品位复杂硫化矿浸出速度慢、浸出率低，是国际上未能解决的难题，铜、镍、钴、锌等低品位复杂硫化矿的微生物冶金技术还没有得到工业上的应用。从自然界中发现、采集并筛选到活性高、适应性强、选择性好的浸矿细菌，这种方法带有盲目性，且工作量庞大。则通过定向育种、诱变育种、杂交育种及基因工程育种等驯化手段来改善浸矿细菌的各种品质，如生长繁殖速度、氧化降解矿石的能力、抗高温能力、抗重金属离子能力等，将可能更快达到目的。
（二）矿石一溶液一微生物作用机理
生物堆浸体系的影响因素主要有3大类，即物理因素(如矿石矿物组成、粒级分布与孔隙率、渗透压力等)、化学因素(pH值、Fe3+／Fe2+浓度与溶液电位等)和生物因素(如微生物种类、菌液浓度、O2和CO2，供给机制等)。这三类因素相互作用，直接决定着浸出体系温度场、浓度场及渗流场的分布特征及其变化规律，并影响到体系内热量、质量及动量的传递，最终关系到矿物浸出效果的好坏。生物堆浸系统是一个复杂多相的生物化学反应和物理化学反应体系，其核心是微生物与矿物的相互作用，理解微生物一矿物作用方式、矿石生物氧化一降解机理等将有助于有效地控制浸矿过程，提高浸矿效率。
（三）矿岩散体渗流特性及传质规律
当微生物对矿物的氧化、降解、浸蚀能力一定时，生物堆浸技术的成功与否主要取决于溶浸液在矿堆中的渗透效果和溶质迁移规律。矿石颗粒尺寸决定矿堆孔隙大小、比表面积，并影响溶液渗流特性；矿石裂隙发育状况、矿石颗粒堆积方式及所形成的孔隙网络和几何形状等因素都直接影响溶液在矿堆中的多级渗流状态。浸矿过程中，随着溶液渗流、化学反应和溶质迁移的进行，矿石颗粒逐渐被溶解，微细颗粒向下迁移，并在底部沉积，渗透系数随浸出时间的延长而不断下降。
（四）微生物堆浸工艺学
进行浸矿反应工艺学研究，最终是为了选择有效、经济可行的浸出方案，制定可靠的浸出制度及优化浸出工艺条件，设计高效、经济的生物浸出反应设备。
四、结论
微生物浸出技术能够经济合理地回收复杂低品位矿石、采矿废石以及选矿尾砂中的有价元素，降低矿产资源的经济开采品位，提高探明地质储量的利用率，应用前景广阔。但是，该技术目前基础理论还十分薄弱，还需要对散体渗流动力学、高效菌种的培育、浸出过程多因素影响规律进一步展开理论研究，为解决高效菌种的使用、改善浸堆渗流场的均匀性、提高人工控制浸堆温度场及浓度场的力度等技术难题奠定基础，从而改变溶浸采矿技术存在的浸出周期长、浸出率低等问题。
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