Никель- и медьсодержащие сульфидные руды обычно перерабатываются флотацией с получением концентратов, которые затем подвергаются высокотемпературной обработке. Альтернативные технологии, такие как бактериально-химическое выщелачивание (биовыщелачивание), обладают потенциалом для снижения капитальных и эксплуатационных затрат на переработку подобного сырья. Необходимость получения экономически приемлемого концентрата для плавки часто приводит к значительным потерям ценных металлов в процессе флотации. Преимуществом процесса биовыщелачивания является то, что с его помощью могут быть эффективно переработаны более низкосортные флотоконцентраты и, соответственно, достигнуты более высокие показатели извлечения целевых металлов. Бедные руды и отвалы чаще всего выщелачивают кучным способом, для богатых руд и концентратов предпочтительно использование чанового (реакторного) биовыщелачивания.

За последние полвека были разработаны и усовершенствованы различные технологии биовыщелачивания разнообразного по составу сырья и извлечения из него таких ценных компонентов, как медь, никель, цинк, золото [1–3]. Они включают проекты, отработанные как на лабораторном, укрупненном лабораторном, так и на пилотном (полупромышленном) уровнях [4, 5]. Однако до промышленной реализации доходят немногие из них. Для успешного внедрения в промышленный процесс технология чанового биовыщелачивания должна обеспечивать максимум извлечения целевого компонента при минимуме времени, затрачиваемого на переработку руды или концентрата.

В то время как чановое биовыщелачивание никелевых и медных концентратов с использованием различных микробных культур изучено уже достаточно широко [4, 5], данных о биогидрометаллургической переработке полиметаллических медно-никелевых руд и концентратов относительно мало [6].

В Научно-исследовательском геотехнологическом центре Дальневосточного отделения Российской академии наук разрабатываются основы биогеотехнологии переработки сульфидных медно-никелевых руд с применением автохтонных сообществ хемолитотрофных ацидофильных микроорганизмов. В данной статье рассмотрены результаты исследования биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч в непрерывном режиме. Целью настоящей работы было определение оптимальной скорости протока пульпы в укрупненной биореакторной установке проточного типа в процессе бактериально-химического выщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в мезофильных условиях при плотности пульпы Т:Ж 1:5.

Материалы и методы исследования

В работе использована сульфидная кобальт-медно-никелевая руда месторождения Шануч степени измельчения 100 % – 125 мкм. Содержание рудных минералов в руде – 60–65 %, из которых на долю пирротина приходится 85–90 %, пентландита – 5–6 %, халькопирита – 2–5 %, виоларита – 0,2–0,5 %. Содержание металлов в руде: 4,79 % Ni; 0,75 % Cu; 0,12 % Co.

В качестве микробного инокулята использовали автохтонную мезофильную ассоциацию хемолитотрофных бактерий, выделенную авторами из зоны окисления месторождения Шануч, культивируемую в жидкой питательной среде Сильвермана и Люндгрена без железа 0К ((NH4)2SO4 – 3 г/л; KCl – 0,1 г/л; K2HPO4•3H2O – 0,65 г/л; MgSO4•7H2O – 0,5 г/л; CaNO3•4H2O – 0,01 г/л) при 30 °С и последовательно адаптированную к плотностям пульпы (Т:Ж) 1:20, 1:10, 1:5 в условиях реактора с механическим перемешиванием. Дополнительного внесения в питательную среду источника энергии для данной микробной культуры не требовалось, так как таким источником служили сульфидные соединения, содержащиеся в кобальт-медно-никелевой руде. По данным молекулярно-генетического анализа (ПЦР в реальном времени), в состав ассоциации входили преимущественно бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans, Sulfobacillus spр.

Экспериментальные исследования процесса биовыщелачивания проводили на укрупненной биореакторной установке проточного типа, сконструированной и изготовленной научным сотрудником А.А. Балыковым. Схема установки представлена в работе [7]. В конструкции установки не использовались металлсодержащие материалы во избежание искажения результатов при проведении процессов биовыщелачивания. Установка состояла из контактного чана рабочим объемом 9 л, каскада из четырех последовательно соединенных биореакторов рабочим объемом 4,6 л каждый и приемной емкости для сбора пульпы на выходе из четвертого реактора. Контактный чан использовался для подготовки пульпы – смешивания твердой (измельченная сульфидная кобальт-медно-никелевая руда) и жидкой (питательная среда Сильвермана и Люндгрена 0К) фаз. В нем и биореакторах обеспечивалось механическое перемешивание пульпы мотор-редукторами, приводящими в движение двухлопастную мешалку, со скоростью 90–100 об/мин. В биореакторах поддерживалась температура 30 °С с помощью погруженных в пульпу терморегуляторов и аэрация пульпы со скоростью 2 л/мин с помощью воздушных компрессоров. Подача пульпы из контактного чана в первый реактор с регулируемой скоростью осуществлялась перистальтическим насосом переменной производительности. Перемещение пульпы из первого реактора в последующие происходило самотеком.

Перед запуском протока в первом реакторе вырастили бактериальную культуру. Для этого в него поместили 940 г руды и 4700 мл жидкой фазы, состоящей из 1175 мл инокулята (описанная выше автохтонная мезофильная ассоциация хемолитотрофных бактерий) и 3525 мл питательной среды 0К с рН 1,9. Таким образом, плотность пульпы Т:Ж составляла 1:5 по массе. Культивирование продолжали 20 сут.

На 21-е сутки в контактный чан поместили 1692 г руды и 8460 мл питательной среды 0К и запустили проток со скоростью 1,2 л/сут. Также в эксперименте использовали скорости протока пульпы 0,6 и 2,7 л/сут.

Результаты исследования и их обсуждение

Технология биовыщелачивания основана на окислительно-восстановительных процессах, протекающих в пульпе с участием хемолитотрофных (чаще всего ацидофильных) микроорганизмов – бактерий и архей. Источниками энергии для данных микроорганизмов служат двухвалентное (закисное) железо, элементарная сера и восстановленные соединения серы. Роль микроорганизмов в процессах биовыщелачивания заключается в окислении Fe2+ до Fe3+ (мощного окислителя сульфидов металлов), окислении элементной серы и восстановленных соединений серы, образовании серной кислоты, поддержании кислой реакции среды. В результате окисления соединений серы микроорганизмами высвобождаются протоны водорода, которые также способствуют извлечению металлов из кислоторастворимых сульфидов. Не растворимые в кислотах сульфиды подвергаются окислительному действию только ионов Fe3+ [8, 9].

Основными параметрами, отражающими кинетику биовыщелачивания, являются:

1) рН жидкой фазы пульпы;

2) окислительно-восстановительный потенциал (Eh) жидкой фазы пульпы как показатель интенсивности окислительно-восстановительных реакций, протекающих в пульпе;

3) концентрация клеток выщелачивающих микроорганизмов в 1 мл жидкой фазы пульпы как показатель роста биомассы;

4) концентрация окисного железа (Fe3+) в жидкой фазе пульпы – одного из основных окислителей сульфидных минералов;

5) концентрация суммарного железа (Feобщ) в жидкой фазе пульпы как показатель степени разрушения минералов;

6) концентрация целевого металла в жидкой фазе пульпы.

Значения перечисленных параметров в процессе биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды в непрерывном режиме при трех скоростях протока сведены в табл. 1. Из табл. 1 по динамике изменения рН и Eh в каскаде реакторов видно увеличение интенсивности окислительно-восстановительных процессов во втором и последующих реакторах по сравнению с первым. Количество бактериальных клеток в жидкой фазе пульпы при скоростях протока 0,6 и 1,2 л/сут постепенно увеличивается от первого к третьему реактору и снижается в четвертом. При скорости протока 2,7 л/сут прирост биомассы наблюдается только во втором реакторе. Вероятно, снижению концентрации бактерий в третьем и четвертом реакторах способствует вымывание клеток вследствие недостаточного времени нахождения пульпы в реакторах.

Наиболее интенсивный рост концентрации Fe3+ при скорости протока 0,6 л/сут происходит до третьего реактора. При 1,2 и 2,7 л/сут концентрация Fe3+ растет более равномерно, и при 2,7 л/сут она в среднем на 5 г/л ниже, чем при 1,2 л/сут. Очевидно, что при наименьшей плотности биомассы при 1,2 л/сут бактериальная культура обладала наибольшей железоокисляющей активностью, что способствовало и наибольшему извлечению никеля при данной скорости протока (рис. 1).

Из табл. 2 следует, что на выходе из четвертого реактора при скорости протока 1,2 л/сут продуктивный раствор имеет максимальную концентрацию никеля – 8,98 г/л, что соответствует максимальному извлечению данного металла – 93,6 %.

Динамика извлечения никеля представлена на рис. 1, на котором видно, что извлечение целевого металла при скорости протока 2,7 л/сут существенно ниже, чем при двух других исследованных скоростях. Разница в скоростях протока между 0,6 и 1,2 л/сут существенно влияет на извлечение никеля только в первом реакторе.

Таблица 1

Технологические параметры бактериально-химического выщелачивания сульфидной руды в непрерывном режиме при различных скоростях протока пульпы

Одним из основных параметров, определяющих экономическую рентабельность технологии бактериально-химической переработки руд и концентратов в реакторных установках проточного типа, является время нахождения пульпы в каскаде реакторов (residence time). Необходимо стремиться к увеличению скорости протока до такого значения, которое обеспечит максимальное извлечение целевого металла из выщелачиваемого сырья при минимальном residence time. На рис. 2 отображена зависимость извлечения никеля от residence time.

Выводы

Таким образом, скорость протока 0,6 л/сут соответствовала времени нахождения пульпы в каскаде реакторов 30,7 сут, 1,2 л/сут – 15,33 сут, 2,7 л/сут – 6,81 сут. По графику, представленному на рис. 2, очевидно, что оптимальная скорость протока пульпы для данной реакторной установки составляет 1,2 л/сут. При этом видно, что без существенной потери в степени извлечения никеля возможно сократить residence time до 13 сут, что будет соответствовать скорости протока 1,4 л/сут.

Рис. 1. Динамика извлечения никеля в процессе бактериально-химического выщелачивания сульфидной руды в непрерывном режиме при различных скоростях протока пульпы

Рис. 2. Зависимость извлечения никеля от времени нахождения пульпы в каскаде реакторов (residence time)

Таблица 2

Извлечение никеля в процессе бактериально-химического выщелачивания сульфидной руды в непрерывном режиме при различных скоростях протока пульпы

Можно выделить перспективные способы повышения эффективности биовыщелачивания сульфидной кобальт-медно-никелевой руды месторождения Шануч:

1) модернизация конструкции реакторов проточной установки в части улучшения массо- и газообмена путем оснащения реакторов вертикальными отбойниками пульпы (баффлами) на внутренних стенках, использования двойных мешалок в виде Раштон-турбин и увеличения скорости их вращения, а также перемещения точки подачи воздуха для аэрации пульпы под мешалку для более эффективного распределения пузырьков воздуха в пульпе;

2) использование умеренно термофильных и термофильных микроорганизмов, что позволит повысить температуру пульпы.