CC BY
87
М. Д. Бакаева, Е. А. Столярова, С. Р. Мухаматдьярова,
О. Н. Логинов, А. Г. Мустафин, В. В. Щербаков
Активность хемотрофных микроорганизмов в отвалах флотационного обогащения сульфидсодержащих руд
Институт биологии УНЦ РАН 450054, г. Уфа, пр. Октября, 69; тел. (347) 235-57-83 ГУП «Опытный завод Академии наук Республики Башкортостан»
450079, г. Уфа, ул. Ульяновых, 65; тел. (347) 242-92-52
Исследованы качественный, количественный состав и активность хемотрофных микроорганизмов отвалов флотационного обогащения медно-цинковых и никелевых руд. Показано, что особенности отходов флотации сульфидных руд как сырья для биовыщелачивания металлов во многом определяются их микробиотой.
Ключевые слова: биовыщелачивание металлов, хемотрофные микроорганизмы, отходы флотации руд.
Наиболее распространенным способом обогащения руд цветных металлов является их флотация. Часть минералов не поддается флотации или вкраплено в пустую породу, в результате чего наибольшая потеря целевых компонентов при обработке руд происходит именно в процессе их обогащения 1.
В процессе хранения отработанных сульфидных руд в отвалах эти металлы подвергаются процессам биологического выщелачивания. Сущность биовыщелачивания цветных металлов из руд заключается в разрушении прочных химических связей в минералах и переходе ионов металлов в раствор под действием микроорганизмов и их метаболитов. В результате биовыщелачивания в природных условиях образуются кислые, загрязненные металлами, опасные для природы сточные воды. Таким образом, флотационное обогащение руд далеко не в полной мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения и охраны окружающей среды.
Одним из подходов, дополняющих современные способы извлечения цветных металлов из руд, может стать контролируемое использование процесса кучного биовыщелачивания цветных металлов из отходов обогащения руд. В то же время, большая часть публикуемых исследований посвящена использованию биовыщелачивания для получения металлов из руд или рудных концентратов, гораздо более богатых металлами, чем отходы флотационного обогащения 2-5. Для этих субстратов дано подробное описание кинетики микробиологических процессов, возможной Дата поступления 15.09.06
степени извлечения, влияющих на нее факторов, в то время как специфика использования отвалов обогащения в качестве потенциального сырья для промышленного биовыщелачивания не вполне раскрыта.
Целью работы было изучение микробиологической активности в отходах флотационного обогащения сульфидных руд и ее влияния на свойства отработанных руд как источника получения металлов.
Экспериментальная часть
Для проведения микробиологических и химических анализов были отобраны образцы отработанных руд из отвалов флотационного обогащения медно-цинковых руд Медногорского медно-серного комбината, Гайского и Учалинского горно-обогатительных комбинатов и никелевых руд Южноуральского никелевого комбината. Пробы грунта отбирались методом конверта из пяти точек с глубины 20 см.
Для постановки лабораторного эксперимента была использована отработанная медноцинковая руда Медногорского МСК с содержанием меди 2.3 ± 0.7 г/кг, рудные минералы которой в основном представлены халькопиритом (СиРе82) и сфалеритом (2и8) — до 79% от общего содержания металлов, а также пиритом, марказитом. Кучное выщелачивание моделировали в аэрируемых лабораторных установках. Перфорированные емкости, заполненные 2 кг отработанной руды, орошались насыщенной воздушными пузырьками питательной средой 9К следующего состава, г/л: ЫН^04 — 1; К2НР04 - 0.5; MgS04 - 0.5; КС1 - 0.1 (pH 2.5). Пробы отбирались дважды в неделю, повторность опытов трехкратная.
Численность хемоавтотрофных микроорганизмов определяли методом предельных разведений на питательной среде 9К с 10 г/л FeS04, элементарной серы или К^ в качестве единственного источника энергии, гетеротрофных — посевом на мясо-пептонный агар. Идентификацию бактерий проводили по определителю бактерий Берджи.
Содержание металлов определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки ААБ-3 после предварительного растворения проб руды в концентрированной серной кислоте.
Основными агентами процессов биологического выщелачивания сульфидных руд являются хемоавтотрофные бактерии, получающие энергию за счет окисления содержащихся в руде неорганических соединений 6. Если бактерии, окисляющие сульфид-ионы, напрямую разрушают минералы, то железобактерии действуют на них еще и опосредованно, поддерживая на высоком уровне концентрацию такого окислителя, как ион Ре(Ш). Поэтому в образцах отработанных руд Медногорского МСК, Южноуральского никелевого комбината, Гайского и Учалинского ГОКов отдельно оценивали численность микроорганизмов, способных к окислению БеШ), элементарной серы и Б2- (табл. 1).
Анализ полученных данных показал зависимость между численностью микроорганизмов в отвалах и сроком давности их складирования. В свежеотсыпанных рудах микроорганизмы исследованных групп были выделены в количестве 1-10 КОЕ/г или не были обнаружены вообще. Численность бактерий в рудах, хранившихся в течение нескольких лет, была гораздо выше, а соотношение групп, способных использовать разные соединения серы и железа, индивидуально для каждой обследованной площадки. Таким образом, в отходах флотации, первоначально почти не содержащих микроорганизмов, в процессе их хранения происходило постепенное накопление хемоавтотрофных бактерий.
В обследованных образцах были обнаружены и гетеротрофные микроорганизмы, представленные бактериями, дрожжами
и микроскопическими мицелиальными грибами. Появление в минеральном субстрате микроорганизмов, утилизирующих органические соединения, говорит о формировании в отвалах флотации микробных сообществ со сложными трофическими связями.
Микроорганизмы, доминирующие в отвалах отработанных руд разных горно-обогатительных комбинатов, приведены в табл. 2. Все перечисленные виды, кроме последнего, являются типичными хемоавтотрофами. Для большинства из них показано участие в процессах биовыщелачивания руд 7
Параллельно с микробиологическими анализами в рудных образцах оценивалось также содержание металлов (меди, цинка и никеля). Металлы, входящие в состав большинства сульфидных минералов, плохо растворимы в разбавленной кислоте, тогда как свободные формы металлов легко переходят в раствор и могут быть извлечены таким образом для дальнейшей переработки (табл. 3, 4). При сопоставлении характеристик разных образцов было обнаружено, что по сравнению с длительностью хранения руды в отвалах другие факторы (место добычи и состав руды) оказывали на содержание легкорастворимых форм металлов меньшее влияние. Именно в старых отвалах доля извлекаемых кислотой металлов была максимальной. Таким образом, накапливающиеся в отвалах флотационного обогащения микроорганизмы способны со временем значительно менять их минеральный состав.
Так как численность аборигенных хемоав-тотрофных микроорганизмов в отвалах достаточно высока, при создании благоприятных условий в промышленных установках по выщелачиванию их активность может проявиться
Таблица 1
Численность микроорганизмов, использующих разные источники энергии, в отработанных рудах
горно-обогатительных комбинатов, КОЕ/г
Срок хранения, лет Источник эне ргии для роста
Бе (II) 5 5 пептон
Гайский ГОК менее 1 6 1.7 ± 0.2 (5.2 ± 0.4) • 102 (3.6 ± 0.5) • 103 (8.7 ± 0.4) • 10 3.3 ± 0.9 (7.7 ± 1.1) • 102
Медногорский МСК 7 8 (7.2 ± 1.1) • 104 (2.8 ± 0.5) • 103 (6.4 ± 0.5) • 102 (2.2 ± 0.4) • 102 (6.6 ± 0.8) • 103 (7.9 ± 0.5) • 104 (9.7 ± 1.3) • 103 (5.5 ± 0.4) • 104
Учалинский ГОК менее 1 5 5 (6.0 ± 0.7) • 103 (3.2 ± 1.5) • 105 (4.5 ± 0.1) • 102 (9.7 ± 0.2) • 102 (9.8 ± 0.7) • 10 (7.5 ± 1.1) • 102 0.6 ± 0.1 (4.4 ± 0.5) • 102 (6.1 ± 0.8) • 103
Южноуральский НК менее 1 4 4 (1.2 ± 0.4) • 104 (7.4 ± 1.2) • 103 (3.3 ± 0.9) • 102 (1.5 ± 0.1) • 102 4.5 ± 0.2 (4.2 ± 0.3) • 104 (2.1 ± 0.4) • 102 1.1 ± 0.6 (1.0 ± 0.3) • 104 (2.8 ± 0.5) • 103
б
Башкирский химический журнал. 2006. Том 13. Жо№5
Таблица 2 Виды микрооргаизмов, доминирующие в отвалах отработанных руд
Место отбора проб Виды микроорганизов
Гайский ГОК Acidithiobacillus ferrooxidans
Медногорский МСК Acidithiobacillus ferrooxidans Acidithiobacillus thiooxidans Penicillium sp. (подгр. Monoverticillata)
Учалинский ГОК Acidithiobacillus ferrooxidans Acidithiobacillus acidophilus Acidithiobacillus prosperus
Южноуральский никелевый комб. Acidithiobacillus ferrooxidans Acidithiobacillus thiooxidans
наряду с активностью специально вносимых микроорганизмов. Возможность стимулирования естественной микробиоты в отработанных рудах была исследована в лабораторных условиях. Для этого в аэрируемых установках было смоделировано кучное биовыщелачивание отработанных медно-цинковых руд, хранившихся в отвалах в течение семи лет.
Таблица 3
Количество меди и цинка, выделяемое из отработанных руд разбавленной серной кислотой
Срок хранения, лет Mедь Цинк
1 2 1 2
Гайский ГОК менее 1 6 1.8 ± 0.2 2.0 ± 0.3 0.0З 10.0 1.б ± 0.1 4.4 ± 0.3 1.0 27.0
Медногорский МСК 7 8 7.7 ± 0.З 10.2 ± 0.7 14.0 1З.б 3.2 ± 0.1 3.2 ± 0.1 21.б б.З
Учалинский ГОК менее 1 5 5 1.3 ± 0.2 1.8 ± 0.1 1.4 ± 0.1 0.4 11.0 1б.4 1.2 ± 0.1 2.4 ± 0.1 4.1 ± 0.1 2.0 б1.0 73.0
Примечание: 1 — исходное содержание металла в отработанной руде, 2 — количество извлеченного металла, %
Таблица 4
Количество никеля, выделяемое из отработанных руд Южноуральского никелевого комбината разбавленной серной кислотой
Срок исходное количество
хранения, содержание извлеченного
лет никеля, г/кг металла, %
менее 1 З.З ± 0.1 0.З
4 3.4 ± 0.2 1З.0
4 9.б ± 0.4 7.7
Динамика выщелачивания меди представлена на рис. В первые два дня наблюдался переход в раствор ионов меди, уже не связанных с сульфидными рудами, далее этот процесс замедлялся и до 18 дня инкубации выщелачивания зарегистрировано не было. Однако, в этот период в опытной руде был отмечен рост численности железобактерий с (2.1 ± 0.4) • 102 КОЕ/г до (1.9 ± 0.3) • 106 КОЕ/г и сульфидокисляю-
щих микроорганизмов с (6.3 ± 0.8) • 102 КОЕ/г до (8.5 ± 1.5) • 107 КОЕ/г. Размножение микроорганизмов в руде стимулировало процесс выделения из нее в раствор ионов меди, наблюдавшийся с 18 дня до конца эксперимента. Скорость биовыщелачивания меди составила в среднем 0.7 мг/(кг • ч). Полученные данные свидетельствуют о том, что при создании искусственных условий, благоприятствующих биовыщелачиванию, аборигенная микробиота старых рудных отвалов способна активно участвовать в этом процессе, однако для этого необходимо накопление определенной ее биомассы.
Срок инкубации,дни
Рис. Динамика выщелачивания меди из отработанных руд Медногорского МСК в лабораторных условиях
Таким образом, активность микроорганизмов в отходах флотационного обогащения руд способно менять их свойства как сырья для промышленного биовыщелачивания металлов. За счет микробной деятельности в длительно хранящихся отвалах увеличивается доля легкорастворимых соединений металлов и накапливаются бактерии, способные воздействовать на рудные минералы, что следует учитывать при планировании вторичной переработки таких отвалов.
Литература
1. Худяков И. Ф., Ермаков В. И., Набойченко С. С. // Экологическая технология. Экологическая технология в цветной металлургии. Межвуз. сб. Свердловск.— 1980.— С. 18.
2. Коваленко Э. В., Малахова П. Т. // Микробиология.- 1990.- Т. 59, №2.- С. 336.
3. Фомченко Н. В., Славкина О. В., Бирюков В. В. // Прикладная биохимия и микробиология.-2003.- Т. 39, №1.- С. 92.
4. Romero R., Mazuelos A., Palencia I., Carranza F. // Hydrometaiiurgy.- 2003.- №70.- P. 205.
5. Sidborn M., Casas J., Martinez J., Moreno L. // Hydrometaiiurgy.- 2003.- №71.- P. 67.
6. Промышленная микробиология / Под ред. Н. С. Егорова.- М.: Высш. шк., 1989.- 688 с.
7. Suzuki I. // Biotechnology Advances.- 2001.-№19.- P. 119.
Башкирский химический журнал. 2006. Том 13. Жо№5
7
