李强 孙国印
（重庆城市管理职业学院工程管理学院，中国 重庆 401331）
【摘要】微生物技术在矿物加工中已经得到大量的应用，表现出了良好的经济、环境和社会效益。本文总结了微生物技术在成矿、选矿、矿物冶炼、尾矿处理等方面的研究和应用情况。指出微生物技术在矿物加工中还有很大的应用潜力。
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关键词 微生物；矿物加工；成矿；选矿
The Application of Microbial Techniques in Mineral Process
LI Qiang SUN Guo-yin
(School of engineering management of Chongqing City Management College, Chongqing 401331，China)
【Abstract】Microbial techniques have been used in mineral process industry. It has brought an good economical, environmental and social benefit. The study and applied condition on microbial techniques used in mineral creating, mineral selection, mineral metallurgy and gangue disposal has been summarized in this paper. The application of microbial techniques in mineral process industry will obtain greater development in the future.
【Key words】Microbe；Mineral process；Mineral creating；Mineral selection
矿物加工技术是利用矿物的物理或物理化学性质的差异，借助于各种选矿设备和方法将矿石中的有用矿物和脉石矿物分离开来的工艺技术[1]。这项工艺技术包括矿物的预处理技术如手选、焙烧、破碎、筛分、磨矿，处理技术如重选、磁选、电选、浮选、化学选矿和后处理技术如沉淀、浓缩、过滤、干燥等，并广泛应用于黑色金属、有色金属、贵金属、非金属等矿物原料的加工中。矿物加工技术的历史十分悠久，可以追溯到远古时代人们用硬石块敲碎矿石，但其规模化发展则是在工业革命以后[2]。19世纪中期，浮选技术的发明为矿物加工技术的大力发展提供了前提，因为在此之前，选矿技术十分落后，需要耗费大量的手工劳动。
到了近代，随着研究手段的不断的进步，人们越来越深入地认识到了微生物在矿物的形成、矿物加工以及废矿的处理等方面所起到的重要作用[3]。我国是一个矿产资源储量大国，同时也是消费大国。经过半个多世纪的生产消耗，易采易选冶矿已为数不多。现有的常规物理、化学选冶方法由于回收率低、资源损耗大、生产成本高和对环境污染严重等问题已不适应社会经济可持续发展要求。在此情况下，微生物在矿物分离方面的作用逐渐引起人们的重视，它既可用于矿物的就地浸出，也可用于工厂矿物处理、废水废渣处理。并且微生物浸矿具有生产成本低、投资少、工艺流程短、设备简单、环境友好、能处理复杂多金属矿物等优点，因此细菌浸矿的广泛应用，将引起传统矿物加工产业的重大变革，为人类、资源与环境的可持续发展开辟广阔的前景。
1 微生物成矿
微生物是地球表层最活跃、最强大的地质营力之一，对大气圈、水圈和岩石圈有非常重要的影响，也对矿产资源的形成有显著的作用。微生物对生命元素如碳、氮、硫、氧和金属离子的代谢作用能显著的改变微生物周边的外部环境和其内部环境，对许多元素的分异、聚集和迁移有重要的影响，微生物可以从周围介质中吸收某些元素，通过其代谢活动，积蓄在体内，使得某些元素的分异或富集成矿。在一系列的生物地球化学过程中，微生物参与了矿产的沉积(生物成矿)或参与了矿石和岩石的溶解(生物风化)。
生物成矿作用有两个途径：一个叫生物诱导成矿，通过这个过程，微生物分泌出代谢产物导致了之后的矿物颗粒的沉积；另一个叫生物控制成矿，在这个过程中，微生物在控制矿物成核和生长上起到了显著作用[4]。微生物成因的矿物总体来说颗粒都很小和/或有着独特的同位素特征。最普遍的生物成因矿物有碳酸盐、硫化物和铁的氧化物。细胞表面和其分泌的胞外聚合物的结构可以为离子的浓缩、聚合和矿化提供模板，并起到重要作用。地球材料的仿生合成帮助我们了解了在人工条件下的生物成矿机制。此外，在地质环境中生物成因的矿物还可以作为一种生物信号，用来重建地球和其他行星的起源和演化。
在海洋环境和地下水的物质转移过程中，微生物的代谢作用是其地球化学作用的动力之一[5]。微生物可以直接参与元素的氧化还原过程，这些过程往往发生在水－岩－微生物的生态系统中，该系统受化学因素、物理因素及生物因素的变化所控制，其中微生物常常是最为没敏感的因素。其他有些微生物对一些物质氧化还原反应具有催化作用，可以加速某些元素的氧化沉淀或还原溶解。
微生物成岩成矿是生物成矿中的一个重要课题。研究表明：微生物可以在许多成矿阶段参与作用，但在不同的成矿阶段，微生物成矿作用的重要性和表现形式则完全不同。具体到某个特定的矿床的某个成矿阶段，可能是某种生物作用占主导。微生物参与成矿的方式主要有如下四种[4]：微生物直接聚集成矿元素，微生物改变环境物化条件，微生物通过产生有机质而参与成矿，微生物通过新陈代谢作用把元素从一种状态转变为另一种状态。目前，在微生物直接聚集成矿元素方面的研究比较充分，一方面发现了微生物富集金属的能力越来越大，另一方面初步解决了微生物富集某些金属的机制。研究得较多的金属有Fe、Mn、Au、Ag、Cu、Pb等。
2 微生物选矿
微生物选矿，亦称“细菌选矿”。主要利用铁氧化细菌、硫氧化细菌及硅酸盐细菌等微生物从矿物中脱除铁、硫及硅等的选矿方法。铁氧化细菌能氧化铁，硫氧化细菌能氧化硫，硅酸盐细菌利用分解作用能从铝土矿物中脱除硅。除用于脱硫、脱铁和脱硅外，还可用于回收铜、铀、钴、锰和金等。微生物选矿方面的研究主要集中在微生物选矿特性及微生物种类筛选、铁矿、铝土矿以及煤脱硫等方面。
研究表明，不同的微生物，其表面的电性和润湿性都是不同的，有的甚至相差很大[6]。如草分支杆菌和棒状杆菌特种菌株125 表面不但具有较高的负电性，也具有较高的疏水性；假单孢菌属特种菌株52、硫杆菌类Versutus及荧光假单孢菌则负电性较高，疏水性较差；而大肠杆菌NCTC9002 则是一种亲水性 较强，负电性较低的微生物。按照电性原则，如果无特性吸附存在，只要微生物表面的电性和矿物表面的电性有助于微生物在矿物表面吸附，微生物必定能吸附于矿物表面，并以它本身的性质调整和改变矿物表面的润湿性。如果微生物能在矿物表面吸附，不但可减少矿物表面净电荷，还可通过矿物表面净电荷的减少，调节矿物的抑制、活化、分散和絮凝等状态，这种微生物就可充当矿物调整剂使用[7]。如果吸附于矿物表面的微生物，本身具有疏水性，则在中和或改变矿物表面电性的同时，还可改变矿物表面疏水性，这种微生物就可作为矿物捕收剂使用。疏水微生物在微细粒矿物表面吸附还可导致微细粒矿物形成疏水聚团而浮选。因此可以推断，草分支杆菌和棒状杆菌特种菌株125 可作为捕收剂或微细粒矿物疏水絮凝剂使用；假单孢菌属特种菌株52、硫杆菌类Versutus 及荧光假单孢菌则可作为矿物调整剂或絮凝剂使用；大肠杆菌NCTC9002 则可作为分散剂使用。有人估计，目前人类所了解的微生物种类，至多不超过生活在自然界中微生物总数的10%，在已发现的微生物总数中，人类至多只开发利用了1% [8]，可见微生物资源是极其丰富的，可用作为选矿药剂使用的微生物也远不止上面提到的那些，自然界还有许许多多可作为选矿药剂使用的微生物等待着人类去发现和进行应用研究。
铝土矿的微生物选矿得到了大量的研究。世界上铝的生产是以著名的拜尔法为基础的。然而，只有高质量的铝土矿才能用这种方法处理。其它矿物含硅超过5%的铝土矿不适合用拜尔法直接生产，原因是为了防止硅对铝生产的污染，要用成本高的蒸煮法除硅[9]。所谓的“硅酸盐”菌能够从硅酸盐和铝硅酸盐矿物中浸出硅。这些细菌与环状芽胞杆菌和粘液芽胞杆菌有关，是典型的异养微生物，即需要有机物质作其碳和能量的来源。细菌对硅酸盐和铝硅酸盐的作用，与形成由外多糖类构成的粘英膜以及产生象有机酸这样的各种代谢物有关。矿石中硅是主要杂质，它与铝结合形成铝硅酸盐。在连续浸出条件下，五天内从不同矿石中浸出了到的硅。浸出后的固体浸渣，具有更高的铝含量和硅模数（即Al2O3/SiO2的比值）。
3 微生物矿物冶炼
3.1 微生物冶金技术的机理
利用微生物进行矿物冶炼，俗称“生物冶金”。生物冶金是指在相关微生物存在时，由于微生物的催化氧化作用，将矿物中有价金属以离子形式溶解到浸出液中加以回收，或将矿物中有害元素溶解并除去的方法。许多微生物可以通过多种途径对矿物作用，将矿物中的有价元素转化为溶液中的离子。利用微生物的这种性质，结合湿法冶金等相关工艺，形成了生物冶金技术。按微生物在矿物加工中的作用可将微生物冶金技术分为：生物浸出、生物氧化、生物分解[10-12]。
生物浸出：已报道用于浸矿的细菌有20 多种，但主要有：氧化铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、硫化芽苞杆菌属、氧化铁杆菌、高温嗜酸古细菌、微螺球菌属[13-15]。用于采矿的细菌大多为宽约0. 5μm、长约1～2μm 的杆菌，它们生长在普通微生物难以生存的强酸性坑内水中，摄取空气中的二氧化碳、氧和水中的其它微量元素合成细胞组织，对矿石中硫、铁等成分的氧化有促进，并能获得新陈代谢的能量，自养自生。在无细菌存在的情况下，绝大部分金属矿物的自然溶解速率很慢，必须采用化学溶剂浸出它们(例如酸浸、氨浸出铜、氰化物浸出金等) 。在微生物的作用下，矿物的溶解速率急增，可达到自然溶解的105~106 倍[16]。
生物氧化：难处理金矿中的金常以固-液体或次显微形态被包裹于砷黄铁矿(FeAsS)、黄铁矿(FeS2)等载体硫化矿物中，用传统的方法很难提取。应用微生物技术可预氧化载体矿物，使载金矿体发生某种变化，包裹在其中的金解离出来，创造下一步氰化浸出条件，使金的提取变得较容易。
生物分解：生物分解是利用微生物的分解作用提取矿物中的有用元素。铝土矿中的许多细菌能够分解碳酸盐和磷酸盐矿物[17]。对碳酸盐来说，其机理为：微生物代谢产生的酸使碳酸盐分解，呼吸产生的CO2溶解生成H2CO3也加速碳酸盐分解。
3.2 微生物浸矿工艺
浸矿微生物主要有氧化铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、硫化芽孢杆菌、氧化铁杆菌、高温嗜酸古细菌、微螺球菌属等。在有关生物冶金的报道氧化亚铁硫杆菌为浸矿菌种的论文占绝大多数，但从研究者对浸矿细菌的分离及培养方法来看，应该是多个菌种的富集混合菌。它们有些生长在常温环境，有些则能在50～70 ℃或更高温度下生长。硫化矿氧化过程中会产生亚铁离子和元素硫及其相关化合物，浸矿微生物一般为化能自养菌，它们以氧化亚铁或元素硫及其相关化合物获得能量，吸收空气中的氧及二氧化碳，并吸收溶液中的金属离子及其它所需物质，完成开尔文循环生长。
硫化矿生物浸出过程包括微生物的直接作用和间接作用，同时还具有原电池效应及其它化学作用。直接作用是指浸出过程中，微生物吸附于矿物表面通过蛋白分泌物或其他代谢产物直接将硫化矿氧化分解。间接作用则指微生物将硫化矿物氧化过程产生的及其它存在于浸出体系的亚铁离子，氧化成三价铁离子，产生的高铁离子具有强氧化作用，其对硫化矿进一步氧化，硫化矿物氧化析出有价金属及铁离子，铁离子被催化氧化，如此反复。根据矿石的配置状态，生物冶金工业化生产主要有3种[11]。
（1）堆浸法。这种方法常占用大面积地面，所需劳动力较多，但可处理较大数量的矿石，一次可处理几千至几十万吨。
（2）池浸法。在耐酸池中，堆集几十至几百吨矿石粉，池中充满含菌浸提液，再加以机械搅拌以加快冶炼速度。这种方法虽然只能处理少量的矿石，但却易于控制。
（3）地下浸提法。这是一种直接在矿床内浸提金属的方法。其方法是在开采完毕的场所和部分露出的矿体上浇淋细菌溶浸液，或者在矿区钻孔至矿层，将细菌溶浸液由钻孔注入，通气，待溶浸一段时间后，抽出溶浸液进行回收金属处理。这种方法的优点是，矿石不需要开采选矿，可节约大量人力和物力，减轻环境污染。
应用微生物浸矿，其优势在于：反应温和，环境友好，能耗低，流程短，特别适于贫矿、废矿、表外矿及难采、难选、难冶矿的堆浸和就地浸出，在矿石日益贫杂及环境问题日益突出的今天，微生物浸矿技术将是有效的金属元素提取、环境保护及废物利用的手段。近年来，国外该技术的研究已成为矿冶领域热点，细菌浸出已发展成了一种重要的矿物加工手段，利用此法可以来浸出铜、铅、锌、金、银、锰、镍、铬、钼、钴、铋、钒、硒、砷、镉、镓、铀等几十种贵重和稀有金属。
4 微生物矿山固废处理
矿山开采中产生的尾矿是矿物加工中的一大环境难题，同时，废矿中也含有大量的可利用的元素，若将他们分离出来可变废为宝，而任其排放到环境中则常常造成污染事故。
金属矿山产生的尾矿是工业废渣的最大来源。近年来，我国的金属矿山每年排出尾矿约1×108吨，加上历年堆存的尾矿有几十亿吨之巨。 但由于金属矿中伴生金属大多数在二种、三种或更多种，而选别时常常只回收某种目的金属，导致尾矿仍含大量伴生金属，加上当初选矿技术水平不够而滞留于尾矿中的目的金属，这些都将成为新的宝贵资源。 如贵州有一处铅锌矿其尾矿不少，其中锌的含量大于9%；云锡公司已积存的选锡老尾矿，含锡量平均达0.15 %；河南是全国产金大省，由于选金技术水平比较低，尾矿中含金达0.8～1.2 g/t ，这样的含金品位，在一些发达国家可以当成矿石使用。可以看出，金属矿山尾矿的潜在价值非常惊人，随着矿物加工技术的进步，亟待合理开发处理利用[18]。
煤矸石是煤矿开采过程中产生的废渣，是工业废渣的另一来源。一般每采1 吨原煤会产生0.2 吨煤矸石，它主要由高岭土、石英、蒙脱石、长石、石灰石、硫化铁、氧化铝和氧化物组成。若煤矸石中含碳量较高可作为燃料；含碳量低的可生产砖瓦、水泥和轻骨料，其典型的工艺流程为配料—粉碎—成型—干燥—焙烧。
以上矿山开采中产生的固体废弃物，特别是金属矿山的尾矿，由于其含有相当数量的有用元素，但其品位相当低，现有的矿物加工技术无法处理，往往当成废品而堆积成山，或是当作建筑材料。这不但存在大量的浪费，对环境来说也是一大威胁。我们可以利用微生物对有用元素的富集作用，提高矿物的品位，从而能够被现有的矿物加工技术处理，这样不但回收了尾矿中的有用元素，而且避免了其中的元素在雨水、日光等的浸蚀作用下浸出而发生环境污染事故，真正达到变废为宝。
5 结论与展望
微生物技术用于矿物加工是一门新兴科学，它是生物科学与传统的矿物加工技术的结合，虽然其大规模的应用的历史还很短，但它已经表现出了良好的经济、环境和社会效益。微生物技术在矿物加工中的应用还有很多需要解决的问题，如微生物的种类繁多，而已经被我们认识和加以利用的还仅仅是很少的一部分；能够利用微生物技术进行加工矿物种类还不是很多，有待于继续开发；另外，有些微生物富集某些元素的机理仍然不是很清楚，还需进一步研究。
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［责任编辑：薛俊歌］