1.本发明属于生物冶金技术领域，尤其涉及一种难浸铀矿石细菌浸出的方法。


背景技术：

2.浸矿细菌能够以矿物中的或者外加的铁、硫为能源基质，通过其新陈代谢作用将铁、硫氧化，进而将有价矿物以金属离子形式溶出。细菌浸铀，是利用细菌及其代谢产物的生物、化学及电化学等作用，将矿物中的或者外加的铁、硫氧化为三价铁或硫酸，进而将铀矿中的铀以铀酰离子的形式溶出的方法。研究表明，铁氧化细菌与硫氧化细菌在氧化硫化矿(如黄铁矿)时体现出明显的协同氧化作用，在氧化亚铁或低价态硫的过程中合成维持自身生命活动所需的能量单元atp；具有协同效应的菌群具有互作的新陈代谢活动，分解矿物更为高效。
3.然而，我国已探明的铀资源矿物皆为氧化矿，矿物种类及物相变化多样(有沥青铀矿、钛铀矿、铀钍矿等)，脉石矿物大多是偏碱性矿物，矿石中含有一定的铁，但是严重缺乏硫氧化细菌生长所需要的硫基质，铀矿石中其铁/硫比非常不适合浸矿菌群的稳定生长，加之目前微生物浸矿体系皆为开放体系，浸矿微生物的群落分布动态及浸矿行为难以调控。因此，亟需发明一种加速细菌浸出复杂铀矿的方法，以提高对复杂难浸铀矿石的浸出率，缩短浸出周期。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种浸铀矿石细菌浸出的方法，能显著提高对复杂难浸铀矿石的浸出率。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种难浸铀矿石细菌浸出的方法，包括以下步骤：
7.在铀矿石中混入硫粉，用硫酸溶液进行酸浸出，得到吸附尾液；在吸附尾液中接种驯化培养后的复合菌液，进行细菌浸出；
8.所述复合菌液包括acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirumferriphilum ysk菌液和acidithiobacillus thiooxidansa01菌液。
9.优选的，所述acidithiobacillus ferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirum ferriphilum ysk菌液的活化培养基包括含有25～46g/lfeso4·
7h2o的9k培养基，驯化培养基包括22～28g/lfeso4·
7h2o、吸附尾液和9k培养基。
10.优选的，所述acidithiobacillus thiooxidans a01的活化培养基包括含有5～10g/l硫粉的9k培养基，驯化培养基包括2～5g/l硫粉、吸附尾液和9k培养基。
11.优选的，所述驯化培养基中吸附尾液和9k培养基的体积比为(1～3):(1～3)；所述驯化培养基的ph值为1.8～2.3。
12.优选的，所述acidithiobacillus ferrooxidans atcc 23270和acidithiobacillus thiooxidans a01的活化培养温度或驯化培养温度为28～33℃，所述
leptospirumferriphilum ysk的活化培养温度或驯化培养温度为38～45℃。
13.优选的，所述驯化培养后复合菌液的接种量为15％～25％。
14.优选的，所述acidithiobacillus ferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirumferriphilum ysk菌液和acidithiobacillus thiooxidansa01菌液的体积比为(1～3):(1～3):(1～3)；所述acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirumferriphilum ysk菌液或acidithiobacillus thiooxidans a01菌液的密度≥5
×
107cells/ml。
15.优选的，所述硫粉与铀矿石的质量比为(0.5～4):1g/kg。
16.优选的，所述酸浸出包括：用ph 0.4～0.8的硫酸溶液喷淋铀矿石8～12d，再用ph 1～2的硫酸溶液继续喷淋8～12d，当吸附尾液ph为2.8～3.2时，停止酸浸出。
17.优选的，所述铀矿石为钛铀矿或水硅铀矿时，所述细菌浸出的时间为45～60d。
18.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
19.本发明将驯化后的复合菌液用于加入硫粉铀矿石的细菌浸出步骤，通过对acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270、leptospirumferriphilum ysk和acidithiobacillus thiooxidansa01的驯化，提高菌群适应性，同时在铀矿石中添加硫粉，改善矿石中能源基质的构成，使菌群与矿石更为匹配。另外，在铀矿石中加入硫粉，可以维持驯化复合菌液中细菌的种群平衡，从而更好地发挥acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270、leptospirumferriphilumysk和acidithiobacillus thiooxidansa01的协同作用，进而提高铀浸出速率。
附图说明
20.图1为生物柱浸装置示意图，其中(1)高位槽，(2)蠕动泵，(3)水流分布板，(4)石英层，(5)反应柱，(6)铀矿石，(7)吸附柱，(8)石英层，(9)控制阀，(10)集液槽；
21.图2为原矿及硫强化(0g/kg～0.5g/kg)下细菌浸出矿渣的sem分析，a为原矿石，b左为未加硫的对照浸出组上层矿渣，b右为未加硫的对照浸出组下层矿渣，c左为添加0.5g/kg硫粉组的上层矿渣，c右为添加0.5g/kg硫粉组的下层矿渣；
22.图3为硫强化(1g/kg～4g/kg)下细菌浸出矿渣的sem分析，d左为添加1g/kg硫粉组的上层矿渣，d右为添加1g/kg硫粉组的下层矿渣，e左为添加2g/kg硫粉组的上层矿渣，e右为添加2g/kg硫粉组的下层矿渣，f左为添加4g/kg硫粉组的上层矿渣，f右为添加4g/kg硫粉组的下层矿渣；
23.图4为硫强化作用下铀矿柱浸过程中浸出率a，及溶液中uo
22+
、fe
2+
、fe
3+
浓度b-f变化曲线(硫用量：0，0.5，1，2，4g/kg)；
24.图5为硫强化作用下细菌浸出阶段的铀浸出率曲线；
25.图6为硫强化作用下细菌浸铀体系中浸出液(a)及矿石上(b)下(c)层的细菌群落结构。
具体实施方式
26.本发明提供了一种难浸铀矿石细菌浸出的方法，包括以下步骤：在铀矿石中混入硫粉，用硫酸溶液进行酸浸出，得到吸附尾液；在吸附尾液中接种驯化培养后的复合菌液，
进行细菌浸出；所述复合菌液包括acidithiobacillus ferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirum ferriphilum ysk菌液和acidithiobacillus thiooxidansa01菌液。
27.在本发明中，所述acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270来源于美国标准菌种保藏中心，所述leptospirumferriphilum ysk(其16srnagenbank登录号：dq343299)选自于江西德兴铜矿酸性矿坑水，所述acidithiobacillus thiooxidansa01(其16srna genbank登录号：dq508105)选自于江西萍乡煤堆废水。
28.浸矿微生物，能够以矿物中的或者外加的铁、硫为能源基质，通过其新陈代谢作用将铁、硫氧化，进而将有价矿物以金属离子形式溶出。在本发明中，所述acidithiobacillusferrooxidansatcc 23270既具有铁氧化能力又具有硫氧化能力，其铁硫氧化特性取决于体系中的能源底物及细菌本身的偏好特点，但如果使用单一的能源底物或者细菌偏好氧化其中某一种能源基质，仍会在氧化过程中会产生钝化层，阻碍矿物中金属离子的浸出；所述leptospirumferriphilum ysk可通过其铁氧化代谢途径将矿物中的亚铁fe
2+
氧化为三价铁fe
3+
，为矿物浸出提供氧化剂；但随着反应的进行，容易在矿石颗粒表面产生致密的钝化层—黄钾铁矾，严重阻碍金属离子的溶出，甚至使矿石颗粒板结；所述acidithiobacillus thiooxidansa01可通过其硫氧化代谢途径将还原态的低价硫逐步转化为硫的一系列中间态产物，最终氧化为硫酸，可降低浸矿体系的酸度，从而降低酸耗，但在其过程中会产生单质硫或者多聚硫化物，粘附在矿石颗粒表面，也会阻碍金属离子的溶出。本发明采用三种不同类型菌种对铁离子、元素硫的不同分解代谢方式，具有优势互补作用，同时通过硫强化的方式改善铀矿石中的细菌所需的能源基质构成，使菌群和铀矿石更为匹配，能更加充分发挥菌群的铁硫氧化活性，同时降低矿石表面钝化层的形成量，进而提高浸矿效率。
29.在本发明中，所述acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirumferriphilum ysk菌液的活化培养基优选包括含有25～46g/lfeso4·
7h2o的9k培养基，驯化培养基包括22～28g/lfeso4·
7h2o、吸附尾液和9k培养基；所述活化培养基更优选包括含有45g/lfeso4·
7h2o的9k培养基，所述驯化培养基更优选包括25g/lfeso4·
7h2o、吸附尾液和9k培养基。
30.在本发明中所述acidithiobacillus thiooxidans a01的活化培养基优选包括含有5～10g/l硫粉的9k培养基，驯化培养基优选包括2～7g/l硫粉、吸附尾液和9k培养基；所述活化培养基更优选包括含有10g/l硫粉的9k培养基，驯化培养基更优选包括5g/l硫粉、吸附尾液和9k培养基。
31.在本发明中，所述9k培养基为：(nh4)2so43 g/l，kcl 0.1g/l，k2hpo40.5g/l，mgso4·
7h2o 0.5g/l，ca(no3)20.01g/l，ph值为2.0。
32.在本发明中所述驯化培养基中吸附尾液和9k培养基的体积比优选为(1～3):(1～3)，更优选为2:2；所述驯化培养基的ph值优选为1.8～2.3，更优选为2.0。
33.在本发明中，所述acidithiobacillus ferrooxidans atcc 23270和acidithiobacillus thiooxidans a01的活化培养温度或驯化培养温度优选为28～33℃，更优选为30℃，所述leptospirumferriphilum ysk的活化培养温度或驯化培养温度优选为38～45℃，更优选为40℃。
34.在本发明中，所述驯化培养后复合菌液的接种量优选为15％～25％，更优选为20％。
35.在本发明中，所述acidithiobacillusferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirumferriphilum ysk菌液和acidithiobacillus thiooxidansa01菌液的体积比优选为(1～3):(1～3):(1～3)，更优选为2:2:2；所述acidithiobacillus ferrooxidans atcc 23270菌液、leptospirum ferriphilum ysk菌液或acidithiobacillus thiooxidansa01菌液的密度优选≥5
×
107cells/ml。
36.在本发明中，所述硫粉与铀矿石的质量比优选为(0.5～4):1g/kg，更优选为1g/kg。
37.在本发明中，所述酸浸出优选包括：用ph 0.4～0.8的硫酸溶液喷淋铀矿石8～12d，再用ph 1～2的硫酸溶液继续喷淋8～12d，当吸附尾液ph为2.8～3.2时，停止酸浸出；所述酸浸出更优选包括：用ph 0.6的硫酸溶液喷淋铀矿石10d，再用ph 1.5的硫酸溶液继续喷淋10d，当吸附尾液ph为3时，停止酸浸出。
38.在本发明中，所述铀矿石为钛铀矿或水硅铀矿时，细菌浸出时间优选为45～60d，更优选为55d；整个浸出周期优选为70～80d，更优选为77d。
39.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
40.实施例1
41.矿石处理与准备
42.将难浸铀矿石破碎到粒度为-5mm，采用堆锥四分法将矿样混匀取样，检测其中矿石成分与物相。该铀矿石矿样来自于广东某铀矿山，表1为实验矿样颗粒粒径分布；取代表性样品进行矿样成分检测，矿石铀品位根据国家核行业标准ej/t 267.3-1984采用钒酸氨滴定法进行测定，其他元素组成采用x射线荧光光谱分析(s4 pioneer，德国bruker)进行分析，结果见表2，硫的含量仅为0.17％，体现硫强化的可行性；矿物物相采用工艺矿物定量分析系统(mla250，捷克)分析，结果表明矿样中主要铀矿物为钛铀矿(uti2o6)、水硅铀矿(u(sio4)
0.9
(oh)
0.4
)，及少量沥青铀矿；脉石矿物主要有钠长石、石英、磷灰石、铁铝榴石、云母等。
43.表1实验矿样颗粒粒径分布
[0044][0045]
表2实验矿样的主要矿物组分
[0046][0047]
该复杂铀矿主要含有钛铀矿及水硅铀矿。(1)钛铀矿，为一种原生铀矿，是铀和钛的复杂氧化矿物，元素之间广泛形成类质同象结构，具有较高的化学稳定性，难于化学浸出加工处理；(2)水硅铀矿(又称铀石)，单晶体呈短柱状、针状，属于四方晶系，主要产于砂岩型沉积后生矿床中，也为难浸铀矿。
[0048]
实施例2
[0049]
柱浸装置
[0050]
为了评价柱浸反应器中硫强化对菌群浸铀的效果，设计了硫用量为0.5、1、2、4g/kg矿石的5组细菌柱浸浸铀试验(空白对照不添加硫)。每个柱浸体系由反应柱和吸附柱组成。生物柱浸反应器示意图如图1所示。
[0051]
反应柱由10毫米厚的有机玻璃管制作，高度220厘米，内径10厘米。吸附柱高150cm，内径1cm，与各反应柱相连。用它们吸附浸出液中的铀酰离子。在每个柱的底部放置一层直径为5-10mm的石英砂作为支撑岩，深度为50mm。经堆锥四分法后取25kg矿样，以及分别添加0.5、1、2、4g/kg硫粉充分混匀后进行装柱。在铀矿的顶部放置石英层，在石英层的顶部放置水流分布板，以便溶浸液在矿石表面均匀分布。溶浸液由5个蠕动泵从加料槽泵入反应柱，以控制喷淋强度。从反应柱流出的浸出液进入各吸附柱吸附溶液中的uo2(so4)
n2-2n
，从而改善浸出动力学。从吸附柱中排出的浸出液收集在集液槽中，将溶液进行化学分析后收集到高位槽中，再作为溶浸液循环进入反应柱中。
[0052]
实施例3
[0053]
铀矿石的浸出方法
[0054]
1、酸预浸
[0055]
酸预浸的目的是使碱性或中性矿物酸化，为后续的生物浸出创造良好的环境。
[0056]
首先采用ph为0.6左右的硫酸溶液(将硫酸稀释为12.3g/l)进行酸化处理，在吸附尾液中补充适量的硫酸配制溶浸液，进行喷淋10d；之后采用ph为1-2的稀硫酸喷淋约10d，当吸附尾液ph稳定在3.0左右时，终止酸浸。
[0057]
2、菌种的活化、驯化和扩大培养
[0058]
菌种的活化a.ferrooxidans atcc 23270和l.ferriphilum ysk采用添加44.7g/l硫酸亚铁(feso4·
7h2o)的9k培养基活化培养，a.thiooxidans a01采用添加10g/l硫粉的9k培养基活化培养。9k培养基成分为(nh4)2so4(3g/l)，kcl(0.1g/l)，k2hpo4(0.5g/l)，mgso4·
7h2o(0.5g/l)，ca(no3)2(0.01g/l)，ph值为2.0。a.ferrooxidans atcc 23270和a.thiooxidans a01的培养温度为30℃，l.ferriphilum的培养温度为40℃，接种量为6
×
105cells/ml，三者振荡培养的摇床转速均为175rpm。
[0059]
菌种的驯化采取酸浸2d、8d、13d、17d(可根据矿石酸化进展情况进行调整)时的吸附尾液，将50％吸附尾液和50％的9k培养基混合，采用硫酸将溶液ph调节为2.0，加入24.8g/l feso4·
7h2o(a.ferrooxidans atcc23270和l.ferriphilum ysk)或5g/l硫粉(a.thiooxidans a01)在摇瓶中进行3-4次驯化培养，接种量为6
×
105cells/ml，温度与活化培养温度一致，摇床转速均为175rpm。
[0060]
菌种的扩大培养采用最后一次所取的吸附尾液调节ph为2.0后，加入24.8g/lfeso4·
7h2o(a.ferrooxidans atcc 23270和l.ferriphilum ysk)或5g/l硫粉(a.thiooxidans a01)，接种驯化好的菌种(接种量为20％(v/v))，分别在爆气桶中室温(27℃)下扩大培养，细菌密度≥5
×
107cells/ml或亚铁氧化率≥80％、生长活性良好时，将其等量混合，作为随后铀矿柱浸的细菌溶浸液(总菌密度≥1.5
×
108cells/ml，活性良好，亚铁氧化率为80-90％)。
[0061]
3、细菌浸出
[0062]
在每天吸附尾液中分别接种上述方法所驯化好的菌种，接种量为20％(v/v)菌液，同时根据每天吸附尾液成分，补充少量硫酸、亚铁(a.ferrooxidans atcc 23270和l.ferriphilum ysk)或硫粉(a.thiooxidans a01)，等量混合后得到细胞密度≥1.5
×
108cells/ml，亚铁的氧化率为80～90％后，作为细菌溶浸液输送到柱浸反应器内。
[0063]
在柱浸过程中，每天检测溶浸液(输入)和浸出液(输出)中的ph值、氧化还原电位(eh)、fe
2+
、fe
3+
和uo
22+
浓度。当浸出液中uo
22+
浓度小于20mg/l时，试验在3～5d后终止。对矿渣进行铀品位测定和sem/xrf分析。提取溶液样品中游离微生物和矿渣上附着微生物的基因组dna，进行细菌群落分析。
[0064]
实施例4
[0065]
硫强化对矿层渗透性的改善作用
[0066]
利用扫描电镜(sem)和x射线荧光光谱(xrf)对原矿及上下层柱浸后铀矿渣进行了表征分析。图2a呈现了一个平滑的表面形态的原矿石；图2b为未加硫的对照浸出组，可以看出，矿石颗粒聚集在一起甚至板结，表明上生成的钝化层附着在矿石表面，加大了矿石阻塞。而当硫用量分别为0.5、1、2和4g/kg时，sem电镜图像显示其表面粗糙，孔隙率高，细菌侵蚀痕迹多(图2b和图3c-f)。结果表明，硫强化可以增强钝化层的孔隙度，提高矿层的渗透性。说明更多的浸出剂和细菌能渗透到矿石内部，促进氧化剂和细菌的扩散，会加速铀的溶解。
[0067]
将各组矿渣中铀品位按照国家核行业标准ej/t 267.3-1984进行测定，具体结果见表3。
[0068]
表3原矿及细菌浸出矿渣化学成分分析
[0069][0070]
由表3结果显示，硫强化后上下层矿渣中硫比例在18％左右，高于对照组，表明矿渣中含有更多的硫会导致更好的矿层渗透性和更高的铀浸出率。上述结果表明，柱浸反应器中硫强化会增强钝化层的孔隙率，提高渗透性，促进铀的溶解。
[0071]
实施例5
[0072]
硫强化对细菌浸铀的促进作用
[0073]
图4、图5表明，虽然酸预浸阶段(前20d)反应柱中的硫粉可能在矿石表面形成钝化层，在一定程度上抑制了离子扩散，可能抑制了铀的浸出。但是，到了细菌浸出阶段(20d之后)，实验组硫强化后的铀浸出率明显高于对照组，在生物浸出的前13d，浸出速率与硫添加量成正比，之后，添加0.5g/kg和1g/kg硫的浸出速率超过了添加2g/kg和4g/kg硫的浸出速率。硫的强化作用体现在细菌浸出阶段，对铀的浸出具有明显的促进作用。硫的作用：硫在细菌的氧化作用下转化为硫酸，第一，生成的h
+
可促进矿石中六价铀的溶解；第二，为浸矿体系提供更多的h
+
，降低体系酸耗；第三，浸出液中的uo
22+
可与so
42-发生配合反应，生成uo2(so4)
n2-2n
，促进矿石中铀的浸出动力学。具体反应式如下：
[0074][0075]
uo3+2h
+
——
→
uo
22+
+2h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
uo
22+
+nso
42-——
→
uo2(so4)
n2-2n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0077]
在浸出过程的77d内，硫用量为0.5g/kg、1g/kg、2g/kg、4g/kg铀浸出率分别为82.5％、86.2％、84.5％和86.3％，皆高于对照组的73.6％，提高了12.6％～17.3％。结果表明，通过硫强化方法来加速细菌浸出复杂难溶铀矿石是经济且有效的。
[0078]
实施例6
[0079]
硫强化可维持附着于矿石表面菌群的动态平衡
[0080]
图6显示了不同硫用量对细菌群落结构的影响。结果表明，在柱浸过程中，无论是浸出液还是矿渣表面，硫氧化菌a.thiooxidans都是优势菌群。研究表明，在复杂或恶劣的环境下，较高比例的硫氧菌能够代谢复杂的硫源，进一步促进浸出系统的酸化，这有利于提高铀浸出效率，特别是在细菌浸出初始阶段。值得关注的是，在1g/kg硫强化作用下，矿石表
面的铁氧化菌(l.ferriphilum和a.ferrooxidans，如果铁和硫同时存在于基质中，a.ferrooxidans主要体现铁氧化能力)和硫氧化菌(a.thiooxidans)保持了一个很好平衡(接近1:1)，此硫用量强化作用下铀浸出率也是最高的。因此，硫强化有助于维持附着矿石表面的铁氧化菌和硫氧化菌的动态平衡，并产生协同代谢作用，从而更为有效地分解铀矿石。
[0081]
本发明通过对菌株驯化，提高菌群适应性，同时在铀矿石中添加硫粉，可以维持驯化复合菌液中细菌的种群平衡，改善矿石中能源基质的构成，使菌群与铀矿石更为匹配，进而提高铀矿石浸出速率。采用本发明浸出方法，铀浸出率为82.5％～86.3％，未加入硫粉的对照组铀浸出率为73.6％，提高了12.6％～17.3％。结果表明，通过菌株驯化和硫强化方法来加速细菌浸出复杂难溶铀矿石是经济且有效的。
[0082]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。