Подземное и кучное выщелачивание
Выщелачивание куч несколько отличается от выщелачивания отвалов. Кучи содержат повышенное, по сравнению с отвалами, содержание металла, извлечение которого в принципе возможно за достаточно короткий срок — несколько месяцев. В то же время выщелачивание отвалов может длиться годами. В кучах и отвалах измельченная руда уложена на наклонное водонепроницаемое основание. Поверхности куч и отвалов орошают выщелачивающей жидкостью, представляющей собой слабый раствор кислоты и ионов трехвалентного железа. Сбор раствора с извлеченным металлом, профильтровавшимся через слой породы, производят снизу.
При выщелачивании отвалов в них, как правило, развиваются природные микроорганизмы, а кислая среда и наличие кислорода способствуют повышению каталитической активности Thiobacillus ferrooxidans. Выщелачивающая жидкость с помощью насосов подается поверх кучи руды, распыляется по ее поверхности и, стекая вниз самотеком, фильтруется, проходя через нее. Эти обогащенные металлом растворы направляют в специальные пруды и водоемы для сбора и извлечения металла методом простого осаждения, электролизом или более сложными методами. Отработанные выщелачивающие растворы, содержащие в основном растворенное железо, регенерируют в окислительных прудах и вновь подают в отвалы.
Выщелачивание урана
Существенно реже используют микроорганизмы для выщелачивания в промышленных масштабах урана. При этом порода или руда должна быть богата сульфидными минералами и не слишком интенсивно поглощать кислород. В восточных районах Канады подземное бактериальное выщелачивание применяют для извлечения остаточного урана на выработанных площадках. Для этого стенки и крыши забоев промывают подкисленной водой. Развивающиеся естественные железобактерии Thiobacillus ferrooxidans окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, которое окисляет четырехвалентный уран до шестивалентного, переводя его в раствор:
U02+ Fe2(S04)3-»U02S04+ 2FeS04
Возможно также прямое окисление урана бактериями: 21Т02 + 02 + 2H2S04-»2U02S04+ 2Н20
Спустя три-четыре месяца забои снова промывают. Промывные воды, содержащие уран, собирают; уран извлекают растворителями либо с помощью ионного обмена. Этим способом можно извлечь до 90 % остаточного урана.
Можно применять бактериальное выщелачивание в качестве первичной технологии для получения урана — так называемой технологии insitu. Рудное тело разрушают взрывом для увеличения проницаемости и поверхностной площади. Через скважины руда инжектируется слабым раствором серной кислоты и насыщается воздухом. Через них же возможен отвод рудничных вод с извлеченным ураном. Преимуществами данного метода являются его независимость от погодных условий, сохранность поверхности месторождения и отсутствие груды отвалов. Однако необходимо создавать специальные инженерные схемы, так как в условиях глубинных залеганий пластов из-за высокого давления, гипербарии кислорода и прочих факторов возможно изменение физиологического состояния железоокисляющих бактерий, а следовательно, нарушение технологического цикла.
Чановое выщелачивание
Наиболее сложен процесс бактериального выщелачивания в аппаратах. Этот тип выщелачивания применяют в горнорудной промышленности для извлечения урана, золота, серебра, меди и других металлов из окисных руд или упорных сульфидных концентратов.
Чановое выщелачивание упорных сульфидных концентратов проводят в проточном режиме в серии последовательно соединенных аппаратов большого объема (30 X 50 X 6 м) с перемешиванием, аэрацией, при стабилизации pH, температуры и концентрации микроорганизмов в пульпе. Перед загрузкой в аппараты концентраты измельчают и смешивают со слабым раствором серной кислоты. На ход процесса влияют многие параметры: pH, температура, скорость протока пульпы, ее плотность и размер частиц концентрата. Важным условием чанового выщелачивания является наличие систем, контролирующих и стабилизирующих многие из перечисленных параметров, что обеспечивает эффективное протекание процесса. Схема чанового выщелачивания сульфидных концентратов замкнутая. Оборотные воды после регенерации используют в качестве питательной среды для бактерий и выщелачивающего раствора.
Определенную проблему представляет обеспечение процесса инокулятом. При чановом выщелачивании работают с плотными пульпами при концентрации клеток в культуре до 1,0-1,5 г/л АСБ. Для получения активной микробной культуры существует несколько способов. Наиболее эффективен способ культивирования железоокисляющих бактерий в проточном электрохимическом культиваторе, что сопряжено с электровосстановлением субстрата. В ходе роста микроорганизмы окисляют двухвалентное железо до трехвалентного, а в ходе электрохимических превращений железо восстанавливается до двухвалентного и снова служит субстратом для микроорганизмов. В промышленных масштабах чановое выщелачивание применяется при переработке комплексных медно-цинковых концентратов. В составе этих комплексных концентратов присутствуют несколько минералов — халькопирит (CuFeS2), пирит (FeS2), сфалерит (ZnS). За 72-96 ч выщелачивания извлекают около 90 % Zn, а также Си и Fe— соответственно 25 и 5 %.
Оловосодержащие концентраты включают пирит, халькопирит, арсенопирит и оловянные минералы в виде окислов олова. Из этого комплекса минералов бактерии окисляют прежде всего низкопотенциальный арсенопирит (FeAsS).
Биотехнология обессеривания углей
Использование тионовых бактерий для удаления серосодержащих соединений из углей. Как бурые, так и каменные угли нередко содержат значительные количества серы. Общее содержание серы в углях может достигать 10—12 %. Сера в углях присутствует как в виде пирита, так и в виде сложных ароматических соединений. При сжигании углей содержащаяся в них сера превращается в сернистый газ, который поступает в атмосферу, где из него образуется серная кислота. Из атмосферы серная кислота выпадает на поверхность земли в виде сернокислотных дождей.
Первые опыты по направленному удалению серы из угля с использованием микроорганизмов были выполнены в 1959 г. в нашей стране 3. М. Зарубиной, Н. Н. Ляликовой и Е. И. Шмук. В результате этих опытов за 30 суток с участием бактерий Th. ferrooxidans из угля было удалено 23—30 % серы. Позднее несколько работ по микробиологическому обессериванию угля было опубликовано американскими исследователями. Им удалось с помощью тионовых бактерий снизить содержание пиритной серы в каменном угле за четверо суток почти на 50 %.
Этот метод будет сопровождаться попутным выщелачиванием различных металлов. Известно, что в заметных количествах содержится в углях германий, никель, бериллий, ванадий, золото, медь, кадмий, свинец, цинк, марганец. Попутное получение ценных металлов при десульфуризации угля должно дать дополнительный экономический эффект. Получены положительные результаты при выщелачивании алюминия и титана, ванадия, селена, бора, молибдена, кобальта из угольной золы уноса при использовании монокультуры тионовых бактерий Thiobacillus thiooxidans, а также при переработке шлаков с помощью сообщества мезофильных хемолито- трофных микроорганизмов для извлечения ценных компонентов, в частности цинка и железосодержащих осадков, являющихся хорошим сырьем для дорожного покрытия и строительных материалов.
Работы по удалению пиритной серы из угля микробиологическим путем проводятся сейчас во многих странах мира. По последним сообщениям в лабораторных условиях удается снизить содержание серы в угле путем микробиологического выщелачивания за 5 суток почти на 100 %. Микробиологический способ десульфуризации углей рассматривается как весьма перспективный.
Экологические аспекты:
• Все технологические схемы этого способа добычи металлов - замкнутые, поэтому в значительной мере исключают выброс растворов в биосферу;
• подземное выщелачивание исключает необходимость отвода больших участков земли под горные предприятия, при этом сохраняется ландшафт;
• общим для всех гидрометаллургических предприятий отходом являются растворы, содержащие тяжелые металлы;
• проблема обезвреживания твердых отходов биогидрометаллургических производств, например соединений мышьяка (арсенат железа или кальция), цианидов, роданидов и т. д.;
• микроорганизмы, применяемые в биогеотехнологии для получения металлов, не патогенны и поэтому не представляют опасности для окружающей среды.