某低品位硫化镍矿石细菌氧化堆浸工艺研究

任洪胜 郑沈吉 刘新艳 张鸣昕 韩治纬 郞淳慧 崔商哲

摘要：针对吉林省某高镁型低品位硫化镍矿石，利用细菌氧化堆浸工艺，通过诱变驯化培养高效率的浸矿菌株，对催化剂及柱浸粒度、制粒与否、浸出pH、接种菌量等工艺条件进行了研究。结果表明：使用诱变改良菌种H4 3，在柱浸粒度-10 mm、浸出pH值2、接种菌量30 %、氧化浸出时间150 d、室温及添加Ag+催化剂的条件下，镍、铜浸出率分别为72.22 %、71.03 %，指标良好，为低品位硫化镍矿石资源的开发利用提供了技术依据。

关键词：硫化镍矿石;低品位;细菌氧化;堆浸;浸出率

中图分类号：TF815文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2022）06-0059-05doi：10.11792/hj20220613

镍是国民经济建设中不可或缺的重要金属材料，广泛应用于现代科技和工业领域。由于多年来对镍矿资源的强化开采，高品位资源越来越少，出现了大量的低品位矿、表外矿、废矿等，这些矿石采用传统选矿方法回收，基本无经济效益。细菌氧化堆浸技术是回收这些资源经济有效的方法，通过堆浸喷淋的方式，在细菌作用下，可将矿石中的镍直接产出硫酸镍产品，无需传统的矿石磨矿、浮选、冶炼过程，具有成本低、投资少、环境友好、有价成分回收率高等特点[1-3]。本次试验以吉林省某低品位硫化镍矿石为研究对象，通过诱变驯化培养高效率的浸矿菌株，并对细菌浸出柱浸粒度、浸出pH、接种菌量等条件进行研究，为此类低品位硫化镍矿石资源开发利用提供新的工艺路线。

1 矿石性质

吉林省某镍矿石为高镁型低品位硫化镍矿石，金属矿物主要有金属硫化物、金属氧化物及金属碳酸盐矿物。金属硫化物有磁黄铁矿、马基诺矿、镍黄铁矿、硫铁镍矿、针镍矿、黄铜矿、黄铁矿、方铅矿、闪锌矿等;金属氧化物有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、钛磁铁矿、钛铁矿、白钛石等;金属碳酸盐矿物有菱铁矿。脉石矿物主要有辉石、橄榄石、蛇纹石、绿泥石、云母类、黏土矿物、基性斜长石、石英、角闪石、碳酸盐矿物、碳质及少量其他变质矿物。矿石矿物组成分析结果见表1。

磁黄铁矿、马基诺矿是该矿石中相对含量最高的金属硫化物，多呈他形晶—半自形晶粒状集合体，少量呈自形晶单晶状态，其单晶粒径多较细小，为0.02～0.05 mm，集合体粒径较粗大，为0.5～1.0 mm或数毫米。磁黄铁矿、马基诺矿晶体中分布的被熔离镍黄铁矿呈似火焰状、叶片状、透镜状等细小晶体，同时磁黄铁矿、马基诺矿常呈不同方位、不同形态的不混溶体被包裹在镍黄铁矿、黄铜矿中。磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿多紧密共生，呈共结结构。磁黄铁矿、马基诺矿晶体中常有细小的暗色变质矿物蛇纹石、绿泥石等分布。磁黄铁矿、马基诺矿少量沿脉石矿物片理、节理分布，另有少量呈细脉状分布。磁黄铁矿、马基诺矿相对含量为2.50 %。

镍黄铁矿是矿石中主要的含镍硫化物，含量较少的次生硫化物为硫铁镍矿、针镍矿等，多呈他形晶粒状，少呈半自形晶—自形晶粒状或集合体，粒度以0.037～0.100 mm为主，部分集合体粒径粗大，常为数毫米，部分颗粒细小，在0.010 mm以下。晶体常呈火焰状或羽毛状分凝体分布于磁黄铁矿、马基诺矿、黄铜矿中，其晶体常见黄铜矿、磁黄铁矿、马基诺矿或脉石矿物细小包体，也见有微细粒镍黄铁矿、硫铁镍矿、针镍矿等在其他金属硫化物、金属氧化物、金属碳酸盐矿物或脉石矿物中分布，镍黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿三者嵌布关系极为密切，多呈共结结构，部分镍黄铁矿等金属硫化物在脉石矿物粒间呈海绵陨铁结构分布。镍黄铁矿、硫铁镍矿、针镍矿等相对含量为2.00 %。

矿石中的铜多以金属硫化物黄铜矿的形式出现，多呈他形晶粒状或集合体，单晶粒径多为0.02～0.05 mm，部分颗粒细小，在0.005 mm以下。黄铜矿与磁黄铁矿、镍矿物紧密共生，多呈共结结构，其晶体中常分布似火焰状、叶片状的镍黄铁矿晶体，其细小晶体在镍黄铁矿、硫铁镍矿、针镍矿及脈石矿物中有分布。黄铜矿相对含量为0.60 %。

原矿化学成分分析结果见表2，原矿镍物相分析结果见表3，原矿铜物相分析结果见表4。

2 细菌氧化试验菌种及方法

2.1 菌种诱变驯化

菌种的优化改良可通过诱变驯化育种技术得以实现。诱变驯化育种是指利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高其基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌种。本次试验采用以氧化亚铁硫杆菌为主的混合菌种Z3 7作为基础菌种，分别用紫外线和微波对菌种进行物理诱变，利用亚硝基胍对菌种进行化学诱变，初步筛选出紫外线诱变菌株G4 4、H4 3及微波诱变菌株I4 3，并进行进一步驯化，以适应矿石性质[4-5]。以粒度为-2 mm的原矿为研究对象，对诱变后菌种进行3次驯化，驯化试验结果表明，菌株H4 3已适应矿石性质，浸出效果良好。

2.2 试验方法

低品位硫化镍矿石细菌氧化堆浸（柱浸）试验分2个阶段进行：第一阶段通过对柱浸粒度、制粒与否、浸出pH、接种菌量、温度等影响细菌浸出的关键因素进行研究，获得原矿细菌浸出的最优工艺参数;第二阶段对菌种诱变改良、催化剂、氧化浸出时间进行考察，计算镍、铜浸出率。通过2个阶段的细菌氧化堆浸试验研究，获得科学合理的工艺参数，为该低品位硫化镍矿石资源开发利用提供有效途径。

堆浸试验设备由耐腐蚀塑料和软管制作而成，堆浸柱尺寸为1.0 m（高） ×100 mm，每柱装矿10 kg。柱浸前，先用稀硫酸溶液酸浸预处理10 d。喷淋制度为间歇喷淋制，喷淋2 d停1 d，喷淋强度为15 L/（h·m2），培养基为0K培养基，液固比为1.0。试验研究过程中采用亚铁离子氧化速率法、生物显微镜计数法及氧化还原电位法测定细菌的浸矿活性。试验中每10 d取浸出液样品进行分析检测，测定氧化还原电位和Fe3+转化率，细菌氧化堆浸结束后，用清水喷淋洗涤堆浸柱内矿样，洗涤时间7 d。柱浸过程中镍、铜浸出率由浸出液镍、铜质量浓度计算得出，最终浸出率由堆浸渣镍、铜品位计算得出[6-9]。

3 第一阶段柱浸试验

3.1 试验条件

第一阶段柱浸试验条件见表5。

3.2 试验结果分析

3.2.1 柱浸粒度

柱浸粒度对浸出指标的影响见表6。

从表6可以看出：-10 mm、-25 mm、-40 mm 3种柱浸粒度中，-10 mm粒度礦石浸出效果最好;当氧化浸出时间为200 d时，-10 mm粒度矿石镍、铜浸出率分别为72.45 %、71.54 %，而-25 mm粒度矿石镍、铜浸出率分别为65.28 %、63.85 %，-40 mm粒度矿石镍、铜浸出率分别为60.00 %、56.54 %;-10 mm粒度矿石镍、铜浸出率明显高于-25 mm、-40 mm粒度矿石。

研究结果同时也表明：-10 mm粒度矿石在堆浸180 d 时，镍、铜浸出率分别为72.16 %、71.14 %，与堆浸200 d时镍、铜浸出率基本相当。

3.2.2 制粒与否

原矿（-10 mm）制粒与否对浸出指标的影响见表7。

从表7可以看出：-10 mm低品位镍矿石制粒后与未制粒进行堆浸，镍、铜浸出率基本相当。本次试验制粒与否对镍、铜的堆浸周期及镍、铜浸出率影响不大，这很可能是因为堆浸柱装载的10 kg矿量较小，非制粒情况下试验操作条件也较好，导致制粒堆浸优势不明显，因此细菌氧化堆浸是否需要制粒需对较大规模矿石进行堆浸研究验证。

3.2.3 浸出pH

浸出pH对浸出指标的影响见表8。

从表8可以看出：当pH值为2、氧化浸出时间为200 d时，镍、铜浸出率分别为72.45 %、71.54 %;当pH值为4、氧化浸出时间为200 d时，镍、铜浸出率分别为67.36 %、66.15 %;pH值为2时镍、铜浸出率明显高于pH值为4时。因此，适宜pH值为2。

3.2.4 接种菌量

细菌氧化堆浸接种菌量对浸出指标的影响见表9。

从表9可以看出：接种菌量在30 %和40 %时对原矿堆浸效果影响不大。综合考虑，接种菌量宜为30 %。

3.2.5 温 度

温度对浸出指标的影响见表10。

从表10可以看出：细菌氧化堆浸温度为30 ℃和室温时，镍、铜浸出率基本相当。这是由于本次试验在室内进行，室温在17 ℃～30 ℃，该温度对细菌的繁殖增长较为适宜，与堆浸柱恒温30 ℃差别不是很明显。在实际生产过程中，由于矿堆体量较大，矿堆内部环境稳定，矿堆中心温度较高，更有利于细菌的繁殖和生长，细菌氧化矿物的速度将进一步加快，堆浸周期将进一步缩短。

4 第二阶段柱浸试验

4.1 试验条件

在第一阶段柱浸试验最佳柱浸粒度、浸出pH、接种菌量、温度等工艺参数的基础上，第二阶段针对菌种诱变改良、催化剂、氧化浸出时间进行进一步考察、验证，以期获得更稳定、优良的工艺参数。试验条件见表11。

4.2 试验结果分析

4.2.1 菌种诱变改良

菌种诱变改良对浸出指标的影响见表12。

从表12可以看出：在不添加催化剂硝酸银的条件下，采用经紫外线诱变改良后的菌种H4 3对-10 mm粒度低品位镍矿石进行细菌氧化堆浸，当堆浸180 d时，镍、铜浸出率分别为72.16 %、71.14 %，而普通菌种Z3 7的镍、铜浸出率则分别为64.11 %、63.70 %，前者明显高于后者;在添加5 g/t硝酸银催化剂的条件下，采用菌种H4 3对-10 mm粒度低品位镍矿石进行细菌氧化堆浸，当堆浸150 d时，镍、铜浸出率分别为72.22 %、71.03 %，而普通菌种Z3 7的镍、铜浸出率则分别为62.82 %、59.93 %，前者明显高于后者;说明改良后菌种氧化性能明显优于普通菌种。

4.2.2 催化剂

添加Ag+催化剂（硝酸银）对浸出指标的影响见表13。

从表13可以看出：在使用普通菌种Z3 7条件下，未添加Ag+催化剂堆浸180 d时，镍、铜浸出率分别为64.11 %、63.70 %;添加Ag+催化剂时，镍、铜浸出率分别为68.96 %、68.03 %，Ag+催化剂使用效果明显。采用诱变改良后菌种H4 3，加入Ag+催化剂后，细菌氧化堆浸速度也明显加快，当堆浸150 d时，镍、铜浸出率分别为72.22 %、71.03 %;而未添加Ag+催化剂堆浸180 d时，镍、铜浸出率分别为72.16 %、71.14 %;添加Ag+催化剂后氧化周期缩短了约30 d。

4.2.3 氧化浸出时间

使用诱变改良菌种H4 3，在温度为室温、柱浸粒度为-10 mm、浸出pH值为2、接种菌量为30 %且添加Ag+催化剂的情况下，氧化浸出时间对镍、铜浸出指标的影响见表14。

从表14可以看出：在添加Ag+催化剂的情况下，原矿细菌氧化堆浸150 d后，镍、铜浸出率基本不再增加，浸出过程基本结束。原矿酸浸时间10 d，氧化浸出时间150 d，洗涤时间7 d，因此原矿细菌氧化堆浸总周期为167 d。

5 结 论

1）吉林省某高镁型低品位硫化镍矿石中镍品位为0.530 %，硫化镍中镍分布率为93.96 %，硅酸镍中镍分布率为5.28 %;原矿中铜品位为0.260 %，氧化镁品位为19.18 %。

2）使用诱变改良菌种H4 3，在柱浸粒度-10 mm、浸出pH值2、接种菌量30 %、氧化浸出时间150 d、室温及添加Ag+催化剂的条件下，镍、铜浸出率分别为72.22 %、71.03 %，试验指标较理想，为该类型低品位硫化镍矿石开发利用提供了新的技术路线。

3）原矿细菌氧化堆浸至150 d后，镍、铜浸出率基本不再增加，浸出过程基本结束。此时，原矿酸浸时间10 d，氧化浸出时间150 d，洗涤时间7 d，因此原矿细菌氧化堆浸总周期为167 d。

4）试验菌种以氧化亚铁硫杆菌为主，含有氧化硫硫杆菌和铁螺旋菌等。细菌无毒、无污染，对人体及动植物无害，不会对环境造成污染。

[参 考 文 献]

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Study on biological oxidation heap leaching process of low-grade nickel sulfide ores

Ren Hongsheng，Zheng Shenji，Liu Xinyan，Zhang Mingxin，Han Zhiwei，Lang Chunhui，Cui Shangzhe

（Metallurgical Research Institute of Jilin Province）

Abstract：The biological oxidation heap leaching process where high-efficiency leaching strains are domesticated and cultivated is used to treat certain high magnesium and low-grade nickel sulfide ores from Jilin Province.The process conditions such as catalyst and column grain size，granulation，leaching pH and bacterial inoculation amount are studied.The results show that the leaching rates of nickel and copper are 72.22 % and 71.03 % respectively under the conditions：column grain size of -10 mm，leaching pH value of 2，bacterial inoculation amount of 30 %，biological oxidation heap leaching for 150 d，room temperature and addition of Ag+ catalyst.The index is good.The study provides technical basis for the development and utilization of low-grade nickel sulfide ore resources.

Keywords：nickel sulfide ore;low grade;biological oxidation;heap leaching;leaching rate

收稿日期：2022-02-10; 修回日期：2022-03-15

基金項目：吉林省科技厅科技发展计划项目（20190303055SF）

作者简介：任洪胜（1971—），男，吉林长春人，正高级工程师，从事选矿技术研究工作;长春市前进大街2266号，吉林省冶金研究院，130012;E-mail：rhs1971@163.com