ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 2, с. 193-196
УДК 66.061.34+579.66
БИОРЕГЕНЕРАЦИЯ РАСТВОРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОТВАЛЬНЫХ ШЛАКОВ, АЦИДОФИЛЬНЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ
© 2014 г. Н. В. Фомченко, М. И. Муравьёв, Т. Ф. Кондратьева
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва, 117312 e-mail: natalya.fomchenko@gmail.com Поступила в редакцию 06.08.2013 г.
Исследован процесс биорегенерации продуктивных растворов, полученных после выщелачивания меди и цинка из отвального шлака сернокислыми растворами сульфата трехвалентного железа. Для биорегенерации созданы ассоциации мезофильных и умеренно термофильных ацидофильных хе-молитотрофных микроорганизмов. Показано, что полное окисление ионов железа в продуктивных растворах, возможно при разбавлении их питательной средой. Установлено, что максимальная скорость окисления ионов железа наблюдалась при использовании мезофильной ассоциации микроорганизмов при разбавлении продуктивного раствора питательной средой в 3 раза. Применение биорегенерации при получении цветных металлов, как из отвальных, так и из самих конвертерных шлаков позволит подойти к технологии их переработки, используя замкнутый цикл технологических потоков.
Б01: 10.7868/80555109914010024
На территории России накоплено около 550 млн тонн шлаков предприятий цветной металлургии. Только медеплавильными заводами Уральской горно-металлургической компании в год производится более 1.5 млн тонн отвальных шлаков [1]. Под их складирование выведены из землепользования значительные площади. При этом вокруг шлакоотвалов распространяются потоки токсичных металлов. Сами по себе шлаки являются хорошим сырьем для производства строительных материалов или могут применяться для отсыпки железнодорожного полотна и обочин автодорог. Однако высокое содержание тяжелых цветных металлов в отвальных шлаках не позволяет использовать их для этих целей.
Отвальный конвертерный шлак характеризуется более низким содержанием меди и более высоким содержанием цинка, железа и силикатов по сравнению с самим конвертерным шлаком. Его получают как отход флотационного обогащения конвертерных медеплавильных шлаков.
Для получения цветных металлов из отвальных шлаков и отходов их переработки, не содержащих токсичных растворимых компонентов, нами ранее была предложена технология двухстадий-ного бактериально-химического выщелачивания [1, 2]. На первой стадии проводится выщелачивание цветных металлов под действием трехвалентного железа. При этом трехвалентное железо восстанавливается до двухвалентного при его взаимодей-
ствии с сульфидными минералами на первой стадии. Кроме того, двухвалентное железо переходит в раствор из шлаков. На второй стадии предполагается биорегенерация трехвалентного железа для его повторного использования на химической стадии.
В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной литературе, не имеется данных по биорегенерации растворов после выщелачивания различного типа шлаков.
Цель работы — исследование процесса биорегенерации растворов, полученных при выщелачивании отвальных шлаков, различными сообществами ацидофильных хемолитотрофных микроорганизмов.
МЕТОДИКА
Характеристика отвального шлака. Основную часть медеплавильного конвертерного шлака составляют магнетит Ре304, фаялит Бе28Ю4, а также стекло в срастании с ферритами и силикатами цинка. Медные минералы представлены включениями и срастаниями со стеклом дигенита, борнита, халькопирита и металлической меди. Химический состав отвального шлака следующий (%): железо — 43.3, медь — 0.56, цинк — 4.74, сера — 1.4, диоксид кремния — 21.0. Получение выщелачивающего раствора трехвалентного железа и химиче-
194
ФОМЧЕНКО и др.
ское выщелачивание отвального конвертерного шлака проводили, как описано ранее [1].
Биорегенерация. Опыты проводили в конических колбах объемом 250 мл с объемом раствора в них 100 мл на термостатируемых качалках с числом оборотов 170 мин-1. Разбавление продуктивного раствора осуществляли средой 9K [3], не содержащей железа. Значения pH доводили до необходимой величины добавлением 98.5%-ной серной кислоты.
Аналитические методы. Значения рН определяли с помощью рН-метра рН-150МА (Беларусь). Концентрации Fe3+ и Fe2+ в жидкой фазе определяли колориметрическим методом с роданидом калия [4] с использованием фотометра КФК-3 (Россия) при длине волны 475 нм. Концентрацию ионов меди и цинка определяли на атомно-аб-сорбционном спектрометре с пламенной атоми-зацией Perkin Elmer 3100 (США). Концентрацию клеток микроорганизмов определяли прямым счетом в световом микроскопе с фазово-кон-трастным устройством Olympus CX41 (Япония).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее были определены оптимальные параметры процесса химического выщелачивания отвального конвертерного шлака ("хвостов обогащения"): плотность суспензии — 30%, значение pH — 1.5, температура — 70°С, начальная концентрация ионов трехвалентного железа — 15.7 г/л, отсутствие аэрации, продолжительность выщелачивания — 1.5 ч [1]. При этом было достигнуто извлечение меди и цинка в раствор 81.6 и 37.7% соответственно при относительно небольшом растворении силиката железа — 26.2%. В отличие от раствора после химического выщелачивания самих шлаков, полученный раствор характеризовался более низким содержанием ионов меди (0.9 г/л), цинка (2.8 г/л), более высокой концентрацией ионов двухвалентного (35.0 г/л) и суммарного железа (44.8 г/л).
Для повторного использования раствора, полученного в процессе химического выщелачивания "хвостов обогащения" конвертерного шлака, содержащего ионы двухвалентного железа, необходимо их окисление до трехвалентных, т.е. проведение биорегенерации. Для решения этой задачи использовали железоокисляющие ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы.
Создание ассоциаций ацидофильных хемолито-трофных микроорганизмов. Для исследований процесса окисления ионов двухвалентного железа в продуктивном растворе (биорегенерации) были созданы две ассоциации микроорганизмов. Первая ассоциация — мезофильная, культивирующаяся при 30°С, вторая — умеренно термофильная, культивирующаяся при 40°С. Для создания мезофильной ассоциации были использованы
штаммы Acidithiobacillus ferrooxidans ТБВк, ТБУ-1, ТРиеИ, ТРиё-5, ТРБ1Ъ из музея культур лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов ИНМИ РАН. Для создания умеренно термофильной ассоциации использовали штаммы бактерий SulfobacШus ЛегтоЫегат Кг1т, S. зШпст №т, S. thermosulfidooxidans ВКМ В-1269т, штаммы бактерий рода SulfobacШus БЫ, БИ8. Скорость окисления ионов двухвалентного железа составляла 0.37 г/л ч для мезофильной и 0.31 г/л ч для умеренно термофильной ассоциаций соответственно. Данные скорости характерны для активных железоокисляющих культур, поэтому они были использованы для окисления ионов железа в растворе, полученном после химического выщелачивания отвальных шлаков.
Биорегенерация растворов, полученных после химического выщелачивания отвальных шлаков.
Созданные ассоциации микроорганизмов были использованы в качестве инокулята при биорегенерации продуктивного раствора, полученного после химического выщелачивания отвального шлака. Использование мезофильной и умеренно термофильной ассоциаций показало, что окисление ионов железа происходило очень медленно, и после окисления половины ионов процесс биорегенерации прекращался. Это, возможно, было связано с наличием ингибирующих компонентов в растворе или е недостатком солей, необходимых для микроорганизмов.
Для снижения концентрации ингибирующих компонентов раствор после химического выщелачивания разбавляли раствором минеральных солей среды 9К в 2 (а), 3 (в) и 4 (е) раза, после чего вносили инокулят мезофильной или умеренно термофильной ассоциаций микроорганизмов.
Окисление проводили в колбах на 250 мл на качалке (170 об/мин) при температуре 30°С для мезофильной ассоциации и 40° С для умеренно термофильной. Возможность адаптации используемых микроорганизмов к компонентам продуктивного раствора определяли путем двух пассажей на той же среде.
На рис. 1 показана средняя скорость окисления ионов Ре2+ мезофильной ассоциацией микроорганизмов при различных разбавлениях продуктивного раствора, полученного после химического выщелачивания отвального шлака. Как следует из представленных данных, при разбавлениях продуктивного раствора в 3 и в 4 раза скорость окисления ионов железа возрастала при втором пассаже, что свидетельствовало об адаптации мезофильной ассоциации к компонентам окисляемого раствора. При этом максимальная скорость окисления, равная 0.32 г/л • ч (в), практически равна этой скорости в контрольном варианте, полученной на среде 9К (0.37 г/л • ч). Однако при наименьшем разбавлении рабочего раствора (а) ско-
БИОРЕГЕНЕРАЦИЯ РАСТВОРОВ
195
г/л • ч
0.35 -
0.30 -
0.25 -
0.20 -
0.15 -
0.10 -
0.05 -
0
1
Рис. 1. Средняя скорость окисления ионов Бе2+ мезо-фильной ассоциацией микроорганизмов при различных разбавлениях продуктивного раствора, полученного после химического выщелачивания отвального шлака: в 2 раза (а), в 3 (в) и в 4 (с). 1, 2 — пассажи.
рость окисления железа снижалась при втором пересеве, что свидетельствовало об ингибирующем действии высоких концентраций компонентов раствора на микроорганизмы мезофильной ассоциации.
При разбавлении продуктивного раствора в 4 раза железо было окислено полностью, концентрация ионов Бе3+ составила 10.8 г/л. При разбавлении в 3 раза также все ионы Бе2+ были окислены, концентрация ионов Бе3+ составила 15.2 г/л. При разбавлении в 2 раза максимальная концентрация ионов Бе3+ составила 19.4 г/л, но в растворе оставались ионы Бе2+ (3.0 г/л).
На рис. 2 представлена морфология клеток ме-зофильной ассоциации микроорганизмов после окисления продуктивного раствора, разбавленного в 3 раза. Видно, что в сообществе доминировали мелкие палочки, предположительно рода ЛайЫЫоЪасШт. Концентрация клеток микроорганизмов в 1 мл — 108—109, что является очень высоким показателем.
На рис. 3 показаны результаты расчета средней скорости окисления ионов Бе2+ умеренно термофильной ассоциацией микроорганизмов при раз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.