第6章 细菌浸铀

6.1 概述

6.1.1 概念与学科性质

微生物浸铀：利用微生物生化作用选择性提取矿石中的有用矿物（采矿），或从溶液、土壤中去除、回收有用矿物（环保、资源再生），或分解、合成矿物（生物成矿）的新学科；交叉学科含湿法冶金、矿物加工、化学工程、环境工程、微生物学。

• 湿法冶金：矿物原料在酸、碱水溶液中化学处理、萃取、杂质分离、金属提取；微生物浸矿即由微生物产生酸（碱）介质。
• 矿物加工：生物氧化（金包裹于砷黄铁矿FeAsS、黄铁矿FeS₂ 中，焙烧耗能、污染、效果差；

预氧化破坏包裹体使金解离，投资少、成本低、无污染）；生物分解（产酸分解碳酸盐、磷酸盐，CO₂ 溶成H₂CO₃ 加速）；生物浸出（难溶金属硫化物氧化、阳离子入液，实质是S²⁻氧化）。

• 化学工程：浸矿实为化学反应，氧化剂与酸由微生物产生。环境工程：减酸耗、减矿石切割运输与放射性粉尘、降渣放射性，菌体富集金属离子可用于修复。微生物学：菌种分离、纯化、选育是提高浸出效果与速度的关键。

6.1.2 发展历史

16 世纪德国Harz、西班牙Rio Tinto 已溶浸硫化矿石；1947 年Colmer 与Hinkle 从酸性废坑水分离出氧化亚铁硫杆菌；1953 年葡萄牙"镭公司"研究铀矿自然浸出，1956 年发表"铀的自然浸出"报告（细菌浸铀最早实例）；斯坦洛克矿1964 年起采空区细菌浸铀，月回收U₃O₈ 6804 kg、占全矿7%；1965 年葡萄牙堆浸45 t/a、加拿大井下83～87.6 t/a、法国井下与堆浸约40 t/a，20 年后加拿大生物铀年产420 t；法国埃卡尔勃耶尔矿改细菌浸出后1975 年产铀由25 t 增至35 t。

6.1.3 我国现状

研究起于20 世纪七八十年代、应用于90 年代初，涉铜、铀、金、银，以浸铜较广。湖南某铀矿最早：1965—1971 年中科院微生物所与核工业原五所做表外矿石堆浸，90 年代初核六所完成室内试验、采场低品位矿石原地破碎浸出研究及矿坑水留矿淋浸工业试验。1985 年云南腾冲381 矿岩型铀矿首次原地浸出，氧化剂为微生物，资源总回收率65%、金属成本降50%。细菌氧化已用于地浸、堆浸、原地破碎浸出处理低品位难处理矿石；较常规堆浸硫酸消耗降12.5%、浸出液铀浓度提高88.2%、周期缩短约一半。

6.1.4 发展趋势

菌种选育（驯化、诱变、基因工程）；扩展中温菌与嗜高温菌；浸矿机理；微生物生长规律、微生态与群落演替；向生物修复、生物选矿、原煤脱硫、精矿除杂、混合精矿分离拓展。

6.2 浸矿微生物

6.2.1 按温度分类

可浸矿细菌几十种：中温菌25～45℃、中等嗜热菌40～65℃、高温菌60～95℃。

6.2.2 三种主要浸铀菌

项目 氧化亚铁硫杆菌 A.ferrooxidans（T.f）

氧化硫硫杆菌 A.thiooxidans（T.t）

氧化亚铁钩端螺旋菌 L.ferrooxidans（L.f）

类型 革兰氏阴性无机化能自养菌革兰氏阴性无机化能自养菌螺旋菌能源 Fe²⁺与还原态硫；可氧化Fe²⁺、元素硫及几乎所有硫化矿物，有效分解黄铁矿元素硫及一系列硫的还原性化合物Fe²⁺来源 矿坑水、矿山淤泥，酸性环境多，中碱性少量矿坑水、矿山淤泥，酸性环境多矿坑水、淤泥，数量少、难分离，需异养菌双层平板形态 圆端短柄状，1.0～1.5×0.5～0.8 μm，端生鞭毛，能运动圆头短柄状，0.5×1μm，单鞭毛，能运动螺旋状，宽0.5 μm，极生鞭毛营养 无机营养：Fe²⁺、氮、磷、钾、镁、少量钙无机营养：硫磺、氮、磷、钾、镁、少量钙无机营养；有机物明显抑制生长pH 1～4.8，最佳1.8～2.5 0.5～6，最佳2～2.5 最佳2.5～3.0温度 2～40℃，最佳约30℃；

10℃基本失去氧化能力2～40℃，最佳约30℃ 40～50℃（中温菌）

GC 55%～57% 50%～53% 50%A.f 与T.t（或L.f）混合可提高分解硫化矿能力：A.f 以Fe²⁺为能源、产氧化剂Fe³⁺；T.t 以还原态硫为能源、产硫酸并迅速酸化矿石，为A.f 提供低pH 环境，二者互补。

6.2.3 采集、富集、分离纯化

• 取样点：铀矿酸性矿坑水处最佳，亦可购自菌种保藏机构；野生菌适应性更强。
• 器皿：50～200 mL 细口瓶洗净消毒，胶塞、牛皮纸包扎，121℃灭菌30 min。
• 采样：pH 1.3～3.5 酸性矿坑水及岩壁上已氧化成棕褐色的潮湿矿块；取样量≤瓶容积2/3（留空气）；贴标签记时间地点。
• 富集：利森或9K 培养基过滤除菌，每瓶20 mL，接种水样1～5 mL，20～30℃恒温振荡培养，颜色由浅绿变红棕即止。
• 鉴定：肉眼观色（Fe²⁺→Fe³⁺）；重铬酸钾容量法测Fe³⁺变化求氧化速率；镜检菌数与形态。
• 纯化：①稀释涂布平板——富集液用9K 稀释至10⁻¹～10⁻⁶，取10⁻⁴、10⁻⁵、10⁻⁶ 各0.2 mL 涂9K平板，倒置培养至铁锈色圆点菌落，挑菌接9K 液体振荡培养，反复三次；②终点稀释法——稀释至每管分配不到一个微生物，取最后一个有生长的试管菌液重复操作，得单菌纯培养。

6.2.4 生长曲线与计数

四期：延迟期（活菌数不增、生长速率常数为0，细胞变大、rRNA 升高、合成代谢活跃，对不良条件敏感；长短取决于菌种、菌龄、接种量、培养基成分）；对数期（几何增长，代时最短、代谢最旺，对理化因素敏感，可算代期G 与生长速率R）；恒定期（新增殖数等于死亡数、菌数最高，积累内含物与次生代谢产物，后期为最佳收获期）；凋亡期（死亡数超过新增殖数，出现"负生长"，细胞畸形、自溶，历时最长）。

计数：血球计数板（取80 或100 小格，限较大细胞）；涂片染色法（每mL 菌数＝视野平均菌数×涂布面积/视野面积×100×稀释倍数）；平板菌落计数（最常用活菌法，国标以30～300 个/皿为报告依据）；液体稀释法（查MPN 表）；干重法（干重为湿重10%～20%，单菌约10⁻¹²～10⁻¹³g）；比浊法；生理指标法（含氮量为干重：细菌12.5%、酵母7.5%、霉菌6.0%，×6.25 得粗蛋白）。

6.3 育种技术

6.3.1 驯化育种

驯化：用特定因素长期处理菌群并连续传代，累积并选择自发突变菌种。必要性：铀含量过高与有害杂质降低浸矿剂产生；盐分过高致渗透压抑制或死亡；重金属使蛋白凝固；氟等超过百万分之几即严重抑制。

• 矿浆驯化：培养基接入矿浆→接入A.f→变鲜红色（电位约500 mV，处对数期）→转入更高矿浆浓度培养基→反复，得适应力强菌株。原理：培养伴随浸出，各离子（含毒性离子）渐升，具适应性机制（基因表达增强或下降等）者存活，余者淘汰。
• 离子驯化：同法以离子替代矿浆，逐步提高毒性离子浓度以提高抗逆性。
• 比较：矿浆驯化涉及全部毒性因素、更全面，且提高耐搅拌剪切力，但离子浓度无法精测、适应时间长；离子驯化针对性强、浓度精确，但跨度大不利适应、时间短。搅拌浸出宜矿浆驯化、堆浸宜离子驯化、毒性因子多者宜矿浆驯化；可交替：先矿浆后离子。

6.3.2 诱变育种

理论基础为基因突变：染色体畸变（DNA 片段缺失、易位、逆位、重复）与基因突变（点突变，分自然与诱发）。诱变因素有物理、化学、生物，处理使DNA、RNA 结构改变、突变频率与变异幅度提高。流程：出发菌→新鲜孢子（细胞）悬液→诱变→稀释涂皿→单菌落。

• 紫外诱变：最有效波长253～265 nm，15 W、距离约30 cm；机制为形成胸腺嘧啶二聚体。步骤：性能稳定的出发菌→培养至对数期→制分散度90%～95%菌悬液→照射→后培养（正突变体培养基，适温1.2～1.5 h）→稀释涂皿。
• 化学诱变：碱基类似物（取代碱基经复制致突变）、烷化剂（取代DNA 活泼氢）、移码突变剂（致碱基增添或缺失）、羟化剂（专一诱发G:C→A:T）。
• 生物诱变：噬菌体、基因诱变剂。

6.3.3 杂交与基因工程育种

杂交优点：遗传物质交换重组、扩大变异范围，两株优良性状集于重组体；克服长期诱变致活力下降，降低"疲劳"效应。程序：选亲本→诱变筛选直接亲本→亲和力鉴定→杂交→选择性培养基分离→筛选重组体→鉴定。方法：常规杂交（接合、转化、转导、转染）；原生质体融合（酶解去壁后诱导融合，不受亲和力限制，可得远缘重组体）。基因工程：提取供体DNA、离体切割得目的基因，与载体连接导入受体细胞获新性状。

6.4 细菌浸出原理

6.4.1 总述

细菌直接氧化矿石金属（直接作用）；将低价铁氧化为Fe³⁺、硫氧化为H₂SO₄，氧化中晶格破坏、暴露更多金属；Fe³⁺把低价金属氧化为可溶高价金属并以硫酸盐转入溶液（间接作用）；Fe³⁺被还原为Fe²⁺再作能源被利用。故为完整闭路系统：细菌（生长代谢、氧化、产浸出剂）—矿石（金属氧化浸出、晶格破坏）—浸出剂（氧化还原、形成可溶性硫酸盐）。

6.4.2 直接作用

1）粘附：电荷说（细菌多带负电，与矿石表面正电荷相吸）、化学基团说（胞外多聚物含胺基、羧基、羟基、醛基与矿石表面基团结合）、菌膜说（附着后多聚物包裹菌体成疏水菌膜）。细菌多粘附于晶体表面镶布点、位错点；吸附力达纳牛（nN）级，含范德华力、化学键、疏水力。

2）电子传递：①细菌—矿石途径——吸附后氧化矿石中S 和（或）Fe 进行代谢，产Fe³⁺与H₂SO₄，氧化产生的电子传至细胞质膜，与呼吸氧结合成超氧阴离子，其强氧化性氧化矿石金属；

②氧化酶途径——自养菌呼吸均经细胞色素氧化酶（呼吸链最终酶，强氧化性），粘附后直接氧化矿石金属。

3）矿石氧化、晶格破坏：金属以可溶硫酸盐入液；因粘附于镶布点与位错点，晶格破坏、暴露内部金属，浸出持续。直接氧化不产S⁰，硫直接氧化为SO₄²⁻。

6.4.3 间接作用与原电池效应

间接作用三阶段：Fe³⁺与H₂SO₄ 产生→金属氧化、Fe³⁺还原为Fe²⁺→晶格破坏（金属成硫酸盐入液、暴露内部金属）；分悬浮细菌与粘附细菌两种情形。

原电池效应：两种以上金属硫化矿共存时浸出优于单一矿物——两固相接触并浸于电解质溶液，电位不同构成原电池，电子由低电位向高电位转移，低电位为阳极（供电子、氧化反应），高电位为阴极（受电子、还原反应）。

复合作用：部分细菌吸附（吸于表面固体产物上或未反应区胞外聚合物上）、部分游离。Fe²⁺大量存在时，游离菌氧化Fe²⁺获能，吸于胞外聚合物者亦只能氧化Fe²⁺维生，二者共产大量Fe³⁺，扩散入反应区氧化金属硫化物，生成Fe²⁺再入液氧化，循环浸出，以间接、接触间接作用为主；

Fe²⁺很少时硫化矿只能靠细菌氧化溶解，以直接作用为主。

6.4.4 主要反应式

• 亚铁氧化（产Fe³⁺、浸出剂再生）：4FeSO₄ + O₂ + 2H₂SO₄ —细菌→ 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O
• 元素硫氧化（产酸）：2S + 3O₂ + 2H₂O —细菌→ 2H₂SO₄
• 黄铁矿氧化：2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O —细菌→ 2FeSO₄ + 2H₂SO₄
• 辉铜矿氧化：Cu₂S + 2Fe₂(SO₄)₃ → 2CuSO₄ + 4FeSO₄ + S
• 铀氧化浸出 U(Ⅳ)→U(Ⅵ)：UO₂ + Fe₂(SO₄)₃ → UO₂SO₄ + 2FeSO₄

6.5 影响因素和浸出动力学

细菌浸出兼具细菌生长繁殖与生化反应、浸出剂与矿物的化学反应；细菌繁殖远慢于矿物化学反应，故细菌生长状况是制约环节。影响因素分微生物、工艺技术、物理化学及其他。

6.5.1 微生物因素

• 菌种：不同菌种对同一矿物效果不同；同种不同菌株不同；同株经不同条件培养驯化亦不同（首因基因差异，次为细胞壁变化，表面结构不同致附着能力与浸矿活性不同）。实际为混合菌液，关键使主要菌种占统治地位，如pH<1 时L.f 占主导、A.f 受抑。
• 适应性：含毒砂、辉锑矿时有毒矿物使适应性尤为关键，须长时间驯化。随适应期延长，菌浓增加、吸附加快、反应加快、硫化矿氧化率提高；金银回收率由未适应的47.3%、75.5%升至适应12 周的95.6%、98.02%。

6.5.2 营养与气体

介质须含氨、硫酸盐（钾盐）、磷酸盐、镁、钙及微量元素，并从空气摄取O₂、CO₂。

• 氮：铵盐供给，用于蛋白质与核酸合成；供足CO₂ 时各营养中只有氮影响明显。
• 磷：磷酸盐参与能量转移，且为Fe²⁺在细胞外壁氧化所必需（启动磷脂脂质体脂质过氧化）；其他养分充足时磷酸盐为浸出速率限制因素，黄铜矿浸出中15 mg/L 时速率最大。
• 能源：Fe²⁺与S 或还原态硫化物；硫供合成含硫氨基酸，氧化Fe²⁺亦需SO₄²⁻，但硫酸盐超12 g/L阻止铁氧化。
• 氧、CO₂：浸矿菌需氧，实际耗氧比水中溶氧多两个数量级，氧利用率仅4%～5%，须保持溶氧≥0.29 mg/L（35℃），临界可低至0.1 mg/L；氧化1 t 矿石约需2 t 氧（原矿与精矿同）；通气速度0.06～0.1 m³/(m³·min)，可补加1%～5% CO₂。

6.5.3 抑制组分与铁

含大量黄铁矿、毒砂时产生Fe²⁺、Fe³⁺、As³⁺、As⁵⁺、高浓度硫酸及可溶微量元素，超忍耐限度即中毒受抑。F⁻抑制最明显：300 mg/L 即100%抑制Fe²⁺氧化。铁特殊：Fe²⁺为能源、Fe³⁺为氧化剂，Fe³⁺被还原后再氧化循环，二者共存主导矿浆电位与酸度。高价铁受氢氧化物溶解度控制随pH生成不同沉淀；pH>2 生成Fe₂O₃·nH₂O（氧化铁凝胶），非结晶胶状、以悬浮物附于矿石表面，不妨碍菌矿接触。堆浸中浸出液总铁下降妨碍溶解、堵空隙、渗透性变差甚至短路，故酸度应控pH<2、最好≈1.5；需有Fe³⁺但过量不利。

6.5.4 矿石性质

• 决定浸出速率者为矿物性质；同株浸不同矿物效果明显不同。提高浸出率须：溶浸剂与最大限度暴露的矿物表面接触；接触面尽量大；O₂、CO₂ 能到达最大部分表面。
• 脉石：碱性（钙镁碳酸盐）耗酸大增成本，过多碳酸钙使CaSO₄ 饱和析出沉积矿块表面阻碍浸出；酸性矿石硫铁多、能量足、耗酸少，适合微生物浸出。浸矿前须分析矿石类型成分，并选育处理碱性矿石的菌种。
• 渗透性：矿石通过液体的能力，由孔隙度定但不与孔隙度成正比，取决于孔隙大小、总体积尤其联通性；脉石宜多孔。硅酸盐脉石吸水性皂土最强、高岭石次之、伊利水云母最差，膨胀性黏土严重降低渗透能力。
• 粒度与矿浆浓度：不影响通气与渗流时粒度越细比表面积越大、浸出快且率高；过细则堆紧、通气渗流受阻，含泥者泥质堵孔；堆浸微生物浸矿深度约15 mm（靠裂隙毛细作用）。搅拌浸出各有最佳粒度。堆浸与搅拌浸出中多数细菌吸附于矿石，流出液菌浓不高。搅拌浸出矿浆浓度10%～20%不影响，>20%浸出率明显下降，>30%细菌难生存（矿粒摩擦致脱落损伤、均摊菌数减少）。
• 化学成分：黄铁矿与黄铜矿共生时黄铁矿促进黄铜矿浸出；黄铜矿与方铅矿共存时方铅矿抑制。汞、砷、铅等溶解影响细菌生长甚至存活，有目的混矿或除杂可提高浸出率。

6.5.5 物理化学因素

• pH：须控pH 使目标菌大量繁殖。金精矿氧化产酸可使pH<1.0（低于A.f 范围），需加石灰或碱性调整剂；反应初期需加硫酸保pH≈2。含金原矿黄铁矿少、产酸不足须补酸防pH>2.2 生三价铁沉淀；硫化物产酸量与碱性组分耗酸量之比是关键。pH 不利影响：改变表面电荷影响营养吸收；影响有机物电离、改变渗入难易（非离子态更易）；影响酶活性干扰胞内生化。
• 温度：升温加快胞内反应，超一定值则功能急降甚至死亡；各菌有最低、最适、最高生长温度。浸矿放热，热量积累取决于硫化矿含量、氧化程度与速率、矿浆浓度，可超最适温度需冷却，硫化矿太少则需加温。
• Eh：氧化环境正电位、还原环境负电位；Eh 与氧分压有关并受pH 影响（pH 低则Eh 高）。代谢产抗坏血酸、H₂S 或有机硫氢化物（半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇）降Eh，耗O₂ 亦降；通空气或加双氧水提高Eh 以培养好氧菌。

6.5.6 其他因素

表面活性剂改善亲水性与渗透性、利于菌矿接触，各有最佳浓度，三种中以吐温20 最好（0.003%）。光照：紫外可灭菌，浸矿菌暴晒直射光下活力与繁殖受阻，深0.6 m 内浅池几乎无氧化作用，25℃时A.f 暗中浸黄铁矿优于白天。

6.5.7 浸出动力学

生长动力学：理想状态A.f 氧化Fe²⁺可用Monod 方程描述，生长速率与Fe²⁺浓度成正比，底物利用与菌体得率相关。多因素模型以Eh 为参数研究Fe²⁺氧化初速率，综合温度、Fe 浓度、细胞浓度、Eh、CO₂ 浓度及底物与细胞浓度的反馈抑制。体系复杂，模型只模拟某一方面，工业参数须由试验确定。

6.5.8 强化措施

①选育驯化高性能菌种（耐铀、耐氟、耐酸、耐剪切），用混合菌；②保证氮磷与能源，补1%～5% CO₂，通气0.06～0.1 m³/(m³·min)，充分搅拌或提高堆透气性；③控pH<2（最好1.5）防铁沉淀；④控温（过剩冷却、不足加温，低温区滴淋布液、废热加热浸矿液、制粒加热、矿堆覆盖保温）；⑤加吐温20（0.003%）；⑥矿浆浓度≤20%、优化粒度；⑦浸出剂经生物反应器氧化再生并闭路循环，维持Fe³⁺/Fe²⁺与Eh。

6.6 微生物浸出工艺

6.6.1 工艺分类

1）细菌堆浸：稀溶浸液喷淋矿石或废石堆，渗滤中经毛细与分子扩散选择性溶浸铀，浸出液送水冶厂提取；主要靠A.f 氧化黄铁矿与吸附尾液中的Fe²⁺为Fe³⁺完成低价铀氧化浸出。较常规氧化堆浸硫酸消耗降12.5%、浸出时间缩短32%～45%、浸出液铀浓度提高88.2%。

2）细菌地浸：与传统地浸类似，浸出剂为细菌或其产物；离子交换回收铀，吸附尾液全部返回、经生物反应器将Fe²⁺氧化为Fe³⁺后作菌液注入矿体，闭路循环。

3）细菌原地爆破浸铀：地表用细菌氧化Fe²⁺为Fe³⁺，同时注入驯化菌液，细菌黏附矿粒并氧化黄铁矿产硫酸高铁与硫酸，两方面共同作用提高浸出率、缩短时间、省酸。

4）细菌渗滤浸铀：泡浸靠毛细作用吸液入矿，渗滤终止时液体流出留于矿石表面，新溶液带走溶解铀，随新鲜液入毛细管过程重复。

5）细菌搅拌浸铀：矿浆与浸矿剂逆向流动，新矿浆入第一槽、浸出渣出第六槽，浸矿剂入第六槽、贵液出第一槽，每台浓密机停留5 h。缺点：矿浆浓度增大使矿粒碰撞频繁，微生物损伤死亡、氧化活性下降，Fe³⁺/Fe²⁺降低、Eh 下降，U(Ⅳ)氧化不完全。

6.6.2 适用条件

• 矿化程度：氧化物、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐矿石较适合；硅酸盐矿石难以甚至不能浸出。
• 围岩：碱性围岩生沉淀阻碍渗滤、产生死角、降低回收率；酸性围岩酸耗低有利浸出。含铀页岩几乎含细菌所需全部营养（硫化物、铁、磷酸盐、氮、有机物、微量元素），为良好浸出矿石。
• 最重要经济指标是黄铁矿最低含量；硅酸盐矿物酸耗低可降成本。基本要求：对细菌浸出敏感的铀矿物、含一定量黄铁矿、碱性化合物少、含所需营养。凡适合酸法堆浸、酸法地浸、酸法渗滤的矿石均可考虑；多数金属硫化矿与氧化矿可浸出。
• 不宜：含大量氟等卤族元素或汞等强毒性重金属的矿石；堆浸中含大量粘土、易泥化者（堵渗流通道、碍通风）；易生沉淀者（沉淀附着包围待浸矿物）。
• 判别：摇瓶试验3～4 周可得最大浸出率、浸出速度、酸耗与产酸量。

6.6.3 流程与浸出剂再生

五工序：①矿石准备（堆浸、渗滤为配矿—破碎—堆矿，搅拌浸出为配矿—破碎—磨矿，地浸为钻孔施工安装）；②浸出（浸出剂制备、粗矿块堆浸与渗滤、磨细矿浆搅拌浸出）；③固液分离（堆浸与渗滤直接得澄清液，搅拌浸出须过滤或逆流倾析洗涤，亦可粗砂分离后矿浆吸附，地浸含砂泥少只须澄清或砂滤）；④铀回收（沉淀、离子交换、溶剂萃取）；⑤浸出剂再生（回收金属后含Fe²⁺尾液全部或部分氧化再生后返回）。

再生三法：①尾液经生物反应器氧化再生返回，闭路循环；或部分再生、余者处理后排放，以控铁与杂质积累；②部分澄清浸出液不经金属回收直接氧化提高电位后返回，维持电位、省氧化剂；③尾液调酸后送堆浸场或采空区矿堆，靠矿堆细菌自行氧化再生，须加快循环、增透气性、补氮磷盐；此法令铁至少50%处氧化态、电位450 mV 以上即满足浸出，无需专门设备。

6.6.4 设备与连续培养

设备：喷淋布液装置；生物连续氧化装置（供菌液与尾液再生）；生物接触氧化槽（尾液再生，含硫酸亚铁与硫酸铵溶液配置槽、YDT 填料、KBB 布气头、填料支架、鼓风机、菌液储槽）。连续培养料液不断进入、菌液不断排出，细菌恒处对数期；关键是营养与O₂、CO₂ 充足、pH 与温度持续调至最适、菌种与接种量最优。

6.6.5 前期研究与试验方法

浸矿前须充分收集资料、做条件试验，并加强大规模系统试验（摇瓶、柱浸、室内搅拌浸出、条件优化、现场扩大试验），据此作战略决策。研究项目含工艺矿物学、堆浸/槽浸/就地破碎流程、破碎与最佳粒度、矿体渗透性、浸出率、浸矿剂选择、堆场或采场结构、筑堆方式、布液方式与速率、影响渗透性因素、强化浸出方式、提取与卸堆方法、环境保护。步骤：工艺矿物学研究→试验研究（小试、扩大、半工业与工业试验）→可行性研究→设计→施工验收→试车投产。

取样须具代表性（岩性、组分、品位代表未来生产矿石），分初样采取与缩分，方法有不规则舀取法、规则舀取法（方格）、堆锥四分法（最流行）、机械截取流动矿料；取样量按切乔特公式，缩减后样品一般200～300 g，一半作研究、一半作副样。样品分析：矿石类型与物质组成、矿物赋存与浸染特性、共生关系、品位、金属水溶性、粒级组成与金属分布、碎散度、裂隙、孔隙度、含泥率、堆密度、溶浸角、有害杂质。

实验室试验5 种：摇瓶（分批培养，一次加料、中途不加，适条件试验与菌种选育；不能给出地浸、堆浸动力学与最终浸出率，因粒度远低于实际，周期取决于细菌适应程度）；柱浸（地浸、堆浸的实验室模拟；柱径>矿粒直径10 倍减壁效应、柱高≥5 倍直径，材质PVC、有机玻璃或耐酸内衬钢筒、陶瓷、水泥；单柱高1200～6000 mm、高径比3～40、装矿3～140 kg、粒度3～50mm、最大块度≤柱径20%；先用硫酸预浸至pH 稳定1.5～2.5 再接种，可得耗酸量、浸出速度、pH 与电位变化、适宜粒度、浸出时间及固液比、干湿周期、渗滤速度）；槽浸；半连续浸出；连续浸出。扩大试验：搅拌浸出每次50～100 kg，渗滤与堆浸每次500～1000 kg，设备尽量用工业形式，据以作技术经济分析。

6.7 应用实例

6.7.1 湖南某矿贫铀矿石堆浸

矿石为放射分选厂尾矿，品位0.017%，沉积变质型，主要碳质石英岩与硅质页岩，坚硬致密，SiO₂>80%；铀以吸附态、细分散态沥青铀矿为主，含少量铀黑、铁铀云母、硅铀石，四价铀高于六价铀；伴生矿物主要为黄铁矿。菌种为矿坑水分离的A.f。

• 条件与半工业试验：-30 mm、-10 mm，pH=1.5 细菌浸矿剂堆浸，40 d 浸出率50%～60%，渣含铀<0.01%，较同条件稀硫酸堆浸省酸80%。
• 堆浸试验：用矿30 t、-50 mm、层高1.85 m，置不透水地面；分周期（每周期2～4 d）；第一周期用中和酸化水调pH=1.5 并接种50%驯化菌，以后用吸附尾液加5%上周期浸出液；每周期浸矿剂为矿石量2.5%、全过程34.5%；喷洒20～40 L/(m²·h)，温度25～37℃，总浸出12 d，每天淋12 h、停12 h；结束用pH=2.0 酸化水冲洗一天，按层高分上中下取样。
• 结果：每吨矿产浸出液0.3 m³，平均铀浓度0.24 g/L；平均酸耗（含培菌用酸）2.43 kg/t，为搅拌浸出酸耗的3%～4%，较酸法堆浸降80%以上；第一周期起Fe³⁺/Fe²⁺>1，以后Fe²⁺几乎全氧化；浸出液满足细菌营养，无需人工培养基。
• 工业试用：酸法堆浸场2%硫酸、约-100 mm，3 堆各约2000 t、层高约2 m、轮浸每堆3 个月，品位约0.02%、浸出率约35%。其中一堆浸1 个月后铀浓度降至20 mg/L、共浸出铀34 kg，改细菌浸出后升至160 mg/L，再42 d 降至30 mg/L、又浸出34 kg，合计浸出率增至40%；较稀硫酸堆浸省酸80%、时间减约1/3。粒度-30 mm 时40 d 细菌浸出，渣<0.01%、浸出率>50%；处理0.02%品位尾矿每吨铀成本（不计矿石费）与普通水冶厂酸浸0.08%～0.1%品位矿石相近。

6.7.2 某县铀矿原地破碎法浸铀

矿体为不规则扁柱状、透镜状急倾斜矿体，矿石与围岩稳固坚硬（f=14～18）、不结块；成分SiO₂ 83.18%、FeS₂ 6.63%、Al₂O₃ 2.69%；含沥青铀矿，以角砾状为主、浸染状次之，属硅酸盐或铝硅酸盐型，浸出性能好。原用上向水平干式充填法，工序复杂、成本高、效率低、外运费用大，故改用与井下就地破碎堆浸结合的细菌浸出。

130 m 中段33 号矿房工业试验，分破碎与淋浸两阶段：先碎高品位矿运出，再将低品位及上下盘表外矿崩落留于矿房作淋浸对象。淋浸两阶段：分层向上破碎时每天洒水（含打钻、降尘水）实现初期淋浸；破碎结束后装喷淋管路（沿采场长轴设总管、垂直矿房走向设支管、每支管竖1 m 直管带塑料喷头）。浸矿液为清水，经矿堆与黄铁矿及氧作用生成"细菌、硫酸铁、硫酸"浸矿液，与铀矿物作用得含铀溶液，经天井流出进入污水系统，最终产出化学浓缩铀。雾式间歇喷淋，连续喷至浓度降至一定值后停2～5 d 再循环，喷淋强度6～11 L/(m²·h)。

效果：浸出液仅40～50 mg/L、尚未淋完时，以地质金属储量计回收率已达82.11%。清水可浸出原因：①具备Fe、S 基础（FeS₂ 平均6.63%、FeO 1.35%、Fe₂O₃ 0.36%、CO₂ 0.26%）；②浅眼爆破块度均匀并生众多微裂缝，毛细管使活性离子进出；③矿堆下部为疏松充填体、矿房周围无矿房，保温好；④分层上采洒水使黄铁矿起反应产FeSO₄ 与H₂SO₄，氨油炸药爆破留下细菌所需氮；

⑤矿体倾角大、围岩不含水、裂隙被粘土充填、矿堆下部有混凝土底层，浸出液流失少。浸出液检出大量A.f，渣样上部品位高于下部，说明下部细菌催化激烈；机理分析限于间接作用，不排除破坏硫膜与直接浸蚀。

6.7.3 铜铀共生矿渗滤浸出

湖南某铜矿为铜铀共生矿，精矿火法炼铜，尾矿、炉渣与井下贫矿仍含铜、铀，用细菌渗滤浸出回收。物料分四池：浮砂；重砂与矿泥（1:1）；炉渣与矿泥（1:3）；井下贫矿石。细菌为氧化铁硫杆菌，首批浸出剂为硫酸溶解废铁屑所得FeSO₄ 溶液（Fe²⁺ 26 g/L），加营养物并接种，常温20～35℃充气培养1～3 d 使Fe²⁺几乎全氧化；以此为第一批浸矿剂，之后用置换沉淀铜后的母液经细菌氧化再生返回，循环使用。回收率Cu 85%～90%、U 68%～80%。

6.7.4 加拿大伊利奥特湖地区

• 斯坦洛克矿：1964 年10 月停常规采矿、全矿改细菌浸出，在1200 个工作面（每个约540 m²）

回收矿柱与低品位矿中的铀，月产U₃O₈ 6800～7300 kg；矿坑水pH≈3.0，高压水冲洗工作面，含铀水集中泵送地表回收；至1965 年夏成本由5 美元/磅U₃O₈ 降至3.5 美元/磅。曾播洒干培养基30g/m²，与不洒者对照效果不明显。冲洗生产稳定，有的采场冲洗15～18 个循环仍能浸铀；后向东部采区充入湖水10～15 万t，靠细菌溶铀、离子交换回收、尾液返回循环，后又用于西部采区，此法生产十余年。

• 米利根矿：1964 年停常规采矿改细菌浸出，用水取自附近停产的拉克诺矿经钻孔引入，pH=3.45、含铀70 mg/L；含菌酸性水冲洗工作面，每3 个月一循环；每面撒18 kg 培养基使周期由3 个月缩短为4～5 周、产量提高；浸出液铀0.135 g/L，泵送地表离子交换回收，一年多浸出铀576 072 kg。
• 旦尼生矿：从矿坑水（铀70 mg/L）回收铀以防设备腐蚀与水体污染；用酸性矿水冲洗工作面与矿壁，残留细粒高品位矿石喷淋后浸出液铀浓度高达8 g/L U₃O₈。该地区已用此法浸出成百万吨贫铀矿石。
• CCD 中间试验厂：浓密机直径0.95 m、高4.5 m，6 台串联；新矿浆入第一槽、渣出第六槽，浸矿剂入第六槽、浸出液出第一槽，逆流；富铀液用离子交换或溶剂萃取回收，尾液进充气槽氧化再生后返回。矿石品位0.12% U₃O₈、-200 目占65%、矿浆浓度35%，加热至32℃，浸出剂为pH=1.8、含6 g/L Fe₂(SO₄)₃ 的细菌氧化液，每台停留5 h，通空气搅拌供O₂、CO₂，经6 台45 h 铀浸出率增至90%。