ВЛИЯНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ НА ПРОЦЕССЫ БИОВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ

В настоящее время в горнодобывающей промышленности широко применяется технология бактериального выщелачивания, которая является серьезной альтернативной технологией извлечения металлов из руд [3, с.5 6; 9, с. 980]. Основа технологии биовыщелачивания - использование окислительно-восстановительных качеств ряда микроорганизмов [1, с. 695; 2, с. 502]. Однако при применении технологии биовыщелачивания для переработки техногенного сырья необходимо учитывать ряд факторов как температурный режим, условия биогенного питания и аэрации [7, с. 665]. Кроме того, методы биовыщелачивания не могут быть применимы ко всем типам техногенных и минеральных отходов и нуждаются в корректировке состава консорциума используемых микроорганизмов или условий их культивирования [4, с. 140].

Среди основных групп бактерий, наиболее часто используемыми в биогидрометаллургии, выделяют ацидофильные и хемолитотрофные микроорганизмы - Acidithiobacillus fеrrоохidans [6, с. 142; 7, с. 665], Acidithiobacillus thioxidans [13, с. 730], Leptospirillum fеrrоохidans [8, с. 446] и Sulfobacillus thermosulfidooxidans [14, с. 55]. Кроме того, в последние годы широко используют грибы, такие как, Penicillium sp. и Aspergillus niger [11, с. 64]. Исследования показывают, что под действием различных физико-химических и минералогических факторов формируются новые консорциумы микроорганизмов [5, с. 119]. С другой стороны, на процессы биовыщелачивания ценных компонентов из руд и техногенных отходов влияют и технологические характеристики исходного сырья [10]. В этой связи целью исследования было изучение влияния фракционного состава отходов на биовыщелачивание ряда металлов.

Элементный состав отходов определялся методом атомно-адсорбционного анализа на спектрометре AAnalyst 800 (Perkin-Elmer).

Для выделения и культивирования микроорганизмов использовались соотвествующие питательные элективные среды: для Acidithiobacillus  ferrooxidans- среда Сильвермана и Лундгрена 9К; для Nitrosomonas europeae -среда Виноградского; для микромицетов- жидкая и твердая среда Чапека [5, с. 118]. Биовыщелачивание в перколяционных установках проводили при параметрах: соотношение Т:Ж=1:3, температурном режиме +22+24⁰С , время экспозиции - 1 месяц. В качестве контроля использовалась серная кислота (H₂SO₄ -3,0 г/л). Для лабораторного опыта образцы отходов измельчались в ступке. Полученные образцы пропускались через сита различного диаметра, квартовались.

Статистическая обработка полученных результатов проводилась на базе пакетов прикладных программ “Excel”[12, с. 442].

В результате проведенных исследований установлено, что процессы выщелачивания ценных компонентов из металлсодержащих отходов зависят не только от вида используемых микроорганизмов, но и от фракционного состава отходов. Выявлено, что каждая группа микроорганизмов избирательно извлекает металлы. Например, при использовании нитрифицирующих бактерий Nitrosomonas europeae для выщелачивания марганца, никеля, селена, стронция, кадмия и теллура оптимальным размером фракции свинцово-цинковых отходов является 0,25-0,5 мм. При этом, если из фракции 0,5-1,0 см извлекается марганца 1080,612 ррb, то из фракции 0,25-0,5 см -1236,908 ррb. Из фракции 0,12-0,25 см извлечения марганца не происходит. Аналогичные результаты получены и по извлечению стронция, где из фракций 0,5-1,0 см и 0,25-0,5 см извлекается 328,061 ррb и 509,926 ррb соответственно.

В случае с использованием культуры микромицетов Aspergillus niger данная фракция также является оптимальной для извлечения титана, ванадия, стронция, серебра, кадмия, теллура, таллия. Так полученные данные по извлечению стронция показывают, что из фракций 0,5-1,0 см, 0,25-0,5 см и 0,12-0,25 см стронций извлекается в количестве 128,971; 177,848 и 168,682 ррb соответственно. Данная закономерность сохраняется и для благородных металлов, извлекаемых в незначительных количествах. Так из фракций 0,5-1,0 см, 0,25-0,5 см и 0,12-0,25 см серебро извлекается в количествах 10,19; 13,17 и 11,86 ррb соответственно.

С другой стороны, уменьшение фракционного состава отходов способствует извлечению в раствор лантана, серия и неодима. Извлечение данных РЗЭ с помощью микромицета A. niger отмечено только из фракций 0,12-0,25 см в количестве, ppb: La-0,021; Се -0,064; Nd-0,021. В случае использования нитрификаторов N. europeae извлечение лантана составило, ppb: из фракции 0,5-1 см- 0,085, а из фракции 0,12-0,25 см –уже 0,128. Аналогичные результаты получены и для церия с неодимом, где соответственно фракциям 0,5-1 см и 0,12-0,25 см извлечено, ppb: церия - 0,175 и 0,32; неодима - 0,054 и 0,111 соответственно.

Биовыщелачивание в кислых средах с применением ацидофильных микроорганизмов Acidithiobacillus ferrooxidans показало оптимальность использование фракции 0,5-1 см для извлечения ценных металлов. Так извлечение серебра из фракций 0,5-1,0; 0,25-0,5 и 0,12-0,25 см составило, ppb: 10,33; 0,987 и 0,537 соответственно. Извлечение золота из этих же фракций составило, ppb: 13,004; 8,705 и 4,308 соответственно. Закономерность сохраняется для извлечения марганца, меди, цинка, титана, кадмия, хрома, олова, теллура. В кислой среде наряду с благородными и радиоактивными металлами из данной фракции отходов извлекаются РЗЭ: лантан, церий, неодим, тулий.

Таким образом, фракционный состав отходов влияет на выбор микроорганизмов, используемых для биовыщелачивания ценных компонентов. Фракция 0,12-0,25 см является эффективной при использовании микромицетов Aspergillus niger и нитрификаторов Nitrosomonas europeae, а фракция 0,5-1 см –для применения тионовых бактерий Acidithiobacillus ferrooxidans.

Список литературы:

1.   
2. Chi T.D., Lee J.-c., Pandey B.D., Jeong J., Yoo K., Huyung K., Hai T. Bacterial cyanide generation in presence of metal ions (Na1 +, Mg2 +, Fe2 +, Pb2 +) and gold bioleaching from waste PCBs//J. Chem. Eng. – Jpn, 2010. -P. 692–700.
3. Haragobinda S, Ashish P, Dong JK, Seoung-Won L. Comparison of Bioleaching of Metals from Spent Petroleum Catalyst Using Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans. -International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering. -2013, №7.-рр. 499-503.
4. Ibrahim H. A., E. M. El- Sheikh. Bioleaching Treatment of Abu Zeneima Uraniferous Gibbsite Ore Material for Recovering U, REEs, Al and Zn. Res.- J. Chem. Sci. -2011, vol. 20111, № 1.- pp. 55–66.
5. Ilyas S.,  Lee J.-c., Chi R.-an. Bioleaching of metals from electronic scrap and its potential for commercial exploitation.-Hydrometallurgy.– 2013,Vol.131–132. -рр.138–143.
6. Issayeva A.U., Tleukeeva A.Ye. Phosphorus-Containing Wastes of Southern Kazakhstan: Mineralogical and Microbiological Characteristics.- Resources and Environment.-2016;  6(6). –рр. 117-121. doi:10.5923/j.re.20160606.03
7. Jahani S., Fatemi F., Firoz-e-zare M. A., Zolfaghari M. R. Isolation and Characterization of Acidithiobacillus ferrooxidans Strain FJS from Ramsar, Iran.- Electronic Journal of Biology.- 2015, Vol.11(4).-рр. 138-146
8. Kaibin F, Hai L, Deqiang L, Wufei J, Ping Z. Comparsion of bioleaching of copper sulphides by Acidithiobacillus ferrooxidans.- Environ Geochem Health.- 2014, 13.-рр. 664-672
9. Lavalle L, Giaveno A, Pogliani C, Donati E. Bioleaching of a polymetallic sulphide mineral by native strains of Leptospirillum ferrooxidans from Patagonia Argentina.- Process Biochemistry.- 2008, 43. –рр.445-450.
10. Pant D., Joshi D., Upreti M.K., Kotnala R.K. Chemical and biological extraction of metals present in E waste: a hybrid technology.- Waste Manage.– 2012, №32. -рр. 979–990.
11. Reed D.W., Fujita Y., Daubaras D. L., Jiao Y.,Thompson V. S. Bioleaching of rare earth elements from waste phosphors and cracking catalysts. -United States.-2016. -Web. doi:10.1016/j.hydromet.2016.08.006.
12. Saanthiya D, Ting Y-P. Use of adapted Aspergillus niger in the bioleaching of spent refinery processing catalyst.- Journal of Biotechnology.- 2006, 121.- рр.62-74.
13. Schabenberger O, Pierce FJ. Contemporary statistical models for the plant and soil  Sciences.- CRC Press, Boca Raton.- 2002- 442 р.
14. Wang J, Zhu S, Zhang Y. Bioleaching of low-grade copper sulfide ores by Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans.- Journal of Central South University. -2014, 21.- рр.728-734.
15. Xia JI, Yang Y, He H, Liang CL, Zhao XJ, Zheng L, Ma CY, Nie ZY, Qiu GZ. Investigation of the sulfur speciation during chalcopyrite leaching by moderate thermophile Sulfobacillus thermosulfidooxidans.- International Journal of Mineral Processing.- 2010, № 94.-рр. 52-57.