Биогеотехнология извлечения золота из сульфидных руд и концентратов.

Биогеотехнология переработки упорных золотомышьяковых концентратов основана на бактериальном окислении сульфидных минералов, прежде всего арсенопирита и пирита, для вскрытия находящихся с ними в тесной ассоциации тонкодисперсных и субмикроскопических частиц золота.

Необходима государственная поддержка для продолжения фундаментальных исследований в области разработки новых, более экономически выгодных, высокоэффективных и ресурсосберегающих биогеотехнологий извлечения золота и выщелачивания цветных металлов и создания опытно-промышленной установки для апробации этих технологий с целью их последующего внедрения на существующих золотоизвлекательных фабриках и горнообогатительных комбинатах, получающих цветные металлы.

Использование новых, более экономически выгодных, интенсивных, высокоэффективных и ресурсосберегающих биогеотехнологий дадут России дополнительные тонны золота и сотни тысяч тонн цветных металлов, будут способствовать промышленному росту страны, повышению эффективности извлечения металлов из упорного минерального сырья. Биогеотехнология позволит вовлечь в производство неперерабатываемые низкокачественные промпродукты и техногенное сырье различных металлов.

Чтобы извлекать драгметалл из глубоко залегающих и сложносоставных рудных тел, нужны новые технологии – традиционная добыча с помощью гравитационного способа извлечения металла уже неэффективна. Новыми технологии можно считать весьма условно: значительная часть из них существовала еще в конце прошлого века, однако активное применение инноваций началось с добычи не золота, а никеля и меди.

Перспективы использования бактерий-золотодобытчиков.

Основных технологий обогащения руд драгметаллов сейчас применяется несколько. Это кучное выщелачивание, гравитационно-флотационный цикл, уголь в пульпе (CIP), биовыщелачивание. Технология основана на гидрометаллургических процессах, при которых сложенная в штабель дробленая руда орошается цианистым натрием. В результате драгметалл извлекается из руды в раствор, затем раствор очищается путем фильтрации, и золото извлекается методом цементации или сорбции и электролиза. Различные виды выщелачивания в основном построены на селективном растворении металлов за счет их окисления в результате взаимодействия с химическими реагентами и преобразования в легкорастворимые соединения, из которых легко извлечь осажденные металлы.

Помимо различных видов выщелачивания – химического, бактериального, электрохимического и радиационно-химического, существуют также разные технологические схемы этого способа обогащения руд – автоклавное (в том числе перспективная технология Activox), кучное или подземное шахтное и скважинное выщелачивание. Поскольку при выщелачивании используются высокотоксичные реагенты, эти методы требуют значительных затрат на проведение мероприятий по защите окружающей среды. Бактериальное выщелачивание металлов из руд может происходить под прямым воздействием как различных групп микроорганизмов, так и продуктов их жизнедеятельности – метаболизма, или других органических веществ.

При бактериальном выщелачивании сульфидных мышьяковистых руд тионовые бактерии путем окисления разрушают кристаллическую решетку сульфидов и вскрывают пирит или аресенопирит, обеспечивая реагентам доступ к вкраплениям золота. Биовыщелачивание также может проводиться за счет окисления минеральных руд с помощью мутирующих бактерий – мутагены увеличивают концентрацию раствора в золоте в четыре-пять раз по сравнению с выщелачиванием обычными бактериями. Перспективность технологии определяется тем, насколько она подходит для данного типа руды. Наиболее дешевое по затратам – кучное выщелачивание. Однако у этого способа невысокие показатели извлекаемости, и не для всех типов руд оно подходит. Также часто не дает высокого коэффициента извлечения драгметаллов и гравитационно-флотационный цикл.

Наиболее перспективна технология биовыщелачивания, при помощи которой будут запускаться новые крупные проекты: В России и СНГ биовыщелачивание внедрено на Олимпиадинском месторождении "Полюс Золота" и месторождении Суздаль в Казахстане (разрабатывает Северная золоторудная компания, "Северсталь"). В то же время для руд целого ряда крупных, еще не вовлеченных в отработку месторождений, в том числе Майского, Нежданинского, и казахстанского Бакырчика, это единственная возможная технология.

Более широкому применению биовыщелачивания мешают нестабильность извлекаемости при изменении характеристик руды, технологическая сложность и высокая стоимость таких проектов. Кроме того, в холодном климате для работы бактерий необходимо поддержание стабильной температуры, а значит, нужны дополнительные энергозатраты – это актуально для расположенного на Чукотке Майского. При условии решения этих проблем биовыщелачивание наиболее многообещающая технология. Значительный прорыв в использовании метода биовыщелачивания руд драгметаллов должна обеспечить возможность применения этой технологии в холодном климате под открытым небом, в режиме кучного или кюветного выщелачивания. Аналогичные процессы разработаны для никелевых и медных сульфидных руд, и их применение на золотосульфидных рудах не будет иметь радикальных отличий, хотя и потребует специального подбора экономичных и эффективных реагентов–растворителей золота.

Большое количество избыточной биомассы, образующейся при работе очистных сооружений, и необходимость ее утилизации представляют собой са­мостоятельную сложную проблему, особенно при удалении радионуклидов из загрязненной воды. Необходимость безопасного концентрирования объеми­стых радиоактивных шламов и захоронения полученных концентратов сильно ограничивает возможности применения таких сооружений как аэротенки для масштабной очистки сточных вод от радионуклидов. В этих случаях необходимо комбинирование аэротенков с другими методами доочистки.

Вариантом биосорбционного метода является использование не нативной, а инактивированной или модифицированной биомассы, а также выделенных из нее или других материалов биополимеров, обладающих повышенным сродст­вом к металлам и радионуклидам.

При использовании биосорбентов на основе мертвых клеток нет необходи­мости поддерживать оптимальные для живых клеток параметры среды и вно­сить питательные вещества. Кроме того, мертвую биомассу можно подвергать различным видам предварительной обработки с целью повышения ее емкости и селективности. Эти биосорбенты могут работать при условиях, ингибируюших жизнедеятельность живых клеток.

Сорбционные свойства микробной биомассы можно изменить обработкой при повышенных температурах, действием щелочей или кислот, органических астворигелей, детергентов. Так, сорбенты на основе метанокисляющих бактерий Methanococcus capsulatus, иммобилизованной биомассы бактерий Bacillus subtllis, мицелия микроскопических грибов Mucor mucedo, Rhizomucor michei, мицелиальных отходов продуцентов антибиотиков, обработанных растворами NaOH или КОН при температуре 50-100 °С, способны связывать катионы тяжелых металлов в количестве до 100-200 мг/г. Гранулированные сорбенты, полученные на основе бурой морской водоросли ламинарии путем ее высокотемпературной обработки щелочью и альгиновой кислотой, эффективны для изъятия большинства металлов.

Уменьшение или увеличение сорбционной способности модифицированной биомассы определяется механизмом поглощения металла и изменением свойств центров связывания на поверхности клеток. Например, обработка биомассы микроводоросли Chlorella regularis горячей водой, органическими растворителями, щелочью снижает поглощение уранил-иона. Аккумуляция его нативными клетками происходит, в основном, за счет связывания активными центрами внутри клеток, поэтому на этот процесс отрицательно влияют все отмеченные способы обработки. Напротив, связывание тяжелых металлов клетками дрожжей S. cerevisiae и гриба R. arrhizus происходит на поверхности, и их обработка детергентами или органическими растворителями, снижаюющая содержание липидов, приводит к увеличению сорбирующей способности. Биомасса бактерий Micrococcus luteus перестает сорбировать стронций после обработки ее НС1. Обработка биомассы ферментом лизоцимом, гидролизующим связи полимера клеточной стенки пептидогликана, снижает в 2 раза связывание стронция. После действия реагентов, экстрагирующих липиды и тейхоевые кислоты, сорбционная емкость снижается мало. Обра­ботка щелочью и простое кипячение приводят к повышению сорбции на 30%. Обработка детергентами также увеличивает концентрацию стронция, связан­ного биомассой.

При однократном использовании биомассы с целью извлечения металла или компактизации отходов ее можно сконцентрировать, переработать в анаэ­робном реакторе и вновь сконцентрировать, а затем либо сжечь (озолить), либо разрушить концентрированной щелочью или кислотой. Однократное использование требует переработки и обезвоживания суспензий с невысоким содержани­ем микроорганизмов, высоких дополнительных затрат и приводит к существен­ным потерям сорбированных биомассой металлов с возможностью повторного попадания части их в окружающую среду.

При многократном использовании биомассы или биосорбента сорбирован­ные на биомассе металлы могут быть переведены в раствор под действием раз­личных элюентов. В процессе десорбции получают растворы с концентрацией гяжелых металлов, намного превышающей содержание их в растворах, исполь­зовавшихся для биосорбции. Это позволяет в дальнейшем выделять металлы из растворов традиционными методами. Так, при десорбции урана с биомассы R. arrhizus при емкости биомассы 180-230 мг U/r сухой биомассы и соотноше­нии биомассы к объему элюента 120:1 конценграция урана в растворе после де­сорбции достигает 39 г/л.

Десорбирующие реагенты не должны снижать сорбционную активность биомассы, должны быть достаточно активными, чтобы элюирование металлов происходило малыми объемами элюента, иметь невысокую стоимость. Предпо­чтение отдают десорбирующим реагентам, образующим хорошо растворимые соли или комплексы с металлами.

В настоящее время разработаны промышленные биосорбенты многократно­го действия, обладающие необходимыми технологическими и экономическими характеристиками, которые позволяют не только очищать загрязненные водные среды, но и разрабатывать экономичные технологии выделения ценных метал­лов из отходов и обедненных руд, что значительно расширяет потенциальный рынок сбыта. Такие сорбенты получают путем иммобилизации клеток микро­организмов на носителях, химической модификацией с полимеробразующими реагентами в виде фанул, пластин, волокон, различных пористых материалов.

При бурении жизнедеятельность целлюлозоразлагающих и других видов бактерий приводит к быстрому ухудшению технологических свойств бурового раствора, которое выражается, в частности, в повышении показателя фильтрации. При добыче нефти методом заводнения пласта вместе с закачиваемой водой бактерии поступают в систему поддержания пластового давления, в пласт и в систему сбора и подготовки нефти при использовании поверхностных вод. Повышенная зараженность нефтепромысловой воды разнообразными группами бактерий приводит к снижению проницаемости пород, закупориванию призабойных зон и, как следствие, к снижению нефтеотдачи. Жизнедеятельность микроорганизмов в системе нефтесбора и ППД1 приводит к резкому увеличению скорости наиболее опасной локальной коррозии оборудования. Доказано, что основную опасность представляют так называемые сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ).

Известно, например, что в стерильной среде, содержащей до 500 мг/л сероводорода, скорость коррозии низка из-за пассивации поверхности (образуется пленка сульфида железа), а при заражении СВБ защитная пленка разрыхляется и скорость коррозии резко возрастает (1). Это обусловлено образованием на поверхности металла колоний микроорганизмов, которые выделяют концентрированный сероводород, усиливают электрохимическую коррозию за счет повышения проводимости между катодными образованиями сульфида железа и анодной поверхностью металла (т.е. за счет деполяризации на локальных участках поверхности), а также изолируют поверхность металла от воздействия обычных ингибиторов коррозии.

Исследования, проведенные на месторождениях, входящих в ООО «Лукойл-Коми», показали, что при концентрации сероводорода в объеме среды около 100 мг/дм³ под отложениями продуктов коррозии и адгезионных форм бактерий концентрация биогенного сероводорода достигает 1400 мг/дм³. Это приводит к увеличению скорости коррозии локальных участков: в системе ППД – до 3,5 мм/год, а в скважине – до 25-30 мм/год. Разрушения на водоводах носят язвенный характер, располагаются по нижней образующей труб под слоем продуктов коррозии, характеризуются наличием слизи, липкостью и хорошей сцепляемостью с поверхностью (2).

Считается, что наиболее благоприятными условиями для сульфатредукции в нефтяных пластах являются температура 35-40°С, присутствие углеводородокисляющих бактерий, продукты жизнедеятельности которых служат источниками питания для СВБ, и наличие достаточного количества сульфатов. С увеличением обводненности, содержания углекислого газа и СВБ создаются условия для роста аварийности трубопроводов систем нефтесбора и ППД1 (3).

Процессы активной жизнедеятельности СВБ катализируются ионами железа, поэтому наиболее благоприятные условия для образования адгезионных форм бактерий формируются в системе подготовки нефти и утилизации сточных вод промыслов. Кроме резкого увеличения скорости локальной коррозии, под биоценозом неизбежно происходит активный процесс сульфидного наводороживания металла, что приводит к его хрупкости и еще быстрее выводит из строя стенку трубы или днище емкости (6).

ПОДАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ СВБ ПРИ ПОМОЩИ БАКТЕРИЦИДОВ

Наиболее распространенным методом подавления жизнедеятельности микроорганизмов в условиях нефтедобычи является применение химических реагентов органической природы – бактерицидов.(4).

Для подавления жизнедеятельности СВБ ОАО НПО «Технолог» выпускает 6 марок бактерицидных препаратов серии ЛПЭ; последовательное применение различных бактерицидов этой серии исключает адаптацию бактерий. Начало производству и применению бактерицидов ЛПЭ было положено в 1986 году освоением промышленного производства первого препарата этой серии – «Бактерицида ЛПЭ–11». Более 20 лет научных исследований позволили многократно повысить эффективность бактерицидов ЛПЭ и отработать методику их применения. На бактерициды ЛПЭ имеются все необходимые сертификаты и разрешения на применение в процессах добычи и подготовки нефти. Полное подавление СВБ достигается, в зависимости от марки препарата, при дозировке от 50 до 300 мг/л.