如何把廢礦、貧礦變“廢”為寶？怎樣更好地降低冶金業(yè)的污染？一直是業(yè)內(nèi)人士的熱點(diǎn)話題。

新近研究發(fā)現(xiàn)，一些靠“吃礦石”為生的微生物正通過“生物冶金”的方式在這些方面有所作為，而這卻鮮為人知。

不久前，尚普咨詢?cè)凇?013-2017年中國(guó)冶金市場(chǎng)分析調(diào)研報(bào)告》中指出，21世紀(jì)是生物技術(shù)飛躍發(fā)展的一個(gè)世紀(jì)，生物冶金也將會(huì)有更進(jìn)一步的滲透和影響。

所謂生物冶金，即利用微生物的自然代謝過程，將礦石中的有價(jià)元素選擇性浸出，直接高效制取高純度金屬的方法，主要應(yīng)用于傳統(tǒng)技術(shù)無法處理的低品位礦、廢石、多金屬共生礦等。

業(yè)內(nèi)專家表示，生物冶金技術(shù)由于其具有利于環(huán)境保護(hù)、基建投資少、運(yùn)作成本低等優(yōu)越性，有望促進(jìn)整個(gè)冶金行業(yè)的快速發(fā)展。

貧礦開發(fā)的“金鑰匙”

品位低是我國(guó)礦產(chǎn)資源的顯著特點(diǎn)。資料顯示，我國(guó)銅礦的平均品位僅為0.87%，大于200萬噸級(jí)的超大型銅礦品位基本上都低于1%；鎳鈷貧礦占到總儲(chǔ)量的30%~40%；鐵礦貧礦占到總儲(chǔ)量的95%；錳礦貧礦占到總儲(chǔ)量的93%。

隨著貧、細(xì)、雜為突出特點(diǎn)的難選冶礦石所占比例不斷上升，常規(guī)選冶方法在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都面臨挑戰(zhàn)。

中國(guó)工程院院士、中南大學(xué)教授邱冠周表示，傳統(tǒng)的采礦、選礦、冶金工藝在處理低品位礦產(chǎn)資源時(shí)，存在低效率、長(zhǎng)流程、高成本、重污染等問題，這使得新型工業(yè)化發(fā)展的支撐日趨乏力。為此，生物冶金這一能控制成本、節(jié)能高效、操作簡(jiǎn)易、環(huán)境友好的處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

“這些以礦石為食的微生物屬于一類化能自養(yǎng)菌，它可以把礦物里的Fe2+轉(zhuǎn)換成Fe3+，把硫轉(zhuǎn)換成硫酸，并通過氧化過程獲取能量。同時(shí)，礦石由于被氧化，從不溶于水變成可溶，人們也就能夠從溶液中提取出礦物。”中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所研究員張廣積對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者解釋說。

該所另一位副研究員李浩然也對(duì)記者表示，低品位、難處理的金屬礦物，如金、錳、銅、鎳、鋅等，均適合利用微生物進(jìn)行冶煉，這些微生物一般多耐酸，甚至在pH1以下的環(huán)境中仍能生存。

不僅如此，在北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院教授李宏煦看來，與傳統(tǒng)資源加工技術(shù)不同的是，生物冶金只需要利用微生物、空氣和水這三大天然物質(zhì)，在低溫低壓的環(huán)境下就可以從礦石中直接提取有價(jià)金屬，而無須選礦、火法冶煉、電解等復(fù)雜的工藝流程，因而其投資成本和操作成本都很低。

生物技術(shù)助菌種改良

李宏煦對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者表示，傳統(tǒng)的生物冶金普遍被認(rèn)為僅是一個(gè)生物浸出的過程，事實(shí)上，生物冶金至少包括生物浸出、生物吸附、生物修復(fù)3個(gè)領(lǐng)域，而每個(gè)領(lǐng)域所依賴的微生物也大有不同。

以生物浸出為例，其體系中所涉及到的微生物主要有化能自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌和真菌，此外也有原生動(dòng)物存在。其中已用于硫化礦生物浸出的菌種主要有嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、嗜酸氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鉤端螺旋菌。

另外，在浸礦過程中，由于工藝及實(shí)際生態(tài)環(huán)境的不同，也存在許多對(duì)不同溫度環(huán)境具有適應(yīng)性的菌株。

在張廣積看來，微生物冶金真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化工業(yè)應(yīng)用的時(shí)間仍然較短，自身也有許多不成熟的地方。例如，反應(yīng)速度慢、細(xì)菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性差、超出一定溫度范圍細(xì)菌難以成活、經(jīng)不起攪拌、對(duì)礦石中有毒金屬離子耐受性差等。

為此，科研人員也正在從遺傳工程等方面開展工作，試圖通過基因工程得到性能優(yōu)良的菌種。

邱冠周稱，早在2004年，中南大學(xué)就參與了世界上第一個(gè)嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的全基因組測(cè)序研究工作。在全基因組測(cè)序獲得全部3217個(gè)基因信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全基因組芯片和比較基因組學(xué)研究，最終發(fā)現(xiàn)亞鐵氧化、硫氧化及抗性相關(guān)的320個(gè)高氧化活性基因，實(shí)現(xiàn)了微生物浸礦行為研究從表現(xiàn)型向基因型的轉(zhuǎn)變。

而針對(duì)微生物冶金反應(yīng)速度慢等問題，李浩然則認(rèn)為，可以把基因組解碼技術(shù)利用到微生物濕法冶金領(lǐng)域，解釋浸礦特性與其基因表達(dá)的內(nèi)在規(guī)律，并在指導(dǎo)下實(shí)施菌種的基因工程改良，獲得既能耐高溫又能耐磨、耐酸、耐毒性的綜合性能好的微生物。

李浩然坦言，生物工程的進(jìn)步與成就應(yīng)該盡快應(yīng)用到生物濕法冶金上來，培育出性能更好、更能滿足冶金過程所需要的微生物，應(yīng)用范圍也應(yīng)進(jìn)一步拓展并走向產(chǎn)業(yè)化。

產(chǎn)業(yè)化待突圍

張廣積表示，生物冶金已經(jīng)在含砷金礦的預(yù)處理、低品位銅礦和鈾礦的工業(yè)提取中取得了顯著成效，其中次生硫化銅礦、難處理金礦的生物提取已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

據(jù)了解，目前用生物法提取的銅約占全世界銅總產(chǎn)量的25%，美國(guó)、加拿大等20多個(gè)國(guó)家相繼實(shí)現(xiàn)了生物提銅的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在我國(guó)，也有江西德興銅礦等3座銅生物氧化提取工廠相繼投入生產(chǎn)。

現(xiàn)如今，生物冶金技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。李浩然稱，國(guó)內(nèi)針對(duì)錳、銅、鎳、金、鈷、鋅等礦物，已經(jīng)先后建立了數(shù)十座規(guī)?；S，如福建萬噸級(jí)生物堆浸—萃取—電積提銅等項(xiàng)目、河北氧化錳與硫化礦共同綜合利用項(xiàng)目、遼寧和山東嗜熱菌提金項(xiàng)目等。

可以說，隨著低品位、難處理礦產(chǎn)資源的日益增加，生物冶金可觀的應(yīng)用前景逐漸顯現(xiàn)。不過，就目前來看，生物冶金技術(shù)仍然僅限于幾種礦物，取代傳統(tǒng)冶金還有待時(shí)日。

對(duì)此，不少專家表示，生物冶金技術(shù)還面臨相當(dāng)多的問題，未來應(yīng)該加強(qiáng)中等嗜熱菌和高溫菌浸出工藝的開發(fā)和優(yōu)化。另外，生物浸礦反應(yīng)器也應(yīng)該更趨向于大型、高效和節(jié)能。同時(shí)，還應(yīng)該系統(tǒng)地集成或優(yōu)化生物氧化的工藝流程，擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。

不過，在李宏煦看來，生物冶金要想取得關(guān)鍵性突破，關(guān)鍵還是要改變業(yè)內(nèi)人士的某些誤解看法。

“很多人認(rèn)為生物冶金只是科學(xué)界的一個(gè)探索而已，實(shí)際上，如果能通過各個(gè)行業(yè)的共同呼吁，讓冶金工作者耐心細(xì)致地去了解它的化學(xué)反應(yīng)原理，就有可能逐步替代傳統(tǒng)的方法和思路。”李宏煦說。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》(2013-05-08第5版生物周刊)