Способ высокотемпературного выщелачивания

Изобретение относится к способу кучного биовыщелачивания, включающему формирование основной кучи из руды, культивирование по меньшей мере одного микроорганизма, проявляющего активность к биовыщелачиванию в предварительно заданном интервале температур, мониторинг температуры в основной куче, задаваемой по меньшей мере микробной активностью в основной куче и инокуляцию основной кучи по меньшей мере одним микроорганизмом до того, как температура кучи достигнет предварительно заданного интервала температур.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: БИ ЭЙЧ ПИ БИЛЛИТОН СА ЛИМИТЕД (ZA) Уровень техники Изобретение относится к способу кучного выщелачивания, который осуществляют при повышенных температурах для достижения высокой скорости окисления минералов. Изобретение описано далее со ссылкой на конкретный пример выщелачивания халькопиритной руды для извлечения меди. Это лишь пример и там, где уместно, принципы изобретения могут быть использованы для выщелачивания других руд с целью извлечения металлов. Кучу, содержащую халькопиритную руду, можно подвергнуть эффективному выщелачиванию, если масса нагрета до температуры, относящейся к термофильному интервалу, т.е. выше 60C, а предпочтительно в интервале от 65 до 70C. Процесс биологического выщелачивания начинается в куче первоначально при температуре окружающей среды. Температура постепенно увеличивается за счет энергии, вырабатываемой в результате деятельности микроорганизмов, которые вводят в кучу или которые в ней присутствуют естественным образом. Однако активность микроорганизмов к выщелачиванию существенно уменьшается при температурах 50-60C и температура кучи не может быть быстро повышена сверх 60C - температуры, при которой активизируются термофильные культуры. Это явление значительно уменьшает эффективность процесса биологического выщелачивания халькопирита. На основе зависимости температуры от времени на фиг. 1 в прилагаемых чертежах изображены группы микроорганизмов, которые эффективны на разных температурных интервалах. В нормальных мезофильных условиях халькопирит растворяется очень плохо. Специфические микроорганизмы растут в области более высоких температур, и эти микроорганизмы необходимы для поддержания высокого значения Eh (окислительно-восстановительного потенциала) при повышенных температурах для выщелачивания халькопирита. На фиг. 2 представлены кривые, отмеченные как AT, AC, AF и SM для обозначения Acidithiobacillusthiooxidans, Acidithiobacillus caldus, Acidithiobacillus ferrooxidans и Sulfolobus metallicus соответственно,которые демонстрируют увеличение количества или активности этих микроорганизмов как функцию температуры. Микроорганизмы, которые способны размножаться в мезофильном интервале (до 40C),погибают, когда температура увеличивается до умеренно термофильной (50-60C). Подобным же образом умеренно термофильные микробы не способны выжить при термофильных температурах (выше 60C), и лишь термофильные микробы способны расти в этом интервале температур. Таким образом,важно, чтобы имел место переход от активных мезофилов к активным умеренным термофилам и затем к активным термофилам в среде кучного выщелачивания при увеличении температуры в куче. Если одна из групп микробов отсутствует, микробная последовательность нарушается, и термофильные условия не достигаются. Фиг. 3 представляет собой серию кривых изменения температуры в зависимости от времени, полученных для модельной среды выщелачивания. Поток воздуха (AS) направляют в кучу для доставки кислорода и углекислого газа к микроорганизмам. Хотя поток воздуха необходим, он оказывает на кучу охлаждающее воздействие, и для сохранения тепла, скорость струи воздуха необходимо уменьшать. Жидкий поток LS рафината вытекает из кучи. Потери тепла с рафинатом растут с увеличением скорости его струи, а поэтому вновь, для того чтобы сохранить тепло при высокой скорости реакции, скорость струи рафината необходимо уменьшать. Теплота (HG), выделяемая окисляющими микроорганизмами, увеличивается с ростом скорости реакции. Кривая AH отражает количество теплоты, накопленное в куче, в то время как средняя температура кучи выражена кривой AT. На фиг. 3 представлены четыре временные зоны от 1 до 4. В зоне 2 температура кучи значительно понижена. После этого температура увеличивается (зона 3), хотя в зоне 4 температура вновь существенно уменьшается. В зоне 1, где выделяемая теплота HG превосходит потери тепла AH, температура кучи быстро увеличивается. Это приводит к увеличению температуры кучи, когда скорость окисления пирита растет. Из вышеизложенного очевидно, что существует серьезная проблема при биовыщелачивании кучи халькопиритной руды - в том, что интервал температур 50-60C в куче должен быть преодолен, чтобы температура кучи достигла термофильной зоны, в которой халькопирит поддатся эффективному биовыщелачиванию. Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа проведения процесса кучного биовыщелачивания, который учитывает, по меньшей мере, частично, вышеизложенные аспекты. Краткое описание изобретения Изобретение относится, прежде всего, к способу проведения процесса биовыщелачивания для извлечения металла из руды, содержащей указанный металл, включающему формирование основной кучи из руды, культивирование по меньшей мере одного микроорганизма, проявляющего активность к биовыщелачиванию в предварительно заданном интервале температур, мониторинг температуры в основной куче, задаваемой по меньшей мере микробной активностью в основной куче и инокуляцию основной кучи по меньшей мере одним микроорганизмом до того, как температура кучи достигнет предварительно заданного интервала температур. Указанный культивированный микроорганизм может быть умеренно термофильным или термофильным и, он может быть добавлен в основную кучу по меньшей мере тогда, когда температура в куче находится в мезофильном или умеренно термофильном интервале температур. Культивированный микроорганизм может быть добавлен в основную кучу любым подходящим способом. В предпочтительном варианте реализации изобретения микроорганизм добавляют посредством ирригации. По меньшей мере один микроорганизм может быть культивирован в одном или нескольких реакторах для выращивания. Предпочтительно используют несколько реакторов, каждый из которых применяют для выращивания инокулята соответствующего микроорганизма, активного в определенном температурном интервале. В отношении биовыщелачивания халькопирита вышеуказанные температурные интервалы выбраны из температур, которые точно соотвествуют или охватывают следующие температурные значения - 25, 35, 50, 55 и 65C. В основную кучу может быть инокулирован единичный штамм или смесь специфичных штаммов. Инокуляция может происходить на порционной, т.е. с перерывами, или непрерывной основе. Когда инокуляция происходит на непрерывной основе, инокулят возможно имеет концентрацию от 107 до 1010 клеток/мл. Обычно концентрация находится в интервале от 108 до 109 клеток/мл. Реакторы для выращивания могут находится в непосредственной близости от кучи. В каждый реактор может быть подан воздух, а также воздух с добавками диоксида углерода. Добавка диоксида углерода может находиться в интервале от 0,1 до 5% по объему. Инокуляцию можно осуществлять для поддержания концентрации клеток в основной куче на уровне от 106 до 1012 клеток на тонну руды. В еще одном варианте реализации изобретения инокулят из каждого реактора вместо подачи напрямую из реактора в кучу, направляют в резервуар, продуваемый воздухом, в котором он хранится и поддерживается. Инокулят из резервуара затем добавляют в кучу по мере необходимости. Во втором варианте реализации изобретения инокулят, например, из одного или нескольких реакторов для выращивания добавляют к размолотой руде вместе с кислотой по мере необходимости, и инокулированную руду добавляют к основной куче для введения в основную кучу инокулята. В другом варианте реализации изобретения вспомогательную кучу, относительно небольшую по сравнению с основной, обрабатывают в замкнутом цикле. Инокулят из одного или нескольких реакторов для выращивания или из инокуляционного резервуара используют для ирригации вспомогательной кучи. Выщелачивающий раствор, стекающий со вспомогательной кучирециркулируется обратно в кучу. Таким образом, вспомогательная куча действует в качестве генератора инокулята, а руду из этой кучи с активными микроорганизмами добавляют в основную кучу для введения в основную кучу активных микроорганизмов. В одном варианте реализации изобретения промежуточный выщелачивающий раствор, т.е. раствор,экстрагированный из основной кучи, не подвергавшийся извлечению металла, и рафинат, полученный пропусканием насыщенного выщелачивающего раствора, вытекающего из основной кучи в процессе извлечения металла, рециркулируют в основную кучу для увеличения концентрации активных клеток в основной куче. Промежуточный выщелачивающий раствор может иметь концентрацию от 106 до 108 клеток/мл. Рафинат может иметь близкую по величине концентрацию клеток. К рафинату по мере необходимости может быть добавлена кислота. Основная куча может быть барботирована воздухом с добавлением диоксида углерода, например,0,1% CO2 по объему. В другом аспекте настоящего изобретения, предложен способ кучного биовыщелачивания, включающий стадию добавления умеренно термофильных и термофильных культур, окисляющих железо и серу, к куче, по меньшей мере, тогда, когда температура в куче соответствует мезофильному интервалу температур, тем самым увеличивая скорость генерации теплоты в куче и, таким образом, повышая температуру кучи дотермофильного интервала температур. Согласно настоящему изобретению также предложен способ кучного биовыщелачивания для извлечения меди, по меньшей мере, из халькопиритной руды, включающий стдаии формирования кучи из руды и последующего добавления термофильных культур, по меньшей мере окисляющих железо и серу,до того, как температура кучи достигнет термофильного интервала температур. Краткое описание чертежей Изобретение далее описано в виде примера со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1, 2 и 3 упомянуты выше и далее не описываются; на фиг. 4 показаны кривые зависимости температуры от времени, которые иллюстрируют эффект ре-инокуляции кучи; на фиг. 5 изображено накопленное количество активных микроорганизмов, добавленных в кучу в течение непрерывной инокуляции, как функция от времени; на фиг. 6 и 7 показаны результаты тестов микробной активности микроорганизмов во встряхиваю-2 017998 щихся колбах в только что инокулированной и агломерированной руде и в руде, которую после инокуляции агломерировали и после этого выдерживали в течение примерно 90 дней при 25, 35, 50, 55 и 65C,соответственно. На фиг. 8 показана гистограмма концентрации клеток в образцах руды, измеренная методом ОТПЦР (полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией) при начальной инокуляции в 0 день после добавления 2 кг кислоты на тонну руды, а также после 90 дней с момента начальной инокуляции для низкотемпературных мезофилов, высокотемпературных мезофилов, умеренно термофильных бактерий,умеренно термофильных архебактерий (archaea) и термофилов, соответственно. На фиг. 9 показаны сравнительные уровни концентрации клеток или образцов, взятых в куче на различных уровнях, конкретных образцов микроорганизмов, приведенных на фиг. 8, после реинокуляции кучи. Кривая на фиг. 10, схожая с кривой, представленной на фиг. 1, отражает изменение средней температуры кучи в зависимости от времени, а также показывает интервалы температур, в которых активны различные группы микроорганизмов; на фиг. 11 проиллюстрирован положительный эффект добавления CO2 к куче после начала процесса и на фиг. 12 представлена блок-схема способа высокотемпературного кучного биовыщелачивания с возможными вариантами в соответствии с принципами настоящего изобретения. Описание предпочтительных вариантов реализации изобретения В типичном процессе биовыщелачивания куча образуется посредством агломерации руды, которая предварительно инокулирована подходящими окисляющими микроорганизмами. Изобретение основывается на неожиданном открытии того, что термофильные микроорганизмы не выживают процесс агломерации и период выстаивания, наступющий позже, в течение создания кучи. На фиг. 6 и 7 представлены результаты тестов микробной активности микроорганизмов во встряхивающихся колбах на образцах только что агломерированной инокулированной руды и инокулированной и агломерированной руды, которую выстаивали в течение 90 дней соотвественно, инкубированные при 25, 35, 50 и 65C. Данные на фиг. 6 показывают, что микробная активность наблюдалась при каждой из вышеназванных температур. Однако после 90-дневного выдерживания при 65C микробной активности не наблюдалось, хотя при более низких температурах 25, 35 и 50C активность проявлялась (см. фиг. 7). Результаты тестов со встряхивающимися колбами были подтверждены анализами ОТ-ПЦР, которые показывают, что термофилы не переживают 90-дневный период выдерживания - см. фиг. 8. При этом микроорганизмы, которые активны при более низких температурах, выживают после периода выстаивания, даже несмотря на то что концентрация клеток уменьшается со временем. На фиг. 9 проиллюстрирован эффект повторной инокуляции кучи после 90-дневного периода выстаивания. Концентрации клеток всех микроорганизмов для каждого из образцов, взятых на прогрессивно увеличивающейся глубине от поверхности кучи, возрастали. Существенно то, что количество клеток термофильных микроорганизмов было восстановлено практически с нулевого значения после 90 дневного периода выстаивания, как показано на фиг. 8. Также термофилы мигрировали в нижнюю часть кучи и были обнаружены в образцах, взятых на разных глубинах. На фиг. 4 показаны кривая А, отражающая зависимость температуры кучи от времени для случая,когда кучу инокулировали только однократно во время агломерации, но не после и кривая В, отражающая аналогичную зависимость для случая, когда кучу инокулировали с определенной частотой или непрерывно. Кривая А подтверждает результаты, показанные на фиг. 7 и 9 в том, что максимальная температура кучи, достигаемая в результате биологической активности составляет чуть выше 50C, вследствие отсутствия термофильных микроорганизмов. Кривая В, напротив, показывает улучшение, которое достигается, если инокулят добавляется в кучу часто - порциями или непрерывно. В результате добавления инокулята популяции микробов поддерживались на активном уровне в течение всего времени. Микроорганизмы, добавленные на последних стадиях при высоких температурах, были умеренно термофильными и высокотемпературными термофильными культурами, которые восполняли потери организмов при агломерации и во время последующего периода выстаивания и способствовали увеличению активности микробов при высоких температурах выщелачивания халькопирита. В случае, когда инокулят после агломерации не добавляют, остается только небольшая термофильная популяция, поскольку температура кучи начинает увеличиваться и, как следствие, термофильная активность является низкой. Успешное достижение преимуществ термофильных условий таким образом невозможно. На фиг. 5 показано количество клеток, накопленное в результате добавления смешанного инокулята мезофилов, умеренных термофилов и термофилов во время начального периода после запуска процесса и при последующем использовании смешанного инокулята умеренных термофилов и термофилов. Повторная инокуляция кучи с использованием умеренных термофилов и термофилов с целью восполнения организмов, утраченных при агломерации и выстаивании, таким образом необходима для дос-3 017998 тижения высоких рабочих температур. Однако является важным увеличить бактериальную активность при низких температурах для того,чтобы уменьшить время стартовой задержки. На фиг. 11 представлена кривая C зависимости температуры от времени в куче, через которую пропускают только воздух и похожая кривая D для кучи, через которую пропускают воздух с добавкой CO2 от 0,1 до 0,5 об.%. Температура кучи увеличивается значительно быстрее, если к воздуху добавлен CO2 в начале и в процессе обработки. Из вышеизложенного очевидно, что без добавления умеренно термофильных и термофильных культур, окисляющих серу и железо, температура кучи не может достигнуть термофильных величин и поддерживается около 55C. Это графически показано на фиг. 10, которая, как было отмечено, схожа с фиг. 1. Эффект вследствие добавления культур, окисляющих серу и железо, можно проиллюстрировать следующими соотношениями: На фиг. 12 представлена блок-схема процесса высокотемпературного биовыщелачивания для извлечения меди, осуществляемого в куче халькопиритной руды, с использованием принципов изобретения. Одна из задач состоит в максимизации сгенерированной теплоты в куче для увеличения количества извлекаемой из руды меди. В мезофильном интервале добавляют CO2 для максимизации микробного роста, как показано на фиг. 10. Без добавления CO2 верхние слои кучи становятся обедненными CO2 за короткое время после старта. Это негативно влияет на микробный рост и генерацию теплоты. Помимо добавления CO2 после агломерации в кучу инокулируют термофилы для того, чтобы необходимые термофильные микробы присутствовали в куче, когда она достигает термофильных температур. На фиг. 12, куча 10 сформирована из агломерированной руды, которая может быть предварительно инокулирована по меньшей мере мезофильными и умеренно термофильными бактериями. Кучу создают на подкладках 12 и 14 с использованием общепринятых методик. Воздухом из источника 16 продувают нижнюю часть кучи через распределительный трубопровод 18. Диоксид углерода из источника 20 с контролируемой скоростью добавляют в воздушную струю в количестве 0,1% по объему. Промежуточный выщелачивающий раствор 21, собранный на подкладке 12, возможно рециркулируют к ирригационной системе 22, расположенной над кучей. Насыщенный выщелачивающий раствор 23, собранный на подкладке 14, подвергают экстракции/электролизу 24 для извлечения меди из насыщенного раствора на катодах 26. Рафинат с платформы 24 собирают в резервуаре или контейнере 28 и добавляют к нему по мере необходимости серную кислоту из источника 30. Рафинат с концентрацией 106-108 клеток/мл, рециркулируют (31) к системе ирригации 22. Для того чтобы быть уверенными, что подходящие термофильные микробы присутствуют в куче,когда в куче достигаются термофильные температуры, можно воспользоваться различными методами. Первая возможность - использовать по меньшей мере один реактор для выращивания, в котором культивируется инокулят. Часть фиг. 12, ограниченная пунктирными линиями 36, иллюстрирует процесс выращивания инокулята, в котором концентрат 38 вводят в серию реакторов роста 40 А-40 Е, в которых происходит культивация подходящих микроорганизмов, активных при температурах 25C, 35C, 50C, 55C и 65C, соответственно. Каждый реактор перемешивают с помощью соответствующей лопасти 42 А-42 Е,и воздух 44 направлен в нижнюю часть каждого реактора. Диоксид углерода 46 добавляют в воздух для ускорения и контроля роста инокулята в каждом реакторе. Диоксид углерода присутствует в концентрации от 0,1 до 5% по объему. Инокулят 48 направляют из каждого реактора по мере необходимости для максимизации теплообразования в куче 10. Например, обращаясь к фиг. 5, смешанный инокулят, содержащий мезофильные,умеренно термофильные и термофильные микроорганизмы, добавляют к системе ирригации в начале переработки кучи и после этого, когда температура кучи увеличивается, смешанный инокулят умеренно термофильных и термофильных микроорганизмов добавляют к куче. Инокулят 48 может быть добавлен через постоянные интервалы времени порциями, но предпочтительнее - под контролем с непрерывной скоростью. Концентрация клеток инокулята зависит от функционирования каждого реактора и от любого возможного разбавления, но обычно она находится в интервале 107-1010 клеток/мл с предпочтительными величинами в интервале 108-109 клеток/мл. С этой точки зрения задача состоит в поддержании концентрации клеток в куче в интервале 106-1012 клеток на тонну руды. Для инокулированной и повторно инокулированной вышеописанным способом кучи кривая ее средней температуры близка к кривой В на фиг. 4. Процесс, описанный с использованием блока 36 на фиг. 12, представляет собой предпочтительный путь повышения рабочей температуры кучи. Однако могут быть использованы другие способы вместо описанного или в комбинации с ним. Процесс, описанный с использованием блока 50, представляет собой вариант реализации изобретения, в котором инокулят 52 из одного или нескольких реакторов 40 направляют в резервуар инокулята 54. Аэрируемый (53) резервуар используют в качестве резурвуара для хранения и поддержания и, по мере необходимости, инокулят 56 обычно с концентрацией 105-108 клеток/ мл направляют в систему ирригации 22. В другом усовершенствовании (57) инокулят 58 либо из резервуара 54, или из любого реактора 40 направляют в небольшую отдельную кучу 60, которую обрабатывают в условиях замкнутого потока. Раствор, вытекающий из кучи, собирают в резервуар 62 и либо рециркулируют напрямую к куче, либо хранят и поддерживают в резервуаре инокулята 54. Руду 64, которая содержит желаемые микроорганизмы, отделяют от кучи 60 и затем агломерируют с рудой в куче 10 для поддержания популяции микроорганизмов в куче на приемлемом уровне. Похожий принцип (65) состоит в использовании инокулята 66 из одного или нескольких реакторов 40 для инокуляции размолотой руды 68, которая агломерирована в процессе 70. Серную кислоту 72 добавляют к агломерированной куче и инокулированную и агломерированную руду 74 по мере необходимости вводят в кучу 10. Также возможно доставлять рафинат 31 из резервуара 28 и промежуточного выщелачивающего раствора 21 из подкладки 12 и направлять одну из жидкостей или смесь 74 обеих жидкостей в систему ирригации для поддержания концентрации клеток в куче. Различные описанные способы эффективны для добавления термофилов к куче для того, чтобы нужные термофильные микробы присутствовали в момент, когда в куче достигаются термофильные температуры. Этот способ, предпочтительно используемый вместе с добавлением CO2 вскоре после начала работы с кучей, позволяет успешно преодолевать интервал температур от 50 до 60C. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ проведения процесса биовыщелачивания для извлечения металлов из металлсодержащей руды, включающий стадии:(а) образования главной кучи из руды,(б) инокуляции кучи, по меньшей мере, мезофильными и умеренно термофильными микроорганизмами, окисляющими железо и серу,(в) культивирования смешанного инокулята, состоящего из умеренно термофильных и термофильных микроорганизмов,(г) добавления диоксида углерода к главной куче, когда ее температура находится в мезофильном интервале, и(д) повторной инокуляции главной кучи смешанным инокулятом перед тем, как температура достигает термофильного интервала для поддержания концентрации клеток в куче на уровне от 106 до 1012 клеток на тонну руды. 2. Способ по п.1 для извлечения меди из халькопирита, включающий стадию использования нескольких реакторов для формирования смешанного инокулята; причем каждый из реакторов используют для соответствующего микроорганизма, который активен в определенном интервале температур, выбранном из группы, включающей значения температуры менее 40C, от 50 до 60C и более 60C. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что инокулят из каждого реактора направляют в резервуар,который продувают воздухом и в котором инокулят хранят и поддерживают, а смешанный инокулят добавляют в кучу из резервуара по мере необходимости. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что инокулят по меньшей мере из одного реактора добавляют к размолотой руде вместе с кислотой по мере необходимости и инокулированную руду добавляют к главной куче для введения в нее смешанного инокулята. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что инокулят по меньшей мере из одного реактора используют для ирригации вспомогательной кучи, которую используют в качестве генератора инокулята, и руду из вспомогательной кучи, на которой закрепляются активные микроорганизмы, добавляют в основную кучу для введения в нее смешанного инокулята. 6. Способ по п.4, в котором промежуточный выщелачивающий раствор, представляющий собой раствор после прохождения указанного инокулята вместе с указанной кислотой через главную кучу, и рафинат, представляющий собой раствор, полученный в процессе извлечения металла из насыщенного выщелачивающего раствора, рециркулируют в главную кучу для увеличения в ней концентрации активных клеток.