Золото, которое выплевывают бактерии

Традиционные технологии обогащения — гидрометаллургические и пирометаллургические — для упорных руд, как правило, не годятся: и в том и в другом случае образуются значительные количества ядовитых и очень ядовитых отходов. Утилизация газообразных и пылевых выбросов, содержащих мышьяк и серу, как минимум затруднительна, а иногда и невозможна, экологический ущерб может быть огромен.

Решением технологической проблемы получения золота из упорных концентратов может стать разрушение кристаллической решетки сульфидных минералов: после этого золото становится доступно для извлечения традиционным гидрометаллургическим способом. А разрушить решетку проще всего с помощью биоокисления, или микробной трансформации минерала.

Невостребованная теория

Существенный вклад в развитие этой технологии внес Федеральный исследовательский центр фундаментальных основ биотехнологии РАН, где в последнее десятилетие разработаны методики микробной трансформации золотых руд отдельно для каждого из крупнейших российских месторождений — Нежданинского (Якутия, запасы 632 тонны), Самолазовского (Якутия, 36 тонн), Олимпиадинского (Красноярский край, 650 тонн), а также для армянского месторождения Арманис (18 тонн), казахстанского Николаевского месторождения (4,5 тонны), а также крупнейшего в мире узбекистанского месторождения Мурунтау (2500 тонн). Эти теоретические работы, к сожалению, остались невостребованными: предприятия-заказчики, владельцы месторождений, не воспользовались работой исследователей.

Есть надежда, что оскудение минерально-сырьевой базы России и стран СНГ вынудит горно-металлургический комплекс перейти к использованию биотехнологий — они уже хорошо зарекомендовали себя в мире. А лабораторные испытания биотрансформации сульфидно-арсенидной золотой руды, проведенные в Иргиредмете (Иркутск), показали высочайшую эффективность метода: извлечение золота составило 73-75%. Данные о практическом использовании этих блестящих результатов отсутствуют.

Другой вариант биотрансформации предложен Центральным научно-исследовательским геологоразведочным институтом цветных и благородных металлов (ЦНИГРИ). Бедная (содержание золота 2,6 г на тонну) упорная золото-медно-цинковая руда содержала большую долю карбонатов (31%) — а они сильно осложняют обычное при обогащении золотых руд выщелачивание.

Технологическая схема переработки руды с помощью бактерий состоит из четырех стадий: дробление (~10 мм); собственно бактериальное выщелачивание; извлечение золотосодержащих остатков из бактериальных растворов; гидрометаллургическая переработка с извлечением золота.

Измельченная руда помещалась в перколяторы (емкости, позволяющие циркулировать активному раствору), где на нее в течение 110-115 суток воздействовал бактериальный раствор. В сообществе бактерий состояли Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, а также археи рода Ferroplasma.

Результатом бактериального окисления сульфидов в сернокислой среде было накопление ионов железа и цветных металлов в бактериальном растворе — а благородные металлы (золото и серебро) концентрировались в твердых остатках, откуда и извлекались гидрометаллургическими методами. Извлечение золота составило 85,8%, а серебра — 73%.

Россия — пионер биогидрометаллургии

Наша страна — одна из первых, где разрабатывались чановые бактериальные методы как самостоятельное направление в области обогащения и переработки полезных ископаемых. Основные положения биотехнологии разработаны в СССР в 70-80 е годы прошлого столетия. В работе принимали участие МИСиС, ЦНИГРИ, ИМНИ РАН, УНИПРОмедь, ИРГИредмет, ИБФ СО РАН. В результате была создана и в 1974 году запущена первая в мире опытная установка по биогидрометаллургической переработке упорных золотосодержащих концентратов.

На базе опытной установки в Тульском филиале ЦНИГРИ в укрупненном масштабе испытаны технологические схемы переработки упорных руд практически всех месторождений (порядка 30, в том числе Бакырчик, Нежданинское, Олимпиадинское, Майское и т. д.) с применением бактериального выщелачивания концентратов. Испытания показали, что извлечение золота из упорных концентратов различного состава достигало 90,0-98,4%.

Хемолитотрофные микроорганизмы

Хемолитотрофия — способ существования, обнаруженный только у прокариот (одноклеточных организмов, не обладающих клеточным ядром), при котором источником энергии служат реакции окисления неорганических соединений, например серы или сульфидных минералов. Хемолитотрофные бактерии открыты русским микробиологом С.Н. Виноградским.

Хемолитотрофные бактерии, окисляющие сульфидные минералы, используют в качестве источника энергии двухвалентное железо, элементную серу и ее восстановленные соединения (процесс идет в кислой среде в диапазоне температур 4-60°С). Среди них есть мезофильные, оптимум активности которых лежит в диапазоне 28-35°С, есть умеренно термофильные, для которых оптимум 40-55°С, и термофилы (любители тепла), предпочитающие жить при температуре выше 60°С. Биогидрометаллургическая технология позволяет окислять сульфидные минералы и, таким образом, вскрыть тонкое вкрапленное золото, а также перевести мышьяк и сурьму — спутников драгоценных металлов — в нетоксичные соединения.

Интересно отметить, что именно в золоторудных месторождениях России были открыты новые группы микроорганизмов, которые играют ключевую роль в технологических процессах, например, бактерии рода Sulfobacillus, включая Sulfobacillus sibiricus и Sulfobacillus olympiadicus.

Четыре цеха "Полюса"

Практический опыт биоокисления золотой руды есть у акционерного общества "Полюс", одной из крупнейших золотодобывающих компаний России — на Олимпиадинском горно-обогатительном комбинате. За время промышленной эксплуатации биоматериала в чанах-биореакторах сложилось устойчивое микробное сообщество, активно окисляющее сульфидные минералы концентрата. Особенностью этого сообщества является присутствие и хемолитотрофных, и гетеротрофных микроорганизмов. Хемоавтолитотрофы обеспечивают гетеротрофов органическими веществами, что исключает необходимость добавления их извне. В сообществе помимо Sulfobacillus thermosulfidooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, неидентифицированных гетеротрофов и Ferroplasma состоит штамм бактерий, названный в честь месторождения Sulfobacillus olympiadicus.

Первая в России промышленная биогидрометаллургическая установка "Био-1" состоит из пяти линий по шесть реакторов емкостью 450 м3 каждый. Реакторы и перемешивающие устройства разработаны и изготовлены собственными силами компании. Цех перерабатывает 3 млн тонн руды в год, суточная производительность его — 400 т флотоконцентрата. Многоступенчатое биоокисление позволяет добиться извлечения 94-97% золота.

Эксплуатация "Био-1" выявила некоторые сложности, в частности, рудный концентрат имел непостоянный состав, из-за чего могло происходить недоокисление сульфидов.

Эти проблемы были решены в цехе "Био-2", который состоит из трех линий по шесть биореакторов емкостью по 1000 м3. "Био-2" перерабатывает 5 млн тонн руды в год, суточная его производительность — 550-600 т флотоконцентрата.

Цех "Био-3" введен в эксплуатацию в 2013 году. В нем одна линия из шести биореакторов емкостью 1000 м3 каждый. Суточная производительность — 200-235 т флотоконцентрата. Большой опыт эксплуатации биотехнологии извлечения золота позволил избежать ошибок предыдущих технологических линий — цехов "Био-1" и "Био-2" и добиться усреднения, то есть постоянства минералогического состава флотоконцентрата.

Сейчас строится цех "Био-4", пуск запланирован на конец 2017 года, его особенностью станет открытое размещение реакторов. В нем одна линия и восемь реакторов, каждый объемом 1000 м3. Основные физико-химические параметры процесса выведены на мониторы системы управления.