Введение к работе
Актуальность проблемы. Биологическое выщелачивание является одним из современных способов переработки руд. Оно основано на способности микроорганизмов окислять сульфидные минералы с высвобождением металлов в раствор. Перспективность разработок в этой области связана с увеличением глубины переработки руд, привлечением новых ранее не использовавшихся типов сырья, экологической безопасностью создаваемых технологий. Извлечение целевых компонентов в жидкую фазу позволяет значительно уменьшить газообразные и пылевые выбросы в атмосферу. Подобные инновационные технологии совершенствуются отечественными и зарубежными исследователями и используются для переработки медно-цинковых руд в странах латинской Америки, Испании, США, Австралии, Китая, Казахстане, России (Варданян, Нагдалян, 2009; Кондратьева и др., 2012; Петухова и др., 2009; Фомченко, Бирюков, 2009; Dresher, 2004; Thomas et al., 2006; Zou et al., 2006).
Технология биологического выщелачивания может быть реализована в различных формах: чанового, кучного, подземного. Каждый из вариантов технологии имеет специфические области применения. Использование чанового выщелачивания может быть рентабельно для переработки богатых руд, рудных концентратов, в случаях, когда необходимо избежать контакта руды с окружающей природной средой. Подземным выщелачиванием металлы могут быть извлечены из бедных руд без их предварительной добычи. Кучное выщелачивание не требует больших капитальных вложений, просто в исполнении и может быть с успехом применено для переработки некондиционных руд и промышленных отходов.
В Башкирском Зауралье сосредоточена почти половина месторождений меди и треть месторождений цинка России. Экологическая обстановка здесь определяется деятельностью таких промышленных предприятий, как ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» и его Сибайский филиал, ЗАО «Бурибаевский горно-обогатительный комбинат», ООО «Башкирская медь», которые расположены в бассейне реки Урал – магистральной реки Зауралья.
Особую опасность представляют флотационные отвалы и отвалы отработанных месторождений, где происходит разрушение рудных минералов на поверхности некондиционной руды и вскрышных пород. При окислении сульфидов образуются растворимые соли железа, цинка, меди, кадмия, свинца, сульфат-ионы (Белан, 2005; Государственный доклад…, 2003; Кравчук и др., 2011; Семенова и др., 2011).
Отходы горнодобывающих предприятий являются техногенными объектами, которые в соответствии с существующим законодательством могут рассматриваться как потенциальный сырьевой ресурс. Однако такой вариант решения проблемы не вызывает интереса у коммерческих компаний из-за отсутствия эффективных, дешевых и простых в исполнении способов их переработки. Поэтому испытание нетрадиционных способов вторичной переработки отходов обогащения и создание на их основе новых технологий являются актуальными задачами. Их решение позволит использовать экологичные микробиологические методы в горнорудной промышленности региона.
Цель работы – разработка технологии биологического выщелачивания металлов из отходов обогащения сульфидных медно-цинковых руд горно-обогатительных предприятий Южного Урала.
Задачи исследования:
1. Охарактеризовать сообщества ацидофильных микроорганизмов различных экосистем на территории Учалинского горно-обогатительного комбината, его Сибайского филиала, Бурибаевского горно-обогатительного комбината и Медногорского медно-серного комбината.
2. Выделить из отходов флотации, подотвальных вод и почв с территории горно-обогатительных предприятий микроорганизмы, способные к активному выщелачиванию цинка и меди из отходов флотационного обогащения медно-цинковых руд и изучить их свойства, важные для биогеотехнологии.
3. Разработать технологию биологического выщелачивания цинка и меди из отходов флотационного обогащения сульфидных руд в перколяционных установках.
Научная новизна. Выделены и изучены новые культуры микроорганизмов, включающие в себя штаммы Acidithiobacillus ferrooxidans и Ferroplasma sp., с высокой биовыщелачивающей активностью. Показано, что бинарные культуры, включающие в себя представителей родов Acidithiobacillus и Ferroplasma способны к более эффективному выщелачиванию металлов из отходов флотации сульфидных руд по сравнению с индивидуальными штаммами. Для них характерна высокая устойчивость к ионам цинка, меди, никеля, кобальта и марганца.
Впервые разработана биологическая технология извлечения цинка и меди из отходов обогащения медно-цинковых руд в перколяционных установках с использованием культур, состоящих из штаммов Acidithiobacillus ferrooxidans и Ferroplasma sp.
Практическая значимость. Выделены культуры бактерий, предназначенные для промышленного выщелачивания цинка и меди из отходов флотационного обогащения сульфидных медно-цинковых руд.
Подобраны основные технологические параметры извлечения цинка и меди из отходов флотационного обогащения руд Учалинского горно-обогатительного комбината, его Сибайского филиала и Бурибаевского горно-обогатительного комбината в перколяционных установках.
Совместно с предприятием ЗАО НПП «Биомедхим» разработан и утвержден технологический регламент биологического выщелачивания отходов флотационного обогащения в перколяционной установке, проведены опытно-промышленные испытания, на основании которых получен акт о внедрении результатов научно-исследовательских работ. Разработанная технология рекомендована для внедрения на горно-обогатительных предприятиях Урала.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» (Иркутск, 2009), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), XVII, XVIII, XIX Международных молодежных научных конференциях студентов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011, 2012)14-ой Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА» (Пущино, 2010), Международной научной конференции «Биотехнология начала III тысячелетия» (Саранск, 2010), V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010), VII молодежной школе-конференции с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии (Москва, 2011), VI Всероссийской научной INTERNET-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии» (Уфа, 2011), IV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы биологии и химии» (Пущино, 2012), Молодежный конвент предпринимательства и инноватики (Уфа, 2012), II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013).
Конкурсная поддержка работы. Исследования поддержаны грантом Фонда содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере «Разработка технологии биологического выщелачивания цветных металлов из отходов флотационного обогащения сульфидных руд» (Государственный контракт № 8370/13979 от 29.04.2011 г.) по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, рекомендованных для соискателей ученой степени кандидата биологических наук.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 166 страницах, содержит 38 таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 173 наименований, из них 93 на русском языке.
