В составе алеврито-глинистых и гравийно-песчаных руд преобладают окисные соединения уран с содержанием от 51 до 88,4%, в сорбированной форме присутствуют от 9,4 до 38, 2%. Металлоорганические соединения встречаются от 12,1 до 18%. Водорастворимые соединения урана присутствуют в незначительном количестве (0,2-9,8%)

Минералогический состав руд [49-50]:

Минералы урана: урановая чернь, настуран

Уран содержащие минералы: растительный детрит, фосфорит, гидроокислы железа.

Сопутствующие минералы: пирит, марказит, галенит, халькопирит, сфалерит, Углеродистое вещество типа битума асфальто-нефти.

Дисульфиды железа представлены пиритом и марказитом. Различаются они по форме выделения. Содержание дисульфидов колеблется от 0,5-1% до 5-6% достигая 15-20% в линзовидных слоях. При окислении они переходят в коричнево-красные, коричнево-бурые и желтые окислы.

По данным спектрального анализа встречающимися элементами спутниками являются никель, медь, свинец и цинк. Редко отмечается наличие молибдена, кобальта, мышьяка. Пирит образует кубические, октаэдрические, додекаэдрические кристаллы и их сростки. Марказит встречается в виде пластинчатых кристаллов. Галенит встречается реже чем сфалерит. В составе карбонатов в основном кальцит и доломит. Углеродистое вещество - битум.

Руды месторождения Кетменчи являются благоприятными для применения метода бактериального выщелачивания. Содержание сульфидов железа колеблется от 0,5-1% до 5-6%, достигая 15-20% в линзообразных прослойках.

2.1.3 Микробиологическая характеристика месторождений

Анализ аборигенной микрофлоры проводился по следующим группам микроорганизмов: ацидофильные железо и сероокисляющие микроорганизмы, тиосульфатокисляющие бактерии, автотрофные и гетеротрофные денитрификаторы, миксотрофные тионовые микроорганизмы.

При рН откачных растворов - 3,5 и выше, преобладали тионовые бактерии, при повышении рН откачных растворов увеличивалось количество микроорганизмов, относящихся к олигонитрофилам и выделялись бактерии, близкие к роду Pseudomonas.

Увеличение рН откачных растворов стимулирует также развитие миксотрофных тионовых бактерий и гетеротрофных микроорганизмов, а также микромицетов, среди которых преобладали представители родов Aspergillus, Penicillium.

Для микроорганизмов Т. thioparus, Т. denitrificans, Т. novellus, Т. thiocyanoxidans, Т. neapolitanus. оптимальное значение рН приходится на область 6,0-9,0, а зона значений рН, при которых возможен их рост, составляет от 3,0-6,0 до 10,0-11,0, причем для разных видов и штаммов оптимальные значения рН и область активной кислотности, в которой наблюдается их рост могут заметно различаться.

Большинство тионовых бактерий растет только в присутствии кислорода, хотя рост некоторых представителей возможен при низком его содержании. Но известны и факультативные анаэробы. К ним относится Т. denitrificans. В аэробных условиях эти бактерии ведут окислительные процессы с участием молекулярного кислорода, в анаэробные переключаются на денитрификацию и восстанавливают нитраты до молекулярного азота.

Микробиологический анализ откачных растворов показал, что в единичных количествах выявлялись А. thiooxidans. Таким образом, среди тионовых бактерий были выделены микроорганизмы с разными потенциями к автотрофному и гетеротрофному образу жизни.

На основании имеющихся сейчас данных можно сказать, что все исследованные автотрофы, в той или иной степени, проявляют способность использовать экзогенные органические соединения, причем в первую очередь как дополнительные источники углерода [51-52].

Для микроорганизмов типа А. thiooxidans, А. ferroxidans,. оптимальное значение рН 2,0-4,0, а рост возможен при рН от 0,5 - 2,0 до 5,0-7,0. Наиболее ацидофильными организмами являются два первых вида. В то же время показано, что A. thiooxidans сохраняет жизнеспособность при значении рН близком к 0, что соответствует 1,0н. раствору серной кислоты. Это, пожалуй, самый ацидофильный микроорганизм, который известен исследователям. В настоящее время выделены различные формы ацидофильных железоокисляющих микроорганизмов, участвующих в процессах разрушения сульфидных минералов.

Однако монополистом в области биогидрометаллургии на протяжении многих лет является культура бактерий A. ferrooxidans. Эти бактерии, окисляющие практически все сульфидные минералы, играют в процессах выщелачивания двойную роль:

1) непосредственно окисляют сульфидные минералы (энзиматическое воздействие);

2) окисляют закисное железо и образуемое железо (+3) является, в свою очередь, окислителем сульфидных минералов и способствуют окислению U⁴⁺ до U⁶⁺.

C уменьшением рН откачных растворов количественно увеличивается содержание A. ferrooxidans, которые выделяются на среде 9К и Брайерли. На среде Маннинга выделены микроорганизмы ацидофильные, железоокисляющие и способные расти на среде с минимальными добавками органического субстрата. Следует отметить, что в хвостовых растворах выявлялись также микроскопические грибы, отнесенные нами к родам Aspergillus, Fusarim и Penicillium

Анализ развития микроорганизмов в откачных растворах подземного выщелачивания показал микробное разнообразие. Установлено, что в откачных растворах с рН-3,5 и выше интенсифицируется развитие нейтрофильных тионовых бактерий, увеличение рН откачных растворов стимулирует развитие миксотрофных тионовых бактерий и гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов, среди которых преобладали представители родов Aspergillus, Penicillium.

В откачных растворах кислотного выщелачивания большого разнообразия микробного мира не наблюдалось. В растворах кислотного выщелачивания выделяются в основном тионовые ацидофильные железо - и сероокисляющие микроорганизмы, относящиеся к роду Acidithiobacillus - Acidithiobacillus ferrooxidans и Acidithiobacillus thiooxidans. Выделены в отдельные ассоциации железоокисляющие микроорганизмы с преимущественным содержанием Acidithiobacillus ferrooxidans.

Адаптация микроорганизмов к реальным условиям. Так при помощи последовательной адаптации были получены штаммы ацидофильных бактерий А. ferroоxidans, Sulfobacillus thermosulfidooxidans аsporogenes, устойчивых к таким токсическим металлам, как молибден, медь и цинк в концентрации 250 мг/л, 25 мг/л и 60 мг/л (соответственно), а также к ионам урана в концентрации 20мг/л и 100 мг/л).

Рассмотрение ИК-спектров клеток A. ferrooxidans показывает, что у клеток бактерий, выросших на среде с ионами урана, отмечается усиление интенсивности полосе поглощения валентных колебаний CH в СН₃-групп и симметричных валентных колебаний CH в СН₃ - и СН в СН₂ - группе (2850 см^-1).

Рисунок 2.3.1 Технологическая схема подземного выщелачивания урана.

В спектрах этих клеток наблюдается разное значение частот, соответствующих валентным колебаниям С=О (1623-1600 см^-1, Амид I) и смешанным деформационным колебаниям NH с валентными С=О (1500 см^-1, Амид II), пептидов. Наблюдается снижение интенсивности для клеток бактерий на среде с ураном в области 1130 - 1070 см^-1, что, возможно, свидетельствует о снижении уровня полифосфатов.

Отмеченные различия в ИК-спектрах показывают влияние ионов урана на клетки бактерий и выявляют изменения, происходящие в них под воздействием металлов, в первую очередь на клеточную стенку данных микроорганизмов.

Повышение устойчивости может происходить путем, так называемого приспособления клеток при первом же пассаже на среду с металлом. При этом наблюдается задержка роста клеток, которая длится от нескольких часов до нескольких дней и сопровождается большими или меньшими нарушениями в ультраструктуре клеток и ингибированием метаболизма у всех клеток популяции, вплоть до потери ими жизнеспособности. Затем происходит репарация повреждений и восстановление роста.

Важная роль в процессах выщелачивания металлов отводится ацидофильным железоокисляющим бактериям A. ferrooxidans, которые используются в процессе выщелачивания золотосульфидных, медно-молибденовых, урансодержащих и других руд.

Таблица 2.3.1.

Влияние ионов урана (80 мг/л) на рост и развитие ассоциации К-1

В связи с этим, изучено влияние ионов урана на рост и развитие бактерий A. ferrooxidans, используемых в процессах выщелачивания урановых руд. Известно, что уран в небольших количествах способствует росту микроорганизмов, а увеличение концентрации его в среде подавляет рост природных форм гетеротрофных микроорганизмов, таких, как Bacillus megaterium, выделенных из почв с низким содержанием урана. Адаптация к определенному уровню содержания урана в природной среде, содержащей 1,5x10^-3 % урана, позволяет получить природные устойчивые формы микроорганизмов.

Исходя из вышеизложенного, проведены серии опытов по влиянию ионов урана на рост и развитие промышленной ассоциации микроорганизмов. В качестве уранового раствора использован промышленный раствор с содержанием металла 105 мг/л и раствор после процесса "пуш-пул" с содержанием урана 600 мг/л.

Изучение развития ассоциации микроорганизмов К-1 с преимущественным содержанием A. ferrooxidans на среде 9К с добавлением ионов урана в количестве 60 мг/л показало, что эта концентрация не подавляет рост и развитие бактерий, и, даже в некоторой степени, стимулирует их рост (табл.8.1).

Дальнейшее увеличение количества урана в среде до 100 мг/л оказывает негативное влияние на рост ассоциации микроорганизмов К-1 с. преимущественным содержанием A. ferrooxidans. На третьи сутки культивирования количество клеток в опытном варианте снижается до 6,0x10⁴ кл/мл и лишь на 6 сутки число клеток достигает значений, соответствующих количеству микроорганизмов, выросших в контрольном варианте. Аналогичные изменения наблюдаются и по результатам окислительной активности бактерий. Так, окисление железа в среде с ураном, идет менее интенсивно, что коррелирует с изменением количества клеток бактерий в растворе.

Для последовательной адаптации была взята культура микроорганизмов, выросшая в среде с содержанием урана 60 мг/л. Метод последовательной адаптации основан на последовательном увеличении концентрации металлов в растворе и последовательной адаптации к этим концентрациям. Таким образом, культура микроорганизмов адаптированная к 60 мг/л в среде пересевается на среду с 70 мг/л. Культивирование на среде осуществляется в несколько последовательных стадий до тех пор, пока окислительная активность не будет проходить за период 48-72 часов (рис 3.2.).

Полученная методом последовательной адаптации устойчивая к 100мг/л урана культура бактерий А. ferroxidans в силу технологических условий, может быть применена для культивирования в условиях высоких концентраций металла в растворе от 100 до 300 мг/л. Анализ геохимической активности микроорганизмов А. ferroxidans в этих условиях показал, что скорость окисления железа снижается по мере увеличения концентрации урана.

2.1.4 Наработка бактериальных растворов в опытно-промышленных условиях

Для проведения опытно - промышленных испытаний взята промышленная ассоциация железоокисляющих автотрофных микроорганизмов К-1,. состоящая из A. ferrooxidans, A. thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans. Эта ассоциация включает в себя также термофильные микроорганизмы, относящиеся к роду Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Полученная ассоциация обладает высокой скоростью окисления железа, растет в широком диапазоне температур и адаптирована к высоким концентрациям урана в растворе [36-38, 41-43].

Бактерии выращивали на стандартной среде Сильвермана-Лундгрена 9К следующего состава:

1-й раствор (развести в 700 мл дистиллированной воды, г/л): (NH) 2SO4 - 3,0; KCl - 0,1; MgSO4 - 0,5; Ca (NO3) 2 - 0,01; K2HPO4 - 0,5.

2-й раствор (развести в 300 мл подкисленной до рН=2 дистиллированной воды): FeSO4 7H2O - 44,2 г/л.

В зависимости от условий опыта количество железа может меняться. Для культивирования микроорганизмов в промышленных условиях можно убрать соли KCl и Сa (NO3) 2, т.к. они в достаточном количестве содержатся как в пластовой воде, так и в маточнике сорбции.

Проведенные исследования свидетельствуют о высокой потенциальной адаптивной способности бактерий A. ferrooxidans к развитию как в природных, так и в техногенных средах с повышенными концентрациями металлов.

На основе анализа закономерности установлена корреляция для времени, необходимого для полного смешения всех элементов раствора на молекулярном уровне. Показано, что время смешения увеличивается с возрастанием масштаба оборудования. Чем меньше слой жидкости, тем быстрее происходит время смешения питательных элементов среды, что и было показано в экспериментах при составлении питательных сред в 20-литровых и 50-литровых баллонах.

Учитывая эффект ускорения времени смешения реагентов в питательной среде, наращивание культуры микроорганизмов А. ferroоxidans осуществлялось в условиях постепенного изменения глубины жидкости. Данные эксперимента показывают, что уменьшение глубины слоя нарабатываемой бактериальной суспензии способствует ускорению роста микроорганизмов, а также окислительных процессов.

Полученные в лабораторных условиях результаты исследований применены для наращивания культуры бактерий в условиях опытно-промышленных испытаний, где задействованы ферментер объемом 5 м³ и ферментер объемом 90 м³.

Питательная среда приготовлена на основе технической воды и маточников сорбции. В качестве питательной среды предложено использовать либо техническую воду, либо маточник сорбции, куда вносятся дополнительно минеральные соли: сульфат аммония и фосфорнокислый калий.

Известно, что A. ferroxidans использует в качестве источника азота практически только аммонийные соли. Добавление их в выщелачивающие растворы должно способствовать увеличению скорости окислительных процессов. Магний и другие элементы являются важными для развития и роста тионовых ацидофильных бактерий в качестве микроэлементов, но они, как правило, присутствуют в природных водах в достаточном количестве. Наличие в природных водах таких элементов как алюминий оказывает активизирующее влияние при незначительных количествах их в среде, при этом скорость окисления железа (+2) увеличивается в 1,6 раз.

Полученные результаты исследований в натурных условиях позволяют утверждать, что при использовании технической воды для приготовления питательного раствора следует точно определять исходный рН растворов, так как подкисление среды до рН 1,1-1,2 снижает окислительную активность микроорганизмов, т.е. понижает скорость наработки бактериальных растворов в промышленных условиях.

Для развития микроорганизмов в питательной среде на основе технической воды и маточников сорбции помимо железного купороса достаточно внесения минеральных солей аммония и калия фосфорнокислого.

Таблица 2.4.1.

Мониторинг окисления железа и наработки биомассы бактерий в 90 м³ емкости

Установлено, что методом послойного культивирования микроорганизмов сокращается время наработки биомассы бактерий, что является особо важным при крупномасштабном культивировании бактерий. Методом послойного культивирования наработан 50 м³ бактериальный раствор (табл. 2), из которого 14 м³ закачен в исследуемую скважину.

Эти микроорганизмы способны окислять различные сульфидные минералы. В результате этих процессов образуется железо (+3) и серная кислота. Полученное Fe³⁺ окисляет U⁴⁺ до U⁶⁺, который растворим в сернокислых растворах.

Выщелачивание урана бактериальными растворами в режимах “рush-рull” и в непрерывном режиме. Выщелачивание урана с использованием бактериальных растворов можно осуществить в двух вариантах: в режиме “рush-рull” и в непрерывном режиме [40-41]. В режиме “рush-рull“ выращивание микроорганизмов и контакт с рудным телом проводят в подземных сбалансированных геотехнологических условиях (в скважине с постоянной температурой и кислотности среды) с непрерывной или фрагментальной аэрации. При этом биовыщелачивания осуществляет обычно в откачных скважинах без подачи раствор в закачные скважины.

3. Биовыщелачивание в режиме“РUSH-РUII”