用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器

摘要

一种用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，含有上封头、筒体、冷却夹套、亥姆霍兹线圈、搅拌器、下封头、气体分布器、筛板、液体循环管道；筛板将筒体分为磁稳定反应区和气体饱和区；在气体饱和区设有三叶螺旋桨搅拌器、通气管和气体分布器；在上封头与下封头上设有置于筒体之外的液体循环管道，循环管道上设有微生物液体培养基加入口、阀门和流体泵；亥姆霍兹线圈为一维亥姆霍兹线圈，设置在冷却夹套的外部，其可调节强度的轴向磁场能对磁稳定反应区内的磁敏性矿物颗粒产生磁稳定作用。本发明的优点是：能强化传质和传热、降低能耗、优化微生物生长环境、提高矿物氧化速率、用于难浸硫化金矿的生物氧化，可实现连续操作。

权利要求

1、一种用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，含有上封头、筒体、下封 头，在上封头上设有出气口和人孔，在下封头底部设有液体出口，其特征在 于，与三叶螺旋桨搅拌器、气体分布器、亥姆霍兹线圈、筛板、液体循环管 道共同构成；筛板位于三叶螺旋桨搅拌器的上方，矿物颗粒出口的下方，将 筒体分为上下两部分，上部分为磁稳定反应区，下部分为气体饱和区；筒体 壁上设有冷却夹套，冷却夹套套接于筒体的外围，夹套与筒体壁形成封闭的 空腔，冷却夹套顶部与筒体顶同高，底部与筛板同高；在筒体壁与冷却夹套 之间的磁稳定反应区的左上方设有与筒体相通的矿物颗粒入口、右下方设有 与筒体相通的矿物颗粒出口，左下方设有与夹套相通的冷却水入口、右上方 设有与夹套相通的冷却水出口；在筒体的气体饱和区内设有三叶螺旋桨搅拌 器和通气管，通气管通过筒体的底板与设置在下封头内的气体分布器连接； 在上封头与下封头上连接有设于筒体之外的液体循环管道，液体循环管道出 口连接在下封头上，液体循环管道进口连接在上封头人孔的下面，液体循环 管道的上部设有微生物液体培养基加入口和阀门，液体循环管道的下部设有 促进液体流动的流体泵；亥姆霍兹线圈为一维亥姆霍兹线圈，设置在冷却夹 套的外部，对磁稳定反应区内的磁敏性矿物颗粒产生磁稳定作用。

2、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述的三叶螺旋桨搅拌器为能将进入气体饱和区内气体和液体充分混 合、从而得到被气体饱和的液体的轴流桨。

3、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述的气体分布器为能将进气粒径减小为微米级的微孔分布器。

4、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述液体循环管道内径为20～30mm，其与筒体内径比为0.05～0.2∶1。

5、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述亥姆霍兹线圈的高度在矿物颗粒进口和矿物颗粒出口之间，其产 生轴向磁场的强度是可以调节的。

6、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述筛板为开孔率在0.4～1.4％之间、孔径为2～3mm的多孔圆形平板。

7、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述磁稳定反应区的高度为反应器总高度的55～75％。

8、根据权利要求1所述的用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，其特征 在于，所述气体饱和区的高度为反应器总高度的15～25％。

说明书

【技术领域】

本发明涉及生物、冶金反应设备技术领域，具体地说，是一种结合了高 效搅拌釜式反应器和磁稳定床技术的、用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器。

【背景技术】

采用以微生物为主体的生物技术对难以处理的金矿进行预处理的技术近 年来发展的很快，并成功的在工业上得到了应用，成为新一代的预处理工艺 技术，为高品位硫化矿矿产资源的开发和利用开拓了新的方向。

我国的硫化矿资源具有“贫”和“杂”的特点，且该资源的开发易对生 态环境造成影响，要寻找相应的有利于资源开发、有利于环境保护、符合可 持续发展战略的新技术，生物技术是一个特引入关注的新的技术领域。与传 统工艺相比，生物技术对硫化矿资源的利用率高、适合于在复杂的硫化矿中 提取有价值的金属、同时也有利于环境的保护。

硫化矿微生物氧化是利用微生物和溶解氧在硫化矿矿浆颗粒表面所进行 的生物氧化反应。常见的能氧化硫化矿的微生物主要有：(1)排硫杆菌(Thi- obacillus thioparus)；(2)蚀阴沟硫杆菌(Thiobacillus concretivorus)； (3)氧化铁铁杆菌(Ferrobacillus ferrooxidans)；(4)氧化亚铁硫杆菌 (Thiobacillus ferrooxidans)；(5)氧化硫硫杆菌(Thioballus thiooxidans) 等。而目前应用最多的是氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)， 它们属于化能自养菌，靠氧化培养基中的亚铁离子或硫化物获得能量，吸收 空气中的二氧化碳作为碳源，并吸收培养基中的氮、磷等无机盐合成菌体细 胞；它们在细菌代谢时需要氧气，属于好氧菌，广泛分布于酸性的矿坑水中。

目前，常用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器主要包括搅拌槽(STR)和 气升式反应器(ALR)两种，因为浸矿用的微生物为嗜氧细菌，为了给微生物 提供足够的可利用的溶解氧，常常需要借助搅拌和通气的手段，而增加搅拌 和通气则会引起能耗过高，同时，其剪切力也会随着搅拌的增大而增大，而 这样做对微生物细胞是有破损作用的，使微生物的生长环境恶化；而且，气 升式反应器(ALR)的传质和传热效果也不太好。

为取得较好的效果，现在有人将搅拌槽式反应器(STR)的螺旋桨改为曲 型桨叶的轴向流动螺旋桨，它比一般的透平式螺旋桨的搅拌槽式反应器所需 的动力低，而且产生的剪切力较小。其它尚处于实验室或半工业试验状态的 生物氧化浸矿反应器有：长槽式鼓气生物反应器、低能耗生物反应器、斜倾 式反应器(DIP)、转筒式生物反应器(Biorotor)、密实床生物反应器等等， 它们的效果还没有得到完全的证实。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能强化传质和传热、 降低能耗、优化微生物生长环境、提高矿物氧化速率、用于难浸硫化金矿生 物氧化的新型反应器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器，含有上封头、筒体、下封头， 在上封头上设有出气口和人孔，在下封头底部设有液体出口，其特征是，与 三叶螺旋桨搅拌器、气体分布器、亥姆霍兹(Helmholtz)线圈、筛板、液体 循环管道共同构成；筛板位于三叶螺旋桨搅拌器的上方，矿物颗粒出口的下 方，将筒体分为上下两部分，上部分为磁稳定反应区，下部分为气体饱和区； 筒体壁上设有冷却夹套，冷却夹套套接于筒体的外围，夹套与筒体壁形成封 闭的空腔，冷却夹套顶部与筒体顶同高，底部与筛板同高，即与磁稳定反应 区等高；在筒体壁与冷却夹套之间的磁稳定反应区的左上方设有与筒体相通 的矿物颗粒入口、右下方设有与筒体相通的矿物颗粒出口，左下方设有与夹 套相通的冷却水入口、右上方设有与夹套相通的冷却水出口；在筒体的气体 饱和区内设有三叶螺旋桨搅拌器和通气管，通气管通过筒体的底板与设置在 下封头内的气体分布器连接；在上封头与下封头上连接有设于筒体之外的液 体循环管道，液体循环管道出口连接在下封头上，液体循环管道进口连接在 上封头人孔的下面，液体循环管道的上部设有微生物液体培养基加入口和阀 门，液体循环管道的下部设有促进液体流动的流体泵；亥姆霍兹(Helmholtz) 线圈为一维亥姆霍兹线圈，设置在冷却夹套的外部，对磁稳定反应区内的磁 敏性矿物颗粒产生磁稳定作用。

所述的三叶螺旋桨搅拌器为能将气体饱和区内的气体和液体充分混合、 从而得到被气体饱和的液体的轴流桨。

所述的气体分布器为能将进气粒径减小为微米级的微孔分布器。

所述液体循环管道内径为20～30mm，其与筒体内径比为0.05～0.2∶1。

所述亥姆霍兹线圈的高度在矿物颗粒进口和矿物颗粒出口之间，其产生 轴向磁场的强度是可以调节的。

所述筛板为开孔率在0.4～1.4％之间、孔径为2～3mm的多孔圆形平板，气 体饱和区内的气体饱和液体可以通过筛孔进入磁稳定反应区，但是，磁稳定 反应区内的固体颗粒不能通过筛孔进入气体饱和区。

所述的磁稳定反应区高度为本发明反应器总高度的55～75％。

所述的气体饱和区高度为本发明反应器总高度的15～25％。

本发明用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器的工作过程为：

将有磁性的、粒径为0.074mm(占80％)的固体矿物颗粒由矿物颗粒入口 加入到反应器的磁稳定反应区内，空气由通气管经气体分布器通入，将新鲜 的微生物液体培养基从微生物液体培养基加入口加入液体循环管道，经流体 泵的作用经由液体循环管道出口进入反应器的气体饱和区，在三叶螺旋桨搅 拌器的作用下与空气充分混合后通过筛板进入至磁稳定反应区；这时，调节 微生物液体流速，使磁稳定反应区内的固体矿物颗粒膨胀，当固体矿物颗粒 膨胀到原来体积的2～4倍时，达到最大高度，即磁稳定反应区的顶部时，打 开亥姆霍兹线圈的电源，使其产生一个轴向向上的稳定磁场，固定并有序排 列膨胀后的固体矿物颗粒；此时，粒径为0.074mm(占80％)的颗粒稳定在反 应区内，反应过程中产生的废气从出气口排出，微生物液体则以平推流的形 式流经固体颗粒，从上封头的液体循环管道进口流出，经液体循环管道、流 体泵进行再循环，流体泵提供一定的液体流动动力，从而保证微生物液体在 反应器内有足够的停留时间，同时在气体饱和区能不断得到新鲜空气，以满 足微生物对新鲜空气的需求。

在反应(发酵)过程中，由于矿物颗粒被氧化，其重量发生变化，这时， 可以通过调节微生物液体的流速和磁场大小使其重新达到平衡。

反应(发酵)结束后，关闭亥姆霍兹(Helmholtz)线圈的电源，将微生 物液体流速降为零；将微生物液体经液体出口排出，矿物颗粒则由矿物颗粒 出口取出。

与现有技术相比，本发明用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器的优点是：

1、在传统的反应器中引入磁稳定床技术以及高效搅拌桨和气体分布器等 工程手段将整个反应器分为磁稳定反应区和气体饱和区，硫化金矿通过简单 的预处理可增加其磁性而成为磁敏性介质，因此有序排列在磁稳定床中；气 体饱和区主要采用微孔分布器将进气粒径减小为微米级，既可提高气液交换 的表面积，又可以降低搅拌桨的功率；而轴流桨可以将进入气体饱和区内的 气体和液体充分混合，从而得到被气体饱和的液体。

2、床层介质稳定，不存在扩散和返混；液相流动近似于平推流，相间接 触充分；调节外加磁场强度和液体相的速度可改善流体的停留时间分布，获 得较宽的流速操作范围，使得同一装置可适用于不同的处理对象和处理要求。

3、在多相接触中，被磁场固定化的颗粒可有效地抑制和破坏气泡的产生， 较好地调节相间传质，减少甚至消除颗粒间的摩擦碰撞几率，降低了菌体因摩 擦力而受损伤。

4、调节磁场方向或大小可实现在床层外部移动床层介质，能够连续地从 反应器引进和引出填充介质，使流固相逆流接触，可实现连续操作。

5、气体饱和区的低能耗、高效搅拌桨与液体循环管道可以将液体不断地 充分饱和，为微生物提供足够的新鲜空气，并保证一定的停留时间。

6、能强化传质和传热、降低能耗、优化微生物生长环境、提高矿物氧化 速率、用于难浸硫化金矿的生物氧化。

【附图说明】

附图为本发明用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器的结构示意图；

图中标号分别为：

1、出气口，2、上封头，3、矿物颗粒入口，4、筒体，5、冷却夹套， 6、冷却水入口，7、亥姆霍兹线圈，8、三叶螺旋桨搅拌器，9、通气管， 10、下封头，11、气体分布器，12、液体出口，13、液体循环管道出口， 14、流体泵，15、筛板，16、矿物颗粒出口，17、微生物液体培养基加入口， 18、冷却水出口，19、液体循环管道进口，20、人孔，21、磁稳定反应区， 22、气体饱和区，23、液体循环管道。

【具体实施方式】

以下结合附图给出本发明用于难浸硫化金矿生物氧化的反应器的具体实 施方式。

一种用于难浸硫化金矿生物氧化的新型反应器，含有上封头2、筒体4、 亥姆霍兹(Helmholtz)线圈7、三叶螺旋桨搅拌器8、下封头10、气体分布 器11、筛板15、液体循环管道23；在上封头2上设出气口1和人孔20，在 下封头10底部设液体出口12；筛板15位于三叶螺旋桨搅拌器8的上方，矿 物颗粒出口16的下方，将筒体4分为上下两部分，上部分为磁稳定反应区21， 下部分为气体饱和区22，筛板15为开孔率在0.4～1.4％之间、孔径为2～3mm 的多孔圆形平板，气体饱和区内22的气体饱和液体可以通过筛孔进入磁稳定 反应区21，但是，磁稳定反应区内21的固体颗粒不能通过筛孔进入气体饱和 区22；筒体4壁上设有冷却夹套5，冷却夹套5套接于筒体4的外围，冷却 夹套5与筒体4壁形成封闭的空腔，冷却夹套5顶部与筒体4顶同高，底部 与筛板15同高，即与磁稳定反应区21等高；在筒体4壁与冷却夹套5之间 的磁稳定反应区21的左上方设有与筒体4相通的矿物颗粒入口3、右下方设 有与筒体4相通的矿物颗粒出口16，左下方设有与冷却夹套5相通的冷却水 入口6、右上方设有与冷却夹套5相通的冷却水出口18；在筒体4的气体饱 和区22内设有三叶螺旋桨搅拌器8和通气管9，三叶螺旋桨搅拌器8为轴流 桨，将进入气体饱和区内的气体和液体充分混合，从而得到被气体饱和的液 体；通气管9通过筒体4的底板与设置在下封头10内的气体分布器11连接， 气体分布器为微孔分布器，可将进气粒径减小为微米级；在上封头2与下封 头10上连接有设于筒体4之外的液体循环管道23，液体循环管道出口13连 接在下封头10上，液体循环管道进口19连接在上封头2人孔20的下面，液 体循环管道23的上部设有微生物液体培养基加入口17和阀门，液体循环管 道23的下部设有促进液体流动的流体泵14，液体循环管道内径为20～30mm， 其与筒体内径比约为0.05～0.2∶1；亥姆霍兹(Helmholtz)线圈7为一维亥 姆霍兹线圈，设置在冷却夹套5的外部，其线圈高度在矿物颗粒进口3和矿 物颗粒出口16之间，其产生的轴向磁场强度是可以调节的，对磁稳定反应区 21内的磁敏性矿物颗粒产生磁稳定作用。

磁稳定反应区21高度为本发明反应器总高度的55～75％，

气体饱和区22高度为本发明反应器总高度的15～25％。