难处理金矿生物氧化技术因其具有投资小、成本低、能耗少、工艺流程简单和对环境友好等特点,越来越受到人们的重视,并逐步在各国冶金工业中获得应用。其中,搅拌釜式通气反应器是目前最为常见的工业装置,相关研究受到学术界和产业界的普遍关注。然而,生物氧化反应器在运行过程中存在的高矿浆浓度与低传质速率、高溶氧水平与低氧利用率、高搅拌强度与菌体剪切损伤等矛盾和问题依然十分突出,矿石生物氧化过程的整体效率还不尽如人意,在一定程度上制约了生物氧化技术在难处理金矿冶炼工业中的广泛应用。鉴于上述生物氧化过程及其反应器亟待突破的技术瓶颈,本文首先通过摇瓶实验,考察温度、初始pH值、矿石浓度等操作参数以及菌体吸附特征对菌体生长和生物氧化过程动力学特性的影响,在初步确定生物氧化过程基本操作条件的基础上,通过实验测定矿浆流变学特征及其影响因素,进一步在通气搅拌反应器中研究矿浆流体特征、机械搅拌强度和通气速率与反应器内氧传质速率的关系,并期望从反应器尺度、细胞尺度和分子(基因)尺度认识溶解氧(DO)和机械搅拌强度对菌体生长、氧化活性以及矿石氧化效率的影响及其作用机制,为难处理金矿生物氧化过程的开发及其生物氧化反应器的优化设计和操作提供实验依据和科学指导。本文首先通过单因素摇瓶实验,分别对难处理金矿生物氧化过程中的温度、初始pH值以及接种量等操作条件进行了考察,并采用经典Hansford逻辑方程对各操作条件下的菌体生长和氧化效率等模型参数进行了拟合和分析,发现操作温度在30-44℃之间时,菌体浓度、矿石氧化率和氧化速率随着温度的升高而提高,41℃时达到最大值。降低pH也有利于菌体生长,提高氧化效率。提高接种量有利于矿石的生物氧化,但接种量超过10%(V/V)后作用减弱。上述结果表明,温度41℃、pH1.4以及10%(V/V)的接种量是Acidithiobacillus ferrooxidans氧化难处理金矿较为适宜的操作条件。采用专门设计的摇瓶实验,通过考察吸附菌和游离菌对难处理金矿的生物氧化作用以及菌体在矿石表面的吸附特征及其生长动力学参数,发现菌体在矿石表面的吸附可有效提高矿石的氧化效率,以矿石为基质的吸附菌体得率YA为6.11×1012cell/kg-ore,吸附菌比生长速率μA达到1.0d-1。当添加浓度为0.005-0.01wt.%的六偏磷酸钠(SH)时,能显著改变矿石表面的电性,增强矿石和菌体间的静电作用力,从而提高菌体在矿石表面的吸附率。实验结果表明,Langmuir等温吸附方程能较好地描述A. ferrooxidans菌体在矿石表面的吸附行为,其吸附平衡常数KA为3.39×10-14m3/cell,单位质量矿粒的最大吸附能力XAM为1.80×1012cell/kg.矿浆流变学特性直接影响生物氧化反应器内的流体流动和气液氧传质,本文实验结果表明,当矿浆浓度低于40wt.%时,矿浆体系呈现为牛顿流体,而随着矿浆浓度增加,矿浆体系的粘度随之显著提高,并转变为假塑性非牛顿流体,符合Casson模型,此时矿石颗粒的粒径对矿浆悬浮液粘度也有显著影响。添加0.005-0.05wt.%浓度的六偏磷酸钠(SH)能有效降低高浓度矿浆悬浮体系的表观粘度和屈服应力。实验发现,在10-40wt.%的矿浆浓度范围内气液氧传质系数(Kla)随着矿浆悬浮液粘度的提高而下降,提高搅拌强度和通气速率能有效改善反应器中的气液氧传质系数常数Kla,它与矿浆粘度、P/V和通气速率之间具有如下关系：另外,提高矿浆浓度均使A. ferrooxidans菌体的浓度和矿石氧化率下降。通过研究溶解氧(DO)浓度对矿石氧化速率、浸出动力学特性、菌体生长和活性的影响,发现A. ferrooxidans菌对难处理金矿的生物氧化过程是一个由生物反应速率控制的过程,特别在维持较高的DO浓度时,反应控制更显重要,矿石的生物氧化效率和菌体生长速率均随DO浓度的提高而提高。在DO浓度为1.2ppm时生物氧化过程表现为氧限制,此时的矿石氧化率和最大矿石氧化速率分别只有43.9%和0.05708g/L/h,当DO浓度提高到3.1ppm时,两者分别达到60.4%和0.08417g/L/h,但进一步提高DO浓度并未使矿石氧化率和氧化速率进一步提升,说明过高的溶解氧浓度并没有被菌体有效利用。为了揭示和认识DO浓度对难处理金矿生物氧化过程的影响及其作用机制,本文分别在细胞和分子基因尺度对此作了进一步深入研究,实验发现当DO浓度由1.2ppm提高到3.1ppm时,生物氧化过程中A. ferrooxidans菌体的摄氧率(OUR)、Fe2+氧活性和rus基因表达量分别提高了73%、25%和67%,说明提高DO浓度能够上调菌体内电子传递链中关键蛋白的基因表达,提高菌体的Fe2+氧化活性,加快电子传递速率,从而产生更多能量,并促进菌体的生长。但实验也发现,当DO浓度从3.1ppm提高到5.2ppm时,虽然A. ferrooxidans菌体的rus基因表达量提高了1.3倍,但菌体的OUR和Fe2+氧化活性却变化不大,说明过高的DO浓度并不能提高生物氧化过程的氧化效率,却反而会导致氧利用率的下降,不利于节能降耗。在通气搅拌反应器中机械搅拌担当了气液固混合和传质、传热的重要作用,必将对难处理金矿生物氧化过程的效率发挥重要影响,本文实验发现,矿石的氧化效率随搅拌强度的提高而降低,当搅拌强度为300rpm时,矿石氧化率和最大矿石氧化速率分别达到73.8%和0.09864g/L/h,而当搅拌强度提高至700rpm时两者分别下降至46.5%和0.06680g/L/h,此时浸出液中的游离菌体浓度较300rpm时下降了19%,而吸附平衡时的吸附菌比例则下降了16个百分点。同样,从细胞和分子基因尺度的进一步研究中发现,当搅拌强度由300rpm提高到700rpm时,生物氧化过程中A. ferrooxidans菌体的OUR和Fe2+氧活性分别下降了28%和45%,rus基因表达量降为1/18,说明提高搅拌强度显著抑制了菌体的rus基因表达,导致A. ferrooxidans菌的Fe2+氧化活性和电子传递速率下降,减少菌体获得的能量,从而抑制菌体生长。最后,基于本文上述研究结果,在新疆阿希金矿现场设计并安装了一套φ2m×10m试验性生物氧化反应器,采用气体喷射式通气装置,气体分散效果良好,且兼具搅拌功能,降低了叶轮搅拌转速。该生物氧化反应器在整个矿浆生物氧化试验过程中,运行良好,在实现相同氧化效率的前提下,矿石处理效率较工业反应器提高了26-35%,达到了理想的试验效果。