纳米曝气管强化搅拌槽中嗜温/嗜热菌协同浸出含砷金精矿的机制与工艺优化

针对传统生物冶金中供氧不足和菌群协同效率低的问题，中国科学院过程工程研究所团队通过优化嗜温菌（L.f+A.c）与嗜热菌（S.t）1:1组合，并采用纳米曝气管（NAP）替代传统曝气装置，显著提升氧传递效率（kLa）和胞外聚合物（EPS）产量，使浸出效率提高3.61%且能耗降低1.59%，为搅拌槽生物浸出技术提供了创新解决方案。

　　

随着全球易开采矿产资源日益枯竭，低品位矿石的处理技术成为研究热点。其中，生物冶金技术因其环境友好和成本低廉的优势备受关注，但传统方法存在供氧不足、菌群适应性差及设备堵塞等问题。含砷金精矿的浸出尤为困难，亟需通过优化菌群组合和反应器设计提升效率。中国科学院过程工程研究所的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表论文，通过嗜温菌（Leptospirillum ferrooxidans, L.f和Acidithiobacillus caldus, A.c）与嗜热菌（Sulfobacillus thermosulfidooxidans, S.t）的协同作用，结合纳米曝气管（NAP）技术，实现了浸出效率与能耗的双重优化。

研究采用混合菌群浸出实验、氧传递系数（kLa）测定、胞外聚合物（EPS）分析及扫描电镜观察等技术。结果显示，菌群组合（L.f+A.c）:S.t=1:1时浸出效果最佳，而NAP的引入使氧摄取率（OUR）和kLa显著提升，EPS含量增加并改变优势菌群结构，最终浸出率提高3.61%，能耗降低1.59%。

研究结果

1. 混合菌群浸出效果：通过对比单菌与混合菌浸出，发现（L.f+A.c）:S.t=1:1组合可协同氧化Fe²⁺
   和硫化物，克服单菌环境敏感性缺陷。
2. 纳米曝气管作用：NAP通过增强气液传质效率，使kLa从0.025 s^-1
   提升至0.038 s^-1
   ，溶解氧（DO）浓度稳定在8-10 ppm，避免传统曝气孔堵塞问题。
3. 微生物响应机制：EPS含量从45.2 mg/g增至58.6 mg/g，促进矿物表面生物膜形成；菌群分析显示S.t占比从18%升至27%，主导硫氧化过程。
4. 经济与环境效益：扫描电镜证实NAP组矿物表面腐蚀更显著，且每日能耗降低1.59%，兼具工艺改进与经济性。

结论与意义
该研究首次将纳米曝气管应用于生物浸出搅拌槽系统，通过菌群协同与设备创新双重策略，解决了传统工艺中供氧限制和效率瓶颈问题。不仅为含砷难处理金矿的高效回收提供了新思路，也为生物冶金技术的工业化应用奠定了理论基础。未来可进一步探索NAP在不同矿物体系中的普适性，推动绿色冶金技术发展。