Развитие и функционирование микроорганизмов в циклах обогащения сульфидных медно-никелевых и несульфидных апатит-нефелиновых руд

Мурманская область занимает одно из ведущих мест в стране по запасам полезных ископаемых. Особенно значительное развитие в регионе получил горнопромышленный комплекс.

Минерально-сырьевые ресурсы представлены крупными запасами апатит-нефелинового и медно-никелевого сырья, фосфатное сырье – уникальными по составу и качеству апатит-нефелиновыми рудами Хибинского массива, перерабатываемыми на предприятии ОАО "Апатит" [1].

Медно-никелевое сырье области представлено комплексными сульфидными медно-никелевыми рудами. Запасы этих руд являются второй по значению сырьевой базой производства никеля в России. На территории области выделены четыре рудных района – Печенгский, Аллареченский, Мончегорский и Кольский. Основной из них – Печенгский, с комбинатом ОАО «ГМК "Печенганикель"», где производится переработка руды до товарной продукции. В настоящее время накоплено много материала по значимости микробиологического фактора в трансформации сульфидных руд с использованием бактерий в процессе обогащения [2; 3].

Общей особенностью этих горнопромышленных комплексов является использование оборотной воды в процессе обогащения сырья. Внедрение оборотного водоснабжения на обогатительных фабриках Мурманской области явилось значительным шагом в охране окружающей среды и, в первую очередь, поверхностных вод [4].

Оборотные воды, благодаря сложному их составу, наличию в них органических соединений и тонкодисперсной минеральной фазы являются хорошей питательной средой для бактерий. Их присутствие в оборотной воде, которая проходит технологический процесс, должно сказаться на состоянии поверхности минералов, входящих в состав исследуемых руд [5]. Поэтому проследить влияние бактериальной составляющей оборотных вод на флотационное поведение несульфидных апатит-нефелиновых и сульфидных медно-никелевых руд является важной задачей для понимания процессов, происходящих на поверхности минералов, и улучшения их флотируемости при переработке рассматриваемых руд.

Для несульфидных апатит-нефелиновых руд выполнена работа по определению роли бактериальной составляющей в непрерывном цикле переработки минерального сырья. Показано, что бактерии ухудшают флотируемость апатита. Результаты выполненной работы показывают пути снижения производственных затрат, в частности расхода собирательной смеси [6].

Выявить влияние микроорганизмов на процесс флотации сульфидных медно-никелевых руд более сложно из-за низкого содержания меди и никеля в исходной руде и наличия большого числа факторов, влияющих на процесс обогащения.

Цель данной работы – сравнить развитие микроорганизмов в процессах флотации сульфидных медно-никелевых руд на обогатительной фабрике Кольской ГМК и апатит-нефелиновых руд на предприятии ОАО "Апатит".

Материалы и методы

Изучение процессов влияния микроорганизмов на обогащение апатит-нефелиновой руды проводили непосредственно на обогатительных фабриках АНОФ-2 и АНОФ-3 ОАО "Апатит" в непрерывном цикле переработки минерального сырья. Проанализированы образцы измельченной руды, мельничного слива, пенного продукта, хвостов флотации, слива после сгущения, фильтрата, концентрата после сушки, оборотной воды, собирательной смеси и флотореагентов, образцы пенного и камерного продуктов основной, контрольной флотации и 3-х перечисток. Для выявления сезонной динамики численности микроорганизмов в оборотных водах образцы брали в весенний, летний, осенний и зимний периоды.

Изучение численности и трофического разнообразия микроорганизмов в цикле обогащения сульфидных руд проводили на обогатительной фабрике в г. Заполярный. Были исследованы образцы руды, межцикловой флотации, пенных продуктов основной и I контрольной флотации, пенных продуктов I и II перечисток, хвостов, оборотной воды на входе, концентрата до спекания в зимний, летний и осенний периоды. Также были рассмотрены применяемые в процессе обогащения флотореагенты – аэрофлот, ксантогенат, сульфат меди, КМЦ, сода – с целью выяснения их токсичности для микроорганизмов или, наоборот, возможности использования некоторых из них как дополнительного источника питания.

Изучение численности и разнообразия микробиоты проводили методом посева на селективные питательные среды, такие как МПА, КАА (в состав которой входит сернокислый аммоний, наиболее часто используемый бактериями) и среда Аристовской. Общую численность и биомассу бактерий учитывали методом флуоресцентной микроскопии с использованием поликарбонатных мембранных фильтров Cyclopore. В коллекцию выделены доминирующие штаммы бактерий. Идентификация бактерий проведена современным молекулярно-генетическим методом с помощью ПЦР-амплификации генов 16s рРНК с последующим секвенированием ампликонов и анализом данных.

Опыты по изучению влияния микроорганизмов на параметры процесса флотации проводили на лабораторной установке 237-ФЛ-А (рис. 1). Для исследования влияния бактерий на процесс обогащения чистых разностей апатита и кальцита и апатита из руды были использованы четыре доминирующие культуры. В первую очередь проведена серия холостых опытов на водопроводной воде без добавления бактерий. Затем опыты проводились в замкнутом цикле на водопроводной воде, содержащей бактерии с численностью от 10 ² до 10 ⁷ кл/мл.

Рис. 1. Устройство флотационной машины: 1 – корпус; 2 – блок импеллера; 3 – камера; 4 – пеногон; 5 – привод пеногона; 6 – двигатель привода импеллера; 7 – столик;

8 – направляющее устройство; 9 – ротаметр; 10 – лопатка; 12 – блок управления (ВПЧ);

17 – переключатель; 18 – лампа; 19 – штанга; 20 – пассик

Fig. 1. Flotation machine: 1 – body; 2 – impeller unit; 3 – chamber; 4 – froth ejector;

5 – froth ejector gear; 6 – motor of impeller gear; 7 – table; 8 – guiding device; 9 – rotameter; 10 – blade; 12 – control unit; 17 – switch; 18 – lamp; 19 – pole; 20 – take-up belt

Для флотации готовили 7 л раствора с 700 мл бактериальной суспензии и водопроводной воды. Во время цикла во флотационную камеру помимо 700 мл раствора бактериальной суспензии помещали

300 г измельченной руды и реагенты: собирательную смесь и вспениватель. Флотационная камера присоединялась к аэрационной установке.

Исследования влияния микроорганизмов на процесс флотации сульфидных медно-никелевых руд проводились по схеме, предусматривающей измельчение исходной руды до крупности 60 % с размером частиц мельче 74 мкм, межцикловую флотацию, контрольную флотацию и I перечистку пенного продукта. В работе использовались реагенты, применяемые на фабрике. Ксантогенат и сода подавались в измельчение. В межцикловую флотацию вводились аэрофлот и КМЦ, в I перечистку – аэрофлот, в контрольную флотацию – ксантогенат, аэрофлот и КМЦ.

Результаты и обсуждение

Изучение образцов, взятых в цикле обогащения несульфидных апатит-нефелиновых и сульфидных медно-никелевых руд, показывает, что численность микроорганизмов при флотации на фабриках АНОФ-2 и АНОФ-3 выше, чем на комбинате "Печенганикель" на два порядка и составляет n·10 ⁵ –10 ⁶ кл/мл, что связано с особенностями руды и используемыми реагентами. Апатитовый концентрат используют для производства фосфорных удобрений, являющихся важным источником минеральных элементов для всего живого. Несульфидные апатит-нефелиновые руды содержат в себе высокое количество биогенных элементов, которые служат отличным источником питания для микробиоты. Наряду с этим было выявлено несколько общих закономерностей развития микроорганизмов в процессах флотации руд.

Результаты исследования показывают, что бактерии, поступающие в процесс обогащения с рудой и оборотной водой, идущей с хвостохранилищ, увеличивают свою численность по ходу флотации (рис. 2–3).

Рис. 2. Численность бактерий в образцах флотации апатит-нефелиновой руды на фабрике АНОФ-2, сентябрь 2005 г.: 1 – руда; 2 – оборотная вода; пенные продукты: 3 – основной флотации;

4 – контрольной флотации; 5 – I перечистки; 6 – II перечистки; 7 – III перечистки; 8 – хвосты Fig. 2. The number of bacteria in samples of flotation of apatite-nepheline ore at the ANOF-2 factory, September, 2005: 1 – ground ore; 2 – circulating water; froth products: 3 – basic flotation;

4 – control flotation; 5 – I cleaning; 6 – II cleaning; 7 – III cleaning; 8 – tails

Рис. 3. Численность бактерий в образцах процесса флотации сульфидных руд комбината "Печенганикель", cентябрь 2015 г.: 1 – руда; 2 – оборотная вода; 3 – межцикловая флотация; пенные продукты: 4 – основной флотации; 5 – контрольной флотации; 6 – I перечистки;

7 – II перечистки; 8 – II основной перечистки; 9 – хвосты

Fig. 3. The number of bacteria in samples of sulphide ore flotation process of the "Pechenganikel" plant, September, 2015: 1 – ground ore; 2 – circulating water; 3 – intercycle flotation; froth products: 4 – main flotation; 5 – control flotation; 6 – I cleaning; 7 – II cleaning; 8 – II basic cleaning; 9 – tails

Наименьшая численность как сапротрофных, так и других трофических групп бактерий наблюдается в образцах руды и оборотной воды на фабрике АНОФ-2 и составляет n·10 ⁴ –10 ⁵ кл/г или мл, на комбинате "Печенганикель" – n·10 ² –10 ³ кл/г или мл. По ходу флотации их численность возросла на два порядка. Это связано как с повышением температуры при флотации, так и с поступлением в процесс органических веществ с флотореагентами. Немалую роль играет аэрация. Максимальная численность бактерий наблюдалась в пенных продуктах и хвостах, достигая значений n·10 ⁶ кл/мл в апатит-нефелиновых рудах и n·10 ⁴ кл/мл – в медно-никелевых.

На апатит-нефелиновых фабриках численность бактерий, использующих минеральные формы азота, и бактерий с олиготрофным типом питания ниже, чем с сапротрофным.

В процессе обогащения медно-никелевых руд на разных этапах преобладают разные трофические группы бактерий. Значения рН образцов с обеих фабрик отличаются высокой щелочностью и изменяются в диапазоне от 8 до 12.

В процессе работы из оборотной воды и основных продуктов флотации на ОАО "Апатит" и комбинате "Печенганикель" были выделены штаммы, частота встречаемости которых составила более 60 %, они относятся к роду Pseudomonas. На ОАО "Апатит" обнаружены еще два штамма с частотой встречаемости более 60 %, относящиеся к роду Stenotrophomonas и Acinetobacter.

Численность грибов в цикле обогащения апатит-нефелиновой руды на фабриках очень низкая (от 1 до 24 КОЕ/1 мл или 1 г руды), и, по всей вероятности, они не оказывают ощутимого влияния на процесс флотации. Доминировали грибы рода Penicillium, встречались грибы родов Acremonium, Aureobasidium, Alternaria, Chaetomium.

Микроскопические грибы встречались в единичных случаях и на комбинате "Печенганикель". Были обнаружены виды Aspergillus fumigatus, Penicillium aurantiogriseum и P. glabrum.

С помощью опытов по флотации апатит-нефелиновых руд на лабораторной установке обнаружено, что доминирующие виды бактерий оказывают негативное влияние на процесс флотации апатита из апатит-нефелиновой руды (табл. 1).

Таблица 1. Результаты флотации апатита из руды в присутствии бактерий (Pseudomonas alcaliphila, Pseudomonas plecoglossicida, Stenotrophomonas rhizophila) в замкнутом цикле (%)

Table 1. Results of flotation of apatite from ore in the presence of bacteria (Pseudomonas alcaliphila, Pseudomonas plecoglossicida, Stenotrophomonas rhizophila) in the closed cycle (%)

Наименование продукта	Выход	Содержание Р 2 О 5	Извлечение Р 2 О 5	Численность бактерий, кл/мл
Концентрат	36.3	40.42	94.6	0
То же	36.3	39.50	95.3	10 2
- " -	38.3	38.12	95.1	10 3
- " -	39.0	37.45	95.0	10 6

В замкнутом цикле в виду циркуляции промпродуктов при флотации нарушается селективность процесса, о чем свидетельствует увеличение выхода продукта при одинаковом извлечении, ухудшается качество концентрата. Доминирующие штаммы снижают содержание Р ₂ О ₅ в концентрате практически на 3 % по сравнению с опытами, проведенными на водопроводной воде без бактерий.

Лабораторные опыты по флотации исходной медно-никелевой руды на водопроводной воде в фабричном режиме показали, что в присутствии доминирующих бактерий и с увеличением их численности время флотации увеличивается (табл. 2).

Таблица 2. Изменение времени флотации в зависимости от концентрации бактерий в жидкой фазе флотации сульфидных медно-никелевых руд

Table 2. Flotation time change depending upon the concentration of bacteria in the liquid phase of the flotation of sulfide copper-nickel ores

Численность бактерий, кл/мл	Время флотации по операциям, мин
	Межцикловая флотация	I перечистка	Контрольная флотация
0	27.42	6.32	8.34
10 3	27.15	6.50	7.07
10 5	27.15	7.45	7.45
10 6	26.45	7.30	8.00
10 7	28.40	9.00	10.30

Заключение

Исходя из полученных результатов, можно сделать следующие выводы. Флотационный процесс на предприятии ОАО "Апатит" и комбинате "Печенганикель" способствует развитию бактерий. Максимальной численности бактерии достигают в пенном продукте за счет благоприятного температурного режима, аэрации и наличия питательных веществ, поступающих в процесс с флотореагентами. Численность микроорганизмов при флотации на фабриках АНОФ-2 и АНОФ-3 выше, чем на комбинате "Печенганикель" на два порядка, что связано с особенностями руды и используемыми реагентами. Лабораторные опыты по флотации несульфидных апатит-нефелиновых руд показали, что доминирующие штаммы бактерий ухудшают флотируемость апатита. Результаты опытов с сульфидными медно-никелевыми рудами на водопроводной воде в фабричном режиме свидетельствуют о возрастании времени флотации в оборотной воде в присутствии бактерий.