Представьте себе шахту без дымящих труб, грохота и сернистого запаха. На склоне горы в Красноярском крае лежит обычная груда серого песка — и именно из неё каждый день «добывают» золото. Не кувалдами и не кипящей кислотой, а обычными дождевыми каплями, ветром и крошечными бактериями, которые умеют разъедать камень быстрее, чем любой промышленный автоклав.
Это не фантастика и не экспозиция с лабораторного стенда — это реальный пример с площадки компании «Полюс» на месторождении Олимпиада. Здесь микробы превращают упорные сульфиды в растворимые соли прямо на ходу: днём они «пьют» железо, ночью — серу, а утром в коллекторе уже сверкают частицы золота.
Почему горная отрасль вдруг начала выращивать микрофлору, а не закупать кислоту? Ответ прост: бедные руды, жёсткие экологические нормы и растущий спрос на золото, медь, никель, кобальт. Все три фактора делают биогидрометаллургию экономической необходимостью.
Подробно о механизмах, цифрах и перспективах рассказывают заведующий лабораторией промышленных биотехнологий Сибирского Федерального Университета (СФУ) Кирилл Туркин и кандидат биологических наук, эксперт СФУ по промышленным биотехнологиям Александр Белый, а также доктор права, кандидат наук и управляющий партнёр Адвокатского бюро города Москвы «ZHAROV GROUP» Евгений Жаров.
Под названием скрываются два процесса.
Первый — биовыщелачивание: микроорганизмы превращают нерастворимые сульфиды металлов в растворимые соли.
Второй — биоокисление: бактерии разрушают кристаллическую решётку минерала, чтобы вскрыть «спрятанное» золото или платину.
Также в процессе добычи могут применяться следующие методы биометаллургии:
Используя эти методы, предприятия получают возможность добывать металлы из бедных и упорных руд, вымывать ценные компоненты из отходов и хвостов, а также из технологических стоков и воды.
Процесс биовыщелачивания — один из самых распространённых. Как правило, он проводится двумя способами: чановым (реакторным) и кучным (на свалке или отвале).
Чановый заключается в том, что руда измельчается до 50–70 мкм, заливается в реактор, пульпа перемешивается и аэрируется.
При кучной схеме руда насыпается на глиняный поддон с уклоном 3–4%, сверху оросительная система подаёт питательный раствор. Раствор стекает, собирается в лоток и насосом возвращается на вершину кучи. Процесс идёт месяцами, зато капитальные затраты в 3–4 раза ниже, чем у автоклава.
Ключевой механизм — это окисление серосодержащих и железосодержащих минералов.
Реакция запускается хемоавтотрофами — Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfobacillus и археями Ferroplasma. Они поглощают двухвалентное железо и серу, выделяя трёхвалентное железо и серную кислоту. Полученный окислитель уже сам растворяет сульфиды меди, цинка, никеля, кобальта. Микробам нужны только три условия: кислая среда (рН 1,2–2,0), доступ кислорода и температура 25–45 °С. Всё остальное делают метаболиты самих бактерий.
Биотехнологии позволяют сократить издержки горно-металлургических процессов. Поскольку микроорганизмы самостоятельно производят необходимые кислоты, предприятиям не нужно закупать химреагенты, дорогие печи или автоклавы. Как отмечают эксперты, биовыщелачивание выступает выгодной заменой дорогостоящих способов обжига и автоклавного вымывания руд.
Отсутствие большого количества оборудования приводит и к снижению энергозатрат: микроорганизмы работают при умеренных температурах, потребляя тепло от собственных реакций.
«По оценкам коллег из Омского государственного технического университета, использование таких технологий позволяет увеличить выход металлов с 60 до 90% при одновременном снижении энергозатрат до 25% от традиционных. Кроме того, биопроцессы обходятся дешевле в эксплуатации: оборудование проще, цикл реакции происходит при нормальном давлении, нет нужды в сложной газоочистке, объём сточных вод обычно невелик за счёт закрытых циркуляционных систем. В итоге операционные расходы на оборудование и энергию при биоокислении значительно ниже, чем у классических химметаллургических схем», — говорят учёные СФУ.
Биологический метод добычи металла также более экологичный, нежели традиционный — сокращаются объёмы применения токсичных реагентов, а вместе с ними и выбросы загрязнителей.
«Бактериальные процессы протекают при атмосферном давлении и относительно невысокой температуре, не выделяя в атмосферу диоксид серы и тяжёлые металлы, как это происходит при печных и автоклавных этапах», — отмечают эксперты.
При таком подходе отработанные жидкости обычно возвращают в замкнутый цикл или аккумулируют в санитарных отстойниках, а кислоты вырабатываются «на месте» бактериями, что исключает сброс кислотно-щелочных стоков.
Не меньшее значение имеет и возможность биотехнологий очищать техногенные массивы и использовать отходы.
«В нашем университете проводятся исследования, в которых мы отмечаем, что биоокисление можно применять для рекультивации золоторудных отвальных полигонов. В Красноярском крае не менее 17,5 тыс. га старых отвалов, а биовыщелачивание позволяет извлечь золото из этих территорий, одновременно восстанавливая их. Аналогично эти процессы успешно очищают шламовые пруды от тяжёлых металлов, снижая их концентрацию до нормативов. Отдельно хочется отметить устойчивое развитие: оборудование для такого типа вымывания компактнее и требует меньше природных ресурсов», — поделились опытом учёные СФУ.
На биоплощадке нет дымящих труб и горячего шлака: вентиляторы работают на приток воздуха, а не на выброс. Тепловая энергия — это естественный побочный продукт реакции, а не топливный котёл. Углерод в процесс вносят граммами минеральных солей; никакого угля или мазута не требуется. Выбросы сернистого газа и пыли сведены к нулю, дренажная вода циркулирует в замкнутом контуре. Кучное биоокисление повторяет природную сернокислую минерализацию, только ускоренную в десятки раз, — по экологическому следу технология ближе к естественному выветриванию, чем к обжигу или автоклаву.
«В контексте выполнения таких международных обязательств России, как Минаматская конвенция по ртути, переход на подобные «зелёные» технологии становится не просто вопросом экономической целесообразности, но и правовой необходимостью», — отмечает Евгений Жаров.
При всех этих преимуществах применение биологического подхода на промышленных участках часто позволяет извлекать больше металлов, чем традиционными способами. Так, например, на Якутском Самолазовском ГОКе «Селигдар» при кучном биовыщелачивании окисленных золотосодержащих руд в 2001–2013 гг. получали примерно 80% извлечения золота, отмечают учёные СФУ.
На опытных полигонах «Полиметалла» «Селигдар» при биоподготовке упорных руд рост извлечения золота с 30 до 80%. В лабораторных исследованиях новые технологии заявляют повышение среднего извлечения полезных компонентов с 60 до 90%.
К слову, упомянутый ранее «Полюс» является пионером биоокисления в России. С 2001 года на полигоне Олимпиада работает промышленная бактериальная установка (BIONORD) для биоокисления упорных золотосодержащих концентратов. На данный момент компания расширила мощности — после запуска 4 цехов БИО на Олимпиаде сквозное извлечение золота в компании стабилизировалось на уровне около 83–84%.
Прямая и точная цифра конкретного количества предприятий, использующих биометоды, в открытых источниках не называется. Как подчёркивает г-н Жаров, это говорит о том, что подобных проектов в России пока единицы, да и те носят в основном пилотный или опытно-промышленный характер.
Однако, по словам адвоката, пример эффективности таких технологий можно найти и на месторождении Шануч на Камчатке. Там путём исследований по биовыщелачиванию медно-никелевых руд с помощью микроволнового излучения удалось увеличить скорость извлечения никеля на 57%, а кобальта — на 52%.
Важно отметить, что в мировой практике на биометоды приходится более 25% производства меди, и всё чаще их используют для золота и других металлов. Если соблюдаются оптимальные условия, то выход меди из куч выщелачивания достигает 70–80%.
По словам экспертов, биотехнологии трудно использовать полномасштабно по трём причинам.
Бактериальное выщелачивание обычно идёт медленнее химических реакций. Из-за этого увеличиваются производственные циклы и появляется необходимость применения больших реакторов или отвалов для обработки значительных масс руды. При этом параллельно нужно строго контролировать условия — сбои могут привести к уменьшению микробной активности и снижению производительности.
Экстремальные температуры, недостаток питательных веществ или избыточная щелочность могут ограничивать рост хемоавтотрофных микроорганизмов. Высокая концентрация растворённых металлов и сопутствующих химических элементов тоже токсична для микробов. Поэтому предприятиям приходится либо адаптировать местные штаммы, либо проводить длительную акклиматизацию культур.
В кучных системах породу сложно увлажнять и равномерно наполнять микроорганизмами. Месторождения бывают удалёнными или в суровом климате, что создаёт трудности эксплуатации. К тому же внедрение биотехнологий на крупном ГОКе связано с большими начальными инвестициями и длительным сроком окупаемости — предприятия иногда не готовы рисковать.
«Складывается такая ситуация, что у нас до сих пор один «Полюс» освоил технологию, а широкому применению мешают неопределённость заказчиков и финансовые вопросы», — отметили учёные СФУ.
Кроме того, по мнению адвоката Евгения Жарова, для прорыва также необходимы изменения в законодательстве, включая налоговые льготы, ускоренную амортизацию экологического оборудования и прямую господдержку научных исследований и опытно-промышленных установок в рамках национальных проектов.
Биогидрометаллургия превращает бактерии в главных «металлургов» XXI века: она дешевле, чище и эффективнее классических способов для бедных и упорных руд. Пока процесс медленный и капризный, но рост цен на энергию и штрафы за выбросы делают микробный способ добычи металлов реальным способом сократить затраты и углеродный след отрасли.
Кроме того, биотехнологии имеют очень высокий потенциал применения для новых видов сырья. В мире уже изучают биоэкстракцию платиноидов, редкоземельных и других металлов, и по прогнозам эта сфера будет расширяться.
«Комбинирование уже используемых подходов с новыми может обеспечить существенный прорыв — перспективные технологии позволят вовлекать в переработку невостребованные источники металлов. Например, изучается биовыщелачивание никелевых и кобальтовых латеритов, извлечение редкоземельных элементов из угольной золы и биосорбция лития и урана», — говорят эксперты СФУ.
Они также отметили, что предпосылки к развитию этих направлений можно наблюдать и в России: предприятия обрабатывают большие объёмы техногенных хвостов, в стране растёт потребность в новых поставках редких металлов и всё чаще заявляют о создании отрасли редкозёмов. Некоторые горные предприятия, например, УГМК и «Норникель», ведут исследовательские проекты по биоминимизации отходов обогащения хромитовых руд.
«Для России, с её огромными запасами бедных и упорных руд, биогидрометаллургия — это не только инструмент выполнения экологических стандартов, но и шанс вовлечь в хозяйственный оборот колоссальные ресурсы, которые ранее считались нерентабельными. Успех будет зависеть от синергии между наукой, бизнесом и готовностью государства создавать адекватные правовые и экономические условия для этой технологической революции», — считает г-н Жаров.
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.