Trong khai thác và chế biến quặng kim loại, khối lượng đất đá thải và quặng đuôi có thể lớn hơn nhiều lần khối lượng kim loại thu hồi. Công nghệ hòa tách sinh học, sử dụng vi sinh vật để giải phóng kim loại từ quặng đuôi, đang được nghiên cứu như một hướng tiếp cận nhằm tận dụng nguồn kim loại có giá trị còn sót lại trong vật liệu này.

Công nghệ hòa tách sinh học sử dụng vi sinh vật để giải phóng kim loại từ quặng đuôi. Ảnh: SeventyFour/Shutterstock.com

Biến chất thải mỏ thành nguồn tài nguyên khoáng sản quan trọng

Tại Sudbury, tỉnh Ontario (Canada), các nhà nghiên cứu đang phát triển công nghệ thu hồi kim loại từ chất thải khai thác mỏ bằng vi sinh vật. Công nghệ này đang được nghiên cứu tại cơ sở thí điểm của MIRARCO Mining Innovation - tổ chức nghiên cứu ứng dụng phi lợi nhuận thuộc Đại học Laurentian.

Theo ước tính được công bố trong nguồn nghiên cứu, lượng niken còn lại trong quặng đuôi tại Sudbury có giá trị khoảng 8-10 tỷ CAD. Đây là nguồn tài nguyên tích lũy sau hơn một thế kỷ khai thác và luyện kim tại khu vực. Trước đây, nhiều khối lượng quặng đuôi không được xử lý tiếp do chi phí vận chuyển trở lại nhà máy luyện kim có thể vượt quá giá trị kim loại thu hồi. Hòa tách sinh học hướng đến giải quyết vấn đề này bằng cách xử lý vật liệu ngay tại khu vực lưu giữ.

Tiềm năng của phương pháp không chỉ giới hạn ở Sudbury. Theo ước tính, lượng niken có thể thu hồi từ quặng đuôi chứa pyrrhotite trên khắp Canada có giá trị khoảng 26 tỷ CAD. Quy trình này cũng được kỳ vọng có thể giảm hơn 75% lượng chất thải phát sinh từ hoạt động khai thác mỏ. Nguồn kim loại thứ cấp trong nước được xem là một phương án bổ sung nguồn cung khoáng sản quan trọng, qua đó giảm sự phụ thuộc của Canada vào một số ít nhà sản xuất khoáng sản quan trọng nước ngoài.

 Cơ chế vi sinh vật giải phóng kim loại

Cơ sở hóa học của phương pháp hòa tách sinh học liên quan đến quá trình oxy hóa sắt và các hợp chất lưu huỳnh. Một số vi sinh vật có khả năng oxy hóa sắt hóa trị II (Fe²⁺) thành sắt hóa trị III (Fe³⁺). Fe³⁺ đóng vai trò là chất oxy hóa, thúc đẩy quá trình phân hủy các khoáng vật sulfide kim loại, giải phóng ion kim loại vào dung dịch.

Trong môi trường axit, tốc độ hòa tan sulfide khi có mặt sắt hóa trị III có thể cao gấp 100 - 1.000 lần so với trường hợp chỉ có oxy hòa tan. Vì vậy, quá trình oxy hóa sắt đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả hòa tách.

Đồng thời, các vi sinh vật oxy hóa lưu huỳnh cũng góp phần quan trọng vào quá trình hòa tách. Khi oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh trung gian hình thành trong quá trình phân hủy khoáng vật sulfide, chúng tạo ra axit sulfuric.

Axit này có vai trò duy trì môi trường axit trong dung dịch hòa tách, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hòa tan kim loại từ khoáng vật. Bên cạnh đó, một số vi sinh vật có khả năng bám trên bề mặt khoáng vật và thúc đẩy quá trình oxy hóa sulfide thông qua cơ chế tiếp xúc trực tiếp. Quá trình này được hỗ trợ bởi lớp chất ngoại bào kết dính do vi sinh vật tạo ra.

Các nghiên cứu đã ghi nhận một số loài vi khuẩn thường gặp trong các hệ thống hòa tách sinh học, gồm Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferriphilum và Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Các loài này thường hiện diện trong các quần xã vi sinh vật hỗn hợp có nguồn gốc từ nước thải mỏ axit.

 Mở rộng quy mô hòa tách sinh học từ phòng thí nghiệm đến mỏ

Năm 2026, MIRARCO Mining Innovation đã đưa vào hoạt động cơ sở thí điểm tại Sudbury sau nhiều năm chuẩn bị. Quặng đuôi được nghiền nhỏ, trộn với dung dịch dinh dưỡng cung cấp dưỡng chất cho vi khuẩn, sau đó được cấy vi khuẩn để tiến hành hòa tách sinh học. Vi khuẩn giúp hòa tan kim loại từ các khoáng vật, đưa kim loại vào dung dịch. Hỗn hợp bùn quặng được bơm qua một loạt thiết bị phản ứng trước khi thu gom.

Thách thức lớn của phương pháp này là duy trì hoạt động ổn định khi tăng quy mô. Trong phòng thí nghiệm, việc kiểm soát một lượng nhỏ vật liệu tương đối dễ dàng, nhưng tại nhà máy thực tế, quá trình xử lý đòi hỏi dòng nguyên liệu phải được cung cấp liên tục. Nhóm nghiên cứu đang phát triển một hệ thống vận hành liên tục, trong đó nguyên liệu mới được đưa vào từ một đầu, còn bùn quặng được chuyển giữa các bể, chủ yếu nhờ trọng lực. Tại cơ sở thí điểm, tỷ lệ thu hồi niken đạt khoảng 98 - 99% khối lượng kim loại được xử lý.

Thu hồi niken từ quặng đuôi chứa pyrrhotite

Pyrrhotite (khoáng vật sulfide sắt, có thể chứa niken) là một trong những đối tượng nghiên cứu chính tại Ontario. Trong các quy trình tuyển nổi truyền thống, một phần khoáng vật này bị loại bỏ cùng quặng đuôi, khiến niken còn lại tích tụ với khối lượng lớn tại lưu vực Sudbury.

Một dự án do Ontario Genomics triển khai cùng nhà cung cấp thiết bị Metso Outotec sử dụng các công cụ nghiên cứu hệ gen để xác định đặc điểm của quần thể vi sinh vật, từ đó nghiên cứu khả năng điều chỉnh chúng phù hợp với từng dòng chất thải mỏ.

Tính chọn lọc là yêu cầu quan trọng do quặng đuôi có thành phần hóa học phức tạp. Trước đây, ứng dụng hòa tách sinh học trong công nghiệp tập trung chủ yếu vào vàng và đồng, những kim loại có giá trị đủ lớn để bù đắp phần nào hạn chế về tốc độ phản ứng chậm.

Việc điều chỉnh phương pháp này để áp dụng cho niken và coban đòi hỏi các vi sinh vật có độ bền cao, có khả năng giải phóng hiệu quả các kim loại mục tiêu, đồng thời theo dõi những thay đổi trong quần xã vi sinh vật. Quá trình này còn được hỗ trợ bởi các công cụ giám sát, giúp theo dõi thành phần của quần xã vi sinh vật trong suốt quá trình vận hành.

 Mở rộng ứng dụng sang đất hiếm và lithium

Ngoài niken và coban, quặng đuôi còn có thể chứa các nguyên tố đất hiếm với hàm lượng đáng quan tâm về mặt thu hồi.

Các nghiên cứu cho thấy một số loài nấm và vi khuẩn, như Aspergillus niger và Gluconobacter oxydans, có khả năng hòa tan đất hiếm từ các khoáng vật chứa chúng như phosphat và monazite thông qua việc tiết ra axit hữu cơ. Quá trình này có thể kéo dài từ vài ngày đến vài tuần.

Tại Ontario, các nhà nghiên cứu đang áp dụng phương pháp sinh học tương tự để chiết xuất lithium, một quy trình thường đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao. Các thử nghiệm hiện tập trung vào việc sử dụng nhiều loại axit hữu cơ và phân tử sinh học được lựa chọn để tác động lên spodumene - khoáng vật chứa lithium phổ biến ở khu vực gần Sudbury, cũng như trên các oxit sắt và khoáng vật silicat chứa dysprosi, neodymi - hai nguyên tố được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu trong xe điện và tua-bin gió.

Xử lý phần chất thải còn lại sau hòa tách

Một trong những vấn đề môi trường đáng quan tâm tại các hồ chứa quặng đuôi là nguy cơ ô nhiễm nguồn nước. Chất thải mỏ có thể phát sinh axit và giải phóng kim loại vào nước mặt và nước ngầm xung quanh.

Hòa tách sinh học được nghiên cứu như một giải pháp có thể góp phần giảm rủi ro này thông qua việc tiêu thụ các khoáng vật sulfide gây phát sinh axit và thu hồi một phần kim loại có khả năng thấm vào nước ngầm trong nhiều thập kỷ. Nếu quá trình xử lý làm giảm đáng kể lượng sulfide phản ứng và hàm lượng kim loại dễ hòa tan, nguy cơ phát sinh nước thải axit và ô nhiễm kim loại từ phần bã còn lại có thể được hạn chế.

Các nghiên cứu cho thấy phần bã thải còn lại sau xử lý không chứa các chất độc hại có tiềm năng sử dụng làm cốt liệu xây dựng hoặc vật liệu chèn lấp trong mỏ, qua đó góp phần giảm khối lượng chất thải cần được lưu giữ lâu dài trong các khu vực chứa thải.

Từ cơ sở thí điểm đến quy mô công nghiệp

Việc chuyển hòa tách sinh học từ nghiên cứu sang sản xuất thương mại vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Tốc độ hòa tách phụ thuộc vào mật độ bùn quặng, độ pH của dung dịch, nguồn cung oxy, lượng chất dinh dưỡng và nhiệt độ thiết bị phản ứng - thường được duy trì trong khoảng 30 - 45 °C, tùy hệ vi sinh vật và điều kiện công nghệ. Do thành phần khoáng vật và hóa học của từng loại quặng đuôi khác nhau, mỗi dòng nguyên liệu cần được tối ưu hóa riêng để đạt kết quả tốt nhất.

Ngoài ra, nồng độ kim loại cao cũng có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật, trong khi chi phí xử lý vật liệu có hàm lượng kim loại thấp là yếu tố quan trọng quyết định tính khả thi kinh tế.

Để giảm chi phí, các nhà nghiên cứu đề xuất tái tuần hoàn dung dịch hòa tách nhằm hạn chế lượng chất thải lỏng và sử dụng các nguồn lưu huỳnh có giá thành thấp hơn. Bên cạnh hiệu suất hòa tách, công đoạn xử lý dung dịch sau hòa tách và chuyển kim loại thành sản phẩm có thể tiêu thụ cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế của toàn bộ quy trình. Tại Sudbury, nhóm nghiên cứu đang tìm cách chuyển hóa vật liệu thu hồi thành các sản phẩm có khả năng thương mại hóa, trong đó có các hợp chất sắt phù hợp cho xử lý nước đô thị. Hướng đi này nhằm mở rộng giá trị sử dụng của các sản phẩm phụ, thay vì chỉ tập trung vào kim loại mục tiêu.

Mặc dù vẫn còn những thách thức cần giải quyết, hòa tách sinh học có thể trở thành một phương pháp thu hồi kim loại có giá trị từ vật liệu thải với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Nếu kết quả thí điểm được chứng minh ở quy mô lớn hơn, công nghệ này sẽ góp phần mở rộng nguồn cung khoáng sản quan trọng, thu hồi giá trị từ chất thải mỏ và giảm thiểu những tác động môi trường lâu dài của hoạt động khai thác mỏ.

Về lâu dài, hòa tách sinh học có tiềm năng trở thành một giải pháp hỗ trợ sử dụng hiệu quả tài nguyên, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và hướng tới sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp khai khoáng./.