一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属的方法及装置

1.本发明属于海底矿产资源开发技术领域，具体是一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属的方法及装置。


背景技术：

2.海洋蕴藏着丰富的生物、矿产和动力能源，是一个巨大的资源宝库。相对锰而言，其分布于热液硫化物矿床(包括块状硫化物、多金属软泥和金属沉积物自生沉积矿床，富含铜、钴、锌、金、银、锰、铁等多种金属元素)、多金属结核(锰结核，富含铜、镍、钴等多种微量元素)、富钴结壳(主要有铁锰氧化物构成，富含锰、铁、钴、铂等金属元素)等矿物之中。锰结核作为沉淀于大洋底4000～6000m海底沉积物上的一种高富锰矿物，半埋藏状态，含有70多种金属元素，系由包围核心的铁、锰氢氧化物壳层组成的核形矿石，其高于陆地矿的锰、铜、钴、镍金属品位，及巨大的含量，作为人类储备资源倍受关注。
3.在水深4000～6000m处具有丰富的水-岩-微生物生态系统，微生物的直接和间接作用加速了锰结核的形成以及相关伴生金属的吸附固定。随着水-岩-微生物境的变化细菌出现生态演替，fe和mn呈现氧化-还原-再氧化的交替转化，即铁、锰氧化物还原溶解-氧化固定-再溶解的过程。其次，对海底锰结核开采是先通过海底集矿车前端的液力，或机械与液力组成的复合采集装置收集海底半埋在沉积物中的锰结核和沉积物，再由分离装置将粒径大于100mm和小于2mm结核，及沉积物作为抛尾矿排出集矿机，集矿机内的破碎装置将结核破碎至20～50mm，通过扬矿输送装置送到海上采矿平台(采矿船)，5000米的输送过程中，泵及扬矿管壁的摩擦和冲击，使结核粒径进一步减小，加之集矿车在海底沉积物上作业，对沉积物产生扰动，被扰动起来的沉积物、集矿车破碎后筛余的沉积物和细粒结核形成“云团”，在一定范围内扩散，形成底层羽状流，扩散范围内的海洋生物将会受到危害。
4.海上采矿平台(采矿船)对提升上来的矿石、沉积物和海水混合物进一步选别，细粒结核、沉积物及海水通过海面下600m至海底沉积物界面的排放管排放回海水中，形成表层羽状流，对海洋生物造成危害；同时，锰结核属于脆性矿物，抗剪强度约为1.0～5.0kpa，莫氏硬度1.0～4.0，在采矿过程中集矿阶段及集矿车中的破碎流程和提升过程中通过两组串联的多级轴流泵提升过程容易出现锰结核机械破碎和磨损现象，会导致锰结核中金属离子释放，加之锰结核中菌株对高价锰铁的还原溶出，及底层羽状流带来的上覆海水和沉积物中的金属离子的汇集(见表1、2)，以铜为例，局部区域内铜可到60mg/l。海水水质标准(gb3097-1997)及海洋沉积物质量标准(gb18668-2002)中规定铜上限浓度为35mg/l。综上所示，获取一种利用本底物质处理羽状流及金属超标等海洋环境污染问题并且不影响海洋环境的方法和装备显得尤为重要。
5.表1孔隙水中主要元素和微量元素及稀土元素分析结果
[0006][0007]
表2海洋沉积物中主要元素和微量元素及稀土元素分析结果(ug/g)
[0008][0009]


技术实现要素：

[0010]
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属，加速原位成矿，涵养深海矿产资源的方法及装置。加入原位菌株、尾矿(结核及沉积物)，实现海底微生物、结核细粒及有机物的自利用，微生物以细粒结核为载体和新结核的核心，同时吸附铜、钴、镍等重金属离子，在微生物的催化作用下，使低价锰快速氧化形成二氧化锰矿物，使铜、钴和镍等金属离子固定其中。海水原有或因开采所释放的重金属得以重新原位固定，加速结核形成，涵养海底矿产资源，同时，不引入危害及影响洋底
生物群正常繁殖和代谢，及物种外侵和环境污染等问题。微生物-锰-铁具有絮凝作用，以减少底层或表层羽状流导致的金属离子的扩散及对海底生物的损害；同时其絮凝作用还能将生物氧化所得的细小颗粒锰结核团聚起来，提升成矿速率，涵养海底矿产资源，对工业生产与生态环境协调可持续发展有极其重要的意义。
[0011]
为实现上述技术的目的，本发明采用了如下的技术方案：
[0012]
一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属的方法，所述方法包括以下步骤：
[0013]
s1菌株筛选：利用不同站位海面下5000～6000m处的深海锰结核及沉积物为筛菌底物，经选择性培养基在在0℃～4℃、1％～8％的盐度(以nacl进行计算)条件下，筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a；
[0014]
s2菌液准备：将功能菌液a以采矿平台上深海锰结核选别尾矿作为增殖培养基，经过高密度培养得到功能菌液b，再与深海锰结核选别尾矿按5～25wt％比例混合后获得使用菌液；
[0015]
s3菌液布放：将使用菌液施加于集矿车抛尾物，及经排放管下放到海面下600米至底层沉积物界面的海水中，用于表层和底层羽状流治理。
[0016]
优选地，功能菌液a中包含氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌和其他菌株(海水中原有的非功能菌株)。
[0017]
优选地，功能菌液b中包含氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌和其他菌株(海水中原有的非功能菌株)，质量占比(该质量占比指的是各菌在菌的总量中的质量百分比)分别为40％～63％、5％～17％、9％～26％、3％～19％和2％～5％，功能菌液b中各菌浓度大致为氧化微杆菌1.0～1.6
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌1.0～2.3
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌1.5～8.0
×
109cfu/ml、气生微杆菌1.0～5.0
×
109cfu/ml、假单胞菌0～8
×
108cfu/ml、安克氏微杆菌0～7.1
×
109cfu/ml、洋葱伯克氏菌0～6.0
×
109cfu/ml、其他菌株5.0～9.1
×
108cfu/ml。
[0018]
优选地，所述锰氧化菌群包括泡囊短波单胞菌(brevundimonas vesicularis)、芬克纤维微菌(cellulosimicrobium
│
funkei)、气生微杆菌(microbacterium)、氧化微杆菌(microbacteriumoxydans)、假单胞菌(pseudomonas adaceae)、安克氏微杆菌和洋葱伯克氏菌的一种或多种。
[0019]
本发明中锰氧化菌群中的各个菌均为现有菌株，高通量测序所用对比菌株来源于自然资源部第三海洋研究所管辖的海洋微生物菌种保藏管理中心(中心地址:厦门市大学路178号，保藏日期2020年4月)，如泡囊短波单胞菌(brevundimonas vesicularis，保藏编号m23390、m23407)、芬克纤维微菌(cellulosimicrobium
│
funkei，保藏编号m23392)、气生微杆菌(microbacterium，保藏编号m24266、m24441、m24413、m23388、m24440)、氧化微杆菌(microbacteriumoxydans，保藏编号m24265、m24267、m24270、m24441、m24407、m24406、m24412、m24621)、假单胞菌(pseudomonas adaceae，保藏编号m24386、m24389、m24391)、安克氏微杆菌和洋葱伯克氏菌的一种或多种。
[0020]
优选地，所述使用菌液为功能菌液b在锰结核尾矿中的接种量为5～25％(wt)。
[0021]
优选地，所述深海锰结核选别后尾矿粒度≤0.1mm。
[0022]
优选地，所述选择性培养基成分为mnso4·
h2o 0.2g/l、酵母浸出粉0.2g/l、(nh4)2co
3 0.1g/l、mgso4·
7h2o 0.2g/l、cacl
2 0.1g/l、k2hpo
4 0.1g/l、na2no 0.2g/l、蛋白胨
0.8g/l、柠檬酸铁铵0.03g/l。
[0023]
本发明中的“％”，如无特殊说明，均为质量百分比。
[0024]
本发明还提供了一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属的装置，所述装置包括采矿平台(采矿船)、集矿车，所述采矿平台上设置菌液增殖培养系统，所述菌液增殖培养系统和集矿车通过底层段菌液输送系统连接；
[0025]
所述菌液增殖培养系统包括菌种储存罐、菌种增殖罐、底层段菌液混合下放罐、菌液流量泵、菌液自动添加控制终端和海面下600米至底层沉积物界面段菌液混合下放罐；菌种储存罐、菌种增殖罐和底层段菌液混合下放罐及海面下600米至底层沉积物界面段菌液混合下放罐之间均通过管道连通，管道上设置菌液流量泵，菌液自动添加控制终端控制菌液流量泵的开关；
[0026]
所述菌液输送系统包括菌液输送流量泵、菌液输送管、菌液增压泵、输送软管、喷淋增压泵和菌液喷淋管；所述菌液输送管一端与底层段菌液混合下放罐通过下放管和菌液输送流量泵连接，所述菌液输送管另一端与输送软管通过菌液增压泵连接，输送软管与菌液喷淋管连接，菌液喷淋管与喷淋增压泵连接，所述菌液喷淋管的菌液喷淋口前设置喷淋增压泵，通过增压使菌液均匀稳定喷洒在集矿车的分离装置产生的抛尾物(粒径大于100mm和粒径小于20mm细颗粒结核及沉积物，可根据矿区锰结核粒径进行调整)上，所述菌液喷淋管的菌液喷淋口设置在集矿车分离装置外。
[0027]
进一步地，所述装置还包括排放管，所述排放管与海面下600米至底层沉积物界面段菌液混合下放罐通过下放管相连，所述排放管主要用于将菌液和深海锰结核选别后尾矿混合后，根据采矿系统中尾矿排放管的实际长度喷洒至海面下600m至海底沉积物界面处。
[0028]
优选地，所述菌液喷淋口的数量为2-6个。
[0029]
优选地，所述菌液输送管为直径15～20mm的硬管。
[0030]
本发明既利用不同站位深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，借助选择性培养基筛选出具备高效率锰氧化能力的菌群及菌株(泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、氧化微杆菌和假单胞菌等菌株组成的氧化锰、铁的菌群)，在采矿平台(采矿船)上，上述菌株和菌群在零下80℃以下和4℃两种温度下保存。同时，利用采矿平台(采矿船)搭载的增殖培养系统，基于不同站位生物多样性分析数据，调配菌群中各菌株丰度，得到快速氧化锰、铁的微生物增殖菌群的功能菌液a。利用深海锰结核选别后尾矿作为增殖培养基，对功能菌液a进行活化和高密度增殖培养得到功能菌液b。
[0031]
本发明基于不同站位生物多样性分析数据，通过添加相应菌株调配菌群中各菌株丰度，得到快速氧化低价锰、铁的微生物菌群，根据羽状流形成的位置差异和特异性、锰氧化菌群丰度以及深海锰结核的吸附特性，在深海锰结核第一代采矿系统上，建立表层和底层羽状流的处理方法，提高站位特异性锰氧化菌群丰度，增强站位低价锰、铁的生物氧化效率，促进深海锰结核的形成。
[0032]
同时，借助于锰结核的吸附特性，降低站位重金属污染和羽状流现象，从而实现重金属全方位、多层次、立体化的生物氧化及吸附固定，消除深海矿产开采所带来的环境问题。底层段通过扬矿系统(扬矿硬管、软管、泵和中间矿仓)加布直径为15～20mm的菌液输送管，将功能菌液b与尾矿混合所得使用菌液喷洒至集矿车分离装置产生的抛尾物(粒径大于100mm和粒径小于20mm细颗粒结核及沉积物，可根据矿区锰结核粒径进行调整)表面，提高
该站位优势菌株丰度，以抛尾物中结核及沉积物为载体和核心，氧化低价锰和铁离子同时，固定并吸附铜、钴、镍等金属离子，加速结核的成矿过程；海面下600m至沉积物界面段则将菌液b与尾矿混合所得使用菌液，经排放管流入海面下600米至海底沉积物界面，在下沉过程中以结核及沉积物为载体和核心，氧化低价锰和铁离子同时，固定并吸附铜、钴、镍等金属离子，增强本站位微生物对低价锰、铁氧化能力和对重金属的吸附效率，即以结核为核心物质加速锰结核的成矿作用。经过上述海面下600m至沉积物界面段、底层段的原位处理，实现因集矿车行走、集矿、破碎而产生的冲击、剪切、摩擦、挤压或提升过程中与轴流泵相互摩擦而导致结核中或正在成矿结核所释放的金属离子重新原位固定，减少表层及底层羽状流导致的金属离子的扩散问题，及对海底生物的损害，利用船上选别尾矿及海底集矿车排出的结核及沉积物为核心及营养物，在微生物的催化下氧化低价锰、铁，同时固定并吸附铜、钴、镍等金属离子，提升成矿速率，涵养海底矿产资源。
[0033]
本发明所述原位固定重金属的过程涉及的菌液可以分为深海菌液、功能菌液a、功能菌液b及不同浓度的使用菌液。其中深海菌液为以不同站位锰结核及沉积物为底物，利用筛选培养基培养的锰、铁氧化菌群；将深海菌液通过调配，提高菌群中氧化锰、铁菌株丰度，得到快速氧化锰、铁的功能菌液a；功能菌液b由以深海锰结核选别后尾矿作为增殖培养基对功能菌液a进行增殖培养得到；使用菌液由功能菌液b与深海锰结核选别后尾矿按照不同比例混合后得到。
[0034]
作为生物载体的结核及沉积物分为底层段和海面下600m至海底沉积物界面段。其中，底层段主要是来源于至集矿车的分离装置产生的抛尾物(粒径大于100mm和粒径小于20mm细颗粒结核及沉积物，可根据矿区锰结核粒径进行调整)；海面下600m至海底沉积物界面段主要来源于采矿平台对锰结核粗选后产生的深海锰结核选别尾矿，粒径小于0.1mm。
[0035]
菌液添加体系分为底层段和海面下600m至海底沉积物界面段。底层段主要是通过直径为15～20mm的菌液输送管直接下放使用菌液，喷淋至集矿车的抛尾物表面，随后排放到海底，削减底层羽状流的作用，降低对海水中生物的危害。海面下600m至海底沉积物界面段主要是功能菌液b与采矿平台(采矿船)上深海锰结核选别尾矿(结核及沉积物)混合，经排放管下放到海面下600米至海底沉积物界面，削减表层或底层羽状流和重金属的作用，降低对海水中生物的危害。
[0036]
所述的菌液添加流量控制体系根据底层段和海面下600米至海底沉积物界面段固相量及水下缆控潜器(rov)样品的高通量测序结果进行适应性调整。
[0037]
本发明中，生物增殖菌群主要包括泡囊短波单胞菌(m23390、m23407)、芬克纤维微菌m23392、气生微杆菌(m24266、m24441、m24413、m23388、m24440)、氧化微杆菌(m24265、m24267、m24270、m24441、m24407、m24406、m24412、m24621)、假单胞菌(m24386、m24389、m24391)、安克氏微杆菌和洋葱伯克氏菌七类主要的锰氧化菌株。
[0038]
生物增殖菌群中氧化微杆菌体积占比大于40％(wt)，其余六类菌株的丰度值主要根据站位生物高通量测试结果或站位重金属类型及品位含量进行相应的补充。
[0039]
本发明中，集矿车分离装置外布置一根均匀分布2-6个菌液喷淋口的菌液喷淋管，以便菌液在菌液增压泵和喷淋增压泵的驱动下均匀喷淋于结核及沉积物之上。最终回流到海底，以达到增强优势菌群丰度的目的。同时，结核还有重金属吸附特性且作为结核的核心，加速结核的形成，涵养深海矿产资源。
[0040]
菌液输送管主要是附着于扬矿系统上的一根内径15～20mm的硬管，其与采矿平台和集矿车上分离装置外的喷淋管相连。
[0041]
采矿平台上增殖培养系统由菌种储存罐、菌种增殖罐、菌液混合下放罐、菌液流量泵和菌液自动添加控制终端组成。
[0042]
其中，菌种储存罐、菌种增殖罐和菌液混合下放罐从上到下堆叠放置，由菌液自动添加控制终端控制菌液流量泵开关，将菌液由菌种增殖罐按一定比例进行配制，泵送到菌液混合下放罐中备用。
[0043]
底层段菌液输送系统包括菌液输送流量泵、菌液输送管、菌液增压泵、输送软管、喷淋增压泵和菌液喷淋管。
[0044]
其中，通过在原有扬矿系统的基础上添加菌液输送管和菌液输送流量泵、菌液增压泵和输送软管，使菌液喷淋管与菌液混合下放罐之间连接，在菌液增压泵和喷淋增压泵的驱动下，通过菌液喷淋口将使用菌液均匀稳定地喷淋集矿机的分离装置排出的抛尾矿上。
[0045]
本发明的技术原理：
[0046]
首先，在生物高通量测序结果的指导下，利用选择性培养基获得具备高效锰氧化能力的生物菌株，再根据站位重金属(mn
2
、cu
2
、co
2
及ni
2
)含量或生物高通量测序结果作为菌群丰度调节依据，配比一定比例的锰氧化生物菌群，以采矿船上的尾矿作为培养基，高密度培养后与尾矿混合得到使用菌液，利用集矿机抛尾物及采矿平台(采矿船)上尾矿中的结核及沉积物作为生物载体，将使用菌液释放至海面下600m至海底沉积物界面段及集矿车的底层段，提高该站位特异性锰氧化菌群丰度，增强站位低价锰的生物氧化效率，加速低价锰、铁氧化，将mn
2
和fe
2
分别氧化为mn
4
和fe
3
，以结核为核心物质加速锰结核的成矿及结核对周围重金属的吸附固定效应，促进深海锰结核的形成。同时，在微生物-锰-铁具有絮凝作用，将氧化和吸附所形成的微小颗粒锰结核絮凝增大，实现因集矿机行走、采矿，扬矿管提升导致锰结核内部所释放金属离子的原位固定，以减少底层和表层羽状流引起的金属离子扩散及对海底生物的损害；同时充分利用排出的结核为其核心，在微生物的催化下氧化低价锰和铁离子同时，固定并吸附铜、钴、镍等金属离子，提升成矿速率，涵养海底矿产资源。
[0047]
本发明具有以下优势：
[0048]
(1)采用的菌群和生物载体(集矿机的抛尾矿和采矿平台(采矿船)上的尾矿)均来源于本站位的海洋沉积物和锰结核中，且生物载体为采矿废物，通过本发明的方法及装置，降低重金属的危害的同时，在微生物的催化作用下快速成矿，涵养深海矿产资源。不存在外来物种入侵的现象，对站位生物环境不存在破坏问题。
[0049]
(2)通过调控特异性菌株丰度，使得低价锰、铁氧化效率及铜钴镍金属离子的吸附固定率可达90％以上。
[0050]
(3)操作简单，成本低、工艺条件温和，易于工业化应用。
附图说明
[0051]
图1为本发明深海锰结核开采过程中原位固定重金属的方法流程图；
[0052]
图2为本发明深海锰结核开采过程中原位固定重金属的装置的结构示意图；
[0053]
图3为本发明菌液增殖系统的结构示意图；
[0054]
图4为本发明集矿车的结构示意图；
[0055]
图5为图4的俯视图；
[0056]
附图标记：1、采矿平台；2、集矿车；3、排放管；4、扬矿管；5、电缆；6、提升泵；7、中间仓；8、输送流量泵；9、菌液输送管；10、菌液增压泵；11、输送软管；12、菌液喷淋管；13、菌种储存罐；14、菌种增殖罐；15、底层段菌液混合下放罐；16、菌液自动添加控制终端；17、菌液流量泵；18、菌液喷淋口；19、喷淋增压泵；20、下放管；21、海面下600米至底层沉积物界面段菌液混合下放罐。
具体实施方式
[0057]
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0058]
在深海锰结核开采过程中因集矿车行走、集矿对海底沉积物产生扰动，集矿机抛尾的粒径大于100mm和小于20mm结核及沉积物形成的底层羽状流；提升至采矿平台的锰结核选别产生的尾矿，由排放管投放到海面下600米至海底沉积物界面的海水中，形成表层和底层羽状流。底层和表层羽状流随着海流大范围扩散，与水体发生物质交换，影响水体水质安全，威胁海洋生物的正常生命活动。开采过程中锰结核在机械冲击破碎作用、两级轴流泵提升摩擦作用及(或)还原性菌株侵蚀作用下出现重金属溶出现象，加之与底层羽状流带来的上覆海水和沉积物中金属离子的汇集，将引发站位重金属超标问题。因此，开发一种低成本且不引入新物源的原位治理方式，消除、缓解深海采矿过程中引发的环境问题尤为重要。本发明公开一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属，加速金属离子固定、原位成矿，涵养深海矿产资源的方法及装置。既利用不同站位深海沉积物和锰结核作为筛菌底物，借助选择性培养基筛选出具备锰、铁高效氧化能力的菌群及菌株，在采矿平台上利用含海水的深海锰结核选别后尾矿作为增殖培养基其进行增殖培养得到菌液。
[0059]
如图1所示，一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属离子，加速新结核成矿，涵养深海矿产资源的方法，所述方法包括以下步骤：
[0060]
利用不同站位深海沉积物和锰结核作为筛菌底物，借助选择性培养基筛选出深海菌液(具备高效率锰、铁氧化能力的菌群及菌株)，基于不同站位生物多样性分析数据，调配菌群中各菌株丰度，得到快速氧化锰、铁的微生物增殖菌群(泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、氧化微杆菌和假单胞菌等菌株组成的混合生物锰氧化菌群)，得到功能菌液a。将尾矿作为增殖培养基其进行增殖培养得到功能菌液b，各菌的质量占比可以为氧化微杆菌60-63％、泡囊短波单胞菌5-14％、芬克纤维微菌9-22％、气生微杆菌3-14％、假单胞菌0-4％、安克氏微杆菌0-6％和洋葱伯克氏菌0-3％。根据羽状流形成的位置差异和特异性，锰氧化菌群丰度以及深海锰结核的吸附特性，在深海锰结核开采第一代采矿方法之上，建立表层和底层羽状流的处理方法(图1)，提高站位特异性锰氧化菌群丰度，增强站位低价锰的生物氧化效率，加速低价锰的氧化，促进深海锰结核的形成。同时，借助于锰结核的吸附特性，降低站位重金属污染和羽状流现象，从而实现重金属全方位、多层次、立体化的生物氧化及吸附固定，消除深海矿产开采所带来的环境问题。底层段通过扬矿系统(扬矿管、软管、提升泵和中间仓)加布直径为15～20mm的菌液输送管，将增殖培养基所得菌液喷洒于至集矿车的分离装置产生的抛尾物(粒径大于100mm和粒径小于20mm细颗粒结核及沉积物，
可根据矿区锰结核粒径进行调整)表面，提高该站位优势菌株丰度，以至集矿车的分离装置产生的抛尾物为载体和核心，氧化低价锰和铁离子同时，固定并吸附铜、钴、镍等金属离子，加速结核的成矿过程；海面下600米至海底沉积物界面段则将菌液喷洒于固相分离装置收集仓中深海锰结核选别后尾矿表面，混合后经排放管流入海面下600米至海底沉积物界面，在下沉过程中以结核及沉积物为载体和核心，氧化低价锰和铁离子同时，固定并吸附铜、钴、镍等金属离子，增强本站位微生物对低价锰、铁氧化能力和对重金属的吸附效率，即以结核为核心物质加速锰结核的成矿作用。经过上述表层、底层的原位处理，实现因集矿车行走、集矿、破碎而产生的冲击、剪切、摩擦、挤压或提升过程中与轴流泵相互摩擦而导致结核中，或正在成矿结核所释放的金属离子重新原位固定，减少表层及底层羽状流金属离子的扩散，及对海底生物的损害，同时利用船上选别尾矿及海底集矿车破碎排出结核及沉积物为核心及营养物，在微生物的催化下氧化低价锰、铁并吸附铜、钴、镍等金属离子，提升成矿速率，涵养海底矿产资源。
[0061]
以不同站位深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，借助选择性培养基筛选出具备高效率锰氧化能力的菌群及菌株(泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、氧化微杆菌和假单胞菌等菌株组成的氧化锰、铁的菌群)，在采矿平台(采矿船)上，上述菌株和菌群在零下80℃以下和4℃两种温度下保存。
[0062]
所述生物载体的结核及沉积物分为底层段和海面下600m至海底沉积物界面段。其中，底层段主要是来源于至集矿车的分离装置产生的抛尾物(粒径大于100mm和粒径小于20mm细颗粒结核及沉积物，可根据矿区锰结核粒径进行调整)；海面下600m至海底沉积物界面段主要来源于采矿平台对锰结核粗选后产生的深海锰结核选别尾矿，粒径小于0.1mm。
[0063]
所述菌液添加体系分为底层段和海面下600m至海底沉积物界面段。底层段主要是通过15～20mm的菌液输送管直接下放使用菌液，喷淋至集矿车的抛尾物表面，随后排放到海底，削减底层羽状流的作用，降低对海水中生物的危害。海面下600m至海底沉积物界面段主要是功能菌液b与采矿平台(采矿船)上深海锰结核选别尾矿(结核及沉积物)混合，经排放管下放到海面下600米至海底沉积物界面，削减表层或底层羽状流和重金属的作用，降低对海水中生物的危害。
[0064]
所述的菌液添加流量控制体系根据底层段和海面下600米至海底沉积物界面段固相量及rov样品的高通量测序结果进行适应性调整。
[0065]
所述的生物增殖菌群主要包括氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、假单胞菌、安克氏微杆菌和洋葱伯克氏菌等主要的锰氧化菌株组成。
[0066]
所述的生物增殖菌群中氧化微杆菌占比大于40％，其余6类菌株的丰度值主要根据站位生物高通量测试结果或站位重金属类型及品位含量进行相应补充。
[0067]
所述集矿车分离装置外布置一根均匀分布2～6个菌液喷淋口的菌液喷淋管，以便菌液在菌液增压泵和喷淋增压泵的驱动下均匀喷淋于结核及沉积物之上。最终回流到海底，以达到增强优势菌群丰度的目的。同时，结核还有重金属吸附特性且作为结核的核心，加速结核的形成，涵养深海矿产资源。
[0068]
如图2～5所示，一种深海锰结核开采过程中原位固定重金属的装置，所述装置包括采矿平台1、集矿车2，所述采矿平台1上设置菌液增殖培养系统，所述菌液增殖培养系统和集矿车2通过底层段菌液输送系统连接；
[0069]
所述菌液增殖培养系统包括菌种储存罐13、菌种增殖罐14、底层段菌液混合下放罐15、菌液流量泵17、菌液自动添加控制终端16和海面下600米～底层沉积物界面段菌液混合下放罐21；菌种储存罐13、菌种增殖罐14和底层段菌液混合下放罐15及海面下600米～底层沉积物界面段菌液混合下放罐21之间均通过管道连通，管道上设置菌液流量泵17，菌液自动添加控制终端16控制菌液流量泵17的开关；
[0070]
所述底层段菌液输送系统包括菌液输送流量泵8、菌液输送管9、菌液增压泵10、输送软管11和菌液喷淋管12；所述菌液输送管9一端与底层段菌液混合下放罐15通过下放管20和菌液输送流量泵8连接，所述菌液输送管9另一端与输送软管11通过菌液增压泵10连接，输送软管11与菌液喷淋管12连接，菌液喷淋管12与喷淋增压泵19连接，所述菌液喷淋管12的菌液喷淋口18前设置喷淋增压泵19，通过增压使菌液均匀稳定喷洒在集矿车2的分离装置产生的抛尾物(粒径大于100mm和粒径小于20mm细颗粒结核及沉积物，可根据矿区锰结核粒径进行调整)上。
[0071]
所述菌液输送管9与电缆5等由卡盘固定于扬矿系统的扬矿管4、软管、中间仓7、提升泵6等旁边，内径为15～20mm的硬管，其与采矿平台1和集矿车中分离装置外的菌液喷淋管相连。
[0072]
所述装置还包括排放管3，所述排放管3与海面下600米至底层沉积物界面段菌液混合下放罐21通过下放管20相连，然后将菌液和深海锰结核选别后尾矿混合，根据采矿系统中尾矿排放管的实际长度喷洒至海面下600m至沉积物界面处。所述菌液喷淋口18的数量为2～6个。
[0073]
实施例1：
[0074]
针对中国大洋矿产资源开发研究协会所承包的合同区——太平洋克拉利昂～克利珀顿断裂区，开采过程中某站位海面下600m处水体中金属含量分别为mn
2
:105mg/l，cu
2
:75mg/l，co
2
:40mg/l，ni
2
:70mg/l。
[0075]
s1菌株筛选：利用该矿区某个站位海面下5000～6000m处的深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，经选择性培养基在4℃、4％的盐度(以nacl进行计算)条件下，筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a。
[0076]
高通量测序结果表明功能菌液a主要成分为氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、假单胞菌、安克氏微杆菌和其他海水中非功能菌株。
[0077]
s2菌液准备：将功能菌液a以深海锰结核选别后尾矿作为增殖培养基经过高密度培养得到功能菌液b，各菌的质量占比分别为氧化微杆菌60％、泡囊短波单胞菌14％、芬克纤维微菌12％、气生微杆菌8％、假单胞菌3％、安克氏微杆菌1％和其他海水中非功能菌株2％，在功能菌液b中各菌菌浓度大致为氧化微杆菌1.1
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌2.0
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌4.0
×
109cfu/ml、气生微杆菌3.0
×
109cfu/ml、假单胞菌8
×
108cfu/ml、安克氏微杆菌3.0
×
108cfu/ml、其他海水中非功能菌株8
×
108cfu/ml，功能菌液b分别按19％及5％的比例与深海锰结核选别尾矿混合后获得使用菌液。
[0078]
s3菌液布放：功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按19％的比例混合的使用菌液施加于集矿车的分离装置产生的抛尾物之上，功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按5％的比例混合获得使用菌液，经海面下600m排放管下放到海面下600米的海水中。
[0079]
分析结果表明，2个月后站位内海面下600m～6000m范围内的水体中金属mn
2
:不大
于5ng/l，cu
2
:不大于7ng/l，co
2
:不大于40ng/l，ni
2
:不大于12ng/l，金属固定率均超过97％。
[0080]
实施例2：
[0081]
针对中国五矿集团公司所承包的合同区——太平洋克拉利昂～克利珀顿断裂区(7.247万平方公里)，开采过程中某站位海面下1200m处水体中高占比金属含量分别为mn
2
:115mg/l，cu
2
:38mg/l，co
2
:80mg/l，ni
2
:52mg/l。
[0082]
s1菌株筛选：利用该矿区某站位海面下5000～6000m处的深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，经选择性培养在4℃、4％的盐度(以nacl进行计算)条件下，基筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a。
[0083]
高通量测序表明，功能菌液a主要成分为氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、安克氏微杆菌、洋葱伯克氏菌和其他海水中非功能菌株。
[0084]
s2菌液准备：将功能菌液a以深海锰结核选别后以尾矿作为增殖培养基经过高密度培养得到功能菌液b，各菌的质量占比分别为氧化微杆菌60％、泡囊短波单胞菌8％、芬克纤维微菌22％、气生微杆菌4％、安克氏微杆菌4％、洋葱伯克氏菌2％和其他海水中非功能菌株2％，在功能菌液b中各菌菌浓度大致为氧化微杆菌1.3
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌1.8
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌6.0
×
109cfu/ml、气生微杆菌3.0
×
109cfu/ml、安克氏微杆菌7.1
×
108cfu/ml、洋葱伯克氏菌6.0
×
108cfu/ml、其他海水中非功能菌株3.0
×
108cfu/ml。功能菌液b与深海锰结核选别尾矿分别按14％及6％的比例混合后获得使用菌液。
[0085]
s3菌液布放：功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按14％的比例混合的使用菌液施加于集矿车的分离装置产生的抛尾物之上，功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按6％的比例混合获得使用菌液，经海面下1200m排放管下放到海面下放到1200米的海水中。
[0086]
化学分析结果表明，70天后站位内海面下1200m～6000m范围内的水体中高占比金属mn
2
:不大于5ng/l，cu
2
:不大于7ng/l，co
2
:不大于20ng/l，ni
2
:不大于12ng/l，金属固定率均超过96％。
[0087]
实施例3：
[0088]
针对中国五矿集团公司所承包的合同区——太平洋克拉利昂～克利珀顿断裂区(7.247万平方公里)，开采过程中某站位海面下2000m处水体中高占比金属含量分别为mn
2
:115mg/l，cu
2
:38mg/l，co
2
:80mg/l，ni
2
:52mg/l。
[0089]
s1菌株筛选：利用该矿区某站位海面下5000～6000m处的深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，经选择性培养基在4℃、4％的盐度(以nacl进行计算)条件下，筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a。
[0090]
高通量测序表明，功能菌液a主要成分为氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、假单胞菌、洋葱伯克氏菌和其他海水中非功能菌株。
[0091]
s2菌液准备：将功能菌液a以深海锰结核选别后以尾矿作为增殖培养基培养经过高密度培养得到功能菌液b，各菌的质量占比分别为氧化微杆菌60％、泡囊短波单胞菌8％、芬克纤维微菌20％、气生微杆菌3％、假单胞菌4％、洋葱伯克氏菌3％和其他海水中非功能菌株2％。在功能菌液b中各菌菌浓度大致为氧化微杆菌1.3
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌1.8
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌6.0
×
109cfu/ml、气生微杆菌3.0
×
109cfu/ml、假单胞菌7.1
×
108cfu/ml、洋葱伯克氏菌6.0
×
108cfu/ml、其他海水中非功能菌株3.0
×
108cfu/ml。功能
菌液b与深海锰结核选别尾矿分别按18％及7％的比例混合后获得使用菌液。
[0092]
s3菌液布放：功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按18％的比例混合的使用菌液施加于集矿车的分离装置产生的抛尾物之上，功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按7％比例混合获得使用菌液，经海面下2000m排放管下放到海面下2000米的海水中。
[0093]
分析表明，65天后站位内海面下2000m～6000m范围内的水体中高占比金属mn
2
:不大于5ng/l，cu
2
:不大于7ng/l，co
2
:不大于10ng/l，ni
2
:不大于6ng/l，高占比金属固定率均超过93％。
[0094]
实施例4：
[0095]
针对北京先驱高技术开发公司所承包的合同区——西太平洋区域，开采过程中某站位海面下2500m处水体中高占比金属含量分别为mn
2
:90mg/l，cu
2
:40mg/l，co
2
:20mg/l，ni
2
:90mg/l。
[0096]
s1菌株筛选：利用该矿区某站位海面下5000～6000m处的深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，经选择性培养基在4℃、4％的盐度(以nacl进行计算)条件下，筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a。
[0097]
高通量测序结果表明功能菌液a主要成分为氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、假单胞菌、安克氏微杆菌、洋葱伯克氏菌和其他海水中非功能菌株。
[0098]
s2菌液准备：将功能菌液a以深海锰结核选别后以尾矿作为增殖培养基培养经过高密度培养得到功能菌液b，各菌的质量占比分别为氧化微杆菌61％、泡囊短波单胞菌5％、芬克纤维微菌9％、气生微杆菌14％、假单胞菌3％、安克氏微杆菌5％、洋葱伯克氏菌1％和其他海水中非功能菌株2％，在功能菌液b中各菌菌浓度大致为氧化微杆菌1.4
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌1.7
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌1.6
×
109cfu/ml、气生微杆菌3.2
×
109cfu/ml、假单胞菌6.4
×
108cfu/ml、安克氏微杆菌7
×
108cfu/ml、洋葱伯克氏菌1.6
×
108cfu/ml、其他海水中非功能菌株3.2
×
108cfu/ml。功能菌液b与深海锰结核选别尾矿分别按16％及6％的比例混合后获得使用菌液。
[0099]
s3菌液布放：功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按16％的比例混合的使用菌液施加于集矿车的分离装置产生的抛尾物之上，功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按6％比例混合获得使用菌液，经海面下2500m排放管下放到海面下2500米的海水中。
[0100]
分析结果表明，80天后站位内海面下2500m～6000m范围内的水体中高占比金属mn
2
:不大于5ng/l，cu
2
:不大于7ng/l，co
2
:不大于40ng/l，ni
2
:不大于12ng/l，高占比金属固定率均超过97％。
[0101]
实施例5：
[0102]
针对北京先驱高技术开发公司所承包的合同区——西太平洋区域，开采过程中某站位海面下4000m处水体中高占比金属含量分别为mn
2
:60mg/l，cu
2
:40mg/l，co
2
:40mg/l，ni
2
:40mg/l。
[0103]
s1菌株筛选：利用该矿区某站位海面下5000m～6000m处的深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，经选择性培养基在4℃、4％的盐度(以nacl进行计算)条件下，筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a。
[0104]
高通量测序结果表明功能菌液a主要成分为氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、假单胞菌和其他海水中非功能菌株。
[0105]
s2菌液准备：将功能菌液a以深海锰结核选别后以尾矿作为增殖培养基培养经过高密度培养得到功能菌液b，各菌的质量占比分别为氧化微杆菌63％、泡囊短波单胞菌7％、芬克纤维微菌11％、气生微杆菌13％、假单胞菌4％和其他海水中非功能菌株2％。在功能菌液b中各菌菌浓度大致为氧化微杆菌1.4
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌1.7
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌1.6
×
109cfu/ml、气生微杆菌3.2
×
109cfu/ml、假单胞菌6.4
×
108cfu/ml、其他海水中非功能菌株1.6
×
108cfu/ml。功能菌液b与深海锰结核选别尾矿分别按20％及6％比例混合后获得使用菌液。
[0106]
s3菌液布放：功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按20％的比例混合的使用菌液施加于集矿车的分离装置产生的抛尾物之上，功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按6％比例混合获得使用菌液，经海面下4000m排放管下放到海面下4000米的海水中。
[0107]
分析结果表明，50天后站位内海面下4000m～6000m范围内的水体中高占比金属mn
2
:不大于5ng/l，cu
2
:不大于7ng/l，co
2
:不大于20ng/l，ni
2
:不大于17ng/l，高占比金属固定率均超过98％。
[0108]
实施例6：
[0109]
针对北京先驱高技术开发公司所承包的合同区——西太平洋区域，开采过程中某站位海面下6000m处水体中高占比金属含量分别为mn
2
:90mg/l，cu
2
:40mg/l，co
2
:20mg/l，ni
2
:90mg/l。
[0110]
s1菌株筛选：利用该矿区某站位海面下5000～6000m处的深海锰结核及沉积物作为筛菌底物，经选择性培养基在4℃、4％的盐度(以nacl进行计算)条件下，筛选得到含锰氧化菌群的深海菌液；深海菌液经丰度调整得到功能菌液a。
[0111]
高通量测序表明，功能菌液a主要成分为氧化微杆菌、泡囊短波单胞菌、芬克纤维微菌、气生微杆菌、安克氏微杆菌和其他海水中非功能菌株。
[0112]
s2菌液准备：将功能菌液a以深海锰结核选别后以尾矿作为增殖培养基培养经过高密度培养得到功能菌液b，各菌的质量占比分别为氧化微杆菌63％、泡囊短波单胞菌7％、芬克纤维微菌9％、气生微杆菌13％、安克氏微杆菌6％和其他海水中非功能菌株2％。在功能菌液b中各菌菌浓度大致为氧化微杆菌1.4
×
10
10
cfu/ml，泡囊短波单胞菌1.7
×
109cfu/ml、芬克纤维微菌1.6
×
109cfu/ml、气生微杆菌3.2
×
109cfu/ml、安克氏微杆菌6.4
×
108cfu/ml、其他海水中非功能菌株3.2
×
108cfu/ml。功能菌液b与深海锰结核选别尾矿分别按22％及7％比例混合后获得使用菌液。
[0113]
s3菌液布放：功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按22％的比例混合的使用菌液施加于集矿车的分离装置产生的抛尾物之上，功能菌液b与深海锰结核选别尾矿按7％比例混合获得使用菌液，经海面下沉积物界面的排放管下放到海底沉积物界面。
[0114]
分析表明，90天后站位内海面下6000m范围内的水体中高占比金属mn
2
:不大于5ng/l，cu
2
:不大于7ng/l，co
2
:不大于40ng/l，ni
2
:不大于12ng/l，高占比金属固定率均超过99％。
[0115]
本发明的工艺参数(如温度、时间、盐度等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
[0116]
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
[0117]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参
照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。