人工濕地廢棄植物制備成型燃料

鄧紅燕，王永秀

（1.深圳市環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，廣東深圳518008;2.深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東深圳 518001）

人工濕地是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的污水處理技術(shù)，其原理是利用濕地中基質(zhì)、濕地植物和微生物之間的相互作用，通過一系列物理的、化學(xué)的以及生物的途徑來凈化污水［1-3］。憑借凈化效率高、投資成本低、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，人工濕地在污水處理領(lǐng)域受到了越來越多地關(guān)注［4-5］。

為了保證濕地的正常穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)枯萎老化的濕地植物進(jìn)行收割，然而收割的大量廢棄植物往往被當(dāng)作“垃圾”，不僅占用大量土地，還增加了管理處置費(fèi)用［6］。如果能將濕地植物進(jìn)行有效的資源化利用，將對(duì)人工濕地處理技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。人工濕地植物通常纖維素含量較高，同時(shí)具有與玉米秸稈等相近的熱值，因此可作為一種較好的生物質(zhì)固體成型燃料的原料來源［7-9］。筆者采用人工濕地收割的廢棄植物為原料，通過冷壓成型的方式制備成型燃料，研究成型壓力、粘結(jié)劑添加量、原料含水率對(duì)燃料堆密度和機(jī)械強(qiáng)度的影響，優(yōu)化成型燃料制備的工藝參數(shù)，為解決人工濕地植物處理處置問題提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料 濕地植物原料取自廣東省某人工濕地污水處理系統(tǒng)，其中花葉蘆荻約占60 wt%，美人蕉25 wt%，風(fēng)車草10 wt%，其他植物5 wt%。

1.2 成型燃料制備方法 將收割的濕地植物自然曬干，經(jīng)初破碎、精破碎至3 mm以下，并充分混合均勻。稱重計(jì)量后，按比例加入粘結(jié)劑，在一定的壓力下采用冷壓成型機(jī)將原料壓制成粒徑為25 mm左右致密的膠囊狀成型燃料。粘結(jié)劑制備采用改性淀粉，即淀粉與水以3∶100的比例混合，在70～80℃的水浴中加熱5 min左右，剛達(dá)到有粘結(jié)性時(shí)，先加入5%NaOH溶液15 ml，再加入20%NaOH溶液5 ml，混均，現(xiàn)用現(xiàn)配［10］。

1.3 分析方法 目前，我國(guó)尚未有生物質(zhì)成型燃料的相關(guān)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參照煤的分析方法對(duì)所制備燃料的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)定分析。燃料密度采用溢水法測(cè)定。燃料機(jī)械強(qiáng)度參照《工業(yè)型煤落下強(qiáng)度測(cè)定方法》(MT/T925-2004)測(cè)定。具體方法:將燃料顆粒從2 m高處自由落下到一定厚度的鋼板上，將落下后粒度大于13 mm的成型燃料再次落下，共落下3次，以第3次落下后粒度大于13 mm的成型燃料質(zhì)量占原成型燃料質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示成型燃料的抗跌強(qiáng)度［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型壓力對(duì)燃料性能的影響 由圖1可知，通過冷壓成型制備成型燃料，壓力在20 MPa以下，得到的產(chǎn)品較為松散，堆密度和強(qiáng)度不高。當(dāng)壓力達(dá)到40 MPa時(shí)，成型燃料主要性能參數(shù)達(dá)到最大，并隨著壓力提高趨于穩(wěn)定。一般而言，成型燃料的壓縮成型分為兩個(gè)階段:首先是在壓力作用下松散的生物質(zhì)顆粒排列結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，內(nèi)部空隙率降低;隨著壓力增大，大顆粒被壓碎成小的粒子并發(fā)生變形，粒子開始填充空隙同時(shí)相互嚙合，部分殘余應(yīng)力貯存于成型燃料內(nèi)部，使粒子間結(jié)合的更加牢固。由于濕地植物中含有的纖維素、木質(zhì)素都是彈性大而成型特性差的物質(zhì)，較小的壓力難以成型。增加成型壓力雖然可提高燃料的強(qiáng)度，但同時(shí)增加了動(dòng)力消耗，并且強(qiáng)度提高的幅度也有限，因此確定最佳的成型壓力為40 MPa。

2.2 粘結(jié)劑添加量對(duì)燃料性能的影響 由圖2可知，隨著粘結(jié)劑添加量的增加，成型燃料的密度逐漸增大。當(dāng)粘結(jié)劑添加量為5%時(shí)，成型燃料從模具中拿出后，放置幾小時(shí)后都會(huì)變得松散，制成的小球用手拿時(shí)易碎，抗跌強(qiáng)度也不高。當(dāng)粘結(jié)劑添加量達(dá)到15%后，抗跌強(qiáng)度升至95%。進(jìn)一步提高粘結(jié)劑添加量，會(huì)導(dǎo)致原料擠壓出模具。因此，確定最佳的粘結(jié)劑添加量為15%。

2.3 原料含水率對(duì)燃料性能的影響 由圖3可知，原料含水率越低，制備得到的成型燃料密度越低，而抗跌強(qiáng)度越高。這是由于原料含水率過高，在壓制過程中多余水分被擠壓到粒子層之間，使粒子層貼合不夠緊密，在成型壓力較大時(shí)還會(huì)出現(xiàn)成型燃料爆開現(xiàn)象。然而，為了降低原料含水率，就必須延長(zhǎng)濕地植物的晾曬干燥時(shí)間，因此會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行成本的提高。綜合考慮，確定最佳的原料含水率為8%。

3 結(jié)論

人工濕地植物是良好的生物質(zhì)資源，合理地加以利用不僅能解決廢棄植物處理處置問題，還能減少濕地運(yùn)營(yíng)成本、提高濕地植物資源化利用水平。該研究以廢棄濕地植物為原料制備成型燃料取得了較好的效果，在最佳工藝條件下制得的成型燃料密度和抗跌強(qiáng)度分別高達(dá)0.97 g/cm3和96%，為解決人工濕地植物處理處置問題提供了新的思路。

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