人工濕地廢棄植物制備成型燃料

鄧紅燕　王永秀

摘要 [目的]提高人工濕地植物資源化利用水平。[方法]以收割的廢棄植物為原料，通過冷壓成型制備成型燃料，研究了成型壓力、粘結劑添加量、原料含水率對成型燃料密度和機械強度的影響。[結果]成型燃料制備的最優工藝參數為成型壓力40 MPa、粘結劑添加量15%、原料含水率8%，在此條件下制得的成型燃料密度和抗跌強度分別高達0.97 g/cm和96%。[結論]該研究為人工濕地植物處理處置問題提供了新的思路。

關鍵詞 成型燃料；人工濕地；植物廢棄物；冷壓成型

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼A 文章編號 0517-6611（2015）11-225-02

人工濕地是20世紀70年代發展起來的污水處理技術，其原理是利用濕地中基質、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、運行費用低等優勢，人工濕地在污水處理領域受到了越來越多地關注[4-5]。

為了保證濕地的正常穩定運行，需要對枯萎老化的濕地植物進行收割，然而收割的大量廢棄植物往往被當作“垃圾”，不僅占用大量土地，還增加了管理處置費用[6]。如果能將濕地植物進行有效的資源化利用，將對人工濕地處理技術的發展產生極大的促進作用。人工濕地植物通常纖維素含量較高，同時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、粘結劑添加量、原料含水率對燃料堆密度和機械強度的影響，優化成型燃料制備的工藝參數，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 試驗原料濕地植物原料取自廣東省某人工濕地污水處理系統，其中花葉蘆荻約占60 wt %，美人蕉25 wt %，風車草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，經初破碎、精破碎至3 mm以下，并充分混合均勻。稱重計量后，按比例加入粘結劑，在一定的壓力下采用冷壓成型機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，剛達到有粘結性時，先加入5% NaOH溶液15 ml，再加入20% NaOH溶液 5 ml，混均，現用現配[10]。

1.3 分析方法目前，我國尚未有生物質成型燃料的相關國家、行業標準，參照煤的分析方法對所制備燃料的各項性能進行測定分析。燃料密度采用溢水法測定。燃料機械強度參照《工業型煤落下強度測定方法》（MT/T925-2004）測定。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的成型燃料質量占原成型燃料質量的百分數表示成型燃料的抗跌強度[11]。

2 結果與分析

2.1 成型壓力對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，得到的產品較為松散，堆密度和強度不高。當壓力達到40 MPa時，成型燃料主要性能參數達到最大，并隨著壓力提高趨于穩定。一般而言，成型燃料的壓縮成型分為兩個階段：首先是在壓力作用下松散的生物質顆粒排列結構發生改變，內部空隙率降低；隨著壓力增大，大顆粒被壓碎成小的粒子并發生變形，粒子開始填充空隙同時相互嚙合，部分殘余應力貯存于成型燃料內部，使粒子間結合的更加牢固。由于濕地植物中含有的纖維素、木質素都是彈性大而成型特性差的物質，較小的壓力難以成型。增加成型壓力雖然可提高燃料的強度，但同時增加了動力消耗，并且強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 粘結劑添加量對燃料性能的影響由圖2可知，隨著粘結劑添加量的增加，成型燃料的密度逐漸增大。當粘結劑添加量為5%時，成型燃料從模具中拿出后，放置幾小時后都會變得松散，制成的小球用手拿時易碎，抗跌強度也不高。當粘結劑添加量達到15%后，抗跌強度升至95%。進一步提高粘結劑添加量，會導致原料擠壓出模具。因此，確定最佳的粘結劑添加量為15%。

2.3 原料含水率對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，在成型壓力較大時還會出現成型燃料爆開現象。然而，為了降低原料含水率，就必須延長濕地植物的晾曬干燥時間，因此會導致運行成本的提高。綜合考慮，確定最佳的原料含水率為8%。

3 結論

人工濕地植物是良好的生物質資源，合理地加以利用不僅能解決廢棄植物處理處置問題，還能減少濕地運營成本、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度分別高達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。

參考文獻

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