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(jié)劑添加量、原料含水率對成型燃料密度和機(jī)械強(qiáng)度的影響。[結(jié)果]成型燃料制備的最優(yōu)工藝參數(shù)為成型壓力40 MPa、粘結(jié)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(qiáng)度分別高達(dá)0.97 g/cm和96%。[結(jié)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(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 0517-6611（2015）11-225-02

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，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，我國尚未有生物質(zhì)成型燃料的相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參照煤的分析方法對所制備燃料的各項(xiàng)性能進(jìn)行測定分析。燃料密度采用溢水法測定。燃料機(jī)械強(qiáng)度參照《工業(yè)型煤落下強(qiáng)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(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，就必須延長濕地植物的晾曬干燥時(shí)間，因此會導(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。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志平，李國婉，范家豪，等.復(fù)合人工濕地對新農(nóng)村生活污水的凈化效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（13）： 5872-5874，5953.

[2] 黃錦樓，陳琴，許連煌.人工濕地在應(yīng)用中存在的問題及解決措施[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（1）：401-408.

[3] 劉樹元，閻百興，王莉霞.潛流人工濕地中植物對氮磷凈化的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：1538-1546.

[4] STOTTMEISTER U，WIEβNER A，KUSCHK P，et al.Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment [J].Biotechnology Advances，2003，22（1/2）：93-117.

[5] ZHU N W，AN P，KRISHNAKUMAR B，et al.Effect of plant harvest on methane emission from two constructed wetlands designed for the treatment of wastewater [J].Journal of Environmental Management，2007，85（4）：936-943.

[6] 何明雄，胡啟春，羅安靖，等.人工濕地植物生物質(zhì)資源能源化利用潛力評估[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2011，17（4）：527-531.

[7] 秦蓉，徐亞同，何淑英，等.富營養(yǎng)化水體的生物修復(fù)與植株殘?bào)w的資源化利用[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2008，33（9）：1-4.

[8] 張庭婷，李嘉薇，王雙飛.幾種生物質(zhì)原料厭氧發(fā)酵制取沼氣能量轉(zhuǎn)換效率的比較[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2009，28（3）：36-41.

[9] 蔣偉軍，顏幼平，李萍.水葫蘆資源化利用綜述[J].水資源保護(hù)，2010，26（6）：79- 83.

[10] 宋志偉，呂一波，梁洋，等.新型復(fù)合垃圾衍生燃料的制備及性能分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1（6）：114-117.

[11] 李強(qiáng)，陳鐵軍，饒發(fā)明，等.鋸末制備生物質(zhì)成型燃料的試驗(yàn)研究[J].可再生能源，2012，30（9）：85-89.