人工湿地废弃植物制备成型燃料

邓红燕，王永秀

（1.深圳市环境保护产业协会，广东深圳518008;2.深圳市碧园环保技术有限公司，广东深圳 518001）

人工湿地是20世纪70年代发展起来的污水处理技术，其原理是利用湿地中基质、湿地植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理的、化学的以及生物的途径来净化污水［1-3］。凭借净化效率高、投资成本低、运行费用低等优势，人工湿地在污水处理领域受到了越来越多地关注［4-5］。

为了保证湿地的正常稳定运行，需要对枯萎老化的湿地植物进行收割，然而收割的大量废弃植物往往被当作“垃圾”，不仅占用大量土地，还增加了管理处置费用［6］。如果能将湿地植物进行有效的资源化利用，将对人工湿地处理技术的发展产生极大的促进作用。人工湿地植物通常纤维素含量较高，同时具有与玉米秸秆等相近的热值，因此可作为一种较好的生物质固体成型燃料的原料来源［7-9］。笔者采用人工湿地收割的废弃植物为原料，通过冷压成型的方式制备成型燃料，研究成型压力、粘结剂添加量、原料含水率对燃料堆密度和机械强度的影响，优化成型燃料制备的工艺参数，为解决人工湿地植物处理处置问题提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验原料 湿地植物原料取自广东省某人工湿地污水处理系统，其中花叶芦荻约占60 wt%，美人蕉25 wt%，风车草10 wt%，其他植物5 wt%。

1.2 成型燃料制备方法 将收割的湿地植物自然晒干，经初破碎、精破碎至3 mm以下，并充分混合均匀。称重计量后，按比例加入粘结剂，在一定的压力下采用冷压成型机将原料压制成粒径为25 mm左右致密的胶囊状成型燃料。粘结剂制备采用改性淀粉，即淀粉与水以3∶100的比例混合，在70～80℃的水浴中加热5 min左右，刚达到有粘结性时，先加入5%NaOH溶液15 ml，再加入20%NaOH溶液5 ml，混均，现用现配［10］。

1.3 分析方法 目前，我国尚未有生物质成型燃料的相关国家、行业标准，参照煤的分析方法对所制备燃料的各项性能进行测定分析。燃料密度采用溢水法测定。燃料机械强度参照《工业型煤落下强度测定方法》(MT/T925-2004)测定。具体方法:将燃料颗粒从2 m高处自由落下到一定厚度的钢板上，将落下后粒度大于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的成型燃料质量占原成型燃料质量的百分数表示成型燃料的抗跌强度［11］。

2 结果与分析

2.1 成型压力对燃料性能的影响 由图1可知，通过冷压成型制备成型燃料，压力在20 MPa以下，得到的产品较为松散，堆密度和强度不高。当压力达到40 MPa时，成型燃料主要性能参数达到最大，并随着压力提高趋于稳定。一般而言，成型燃料的压缩成型分为两个阶段:首先是在压力作用下松散的生物质颗粒排列结构发生改变，内部空隙率降低;随着压力增大，大颗粒被压碎成小的粒子并发生变形，粒子开始填充空隙同时相互啮合，部分残余应力贮存于成型燃料内部，使粒子间结合的更加牢固。由于湿地植物中含有的纤维素、木质素都是弹性大而成型特性差的物质，较小的压力难以成型。增加成型压力虽然可提高燃料的强度，但同时增加了动力消耗，并且强度提高的幅度也有限，因此确定最佳的成型压力为40 MPa。

2.2 粘结剂添加量对燃料性能的影响 由图2可知，随着粘结剂添加量的增加，成型燃料的密度逐渐增大。当粘结剂添加量为5%时，成型燃料从模具中拿出后，放置几小时后都会变得松散，制成的小球用手拿时易碎，抗跌强度也不高。当粘结剂添加量达到15%后，抗跌强度升至95%。进一步提高粘结剂添加量，会导致原料挤压出模具。因此，确定最佳的粘结剂添加量为15%。

2.3 原料含水率对燃料性能的影响 由图3可知，原料含水率越低，制备得到的成型燃料密度越低，而抗跌强度越高。这是由于原料含水率过高，在压制过程中多余水分被挤压到粒子层之间，使粒子层贴合不够紧密，在成型压力较大时还会出现成型燃料爆开现象。然而，为了降低原料含水率，就必须延长湿地植物的晾晒干燥时间，因此会导致运行成本的提高。综合考虑，确定最佳的原料含水率为8%。

3 结论

人工湿地植物是良好的生物质资源，合理地加以利用不仅能解决废弃植物处理处置问题，还能减少湿地运营成本、提高湿地植物资源化利用水平。该研究以废弃湿地植物为原料制备成型燃料取得了较好的效果，在最佳工艺条件下制得的成型燃料密度和抗跌强度分别高达0.97 g/cm3和96%，为解决人工湿地植物处理处置问题提供了新的思路。

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