关键词：
屋顶绿化
烟草秸秆
基质块
成型
植物栽培
摘要：
屋顶绿化是一种应用于城市建筑特殊空间构建生态种植系统的综合技术,通过扩大城市绿化面积,可以达到美化城市空间,建设绿色建筑的目的,也可以有效吸收二氧化碳,改善城市生态环境。栽培基质作为屋顶绿化系统的重要组成部分,为植物提供直接的生长环境,是本研究的重点。现有绿化基质以散体物料为主,存在产业化程度低、运输难度大、屋顶施工效率低等问题。将散体基质压缩成型为基质块可以有效避免这些问题,而目前关于栽培基质的成型技术研究较少,还没有形成完善的成型工艺。关于基质原料方面,过往研究已经提出用农林废弃物替代传统草炭,农林废弃物的基质化研究可以促进环保减排,同时又能实现废弃物的资源化与增值化利用,已经成为新型基质配方的主流。但基于原料的有机复杂性,需要针对其物料特性对配方和成型工艺展开单独研究。针对上述问题,本研究提出基于烟草秸秆、污泥腐熟料的基质化利用,采用机械化方式生产压缩型基质块的解决办法。通过成型技术将散体基质进行压缩从而得到固定形状基质块,开发一种轻量化、免养护绿化基质块产品。研究首先探讨烟草秸秆、污泥腐熟料的物料特性,选取草炭进行对比,分析其作为基质使用的可行性;以这两种原料为基础进行压缩型基质块的配方研究,然后针对基质块的压缩成型工艺展开研究,分析基质块成型机理,通过试验评估、模型优化等方法探究关键因素对基质块成型特性的影响,获取成型过程关键参数;最后,选取不同配方基质块进行绿化植物栽培试验,通过实际绿植栽培应用对基质块产品进行综合评价,指导实际生产。研究取得的主要结论如下:(1)烟草秸秆、污泥用做栽培基质的可行性探究,选取目前应用上成熟的基质主料草炭,与本研究使用的经过堆肥处理基质原料进行对比。主要从原料的基本理化特性、养分含量、木质纤维素含量、元素含量以及金属与重金属离子含量进行分析。结果表明:草炭容重处于烟草秸秆、污泥腐熟料之间,原料p H分别为7.79、7.84,高于草炭(5.31),EC值分别为1.843ms/cm、0.104ms/cm,符合绿化用基质要求(0.3～3.0ms/cm)。原料中营养元素TN、TP、K总含量超过25mg/g高于草炭。烟草秸秆中木质素含量达28.78%,比草炭高6.32%。元素分析结果表明,原料O/C比超过1,稍高于草炭(0.81),C/N比分别为15.41、16.61,低于草炭(35.08),原料基本达到腐熟状态。对于原料中重金属离子(Cd、Pb、Cr、As、Ni、Cu、Zn)含量进行分析,其限值满足国家标准。综合评价基质原料满足要求,可以作为栽培基质使用。(2)基质块成型配方研究,从基质物料配比、粘结剂挑选、原料含水率三个方面对基质配方进行研究,基质块容重、松弛率、抗弯强度为指标,优选合理的基质块配方;通过保水淋溶试验、基质植物毒性试验对配方进行评价。基质物料配比试验结果表明:相同压缩条件下,当烟草秸秆与污泥腐熟料质量比为7:3时,基质块抗弯强度最高达0.38MPa。粘结剂挑选试验取黄原胶、海藻酸钠和羧甲基纤维素钠(CMC)三种,添加量为0%、2%、4%、6%、8%进行对比,当添加黄原胶4%时强度提升最高,基质抗弯强度达到0.93MPa,提升2.48倍。在保证基质块强度的前提下,原料不同含水率试验的结果表明,当原料含水率为30%±2%,既符合轻质化的要求,容重为0.97g/cm,也可以保证松弛率(125.47%)合理。对不同秸秆占比配方的保水和淋溶试验表明,各试验组第一次饱和吸水率小于100%,第二次饱和吸水率均提升超过30%,基质再吸湿力明显增强,各试验组基质块饱和吸水率低于草炭。充分吸水后,基质块失水速率在180h之后趋于稳定,失水速率低于0.2g/h,保水性优于草炭。对基质块淋溶10次后,p H(6.74～6.91)、EC值(286.9～371.4us/cm)均处于稳定状态。基质植物毒性试验表明,秸秆和污泥质量比为7:3,添加4%黄原胶的试验组发芽指数最高,达到0.88,满足栽培基质要求(0.70)。(3)基质块成型过程关键参数优化研究。本研究主要探究影响成型的主要机械因素,如压力、加载频次、加载速度、保压时间等对基质块的成型特性影响规律。中心复合设计(CCD)试验以成型关键参数压力、加载速度、保压时间为因素进行三因素五水平响应面优化,得到优化工艺参数组合。结果表明:压力对基质块成型影响显著,压力超过40k N(9.52MPa)时,基质处于压实阶段;模型优化器预测出两个工艺参数组合。其一侧重基质块尺寸稳定和高强度:(1)压力40k N,加载速度40mm/min,保压时间70s;其二侧重基质吸水能力和轻质化:(2)压力20k N,加载速度40mm/min,保压时间90s。采用这两种工艺压制基质块,跟预测结果进行对比验证,偏差合理。采用双因素试验探究压力、加载频次对基质块容重,成型能耗的影响
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