徐 則， 鄧良偉， 王 伸， 王 霜

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所， 成都 610041)

項目來源： 國家自然科學基金(31572450)； 國家生豬技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系(CARS-36-10B)

豬糞干發(fā)酵出料流動性的研究

徐 則， 鄧良偉， 王 伸， 王 霜

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所， 成都 610041)

物料流動性是影響豬糞干式沼氣發(fā)酵的重要因素，文章采用流速表征物料的流動性，參考污泥輸送流速，并模擬生產(chǎn)規(guī)模干式沼氣發(fā)酵工程，確定豬糞干發(fā)酵物料流動的臨界流速為6 mm·s-1。以豬糞干式沼氣發(fā)酵殘余物為對象，研究了發(fā)酵殘余物總固體(TS)含量、出料管管徑、出料管進出口高度差對發(fā)酵殘余物物料流動性的影響。物料下降過程平均流速測試結(jié)果表明，TS含量越小，管徑越大，高度差越大，流動性越好。TS 18%和TS 19%的物料，在管徑 75～150 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都具有流動性。TS 20%的物料，在管徑 125～150 mm的出料管中，在高度差達到100 mm時，具有流動性；在管徑 75～100 mm的出料管中，只有在高度差達到300 mm時，才具有流動性。TS 21%的物料，在管徑150，125，100，75 mm的出料管中，只有高度差分別達到300，400，600，800 mm時，才具有流動性。TS 22%的物料，在管徑 75～125 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都沒有流動性；在管徑150 mm的出料管中，只有在高度差達到600 mm時，才具有流動性。

豬糞； 干式沼氣發(fā)酵； 出料流動性； 非牛頓流體

規(guī)模化生豬養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展使得豬糞在局部地區(qū)集中產(chǎn)生，給當?shù)丨h(huán)境造成了極大壓力。沼氣發(fā)酵是處理利用豬糞的有效手段。沼氣發(fā)酵還可以分為濕發(fā)酵(進料TS%<10%)、半干發(fā)酵(進料TS%介于10%～20%)、干發(fā)酵(進料TS%>20)[1-2]。相比于傳統(tǒng)的濕發(fā)酵工藝，干發(fā)酵因為具備直接處理豬糞、發(fā)酵殘余物養(yǎng)分高且易運輸?shù)榷嘀貎?yōu)點，正逐步成為研究的熱點[3]。

現(xiàn)階段豬糞干發(fā)酵工藝主要存在酸抑制、氨抑制、出料難的問題[4, 5]。酸抑制和氨抑制往往影響干發(fā)酵工藝的效率，可以通過工藝調(diào)控解決。而出料問題直接影響干發(fā)酵工藝的成敗，難以通過工藝調(diào)控解決，因此，是該工藝推廣應(yīng)用的瓶頸。出料難易的實質(zhì)表現(xiàn)是物料流動性，有關(guān)豬糞干發(fā)酵殘余物流動性的研究報道很少。豬糞干發(fā)酵物料與污水處理工程的污泥一樣，屬非牛頓流體，其流動性可以參照污泥在管道中流動的相關(guān)特性。當污泥的含固率介于10%～20%時，物料呈粥狀，流動性差[6]。在豬糞干發(fā)酵小試[7]中，發(fā)酵殘余物的TS含量普遍高于15%，在實際干發(fā)酵中試[8]和工程試驗[9]中，殘余物的TS含量甚至更高，嚴重影響物料流動性。以往有關(guān)豬糞干發(fā)酵物料流動性的研究主要著眼于物料本身的特性，如TS含量、物質(zhì)組成、粘度、溫度等[4]。根據(jù)liu et al[10]的結(jié)果，豬糞干發(fā)酵殘余物的流動性受固體含量的影響大，可能是因為高固體含量殘余物內(nèi)部分布著大量相互纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及隨發(fā)酵而上升的高粘度[11]。

除了物料自身特性參數(shù)外，影響物料出料流動性的因素還有反應(yīng)器出料口結(jié)構(gòu)特性，包括出料管進出口高度差、出料管管徑等。因此，筆者在前期豬糞干發(fā)酵中試[8]的基礎(chǔ)上，選取出料TS含量、出料管進出口高度差、出料管管徑作為變量因子，研究這些因子對豬糞干發(fā)酵殘余物流動性的影響，為豬糞干發(fā)酵工程設(shè)計提供工藝參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用物料為前期豬糞干發(fā)酵中試殘余物[8]，其它相關(guān)材料主要包括自來水、電子稱、秒表、量酒器、壓封板(300 mm×300 mm)、塑料桶(有效容積約50 L)等。

1.2 試驗裝置

流動性試驗裝置采用不等高的U型有機玻璃管，管徑分別為75，100，125，150 mm。底部橫管長500 mm，進料端的直管部分長220 mm，出料端的直管部分長120 mm，底部橫管與豎管連接為90°標準彎頭，管壁厚5 mm。管徑75，100，125，150 mm的試驗裝置的有效容積分別為5.48，10.67，18.12，28.17 L。出料口外圍設(shè)有環(huán)寬和高均為120 mm的溢流圓環(huán)，用于暫時存放過渡溢流流出的物料。在溢流環(huán)外一側(cè)圓弧開有約50 mm的出口，用于溢流流出物料。整個裝置用于模擬豬糞干發(fā)酵裝置的出料口，裝置示意圖如圖1。

圖1 物料流動性試驗裝置示意圖

每一管徑U形有機玻璃管制作帶法蘭的同一材質(zhì)直管，共8節(jié)，每節(jié)長100 mm，用于加高進料口高度。

1.3 試驗方法

根據(jù)前期豬糞干發(fā)酵中試不同月份出料殘余物的TS含量[8]，流動性試驗的物料TS含量選取18%，19%，20%，21%，22%這5個水平。根據(jù)工程上污水、污泥等輸送管道的常用管徑，選取75，100，125，150 mm這4個管徑進行試驗。具體試驗方法如下。

風干備用豬糞干發(fā)酵中試殘余物，使其固體含量高于22%，并采用重量法測定其準確值。稱取滿足一批次試驗要求的豬糞干發(fā)酵殘余物，通過計算，向殘余物里添加一定量的自來水(密度按1.0 g·mL-1計)，配制成固體含量為22%的殘余物物料，并攪拌均勻。將固體含量為22%殘余物物料倒入管徑為150 mm，進出料口高度差為900 mm的U型管(用法蘭加高)中，以進料口100 mm的下降高度為梯度，依次記錄進料口干發(fā)酵殘余物從滿管初始狀態(tài)每下降100 mm需要的時間，直至物料不流動，并同時記錄不流動所需的時間及最終進出料口的高度差。先做預(yù)試驗，當下降相同梯度的時間基本接近后，重復(fù)試驗3次，并對得到的時間取平均值。

然后按照上述方法，依次進行管徑為125，100，75 mm條件下的流動性試驗。

以22%TS含量的干發(fā)酵殘余物為基礎(chǔ)，根據(jù)稀釋前后殘余物物料量、TS含量，計算需要加入自來水的量，通過加入自來水的辦法，將干發(fā)酵殘余物配制成TS 21%，20%，19%和18%的物料。再按照發(fā)酵殘余物TS 22%流動性的試驗方法，依次進行TS 21%，20%，19%和18%的干發(fā)酵殘余物流動性試驗。

1.4 測試指標及方法

總固體含量：采用重量法測定，即將樣品在(105℃±2℃)的恒溫干燥箱(ZXRD-A5110，上海智城分析儀器制造有限公司)內(nèi)干燥至恒重，稱重并經(jīng)換算獲得樣品的總固體含量。

時間：采用世運牌專業(yè)秒表測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動性的定義

前已述及，豬糞干發(fā)酵工藝在工程上應(yīng)用的瓶頸是出料難，具體表現(xiàn)為干發(fā)酵物料流動性差。在流體力學領(lǐng)域，主要以流體流速表征流動性。筆者采用流速表征豬糞干發(fā)酵物料流動性。業(yè)界經(jīng)常說豬糞干發(fā)酵物料的流動性差，這只是一種定性的說法。定量地，達到多大的流速才算流動性好，目前還沒有文獻報道。在市政工程中，脫水污泥在管道輸送設(shè)計中選取的平均流速基本在60 mm·s-1以上[6, 12-13]。在豬糞干發(fā)酵小試中，當出料總固體含量達到17.1%～21.1%時，采用兩種出料方式的推流式反應(yīng)器的出料流速只有2～7 mm·s-1，裝置不能順利出料[14]，因為出料口直徑只有15 mm。這不能代表工程規(guī)模的情況。

下面模擬豬糞干發(fā)酵工程，計算需要達到的最小出料流速。也就是某次進料后，在下次進料前，發(fā)酵殘余物必須以某一流速完全排出沼氣發(fā)酵裝置，不能有殘余，否則會在發(fā)酵裝置內(nèi)越積越多。這一流速就是發(fā)酵殘余物必須達到的最小流速，達到這一流速，可定義為具有流動性。

假設(shè)發(fā)酵罐有效容積為500 m3，進料總固體含量25%，有機負荷4.44 kgTS·m-3d-1，容積產(chǎn)氣率取1.72 m3·m-3d-1[7]，則進料鮮豬糞的質(zhì)量是8880 kg·d-1，日產(chǎn)氣量是860 m3·d-1。按照物料平衡，有公式(1)。

M進料=M沼氣+M出料

(1)

式中：M進料為干發(fā)酵裝置進料口的豬糞質(zhì)量，kg·d-1；M沼氣為發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣質(zhì)量，kg·d-1，根據(jù)標準沼氣的密度1.2 kg·m-3[15]，可知產(chǎn)生的沼氣(860 m3·d-1)質(zhì)量是1032 kg·d-1；M出料為干發(fā)酵裝置出料口的發(fā)酵殘余物(沼渣)質(zhì)量，kg·d-1。

由公式(1)可知，干式沼氣發(fā)酵裝置出料口的發(fā)酵殘余物質(zhì)量為7848 kg·d-1。假設(shè)出料管為內(nèi)徑150 mm(0.15 m)的圓管，發(fā)酵殘余物質(zhì)量密度為1000 kg·m-3，則出料口的發(fā)酵殘余物平均流速為5.14 mm·s-1。這就意味著，出料管發(fā)酵殘余物的平均流速達到5.14 mm·s-1時，才能保證某次進料后，在下次進料前，發(fā)酵殘余物完全排除沼氣發(fā)酵裝置，沒有殘余，從而不影響整個工程的繼續(xù)進行。

參考污泥輸送系統(tǒng)污泥流速、豬糞干發(fā)酵小試的物料流速以及豬糞干發(fā)酵工程每天進出料量及出料管徑確定的流速，筆者確定豬糞干發(fā)酵物料流動的臨界流速為6 mm·s-1。意思是，高于此平均流速，物料具有較好的流動性;低于此流速，物料的流動性差。

2.2 總固體含量對干發(fā)酵殘余物流動性的影響

圖2～圖5分別是管徑為75，100，125，150 mm的出料管中，TS含量22%，21%，20%，19%及18%的殘余物在自重力的作用下，下降800 mm過程(以殘余物上物位為基準)的平均速度與下降高度的關(guān)系圖。從圖2～圖5可以看出，在某一管徑下，物料的總固體含量越大，物料的流動性越差；總固體含量越小，物料的流動性越好。對于固體含量為22%的物料，在管徑為75，100，125 mm條件下，物料的平均流速不到臨界流速6 mm·s-1。在管徑增大到150 mm時，流速才稍稍增大，但最大平均流速只有6.7 mm·s-1，稍高于臨界流速。因此總固體含量為22%的發(fā)酵殘余物在出料管管徑低于150 mm時，可以認為沒有流動性。對于固體含量為18%的物料，管徑為75 mm的平均流速最小，但最小的平均流速也有12.3 mm·s-1(位移為800 mm時)，在管徑100，125，150(mm)情況下，因為平均流速太大，手動按秒表無法檢測出來，說明不同固體含量的發(fā)酵殘余物，在管徑75 mm的出料管中，仍然具有較好的流動性。再比較圖2～圖5，同一管徑下，殘余物的總固體含量從22%依次減小到18%，減小比例分別是4.5%，9.1%，13.6%，18.2%，平均流速約增大一倍?？梢?，物料總固體含量顯著影響著物料的流動性。

從物質(zhì)的組成角度分析，豬糞經(jīng)過干發(fā)酵后得到的殘余物含有大量的固體顆粒，包括蛋白質(zhì)、多糖、脂肪酸等大分子有機物[10]，而其中尤以蛋白質(zhì)、多糖，能夠通過顯著影響物料的流變性進而影響流動性[16]。同時，該干發(fā)酵殘余物是一種流變特性復(fù)雜的非牛頓流體，流動過程中的粘度隨剪切速率(即殘余物在管道中流動時的瞬時速度)的變化而變化[4]。從組成物質(zhì)的微觀角度考慮，粘性物質(zhì)具有粘附力和內(nèi)聚力的內(nèi)在機制主要有4個方面： 1)分子間力和靜電力； 2)液體架橋； 3)固體架橋； 4)機械互鎖(或稱為摩擦力)[17]。Deng[18]發(fā)現(xiàn)，隨著總固體含量的升高，樣品會經(jīng)歷糊狀、塊狀和顆粒狀等3個狀態(tài)。在糊狀相中，濕污泥(總固體濃度大約低于35.7%)可以潤濕接觸表面，并且可以產(chǎn)生來自污泥和接觸表面之間的分子接觸的粘附力。這種分子接觸可能導(dǎo)致分子間力(范德華力)和靜電力的形成[19]。由于接觸表面的潤濕作用，液體架橋也可能有助于粘附力的產(chǎn)生[20]。豬糞干發(fā)酵殘余物的固體濃度分別是18%，19%，20%，21%，22%，屬于糊狀相的范圍。因此，隨著殘余物固體含量增大而流動性變差的現(xiàn)象可能是因為分子間力和靜電力的存在導(dǎo)致粘附力變大。

2.3 出料管管徑對流動性的影響

將圖2～圖5中的平均速率與高度差的變化曲線圖重新組合，可以得到TS%分別為18%，19%，20%，21%，22%的殘余物在不同管徑的平均速率與高度差的關(guān)系圖，如圖6～圖10。可知管徑對殘余物流動性的影響趨勢是，出料管管徑越大，平均流速越大，流動性越好。只是在TS%為18%時，相比管徑為125 mm時的平均流速，管徑為100 mm的部分平均速度隨高度差的變化表現(xiàn)出相反的情況?？赡苁且驗楫擳S%為18%時，殘余物的流動性都特別好，多數(shù)位移下的平均流速都超過了40 mm·s-1，有些甚至達到了100 mm·s-1以上，如此高的平均速度導(dǎo)致的測量誤差。在TS 18%時，當高度差達到800，700甚至600 mm時，平均流速用手動秒表無法檢測。當TS%達到最大值22%時，平均流速只能在管徑125，150 mm下，高度差400 mm以下才能測試出來。只有管徑在150 mm下，高度差分別為800，700，600 mm時的平均流速大于6 mm·s-1，平均流速分別為6.3，6.7，6.1 mm·s-1。

圖2 出料管徑75 mm不同總固體含量發(fā)酵殘余物在重力作用下的平均速度隨高度差的變化

圖3 出料管徑100 mm不同總固體含量發(fā)酵殘余物在重力作用下的平均速度隨高度差的變化

圖4 出料管徑125 mm不同總固體含量發(fā)酵殘余物在重力作用下的平均速度隨高度差的變化

圖5 出料管徑150 mm不同總固體含量發(fā)酵殘余物在重力作用下的平均速度隨高度差的變化

同時，由圖6～圖10可知，在同一總固體含量下，管徑從75 mm依次增大到150 mm，增大比例是33.3%，66.7%，100%，平均速度增大不到50%。再比較2.2一節(jié)中關(guān)于固體含量減小1個梯度時平均流速的變化關(guān)系，可知固體含量的變化對流動性的影響大于管徑的變化對流動性的影響。異常情況是，固體含量為18%時，管徑從75 mm增大到100 mm時的平均速度的增大幅度超過了50%。

2.4 高度差對流動性的影響

由牛頓第二定律可知，豬糞在臥式U型有機玻璃管中流動時的流速主要決定于豬糞所受合力，即重力和豬糞與管壁之間摩擦力的矢量和。作為驅(qū)動力，重力隨進出料口高度差的變化而變化。因此，高度差間接代表了殘余物運動過程中的驅(qū)動力。從圖2～圖5中可知，在不同總固體含量和管徑下，殘余物下降的流動性隨高度差的變化趨勢基本一致。在所有的總固體含量和管徑的組合中，選取流動性適中的(TS%=20%)為例進行分析。圖11所示是總固體含量為20%的殘余物物料在下降過程中，下降時間隨高度差的變化情況?？梢娫撟兓P(guān)系類似于凹型曲線，即表現(xiàn)出進出料口高度差越小，即進料口殘余物物位面下降高度越大，流動所需要的時間越長，曲線斜率的倒數(shù)即瞬時速率越來越小。圖8對應(yīng)于圖11，是在同一總固體含量下，殘余物在4種不同管徑中下降時的平均速率隨高度差的變化關(guān)系圖?？梢娖骄俾孰S高度差的減小，呈現(xiàn)先增大再減小，直至趨于零的趨勢。由于殘余物的初始瞬時速率為零，速率是連續(xù)變化的物理量，因此可以肯定，在高度差從900 mm減小到800 mm的過程中，殘余物的加速過程更明顯，即殘余物流動的加速度更大。

圖6 TS 18%物料在不同管徑出料管中平均速度隨高度差的變化

圖7 TS 19%物料在不同管徑出料管中平均速度隨下降高的變化

圖8 TS 20%物料在不同管徑出料管中平均速度隨下降高的變化

圖9 TS 21%物料在不同管徑出料管中平均速度隨下降高的變化

圖10 TS 22%物料在不同管徑出料管中平均速度隨下降高的變化

殘余物在管道中從靜止到加速的快速變化過程，可以看成是高度差(驅(qū)動力)不同的結(jié)果。作為非牛頓流體的一種，豬糞干發(fā)酵殘余物的流變特性非常復(fù)雜。當被看做塑性流體時，只有當剪切應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，殘余物才會流動[4]。殘余物在U型管中流動時，由高度差產(chǎn)生的驅(qū)動力可以看作剪切應(yīng)力。因此，隨著高度差的減小，剪切應(yīng)力也逐漸減小。由于殘余物的粘度會表現(xiàn)出隨剪切速率的減小而逐漸增大(即剪切稀化)的現(xiàn)象[21]，由粘度產(chǎn)生的阻力也會增大。在動力減小阻力增大的情況下，物料的加速度會越來越小，直至與運動方向相反，并表現(xiàn)出減速過程。當高度差減小到一定程度時，驅(qū)動力與阻力的合力小于屈服應(yīng)力后，物料最終靜止下來。因為筆者試驗的特殊設(shè)計，殘余物在管道中下降時，從900 mm下降到800 mm的初速度為0，而之后的下降過程的初速度并不為0，因此出現(xiàn)了平均速率隨高度差的減小而小范圍增大的現(xiàn)象。但整體來看，高度差對殘余物流動性的影響依然呈現(xiàn)出高度差越小，流動性越差的趨勢。

圖11 TS 20%物料在不同管徑出料管中的下降時間隨高度差的變化

綜合2.2和2.3節(jié)，豬糞干發(fā)酵殘余物的流動性呈現(xiàn)出TS越小，管徑越大，高度差越大，流動性越好的趨勢。以6 mm·s-1為臨界流速，可以判定殘余物在此次試驗選定的總固體含量、出料管管徑、出料管進出料口高度差的不同水平下的流動性情況，見表1。表1顯示，TS 18%和TS 19%的物料，在管徑 75～150 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都具有流動性。TS 20%的物料，在管徑 125～150 mm的出料管中，在高度差達到100 mm時，具有流動性；在管徑 75～100 mm的出料管中，只有在高度差達到300 mm時，才具有流動性。TS 21%的物料，在管徑150,125,100，75 mm的出料管中，只有高度差分別達到300，400，600，800 mm時，才具有流動性。TS 22%的物料，在管徑 75～125 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都沒有流動性；在管徑150 mm的出料管中，只有在高度差達到600 mm時，才具有流動性。參考表1，可根據(jù)實際豬糞干發(fā)酵工程中出料總固體含量，設(shè)計出料口高度差和出料管管徑。

3 結(jié)論

為了研究豬糞干發(fā)酵出料問題，采用流速表征物料的流動性，并定義物料流動的臨界流速6 mm·s-1。為了進一步研究物料的流動性，設(shè)計了一個不完全對稱的臥式U型有機玻璃管，用于模擬豬糞干發(fā)酵裝置的出料口，并進行了總固體含量、管徑、高度差對干發(fā)酵殘余物流動性的影響試驗，得出如下結(jié)論。

(1)總固體含量對流動性的影響顯著，并呈現(xiàn)出物料總固體含量越小，流動性越好的趨勢。

表1 殘余物在不同總固體含量、管徑、高度差下的流動性情況

注：“√” 代表殘余物具有流動性，“╳” 代表殘余物不具有流動性。

(2)管道管徑對流動性的影響表現(xiàn)出管徑越大流動性越好的趨勢。為了能順利出料，殘余物固體含量越大，管徑應(yīng)設(shè)置得越大。

(3)殘余物在管道中流動時的平均流速表現(xiàn)出隨高度差的減小而緩慢減小并趨于零的趨勢。

(4)以6 mm·s-1為臨界流速，繪制了總固體含量、管徑、高度差的組合影響表，可為干式沼氣發(fā)酵裝置出料口設(shè)計提供參考。

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DischargeLiquidityofDryFermentationofSwineManure/

XUZe,DENGLiang-wei,WANGShen,WANGShuang/

(BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China)

Material liquidity is an important factor influencing dry biogas fermentation of swine manure. In this paper, the material liquidity was characterized by flow rate. Referencing the flow rate of sludge transportation and simulating full scale dry biogas project, the critical flow rate for dry swine manure fermentation was determined as 6 mm·s-1. Using the digestate of swine manure dry fermentation as the raw material, the effects of digestate TS content, the diameter of outlet pipe, and the in-out height difference of discharge pipe, on digestate flow ability were investigated. The average velocity test showed that the smaller the TS content, the larger the diameter, the bigger the height difference, and the better the material fluidity. Under the digestate TS of 18% and 19 %, the material had mobility in the discharge pipe with diameter of 75～150 mm and height difference of 100～800 mm. The digestate TS of 20% had mobility in the pipe with diameter of 125～150 mm and the in-out height difference of above 100 mm. With pipe diameter of 75～100 mm, only when the height difference was more than 300 mm, the digestate possessed mobility. For the digestate TS of 21%, the material could possessed mobility in the discharge pipe of diameter 150, 125, 100, 75 mm only when the height difference reached 300, 400, 600, 800 mm, respectively. For the digestate with TS of 22%, there were no liquidity in the pipe of 75～125 mm diameter even under the height difference of 100～800 mm. It would have mobility if the pipe diameter was 150 mm and height difference was more than 600 mm.

swine manure; dry fermentation for biogas production; discharge fluidity; non-Newtonian fluid

2017-05-08

徐 則(1991-)，男，湖北天門人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)固體廢棄物研究工作，E-mail:xuzepl@163.com

鄧良偉，E-mail:dengliangwei@caas.cn

S216.4; X713

A

1000-1166(2017)04-0003-07