徐莉 楊啟志 張婧 杜廣雨 黃冠龍

摘要：為了確定蛆糞顆粒群在EDEM軟件中建模的物理參數(shù)，擬研究蛆糞顆粒群的形貌結(jié)構(gòu)、不同大小等級(jí)主要形狀顆粒的組成比重、不同含水率蛆糞顆粒群的密度和剪切強(qiáng)度。將蛆糞原料干燥后除雜，并分為3個(gè)部分，依次測(cè)定含水率，分析并計(jì)算各形貌結(jié)構(gòu)和比重，通過(guò)噴灑的方式加水得到不同含水率的蛆糞顆粒群并計(jì)算密度，測(cè)量其剪切強(qiáng)度，最后分析、比較蛆糞顆粒群的垂直壓力、含水率與剪切強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明，蛆糞顆粒群可分為4個(gè)大小等級(jí)，多為球狀、條狀、片狀、塊狀，各級(jí)顆粒群所占比重由小到大分別為1.3%、3.7%、43.0%、52.0%;用離散元仿真軟件建立各級(jí)顆粒群主要形狀結(jié)構(gòu)的蛆糞顆粒模型;當(dāng)含水率為30%、40%、50%、60%時(shí)，蛆糞顆粒群的平均密度分別為0.36、0.39、0.41、0.43 g/cm3;蛆糞的剪切強(qiáng)度與垂直壓力成正比，與含水率成反比。

關(guān)鍵詞：蛆糞顆粒群;剪切強(qiáng)度;形貌結(jié)構(gòu);比重;含水率;密度;仿真模型

中圖分類號(hào)： S23?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-0248-03

近年來(lái)，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)肉食類產(chǎn)品的需求，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)得到了迅速發(fā)展，其中養(yǎng)豬行業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)最重要的行業(yè)之一。雖然畜禽養(yǎng)殖帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但是也生產(chǎn)了大量畜禽糞便，并且畜禽糞便目前已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要污染源和危害人體健康的重要影響因素[1-5]。蠅蛆作為處理大量畜禽糞便的較為環(huán)保的有效生物，不僅緩解了畜禽糞便對(duì)環(huán)境的破壞，而且人們飼養(yǎng)的蠅蛆經(jīng)過(guò)處理后可作為我國(guó)飼養(yǎng)行業(yè)的蛋白飼料，此外，蠅蛆吃過(guò)的畜禽糞便與蠅蛆糞便的混合物稱為蛆糞，蛆糞作為農(nóng)業(yè)肥料的效果比畜禽糞便好[6-11]。但是，農(nóng)業(yè)物料的篩分一直以來(lái)都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難題，由于缺少快速可控的蛆糞與蠅蛆的分離技術(shù)，利用蠅蛆養(yǎng)殖的方式處理畜禽糞便的措施并沒(méi)有得到快速發(fā)展。筆者所在課題組已有的研究表明，利用并聯(lián)振動(dòng)篩篩分蛆糞與蠅蛆的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)蛆糞與蠅蛆的快速分離，為了確定合理的并聯(lián)振動(dòng)篩篩分參數(shù)，需要在EDEM軟件中對(duì)蛆糞進(jìn)行顆粒建模，對(duì)其篩分過(guò)程進(jìn)行仿真分析[12-13]。

相關(guān)研究表明，蛆糞和蠅蛆在并聯(lián)振動(dòng)篩上進(jìn)行篩分時(shí)，蛆糞同時(shí)受到篩框和蠅蛆作用力的影響，其顆粒位置容易發(fā)生變化，或者顆粒本身產(chǎn)生變形甚至破碎，因此需要測(cè)量蛆糞顆粒群的抗剪強(qiáng)度[14]。為了建立更加符合實(shí)際的EDEM仿真蛆糞顆粒模型，必須了解蛆糞顆粒的外貌結(jié)構(gòu)和密度。但是，目前關(guān)于蛆糞顆粒相關(guān)參數(shù)的研究在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。本研究擬采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干蛆糞顆粒群到一定程度，進(jìn)行去雜處理，將部分去雜后的蛆糞顆粒群取出，放在干燥箱中繼續(xù)烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算含水率;將部分去雜后的蛆糞顆粒群用圓孔篩進(jìn)行大小等級(jí)篩分，通過(guò)電子天平計(jì)算分析各個(gè)等級(jí)蛆糞顆粒群占對(duì)應(yīng)試樣部分的百分比，并用CCD相機(jī)拍下各個(gè)等級(jí)蛆糞顆粒群的外貌形態(tài)，給出蛆糞顆粒群在EDEM軟件中建模的實(shí)例;將最后一部分去雜后的蛆糞顆粒群分為4份，進(jìn)行不同含水率的配制，并計(jì)算各個(gè)含水率蛆糞顆粒群的密度，測(cè)定剪切強(qiáng)度，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析蛆糞顆粒群的垂直壓力、含水率與剪切強(qiáng)度的關(guān)系。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用材料為蛆糞顆粒，來(lái)源于鄭州建國(guó)養(yǎng)殖廠飼養(yǎng)4 d的蠅蛆及其飼養(yǎng)物料混合物，該混合物中不僅含有豬糞和蠅蛆糞，還有少數(shù)秸稈、樹(shù)枝、塑料袋等雜物。筆者所在課題組提出的蛆料分離多維振動(dòng)篩篩分的對(duì)象是去除雜物后的蠅蛆和不同等級(jí)蛆糞的混合物，其中蛆糞是豬糞和蠅蛆糞的統(tǒng)稱。

1.2?試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2017年11月20日至2018年1月6日在江蘇大學(xué)土木工程中心實(shí)驗(yàn)室完成。

1.3?試驗(yàn)方法

先將蛆糞顆粒群在105 ℃烘干4 h，進(jìn)行雜物清理后，從中取出1 kg試樣，將孔徑分別為0.25、0.50、1.00 mm的圓篩按照篩孔從小到大的順序自下而上地?cái)[放整齊，將蛆糞顆粒群試樣倒入最上層土壤篩中，并通過(guò)順時(shí)針或逆時(shí)針的方式篩動(dòng)圓孔篩15 min左右，依次稱取各級(jí)圓孔篩上的蛆糞顆粒群（粒徑分別為0～0.25、0.25～0.50、0.50～1.00、≥100 mm）質(zhì)量，并計(jì)算其百分比，最后用CCD相機(jī)觀測(cè)各級(jí)圓孔篩上的蛆糞顆粒群，即可獲得4種不同等級(jí)蛆糞顆粒群的形貌和比重。

用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱將30 g進(jìn)行雜物清理后的蛆糞顆粒群小試樣烘干至恒質(zhì)量，將烘箱內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)至105 ℃，根據(jù)計(jì)算公式得到蛆糞顆粒群小試樣的含水率，通過(guò)噴灑方式得到4種蛆糞顆粒群試樣的所需含水率。用容積為 59.962 cm3 的環(huán)刀取不同含水率的蛆糞顆粒群試樣各3個(gè)，用精度為0.01 g的電子天平分別稱取各個(gè)環(huán)刀和裝有蛆糞顆粒群試樣環(huán)刀的質(zhì)量，計(jì)算得到不同含水率蛆糞顆粒群試樣的密度。采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（長(zhǎng)、寬、高分別為93、55、115 cm）通過(guò)快剪的試驗(yàn)方法分別對(duì)其施加100、200、300、400 kPa的垂直應(yīng)力，直至蛆糞試樣被破壞，記錄量力環(huán)讀數(shù)并計(jì)算不同含水率的蛆糞在不同應(yīng)力下的剪切應(yīng)力。

2?結(jié)果與分析

2.1?形貌和比重分析

由圖1可知，不同大小等級(jí)蛆糞顆粒群的主要顆粒形狀并不相同，顆粒群等級(jí)越低，顆粒形狀越簡(jiǎn)單。粒徑為0～0.25 mm 的蛆糞顆粒多為條狀;粒徑為0.25～0.50 mm的蛆糞顆粒多為球狀、片狀;粒徑為0.50～1.00 mm的蛆糞顆粒多為片狀、復(fù)雜團(tuán)狀;粒徑≥1.00 mm的蛆糞顆粒多為塊狀。不同大小等級(jí)蛆糞顆粒群的主要顆粒結(jié)構(gòu)與EDEM模型如圖2所示，第1種為條狀顆粒及其模型，因條狀顆粒的長(zhǎng)度明顯大于蛆糞顆粒的寬和高，因此這種類型的顆粒模型由5個(gè)球形線性組合而成;第2種為團(tuán)狀顆粒及其模型，這種類型的顆粒形狀最簡(jiǎn)單，用單個(gè)球形代替即可;第3種為片狀顆粒及其模型，用4個(gè)球形排列為平行四邊形，作為其仿真顆粒模型;第4種為塊狀顆粒及其模型，用4個(gè)球形組合為六面體，代表其仿真顆粒模型。

進(jìn)一步分析計(jì)算表明，蛆糞顆粒群的等級(jí)越高，占總體的比例越高。粒徑為0～0.25 mm的蛆糞顆粒所占比重為 1.3%;粒徑為0.25～0.50 mm的蛆糞顆粒所占比重為 3.7%;粒徑為0.50～1.00 mm的蛆糞顆粒所占比重為 43.0%;粒徑≥1.00 mm的蛆糞顆粒所占比重為52.0%。具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2?含水率

含水率的計(jì)算公式：ω=m1/（m1+m2）×100%。式中：m1、m2分別為3組蛆糞顆粒群小試樣中的水質(zhì)量（g）、干蛆糞質(zhì)量（g）。2組蛆糞顆粒群小試樣的含水率見(jiàn)表2。

通過(guò)噴灑的方式得到4種蛆糞顆粒群各3組試樣的含水率（表3），4種蛆糞顆粒群的含水率分別取30%（編號(hào)1～3）、40%（編號(hào)4～6）、50%（編號(hào)7～9）、60%（編號(hào)10～12）。

2.3?密度

密度的計(jì)算公式：λ=mV。式中：λ為蛆糞密度，g/cm3;m為蛆糞質(zhì)量，g;V為環(huán)刀容積，m3。計(jì)算4種含水率蛆糞顆粒群各3組試樣的密度。從表4可以看出，隨著含水率的逐級(jí)提高，蛆糞顆粒群的密度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。含水率為30%、40%、50%、60%的蛆糞顆粒群的密度分別取其平均值0.36、0.39、0.41、0.43 g/cm3。

2.4?剪切強(qiáng)度

剪切強(qiáng)度的計(jì)算公式：τ=cR。式中：τ為剪切強(qiáng)度，kPa;c為量力環(huán)校正系數(shù)，c=1.802;R為量力環(huán)讀數(shù)，mm。計(jì)算不同含水率蛆糞顆粒群的剪切強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。分別以含水率、剪切強(qiáng)度為橫、縱坐標(biāo)，得到蛆糞顆粒群的剪切強(qiáng)度與垂直應(yīng)力、含水率的關(guān)系曲線（圖3）。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖3可以看出，蛆糞的剪切強(qiáng)度隨著垂直應(yīng)力的增加而增大，隨著含水率的提高而減小。

3?討論與結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)迅速興起，逐漸形成的規(guī)模集約化的生產(chǎn)模式帶來(lái)了大量豬糞污染物，這些污染物未經(jīng)處理便隨意排放，加速了生態(tài)環(huán)境的惡化程度[1-5]。目前，針對(duì)畜禽糞便的處理方式主要以直接返田、制作肥料、制作燃?xì)饽茉匆约爸谱飨壡囵B(yǎng)料為主，其中通過(guò)蠅蛆養(yǎng)殖處理畜禽糞便的途徑具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是蛆糞與成熟蠅蛆分離的研究仍是一個(gè)難點(diǎn)[6-11]。筆者所在課題組提出，利用三維并聯(lián)振動(dòng)篩能夠?qū)崿F(xiàn)蛆糞與成熟蠅蛆分離的快速性與可控性，但是試驗(yàn)物料參數(shù)皆為參考數(shù)據(jù)，為了展現(xiàn)實(shí)際物料的性能，必須進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量才能進(jìn)行下一步研究[12]。

本研究結(jié)合使用CCD相機(jī)和電子天平得到不同等級(jí)蛆糞顆粒群的外貌形態(tài)，并且分析出不同等級(jí)蛆糞顆粒群的比重，利用噴灑的方式得到4種含水率的蛆糞顆粒群，通過(guò)計(jì)算得到不同含水率蛆糞顆粒群的密度，結(jié)論如下：蛆糞顆粒群分為4個(gè)大小等級(jí)，各級(jí)蛆糞顆粒形狀復(fù)雜多樣，但每個(gè)等級(jí)的蛆糞顆粒群的主要顆粒形狀可以看成1或2種，且顆粒越大，形狀越復(fù)雜，占總體的比重越高;蛆糞顆粒群的密度較小，受到含水率提高的影響而小幅度地增大，蛆糞為松軟的顆粒狀物質(zhì);蛆糞的剪切強(qiáng)度與垂直壓力之間存在正比關(guān)系;蛆糞的剪切強(qiáng)度與含水率存在反比關(guān)系。

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