牛粪发酵原料流变特性与表观粘度研究

朱坤展，刘建禹，赵　欣，贺佳贝，杜　越

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



牛粪发酵原料流变特性与表观粘度研究

朱坤展，刘建禹，赵欣，贺佳贝，杜越

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：由于牛粪发酵原料的流变特性和表观粘度对其在管道运输、混合及热交换等厌氧发酵过程中均有重要影响，因此对其流变特性和表观粘度的研究具有重要意义。为此，利用旋转粘度计测定了不同含固率(TS)、温度条件下的牛粪发酵原料的表观粘度，并分析牛粪发酵原料TS、温度对其流变特性的影响，以及TS、温度、转速与其表观粘度的关系。结果表明：牛粪为假塑性流体且符合幂率方程。同一剪切速率下，随着温度的升高，其表观粘度呈下降的趋势；同一温度下，随着剪切速率的增大，表观粘度减小；在同一剪切速率、同一温度下，表观粘度随其TS的增大而增大。此研究为牛粪在厌氧发酵过程的工艺设计及热交换等提供了重要依据。

关键词：牛粪；发酵原料；流变特性；表观粘度

0引言

牛粪发酵原料流变参数的确定在厌氧发酵装置的设计和运行中起着重要的作用。当牛粪表观粘度变化时，将影响发酵气体溢出时的效率。在原料的管道输送、搅拌、混合及热交换等厌氧发酵过程设计中，必须清楚原料的流体类型，计算出原料的流变参数，才能对厌氧消化、特别是高浓度物料厌氧发酵进行合理的工艺设计，以及设备选用与开发。此外，原料的流变特性也是厌氧发酵的工艺控制的重要依据[1-8]。

国内以牛粪为原料的沼气工程中，普遍以中温厌氧发酵为主，而国内外并无对牛粪流变特性做深入研究。刘刈[9]等研究了包括牛粪在内的几种畜禽养殖场废弃物悬浮分散系的流变特性，分析了物料浓度、温度和发酵时间等因素的影响。李刚[10]等人研究了牛粪厌氧发酵过程中的分层流变特性，分析了牛粪在厌氧发酵过程中反应器中上层、中层和下层料液的表观粘度随发酵时间的变化而具有的趋势特征。上述研究未能具体地分析牛粪发酵原料TS、温度对其流变特性的影响，以及TS、温度、剪切速率与其表观粘度的关系。本文更为具体地分析牛粪发酵原料TS、温度对其流变特性的影响，以及TS、温度、剪切速率与其表观粘度的关系，从而为厌氧发酵的工艺控制提供重要依据。

1实验材料与方法

1.1　实验材料

实验材料取自黑龙江省哈尔滨良种奶牛繁育中心奶牛养殖场的新鲜牛粪，将取回的新鲜牛粪放置于冰箱保鲜层冷藏。由于粪便中含有少许杂草等物质，加蒸馏水稀释后，利用网孔为1cm3的铁丝网筛除杂质，得到较为干净的新鲜牛粪。根据TS的测量方法对多组牛粪平行样进行测定，得到未经稀释的新鲜牛粪TS为12.90%。

实验仪器为NDJ-9S数字显示粘度计(上海平轩科学仪器有限公司)。本仪器用于测量牛顿流体和非牛顿流体的表观粘度，转子规格：1～4号转子选配0号转子可测低粘度至0.1mPa·s，转子转速为6、12、30、60r/min。

1.2　实验方法

为了不改变牛粪的流变特性，使用蒸馏水稀释出不同TS的混合液装于1 000mL的烧杯中，各个样品的TS分别为4%、6%、8%、10%，将样品经过搅拌使其糊化。由于牛粪发酵液的流体稠度系数较高，在浓度大于10%时，随着旋转黏度计转子的旋转，在转子与原料的接触面形成一个滑移层，此层内的物料只随转子旋转而产生滑移，并未产生剪切，这样就使得黏度的测量无法进行，所以牛粪的黏度测量浓度不高于10%[9]。

采用NDJ-9S数字显示粘度计测量不同TS(4%、6%、8%、10%)下不同温度(15、20、25、30、35、40、45、50、55℃)的表观粘度，其转速分别为6、12、30、60r/min，每组表观粘度数据测量4次，取其算术平均值。

2实验结果

2.1　牛粪的流变特性

一些学者试验测得粪便厌氧发酵的黏度都在50 000mPa·s以下，所以说牛粪厌氧发酵中的搅拌混合过程都是处于低黏度条件[11]。

畜禽养殖场的废弃物悬浮分散体系大多为非牛顿流体，可以使用幂率方程来描述其流变特性[12]。

lnη=(n-1)·ln4πN+lnK-n·lnn

(1)

其中，η为表观粘度(Pa·s)；N为转速(r/s)；K为流体稠度系数(Pa·sn)；n为流体流变指数，无因次。

稠度系数K是液体粘稠度的度量(Pa·sn)，稠度系数越大，液体越黏稠。液体流变指数是衡量实际流体与牛顿流体相似程度的指标，流变指数越小，剪切越易变稀，假塑料性程度越大；反之，越接近于牛顿流体。

2.2　TS对流变特性的影响

在以牛粪为原料的厌氧发酵过程中，低温发酵温度为15℃，中温温度发酵温度为35℃，高温发酵温度为55℃。根据测得数据进行线性回归分析，得出TS为4%、6%、8%、10%及牛粪发酵原料在15、35、55℃时的流变指数n和稠度系数K，如表1～表3所示。

表1　牛粪发酵原料在TS为4%、6%、8%、10%时的

表2　牛粪发酵原料在TS为4%、6%、8%、10%时的

续表2

表3　牛粪发酵原料在TS为4%、6%、8%、10%时的

从表1～3中可以看出：在相同温度下，随着牛粪发酵原料TS的增大，其流变指数呈减小趋势。这表明：随着TS的增大，牛粪的流变特性偏离牛顿流体的程度增大；TS越小，牛粪的流变特性越接近于牛顿流体。由幂率方程得出：牛粪发酵原料的流变指数都小于1，且为假塑性流体。在相同温度下，随着TS的增大，稠度系数也逐渐增大，表明随着TS的增大，牛粪越黏稠。

2.3　温度对流变特性的影响

液体的流变指数可以反映其与牛顿流体的相似程度。当液体的流变指数越接近于1时，说明液体越接近于牛顿流体；反之，其假塑性程度越大。稠度系数只反映液体的黏稠程度。

在牛粪TS为4%、6%、8%、10%时，不同温度下的流变指数的变化如图1所示。

图1　不同温度下牛粪发酵原料流变指数(n)变化

从图1中可以看出：随着温度的升高，牛粪的流变指数也逐渐增大；TS为6%、10%时，其流变指数随温度的升高变化较为显著，随后趋于平缓；TS为4%、8%时，其流变指数随温度的升高变化较为缓慢。牛粪发酵原料TS为4%时，随着温度的升高，流变指数(n)越来越接于1，表明了牛粪典型的假塑性特征。

牛粪发酵原料在TS为4%、6%、8%、10%，不同温度条件下为假塑性流体，造成其呈现明显的假塑性流体的性质的原因可能是在动物的粪便中存在一些没有彻底消化的大分子物质，如纤维素等。这些大分子物质的存在会使原料在受到剪切后发生分子的重排，分子趋向与流动方向一致，流动阻力下降，从而使表观黏度在剪切速率增大时减小[13]。

2.4　温度与表观粘度的关系

表观粘度变化趋势通常符合一次函数模型η=At+B。其中，η为表观粘度(Pa·s)；t为温度(℃)。

不同温度牛粪发酵原料的表现粘度η变化如图2所示。由图2可以看出：TS为8%时，在同一剪切速率下，随着温度的升高，牛粪发酵原料的表观粘度呈下降的趋势；转速越低，表观粘度下降的幅度越大，表观粘度受温度影响敏感。在同一温度下，剪切速率越小，其表观粘度越大。

图2　不同温度牛粪发酵原料的表观粘度(η)变化(TS=8%)

2.5　转速、TS与表观粘度的关系

在温度分别为15、35、55℃这3种情况下，对不同TS(4%、6%、8%、10%)的牛粪进行其表观粘度的测量，测量结果如图3所示。

由图3可知：同一温度下，随着剪切速率的增大，所测量的表观粘度减小；在低剪切速率范围内，牛粪表观粘度减小的速度很快且幅度很大；在高剪切速率范围内则变化幅度并不大；在同一转速、同一温度下，表观粘度随TS的增大而增大，随TS的减小而减小。

图3　不同转速下牛粪发酵原料的表观粘度化

3结论

1)在相同温度下，随着牛粪发酵原料TS的增大，其流变指数呈减小趋势，稠度系数逐渐增大。这表明：随着TS的增大，牛粪的流变特性偏离牛顿流体的程度就越大；TS越小，牛粪的流变特性越接近于牛顿流体。

2)随着温度的升高，牛粪的流变指数也逐渐增大。牛粪发酵原料TS为4%时，随着温度的升高，流变指数越来越接于1，表明了牛粪典型的假塑性特征。

3)在同一剪切速率下，随着温度的升高，牛粪发酵原料的表观粘度呈下降的趋势；转速越低，表观粘度下降的幅度越大。在同一温度下，剪切速率越小，其表观粘度越大。

4)同一温度下，随着粘度计转速的增大，所测量的表观粘度而减小。在同一转速、同一温度下，表观粘度随TS的增大而增大，随TS的减小而减小。

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Rheological Properties and Apparent Viscosity Research of Cow Dung Fermentation Raw Material Research

Zhu Kunzhan, Liu Jianyu, Zhao Xin, He Jiabei, Du Yue

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Since rheological properties and apparent viscosity of cow dung fermentation feedstock have an important effect on the cow dung transport, mixing, heat exchange and so the process in the pipeline of anaerobic fermentation process, Therefore it has important implications for the study of rheological properties and the apparent viscosity of cow dung fermentation feedstock. Using Rotational viscometer measured the apparent viscosity of cow dung fermentation feedstock under different solid content and temperature conditions, analysis the effect of cow dung fermentation materials TS and temperature to Rheological properties, and the relationship between TS, temperature, speed and their apparent viscosity.The results indicated that cow dung behaved like pseudo plastic fluid and followed the power law model．With the increasing temperature, apparent viscosity showed a downward trend at the same shear rate; with the increase in shear rate, apparent viscosity showed a decreasing trend at the temperature; apparent viscosity increases with the increase of its TS at the same shear rate and temperature. This study provides an important basis for the technological design and heat exchange in anaerobic fermentation of cow dung process.

Key words：cow dung; fermentation raw material; rheological properties; apparent viscosity

中图分类号：S216.4

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0260-04

作者简介：朱坤展(1988-),男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail)zhkzh1022@163.com。通讯作者：刘建禹(1965-),男，哈尔滨人，教授，硕士生导师，(E-mail)liujy@neau.cn。

基金项目：黑龙江省科技攻关项目(GA09B503-1)

收稿日期：2015-12-22