猪粪干发酵出料流动性的研究

徐 则， 邓良伟， 王 伸， 王 霜

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

项目来源： 国家自然科学基金(31572450)； 国家生猪技术产业体系(CARS-36-10B)

猪粪干发酵出料流动性的研究

徐 则， 邓良伟， 王 伸， 王 霜

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

物料流动性是影响猪粪干式沼气发酵的重要因素，文章采用流速表征物料的流动性，参考污泥输送流速，并模拟生产规模干式沼气发酵工程，确定猪粪干发酵物料流动的临界流速为6 mm·s-1。以猪粪干式沼气发酵残余物为对象，研究了发酵残余物总固体(TS)含量、出料管管径、出料管进出口高度差对发酵残余物物料流动性的影响。物料下降过程平均流速测试结果表明，TS含量越小，管径越大，高度差越大，流动性越好。TS 18%和TS 19%的物料，在管径 75～150 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都具有流动性。TS 20%的物料，在管径 125～150 mm的出料管中，在高度差达到100 mm时，具有流动性；在管径 75～100 mm的出料管中，只有在高度差达到300 mm时，才具有流动性。TS 21%的物料，在管径150，125，100，75 mm的出料管中，只有高度差分别达到300，400，600，800 mm时，才具有流动性。TS 22%的物料，在管径 75～125 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都没有流动性；在管径150 mm的出料管中，只有在高度差达到600 mm时，才具有流动性。

猪粪； 干式沼气发酵； 出料流动性； 非牛顿流体

规模化生猪养殖业快速发展使得猪粪在局部地区集中产生，给当地环境造成了极大压力。沼气发酵是处理利用猪粪的有效手段。沼气发酵还可以分为湿发酵(进料TS%<10%)、半干发酵(进料TS%介于10%～20%)、干发酵(进料TS%>20)[1-2]。相比于传统的湿发酵工艺，干发酵因为具备直接处理猪粪、发酵残余物养分高且易运输等多重优点，正逐步成为研究的热点[3]。

现阶段猪粪干发酵工艺主要存在酸抑制、氨抑制、出料难的问题[4, 5]。酸抑制和氨抑制往往影响干发酵工艺的效率，可以通过工艺调控解决。而出料问题直接影响干发酵工艺的成败，难以通过工艺调控解决，因此，是该工艺推广应用的瓶颈。出料难易的实质表现是物料流动性，有关猪粪干发酵残余物流动性的研究报道很少。猪粪干发酵物料与污水处理工程的污泥一样，属非牛顿流体，其流动性可以参照污泥在管道中流动的相关特性。当污泥的含固率介于10%～20%时，物料呈粥状，流动性差[6]。在猪粪干发酵小试[7]中，发酵残余物的TS含量普遍高于15%，在实际干发酵中试[8]和工程试验[9]中，残余物的TS含量甚至更高，严重影响物料流动性。以往有关猪粪干发酵物料流动性的研究主要着眼于物料本身的特性，如TS含量、物质组成、粘度、温度等[4]。根据liu et al[10]的结果，猪粪干发酵残余物的流动性受固体含量的影响大，可能是因为高固体含量残余物内部分布着大量相互缠绕的网状结构，以及随发酵而上升的高粘度[11]。

除了物料自身特性参数外，影响物料出料流动性的因素还有反应器出料口结构特性，包括出料管进出口高度差、出料管管径等。因此，笔者在前期猪粪干发酵中试[8]的基础上，选取出料TS含量、出料管进出口高度差、出料管管径作为变量因子，研究这些因子对猪粪干发酵残余物流动性的影响，为猪粪干发酵工程设计提供工艺参数。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用物料为前期猪粪干发酵中试残余物[8]，其它相关材料主要包括自来水、电子称、秒表、量酒器、压封板(300 mm×300 mm)、塑料桶(有效容积约50 L)等。

1.2 试验装置

流动性试验装置采用不等高的U型有机玻璃管，管径分别为75，100，125，150 mm。底部横管长500 mm，进料端的直管部分长220 mm，出料端的直管部分长120 mm，底部横管与竖管连接为90°标准弯头，管壁厚5 mm。管径75，100，125，150 mm的试验装置的有效容积分别为5.48，10.67，18.12，28.17 L。出料口外围设有环宽和高均为120 mm的溢流圆环，用于暂时存放过渡溢流流出的物料。在溢流环外一侧圆弧开有约50 mm的出口，用于溢流流出物料。整个装置用于模拟猪粪干发酵装置的出料口，装置示意图如图1。

图1 物料流动性试验装置示意图

每一管径U形有机玻璃管制作带法兰的同一材质直管，共8节，每节长100 mm，用于加高进料口高度。

1.3 试验方法

根据前期猪粪干发酵中试不同月份出料残余物的TS含量[8]，流动性试验的物料TS含量选取18%，19%，20%，21%，22%这5个水平。根据工程上污水、污泥等输送管道的常用管径，选取75，100，125，150 mm这4个管径进行试验。具体试验方法如下。

风干备用猪粪干发酵中试残余物，使其固体含量高于22%，并采用重量法测定其准确值。称取满足一批次试验要求的猪粪干发酵残余物，通过计算，向残余物里添加一定量的自来水(密度按1.0 g·mL-1计)，配制成固体含量为22%的残余物物料，并搅拌均匀。将固体含量为22%残余物物料倒入管径为150 mm，进出料口高度差为900 mm的U型管(用法兰加高)中，以进料口100 mm的下降高度为梯度，依次记录进料口干发酵残余物从满管初始状态每下降100 mm需要的时间，直至物料不流动，并同时记录不流动所需的时间及最终进出料口的高度差。先做预试验，当下降相同梯度的时间基本接近后，重复试验3次，并对得到的时间取平均值。

然后按照上述方法，依次进行管径为125，100，75 mm条件下的流动性试验。

以22%TS含量的干发酵残余物为基础，根据稀释前后残余物物料量、TS含量，计算需要加入自来水的量，通过加入自来水的办法，将干发酵残余物配制成TS 21%，20%，19%和18%的物料。再按照发酵残余物TS 22%流动性的试验方法，依次进行TS 21%，20%，19%和18%的干发酵残余物流动性试验。

1.4 测试指标及方法

总固体含量：采用重量法测定，即将样品在(105℃±2℃)的恒温干燥箱(ZXRD-A5110，上海智城分析仪器制造有限公司)内干燥至恒重，称重并经换算获得样品的总固体含量。

时间：采用世运牌专业秒表测定。

2 结果与讨论

2.1 流动性的定义

前已述及，猪粪干发酵工艺在工程上应用的瓶颈是出料难，具体表现为干发酵物料流动性差。在流体力学领域，主要以流体流速表征流动性。笔者采用流速表征猪粪干发酵物料流动性。业界经常说猪粪干发酵物料的流动性差，这只是一种定性的说法。定量地，达到多大的流速才算流动性好，目前还没有文献报道。在市政工程中，脱水污泥在管道输送设计中选取的平均流速基本在60 mm·s-1以上[6, 12-13]。在猪粪干发酵小试中，当出料总固体含量达到17.1%～21.1%时，采用两种出料方式的推流式反应器的出料流速只有2～7 mm·s-1，装置不能顺利出料[14]，因为出料口直径只有15 mm。这不能代表工程规模的情况。

下面模拟猪粪干发酵工程，计算需要达到的最小出料流速。也就是某次进料后，在下次进料前，发酵残余物必须以某一流速完全排出沼气发酵装置，不能有残余，否则会在发酵装置内越积越多。这一流速就是发酵残余物必须达到的最小流速，达到这一流速，可定义为具有流动性。

假设发酵罐有效容积为500 m3，进料总固体含量25%，有机负荷4.44 kgTS·m-3d-1，容积产气率取1.72 m3·m-3d-1[7]，则进料鲜猪粪的质量是8880 kg·d-1，日产气量是860 m3·d-1。按照物料平衡，有公式(1)。

M进料=M沼气+M出料

(1)

式中：M进料为干发酵装置进料口的猪粪质量，kg·d-1；M沼气为发酵产生的沼气质量，kg·d-1，根据标准沼气的密度1.2 kg·m-3[15]，可知产生的沼气(860 m3·d-1)质量是1032 kg·d-1；M出料为干发酵装置出料口的发酵残余物(沼渣)质量，kg·d-1。

由公式(1)可知，干式沼气发酵装置出料口的发酵残余物质量为7848 kg·d-1。假设出料管为内径150 mm(0.15 m)的圆管，发酵残余物质量密度为1000 kg·m-3，则出料口的发酵残余物平均流速为5.14 mm·s-1。这就意味着，出料管发酵残余物的平均流速达到5.14 mm·s-1时，才能保证某次进料后，在下次进料前，发酵残余物完全排除沼气发酵装置，没有残余，从而不影响整个工程的继续进行。

参考污泥输送系统污泥流速、猪粪干发酵小试的物料流速以及猪粪干发酵工程每天进出料量及出料管径确定的流速，笔者确定猪粪干发酵物料流动的临界流速为6 mm·s-1。意思是，高于此平均流速，物料具有较好的流动性;低于此流速，物料的流动性差。

2.2 总固体含量对干发酵残余物流动性的影响

图2～图5分别是管径为75，100，125，150 mm的出料管中，TS含量22%，21%，20%，19%及18%的残余物在自重力的作用下，下降800 mm过程(以残余物上物位为基准)的平均速度与下降高度的关系图。从图2～图5可以看出，在某一管径下，物料的总固体含量越大，物料的流动性越差；总固体含量越小，物料的流动性越好。对于固体含量为22%的物料，在管径为75，100，125 mm条件下，物料的平均流速不到临界流速6 mm·s-1。在管径增大到150 mm时，流速才稍稍增大，但最大平均流速只有6.7 mm·s-1，稍高于临界流速。因此总固体含量为22%的发酵残余物在出料管管径低于150 mm时，可以认为没有流动性。对于固体含量为18%的物料，管径为75 mm的平均流速最小，但最小的平均流速也有12.3 mm·s-1(位移为800 mm时)，在管径100，125，150(mm)情况下，因为平均流速太大，手动按秒表无法检测出来，说明不同固体含量的发酵残余物，在管径75 mm的出料管中，仍然具有较好的流动性。再比较图2～图5，同一管径下，残余物的总固体含量从22%依次减小到18%，减小比例分别是4.5%，9.1%，13.6%，18.2%，平均流速约增大一倍。可见，物料总固体含量显著影响着物料的流动性。

从物质的组成角度分析，猪粪经过干发酵后得到的残余物含有大量的固体颗粒，包括蛋白质、多糖、脂肪酸等大分子有机物[10]，而其中尤以蛋白质、多糖，能够通过显著影响物料的流变性进而影响流动性[16]。同时，该干发酵残余物是一种流变特性复杂的非牛顿流体，流动过程中的粘度随剪切速率(即残余物在管道中流动时的瞬时速度)的变化而变化[4]。从组成物质的微观角度考虑，粘性物质具有粘附力和内聚力的内在机制主要有4个方面： 1)分子间力和静电力； 2)液体架桥； 3)固体架桥； 4)机械互锁(或称为摩擦力)[17]。Deng[18]发现，随着总固体含量的升高，样品会经历糊状、块状和颗粒状等3个状态。在糊状相中，湿污泥(总固体浓度大约低于35.7%)可以润湿接触表面，并且可以产生来自污泥和接触表面之间的分子接触的粘附力。这种分子接触可能导致分子间力(范德华力)和静电力的形成[19]。由于接触表面的润湿作用，液体架桥也可能有助于粘附力的产生[20]。猪粪干发酵残余物的固体浓度分别是18%，19%，20%，21%，22%，属于糊状相的范围。因此，随着残余物固体含量增大而流动性变差的现象可能是因为分子间力和静电力的存在导致粘附力变大。

2.3 出料管管径对流动性的影响

将图2～图5中的平均速率与高度差的变化曲线图重新组合，可以得到TS%分别为18%，19%，20%，21%，22%的残余物在不同管径的平均速率与高度差的关系图，如图6～图10。可知管径对残余物流动性的影响趋势是，出料管管径越大，平均流速越大，流动性越好。只是在TS%为18%时，相比管径为125 mm时的平均流速，管径为100 mm的部分平均速度随高度差的变化表现出相反的情况。可能是因为当TS%为18%时，残余物的流动性都特别好，多数位移下的平均流速都超过了40 mm·s-1，有些甚至达到了100 mm·s-1以上，如此高的平均速度导致的测量误差。在TS 18%时，当高度差达到800，700甚至600 mm时，平均流速用手动秒表无法检测。当TS%达到最大值22%时，平均流速只能在管径125，150 mm下，高度差400 mm以下才能测试出来。只有管径在150 mm下，高度差分别为800，700，600 mm时的平均流速大于6 mm·s-1，平均流速分别为6.3，6.7，6.1 mm·s-1。

图2 出料管径75 mm不同总固体含量发酵残余物在重力作用下的平均速度随高度差的变化

图3 出料管径100 mm不同总固体含量发酵残余物在重力作用下的平均速度随高度差的变化

图4 出料管径125 mm不同总固体含量发酵残余物在重力作用下的平均速度随高度差的变化

图5 出料管径150 mm不同总固体含量发酵残余物在重力作用下的平均速度随高度差的变化

同时，由图6～图10可知，在同一总固体含量下，管径从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%。再比较2.2一节中关于固体含量减小1个梯度时平均流速的变化关系，可知固体含量的变化对流动性的影响大于管径的变化对流动性的影响。异常情况是，固体含量为18%时，管径从75 mm增大到100 mm时的平均速度的增大幅度超过了50%。

2.4 高度差对流动性的影响

由牛顿第二定律可知，猪粪在卧式U型有机玻璃管中流动时的流速主要决定于猪粪所受合力，即重力和猪粪与管壁之间摩擦力的矢量和。作为驱动力，重力随进出料口高度差的变化而变化。因此，高度差间接代表了残余物运动过程中的驱动力。从图2～图5中可知，在不同总固体含量和管径下，残余物下降的流动性随高度差的变化趋势基本一致。在所有的总固体含量和管径的组合中，选取流动性适中的(TS%=20%)为例进行分析。图11所示是总固体含量为20%的残余物物料在下降过程中，下降时间随高度差的变化情况。可见该变化关系类似于凹型曲线，即表现出进出料口高度差越小，即进料口残余物物位面下降高度越大，流动所需要的时间越长，曲线斜率的倒数即瞬时速率越来越小。图8对应于图11，是在同一总固体含量下，残余物在4种不同管径中下降时的平均速率随高度差的变化关系图。可见平均速率随高度差的减小，呈现先增大再减小，直至趋于零的趋势。由于残余物的初始瞬时速率为零，速率是连续变化的物理量，因此可以肯定，在高度差从900 mm减小到800 mm的过程中，残余物的加速过程更明显，即残余物流动的加速度更大。

图6 TS 18%物料在不同管径出料管中平均速度随高度差的变化

图7 TS 19%物料在不同管径出料管中平均速度随下降高的变化

图8 TS 20%物料在不同管径出料管中平均速度随下降高的变化

图9 TS 21%物料在不同管径出料管中平均速度随下降高的变化

图10 TS 22%物料在不同管径出料管中平均速度随下降高的变化

残余物在管道中从静止到加速的快速变化过程，可以看成是高度差(驱动力)不同的结果。作为非牛顿流体的一种，猪粪干发酵残余物的流变特性非常复杂。当被看做塑性流体时，只有当剪切应力超过屈服应力时，残余物才会流动[4]。残余物在U型管中流动时，由高度差产生的驱动力可以看作剪切应力。因此，随着高度差的减小，剪切应力也逐渐减小。由于残余物的粘度会表现出随剪切速率的减小而逐渐增大(即剪切稀化)的现象[21]，由粘度产生的阻力也会增大。在动力减小阻力增大的情况下，物料的加速度会越来越小，直至与运动方向相反，并表现出减速过程。当高度差减小到一定程度时，驱动力与阻力的合力小于屈服应力后，物料最终静止下来。因为笔者试验的特殊设计，残余物在管道中下降时，从900 mm下降到800 mm的初速度为0，而之后的下降过程的初速度并不为0，因此出现了平均速率随高度差的减小而小范围增大的现象。但整体来看，高度差对残余物流动性的影响依然呈现出高度差越小，流动性越差的趋势。

图11 TS 20%物料在不同管径出料管中的下降时间随高度差的变化

综合2.2和2.3节，猪粪干发酵残余物的流动性呈现出TS越小，管径越大，高度差越大，流动性越好的趋势。以6 mm·s-1为临界流速，可以判定残余物在此次试验选定的总固体含量、出料管管径、出料管进出料口高度差的不同水平下的流动性情况，见表1。表1显示，TS 18%和TS 19%的物料，在管径 75～150 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都具有流动性。TS 20%的物料，在管径 125～150 mm的出料管中，在高度差达到100 mm时，具有流动性；在管径 75～100 mm的出料管中，只有在高度差达到300 mm时，才具有流动性。TS 21%的物料，在管径150,125,100，75 mm的出料管中，只有高度差分别达到300，400，600，800 mm时，才具有流动性。TS 22%的物料，在管径 75～125 mm的出料管中，在高度差 100～800 mm下，都没有流动性；在管径150 mm的出料管中，只有在高度差达到600 mm时，才具有流动性。参考表1，可根据实际猪粪干发酵工程中出料总固体含量，设计出料口高度差和出料管管径。

3 结论

为了研究猪粪干发酵出料问题，采用流速表征物料的流动性，并定义物料流动的临界流速6 mm·s-1。为了进一步研究物料的流动性，设计了一个不完全对称的卧式U型有机玻璃管，用于模拟猪粪干发酵装置的出料口，并进行了总固体含量、管径、高度差对干发酵残余物流动性的影响试验，得出如下结论。

(1)总固体含量对流动性的影响显著，并呈现出物料总固体含量越小，流动性越好的趋势。

表1 残余物在不同总固体含量、管径、高度差下的流动性情况

注：“√” 代表残余物具有流动性，“╳” 代表残余物不具有流动性。

(2)管道管径对流动性的影响表现出管径越大流动性越好的趋势。为了能顺利出料，残余物固体含量越大，管径应设置得越大。

(3)残余物在管道中流动时的平均流速表现出随高度差的减小而缓慢减小并趋于零的趋势。

(4)以6 mm·s-1为临界流速，绘制了总固体含量、管径、高度差的组合影响表，可为干式沼气发酵装置出料口设计提供参考。

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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 则(1991-)，男，湖北天门人，硕士，主要从事农业固体废弃物研究工作，E-mail:xuzepl@163.com

邓良伟，E-mail:dengliangwei@caas.cn

S216.4; X713

A

1000-1166(2017)04-0003-07