不同含水率蚯蚓粪颗粒物料流动性研究

林嘉聪，罗 帅，袁巧霞※，曹红亮

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070； 2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

0 引 言

蚯蚓堆肥是目前处理农业生产废弃物无害化、减量化、资源化再利用的重要手段，堆肥处理之后排出的号称“有机肥之王”的蚯蚓粪[1-4]。由于蚯蚓粪在孔隙特性，养分特性、气水湿热协调方面具有的优良品质，被广泛用于育苗基质、气体吸附剂、畜禽床垫料等方面。虽然近年来蚯蚓粪的应用研究大量开展，并逐步成为科学家们研究的热点，但大量的研究仍然集中于对蚯蚓粪化学组分、转化前后养分特性应用、微生物学指标[5-12]等方面，较少对蚯蚓粪物料的物理性能进行量化研究。

由于国内的蚯蚓堆肥发展水平比较低，蚯蚓粪的收集、分离、运输等机械化是蚯蚓行业亟需解决的瓶颈问题之一[13-14]。物料的流动性参数是实现蚯蚓粪机械化作业所需要的关键，也是进行蚯蚓粪物料流动计算的基础，需要量化获得。由于蚯蚓粪是经过蚯蚓过腹处理之后的小颗粒，结构特殊、含水率高达40%～60%，但同时又保持大量的孔隙结构，使得蚯蚓粪在高含水率的状态下又呈现细小颗粒的散体状态，导致了蚯蚓粪的流动性相关的参数较难以通过常规测试方法获取。

物料流动性参数[15]是物料滚动流动过程的重要指标，包括物料的内聚力、内摩擦角、接触面滚动摩擦系数，常用堆积角试验进行研究。本研究中蚯蚓粪为高含水的散体小颗粒，流动方式中主要以滚动流动为主，针对流动参数难以获取的问题，可以通过离散元方法（discrete element method，DEM）进行的“虚拟试验”标定物料参数。王国强、龚明[16-17]阐述了通过离散元获取物料参数的方法，通过计算机仿真模拟完成一些物料参数试验，如堆积角试验、斜板试验等，并不断的调整离散元参数，将模拟出来的物料堆积角表观状态值和实际试验值验证，若相一致，则认为该参数值是符合实际情况的。韩燕龙[18]等通过此方法探究了滚动摩擦系数对堆积特性的影响；石林榕等[19-21]用此方法获得了不同农田土壤的部分物理参数，王云霞等[22]用此离散元标定方法获得了排种器内玉米种子的部分参数，表明此方法在散体物料虚拟仿真推导参数上具有一定效果。

目前实际生产中蚯蚓处理的有机固体废弃物主要有牛粪、猪粪、城市污泥等，以牛粪为堆肥基料由于工艺技术较简单，是蚯蚓堆肥首选物料。研究以基于牛粪为原料经蚯蚓处理后的得到的蚯蚓粪为研究对象，进行蚯蚓粪直剪试验与蚯蚓粪堆积角EDEM仿真模拟，通过PB筛选试验、爬坡试验、析因试验和真实试验标定的方法，建立堆积角数学模型，量化得到不同含水率蚯蚓粪流动性相关的运动摩擦系数与黏结性能参数，综合分析含水率变化对蚯蚓粪颗粒流动性的影响，以期为蚯蚓粪收集、分离、运输等不同阶段机械化作业提供有效的流动性参数。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与处理

试验供试材料为蚯蚓处理牛粪之后所转化成的蚯蚓粪，取自武汉东西湖蚯蚓养殖基地，蚯蚓粪直接从养殖基地现取样。目前蚯蚓粪用于基质、吸附剂等应用产品均为小颗粒状态，蚯蚓堆肥后期机械化应用的蚯蚓粪含水率绝大部分为40%～60%[8]，试验材料蚯蚓粪的机械组成分布为：＞2.00 mm 4.11%，＞1.00～2.00 mm 13.65%，＞0.50～1.00 mm 12.73%，＞0.25～0.50 mm 22.44%，＞0.05～0.25 mm 6.92%，＞0.02～0.05 mm 29.53%，＜0.02 mm 10.22%。

蚯蚓粪原样放入5个600 mm×600 mm×300 mm的立方体塑料盒中，基于物料原本含水状态配置不同含水率25%～65%的蚯蚓粪样品。每次取样均用标准环刀（65 mm×φ120 mm）取中心样品。配置不同含水率蚯蚓粪方法如下

式中ms为配置物料的加水量，kg；m0为物料质量，kg；ω0为物料原本含水率，%；ω1为配置物料的目标含水率，%。

参考土壤基本测试方法[23]、比重瓶法、环刀排水法、吸管法测试试验蚯蚓粪材料的基本性质见表1。

表1 不同含水率蚯蚓粪原料基本性质Table 1 Basic properties of vermicompost under different moisture contents

1.2 试验方法与试验设计

1.2.1 蚯蚓粪直剪试验

通过直剪试验能够获得物料的内摩擦角，内摩擦角是散体物料抗剪强度指标，可用于衡量物料内部颗粒克服自身粗糙表面阻力发生滚动流动、滑动的重要参数，反映物料的摩擦特性[15]。蚯蚓粪为散体物料，按照散体力学理论[15]，将蚯蚓粪假设为连续介质模型，测量散粒体的内摩擦角，同时可以间接推算颗粒体的近似泊松比υ。直剪仪（南京土壤仪器厂有限公司）以 Coulomb理论为基础，通过试验结果可以绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线。

根据莫尔理论有

式中σ为正应力，Pa；τf为剪切应力，Pa；c为散粒体内聚力，N/m2；φ为内摩擦角，rad。

式中K0为侧压力系数，无量纲，可以通过内摩擦角求得。

1.2.2 蚯蚓粪运动摩擦参数标定试验

在直径为600 mm的不锈钢圆盘上进行堆积角试验[15]，试验材料为自然堆积状态下不同含水率 A1、A2、A3、A4、A5组蚯蚓粪。建立堆积试验DEM模型，如图1。试验标定选择Hertz-Mindlin-JKR模型[24]，此模型适用于具有一定含水率的潮湿物料，具有一定粘聚力的散体物料的运动模拟。建立相同的圆筒堆积角的试验仿真模型[25]，选用了颗粒平均直径为2.00 mm球体模型。不锈钢的泊松比为 0.30，剪切模量 7.90×1010Pa，密度为 7.86×103kg/m3，重力加速度为9.81m/s2，仿真步长为瑞利时间的22%，每隔0.01 s记录数据，仿真时间为4.00 s。

图1 离散元模拟仿真模型Fig.1 Simulation model of discrete element

通过 Plackett-Burman（PB）筛选试验，筛选出众多物理因素中影响蚯蚓粪堆积角的下落堆积运动过程的摩擦性能相关因素。其次，针对显著性因素进行最陡爬坡试验进一步快速找到合理范围值。最后，利用响应面析因试验设计（response surface methodology，RSM）[26]建立的标定模型与真实试验比对求解蚯蚓粪的运动摩擦参数，试验设计与数据均通过Minitab和Excel软件处理。表2为PB筛选试验因素与水平。

表2 PB筛选试验因素与水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman experiment

2 结果与分析

2.1 基于堆积角摩擦参数仿真标定与验证

通过PB试验，得到的试验结果与方差分析结果如表3和表4所示，从方差分析的结果可以看出，显著影响蚯蚓粪堆积角的因素为蚯蚓粪-蚯蚓粪之间的滚动摩擦系数，蚯蚓粪-不锈钢的滚动摩擦系数，蚯蚓粪的JKR表面能。JKR表面能是DEM离散元法中衡量颗粒接触表面黏结能量的数值指标[15,24]，能够用于反映颗粒表面黏结性能强弱。从三者的分析结果可以看出，对堆积角影响程度的顺序为：蚯蚓粪JKR表面能＞蚯蚓粪-蚯蚓粪滚动摩擦系数＞蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数。蚯蚓粪颗粒为近似圆球状颗粒，物料的流动方式以滚动运动为主，故流动运动过程与滚动摩擦系数、表面黏结性能有最直接的联系。

表3 PB筛选试验结果Table 3 Pile angle result of Plackett-Burman design

表4 PB筛选试验方差分析结果Table 4 Analysis of variance of Plackett-Burman design

由于筛选试验取值范围较大，为了进一步快速缩小试验蚯蚓粪的参数至小范围值，用于析因试验标定，将蚯蚓粪-蚯蚓粪滚动摩擦系数，蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数和JKR表面能3个显著参数进行最陡爬坡试验[27]，其余影响效果不显著的参数采用均值，从PB方差分析结果看出，3个显著性因素均呈现正向效应，因素值正向增加会导致试验结果正向增加，因此以 3因素均已最低值为起点进行爬坡，同时通过实际试验选取含水率最低25%、含水率最高 65%的蚯蚓粪堆积角试验结果进行极端值验证对比。结果如表5，从中可以看出，仿真结果与试验结果中偏差最小的均为组2；因此，选择组2前后的参数范围作为蚯蚓粪-蚯蚓粪滚动摩擦系数，蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数，JKR表面能作为小范围值进行下一步的析因试验。

表5 最陡爬坡试验结果Table 5 Results of steep climbing test

针对缩小的范围值，利用析因试验，选取蚯蚓粪-蚯蚓粪滚动摩擦系数为 0.05～0.25，蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数为0.05～0.21，JKR表面能0.05～0.35 J/m2进行析因试验，通过堆积角析因试验建立三者与堆积角的关系模型，去除模型里面的不显著项，得到调整模型，析因试验结果如表6。

有建立的析因响应面模型为

模型的决定系数R2较高，说明了试验得到的模型拟合效果较好，可以通过堆积角结果，反推导试验蚯蚓粪物料的滚动摩擦系数、蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数和JKR表面能，进一步推导出不同含水率下蚯蚓粪的运动摩擦参数。为了验证模型的有效性，通过不同含水率蚯蚓粪的实际试验与仿真结果验证，结果如表7和图2，5组重复试验结果的误差均小于5%，表明模型拟合效果较好。

表6 析因试验结果Table 6 Results of factorial experiments

表7 模型验证与摩擦参数结果Table 7 Validation result and friction parameters of vermicompost

图2 试验与仿真结果验证Fig.2 Verification of experiments and simulations

2.2 不同含水率下蚯蚓粪直剪试验

通过直剪试验得到的蚯蚓粪的 σ-τ的关系如图 3所示，在50～200 kPa的压力下发生剪切破坏，试验结果拟合直线R2均在0.93以上，呈较好的线性关系。从应力变化图可以看出，蚯蚓粪内聚力随着含水率的升高逐渐增大，内摩擦角随着含水率的增加而减小。可以得到计算出堆积状态下 A1～A5组不同含水率下蚯蚓粪内摩擦角分别为 45.81°、40.51°、38.99°、34.43°、26.10°。此外，通过侧压力系数可以得到蚯蚓粪的平均泊松比为 0.22、0.25、0.27、0.30、0.35。

图3 不同含水率蚯蚓粪的正应力-切应力关系Fig.3 Relationship between normal stress and shear stress of vermicompost under different moistures

2.3 不同含水率下蚯蚓粪流动性分析

蚯蚓粪的流动方式主要以颗粒滚动运动为主，物料运动过程中显著受到滚动摩擦系数，表面黏附性的影响，按含湿散体物料水分张力与毛细管黏附理论[28]，颗粒表面凹凸不平，部分颗粒的表面孔隙会形成“水膜”，导致物料表面固-固界面接触面减少，导致固-固接触界面和固-液界面混合存在，表面趋于光滑，滚动摩擦系数略微下降，但与此同时水膜增加导致物料表面张力增加，黏附性能提高，又表现出表面能的提高，物料运动过程中会发生团聚现象。蚯蚓粪的流动性参数变化上，随着蚯蚓粪含水率的增加，蚯蚓粪-蚯蚓粪的滚动摩擦系数由0.135下降至0.110，蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数由0.116下降至0.102，两者呈现小幅度下降，内摩擦角由45.81°降至26.10°（图4）；此外，蚯蚓粪的含水率的升高使得堆积角增加超过 15°，JKR 表面能由 0.179 J/m2增加至0.345 J/m2，增幅显著，导致试验中蚯蚓粪堆积角增大。蚯蚓粪JKR表面能影响堆积角极其显著，表明了蚯蚓粪表面黏附性能改变是影响蚯蚓粪流动性能的关键。

图4 不同含水率蚯蚓粪流动参数变化Fig.4 Changes of vermicompost fluidity parameters under different moisture contents

流动属性对蚯蚓粪的收集、分离、运输和加工等机械化作业极为关键，含水率升高，蚯蚓粪之间、蚯蚓粪与不锈钢滚动摩擦系数降低，表面黏附性变强，导致物料在滚动时发生阻力改变明显，物料流动性改变。实际生产中改变含水率能够显著改变蚯蚓粪的流动性能，含水率低于 50%之前，随着含水率增加，物料滚动摩擦系数减小，内摩擦角减小，更易发生翻滚运动，流动性较好；但含水率超过 50%之后由于表面能增高，内聚力增大，蚯蚓粪物料之间易发生物料黏结团聚，一定程度上又会阻碍蚯蚓粪的翻滚运动。

3 结论与讨论

通过堆积角真实与虚拟试验结合的方法，量化不同含水率蚯蚓粪颗粒流动性的参数指标并进行分析，结果表明：1）显著影响蚯蚓粪颗粒堆积角的因素为蚯蚓粪-蚯蚓粪滚动摩擦系数，蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数，JKR表面能（Johnson Kendall Roberts surface energy）；2）随着蚯蚓粪含水率由25%升至65%，蚯蚓粪-蚯蚓粪的滚动摩擦系数由0.135下降至0.110，蚯蚓粪-不锈钢滚动摩擦系数由0.116下降至0.102，内摩擦角由45.81°降至26.10°，而JKR表面能由0.179增加至0.345 J/m2；3）蚯蚓粪含水率增加，导致堆积角增加，蚯蚓粪流动性变差的核心原因是水分增加导致蚯蚓粪颗粒的表面能增大，颗粒的黏聚程度增加，改变含水率能够明显改善蚯蚓粪颗粒的流动性。

实际生产中为了满足蚯蚓粪的应用需求，高含水率蚯蚓粪黏附性过高，可以通过手段控制蚯蚓粪含水率在40%～50%之间，一定限度上少量提高含水率，有助于蚯蚓粪滚动性能的提升，但由于蚯蚓粪含水率的改变对于蚯蚓粪保水保肥，养分等性能的改变是否有影响，将是未来进一步需要探究的方向。