生物质浆体的流变特性研究进展

2020-06-27库尔班江热西提赵希强马春元

农业工程 2020年5期

库尔班江·热西提，赵希强，2，马春元，2

(1.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250100；2.燃煤污染物减排国家工程实验室，山东济南250061)

0 引言

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，它是植物通过光合作用将太阳能以化学能形式存储在生物质中的能量形式，是能源消费量前4名的能源之一，仅次于煤、石油和天然气，在全球能源消费系统中有很重要的地位。我国国土面积广阔，耕地面积多，使得我国生物质资源非常丰富，仅农作物秸秆2018年产量就达11.35亿t，约折合标准煤5.6亿t(1 t秸秆的热值按0.5 t标准煤折算)。其他如木材加工废弃物、畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物、生物质复合材料、污泥、餐厨垃圾、生活污水及富含有机质的工业废水等，也属于生物质。生物质取之不尽，用之不竭，是一种可再生能源，也是唯一的可再生碳源。

目前，我国生物质能源技术的发展和生物质回收机制还不够完善，大部分生物质资源没有得到合理利用。传统的车辆运输方式回收生物质资源不仅耗费大量的人力和财力，而且会对运输路径的环境造成污染。通过管道运输对生物质浆体进行回收并进行集中处理不仅可以节省人力、财力和减少污染，还可以大大提高回收效率，进而提高我国生物质资源的利用率。

生物质浆体是指有机物质通过初步加工并加入少量的水配置成的浆体。长距离浆体管道输送是一种高效、节能和环保的运输方式，拥有广阔的应用空间和发展前景[1]。浆体在管道内流动，浆体的性质和内部结构、浆体内部质点之间相对运动状态及外部与管道内壁的摩擦都会产生压力的损失，导致输送能量的减少。对于管道运输阻力的研究应从影响因素着手，在掌握了影响因素效果之后便可以找到更加经济、合理的运输条件[2]。已有研究认为管道输送浆体阻力的影响因素主要包括浆体的物料特性即浆体内部结构、浆体的流动特性即浆体内部各质点的相对运动状况及管道特性等。

生物质浆体的流变特性对其运输过程中的流动性、混合及制备沼气过程有重要影响。生物质浆体的流变参数是分析和确定浆体流动规律的基本参数，是输送管道设计和系统运行参数选择的重要依据，对选取生物质浆体长距离管道输送参数有重要意义。

1 流变学属性及对流变特性的要求

1.1流变学属性

生物质浆体属于复杂的多项悬浮体系，其内部物理结构会因为受到剪切力作用而发生变化，反过来施加剪切应力产生的速率梯度受其内部物理结构变化的影响，而胞外聚合物的存在使得生物介质相互粘结成菌胶团网络结构，导致大多数生物质浆体表现出非常显著的非牛顿流体特性。

生物质浆体的非牛顿流体特性通常具有如下特点：流变特性需要用多个参数来表示；黏度随颗粒形状及大小、浆体温度和剪切应力等因素发生变化；黏度与剪切作用的持续时间有关，即表现出一定的触变性[3]。含有纤维素的生物质浆体含有一定的内聚力即刚性。少数生物质浆体在低固含率的情况下变为假塑性流体。还有极少的生物质浆体呈现胀塑流性流体和Bingham性流体的特性。

5种不同流体的流变曲线如图1所示。

描述生物质浆体流变特性常用的经验模型有以下6种[3]。

(1)牛顿流体模型。

τ=μγ

(1)

(2)Bingham(Bingham)塑性模型。

τ=τy+ργ

(2)

(3)幂率(Power Law)模型。

τ=Kγn

(3)

(4)屈服-幂率(Herschele-Bulkley)模型。

τ=τy+Kγn

(4)

(5)Casson模型。

τ0.5=0.5τy+(ργ)0.5

(5)

(6)Sisko模型。

τ=∞+Kγn

(6)

式中τ——剪切应力，Pa

τy——屈服应力，Pa

γ——剪切速率，s-1

μ——黏度，Pa·s

ρ——刚度系数

K——稠度系数

n——流变特性指数

∞——高剪切速率对应的极限剪切黏度，Pa·s

以上经验模型又称作本构方程，以应力、应变和时间关系来描述物料的流变性质，反映了特定物质的固有属性，随所研究的具体介质和运动条件而变[4]。

在非牛顿流体的流变特性研究中，往往借用牛顿流体黏度的概念，即表观黏度来表征生物质浆体的流动性能。对非牛顿流体，表观黏度是剪切速率和剪切应力的比值，其能够清晰地表明受到剪切作用时浆体抵抗变形的能力。因此，研究表观黏度的变化规律和影响因素对生物质浆体流动特性规律的了解和实现其工程应用有着非常重要的推动作用。

1.2对流变特性的要求

从生物质浆体制备、输运到工程应用，都要求生物质浆体有良好的成浆性能、输送特性(泵送性能)和稳定性。工程应用所需生物质浆体理想的流变特性应为，具有较高的浓度以保证生物质厌氧发酵设备的产气量和转化率，静止状态下能够保持良好的稳定性。当浆体中生物质的浓度即固含量(TS)提高时，生物质浆体的表观黏度会随浓度的增加而迅速增大，这会导致生物质浆体的泵送性能变差，能量损失变大。当浓度较低时，浆体泵送性能显著提高，但稳定性变差，生物质厌氧发酵设备的产气量和转换率随之下降。因此，研究生物质浆体流变特性的重点应在保证合理的流动性能的前提下尽量提高生物质浆体浓度。

2 不同生物质浆体流变学研究现状

将生物质浆体分成污泥、禽畜粪便和废弃物、生物质复合材料和餐厨垃圾4类浆体，并对各自流变特性的现有研究方法、影响因素和流变机理等方面进行概述。

2.1污泥

由于富含有机质可将污泥归类为一种可再生的生物质资源。污泥的主要特性是含水率高(>80%)、有机物含量高、颗粒较细、密度较小和呈胶状液态，可以用泵运输[5]。污泥不仅有机物含量高且不稳定，含有的有毒有害物质很容易释放到环境[6]。为防止污泥对周围水资源、空气及生态环境造成危害，必须对污泥进行正确的处理。有研究表明，我国污水产量将在2020年左右达到一个峰值，随之产生的污泥也会出现峰值，污泥问题将会突显[7]。针对多种来源和总量庞大的污泥，需要选择合适的处理方式来实现污泥的减量化、无害化和资源化。

任宏[8]对我国的污泥处置进行研究，结果显示，44.8%的污泥用于农业，土地填埋占34.5%，甚至有13.8%未经任何处理。这会对周围水资源和生态造成很大的影响，同时导致资源浪费。随着人们的环保意识加强，传统的污泥处理方式必然会遭到淘汰，亟需探索或引进污泥处理的新技术。污泥处置的最有效方式是对污泥进行减量化，污泥源头减量化技术最典型的是厌氧消化技术[9]。

由于真空管道输送和厌氧发酵系统都对浆料浓度有一定要求，为了获得最适合的真空输送浓度和厌氧发酵脚料浓度，众多学者开展了污泥流变特性及其影响因素的研究[10-11]。目前的研究表明，污泥可以认为是牛顿流体(浓度较小时)，也可以是非牛顿流体(浓度较高时)，目前研究更倾向于认为污泥是一种非牛顿流体[12]。

2.1.1城市污泥

城市污泥是指通过各种方法处理生活废水和工业废水时产生的各种沉淀物、颗粒物和漂浮物。

(1)流变特性拟合模型。

SOZANSKI M M等[13]用旋转流变仪对含水量85%～100%的污泥进行流变试验研究，并作出了其流变特性曲线，围绕污泥流变特性曲线对其流变特性变化规律做出分析并给出经验公式，将污泥归类为Bingham流体。

董玉婧等[14]对给水厂浓缩污泥的流变行为进行研究，发现污泥表现出触变性，并且黏度随剪切速率的增加逐渐变小，表现出假塑性流体的剪切变稀性质。

张晓斌等[15]利用平行板旋转流变仪对污泥流变特性进行了试验研究，得出Carreau-Bird模型对污泥流变行为拟合处理比较好。张晓斌等还发现污泥在不同含水率下，随着剪切速率的增加，流体由假塑性流体向Bingham流体转化的规律。并且随着剪切速率的增加污泥黏度逐渐变小，表现出剪切变稀现象。

曹秀芹等[16]利用旋转黏度计测定了污水处理厂含水率分别为90%、93%和96%时污泥的流动曲线和黏度曲线，研究结果表明其流变特性可以用幂律模型来拟合。

(2)流变特性影响因素。

BAUDEZ J C等[17]研究发现随着温度的升高，热扰动开始起主导作用并引起黏度和屈服应力降低。

董玉婧等[14]研究表明，影响和改变污泥流变特性的重要因素为污泥浓度(固含量)。

张晓斌等[15]发现零剪切黏度随温度变化非常大，无穷大剪切黏度随含水率变化比较小。

曹秀芹等[16]分析了污泥含水率、温度对污泥流变特性的影响，得出污泥黏度随含水率的减小而增加，且剪切速率越小，这种增加趋势越明显。污泥黏度随温度升高呈现降低趋势，且这种趋势在低剪切速率时表现的比较明显，在高剪切速率时变化幅度很小。

(3)改善城市污泥流变特性研究。

呼庆等[18]研究高速搅拌时间及有机、无机分散剂对脱水污泥黏度的影响，得出以上3种制备得到的污泥黏度比处理前的同种情况下的污泥黏度低，其中加入有机、无机分散剂的混合物对污泥的表观黏度降低效果比采用高速机械搅拌更加明显。

周丕仁等[19]采用旋转黏度机研究污泥在恒定及变剪切速率条件下的表观黏度变化规律。周丕仁等还得出，向污泥中加入CaO试剂、加热及高温预处理都能使污泥的表观黏度明显下降。

戴财胜等[20]研究不同种类添加剂对城市污泥与焦混合物成浆性能和流变特性的影响。结果表明，在相同的制浆条件下，与NF(萘系添加剂)相比，DCSA(湖南科技大学自主研发的复合型水煤浆添加剂)不仅能够提高城市污泥与焦混合物的成浆性能，还能改善污泥焦浆的流变特性和稳定性能[21]。

污泥流变特性随各种因素变化而变化的规律非常复杂，国内外对污泥流变特性的相关研究和报道很多，但已有研究往往只是局限于使用控制变量法对污泥单质进行单个影响因素的分析，多种因素相互作用时对其流变特性改变敏感度的研究很少。在工程应用中，需要综合考虑多种因素的影响以获得最佳的污泥流变特性，提高设备效率，节约资源。

2.1.2厌氧消化污泥

我国是世界上最早利用沼气的国家之一[22]。我国的大中型沼气发酵工程也已经得到很好的发展，基本上具备了生产能源、减少污染和综合利用等多种功能，实现了能源、环境与经济3方面的综合效益[22-23]。

由于全国沼气用户多，沼气工程总量大，产生厌氧消化污泥也非常多。此外，沼气还含有大约5%的其他气体(如H2S、N2、H2、CO和NH3等)[24]。这导致沼气池及其周围的气味非常大，是清理沼气池内厌氧消化污泥的一大问题，也是很多农村用户不愿意建立沼气池的一个很大的原因。

使用真空输运系统对封闭沼气池内的厌氧消化污泥进行回收，既能避免H2S等有臭味的气体逸出，影响周围的环境，又能减少清理沼气池时的麻烦。为了使真空输运系统达到最高的工作效率，需对厌氧污泥的流变特性及其影响因素进行研究。很多学者已对厌氧消化污泥流变参数的变化规律进行了相关研究。

(1)流变特性拟合模型。

MONTEIRO P S[25]研究厌氧消化污泥的流变特性，发现发酵原料的发酵程度是影响其流变特性的重要因素，并用Herschel-Bulkley模型拟合了厌氧消化污泥的流变行为。

BAUDEZ J C等[26]研究低浓度(TS<5%)厌氧消化污泥在不同剪切率下的流变特性，发现中、低剪切率下，其流变行为更适合用Herschel-Bulkle和Power-Law模型拟合，而在高剪切率下，流变行为更适合用Bingham模型拟合。

FORSTER C F[27]通过试验发现了活性污泥和消化污泥颗粒的表面组成与其流变行为之间的关系，并确定了悬浮液的屈服应力与絮体颗粒表面所带的电荷和污泥含水量之间的数学表达关系式。

王彦祥等[28]以半连续式和序批式餐厨垃圾中温厌氧消化产生的污泥为研究对象，得出中温厌氧消化产生的污泥具有剪切变稀的特点，通过剪切应力的上升曲线和下降曲线得出厌氧消化污泥为时间相关性流体，通过动力黏度与时间的曲线进一步说明了污泥为触变性流体。

(2)流变特性影响因素。

研究者一致认为温度升高会导致污泥黏度降低[13，29-30]。然而，当温度的变化范围接近室温甚至更低的时候，温度对污泥的影响并不显著[31]。

BAUDEZ J C等[17]通过测定厌氧消化污泥在加热升温及降温冷却过程中的动力黏度变化规律，发现温度的升高会对污泥流变性产生不可逆的影响。导致同一种温度在升温和降温过程中的动力黏度大小不一样。这可能归因于厌氧消化污泥受较高温度的影响，组分中有些固体成分转化成不溶于水的物质，造成污泥组分及原有的结构发生不可逆的改变。

丁仕强[32]对TS为17.0%～21.4%的厌氧消化污泥进行研究，得出厌氧消化污泥的动力黏度随固含率提高而增大，并认为污泥动力黏度增大的主要原因是由于含固率提高导致污泥颗粒数目增多。

BATTISTONI P[33]研究发现，在同种固含率下平均颗粒直径较小的污泥，其动力黏度相对较大。

王彦祥等[28]还得出餐厨垃圾中温厌氧消化产生的污泥的流动性随温度升高而变强，随温度降低而变弱，且温度升高会对污泥流变性能造成不可逆的影响，这就表明在升温过程中得到的流变曲线与降温过程的流变曲线不重合。同一剪切速率下，污泥的动力黏度随固含量的升高而变大。

目前国内外对厌氧消化污泥流变特性相关的研究不是很多，大多都停留在厌氧消化污泥流变特性影响因素的研究上。对其时间触变性的研究甚少，为了使其厌氧消化污泥能够进一步应用到工程应用，时间触变性的影响尤为重要。

2.2禽畜粪便和废弃物

我国作为畜牧大国，每年产生大量的禽畜废弃物，据保守统计，2020年开始我国禽畜养殖每年将产生41亿t禽畜粪便[34-35]。我国最主要的禽畜粪便和废弃物处理方式是还田，这种方法虽然使土壤的有机物含量提高，但在一定程度上造成了资源的浪费。

畜牧业生产所产生的污水和禽畜粪便中含有大量有机质，经微生物发酵后，会产生清洁能源沼气，而沼渣经过除臭、生物肥菌种发酵、养分浓缩和无害化处理之后，加工制作成有机肥施用于农田，其肥力相当于同质量畜禽粪便的3倍。若将禽畜养殖废弃物进行收集，集中处理，建造大型沼气站，则可产生足够的沼气进行发电，可在一定程度上缓解全球能源危机。

由于畜禽粪便的流变特性和表观黏度对其在管道运输、混合及厌氧发酵过程中有重要影响，因此对其流变特性和表观黏度的研究具有重要意义，国内外关于禽畜粪便和废弃物发酵原料流变特性研究有很多。

2.2.1流变特性拟合模型

LANDRY H等[36]拟合了猪粪在特定剪切速率条件下表观黏度与固含率之间的函数表达式。

刘刈等[37]研究6种厌氧消化原料的流变行为，得出牛粪、羊粪、鸡粪、兔粪、鸭粪和猪粪等制作的厌氧消化原料均有假塑性流体的流体特性，且流变行为符合Power-Law模型。

2.2.2禽畜粪便和废弃物流变特性影响因素

EL-MASHAD H M等[38]研究温度对奶牛粪便流变特性的影响，得出温度对其黏度的影响可使用阿仑尼乌斯方程模型拟合。

刘刈等[37]研究6种厌氧消化原料的原料浓度、温度等因素对流变特性的影响，得出随浓度增加6种原料黏度均逐渐升高，流变指数逐渐降低，流动性能逐渐减弱。随着温度的升高，鸭粪、牛粪和鸡粪的黏度逐渐降低，流变指数逐渐升高，流动性能逐渐增强；猪粪、羊粪和兔粪的黏度先降低后升高，流变指数先升高后降低，流动性能先增强后减弱。

石惠娴等[39]采用旋转黏度计测定不同固含率、温度条件下新鲜猪粪的流变曲线，并对固含率、温度对猪粪流变特性的影响进行分析。结果表明，表观黏度随固含率的增大呈现增大趋势，但温度对其影响不大；表观黏度与剪切速率曲线也存在一个临界D值，并提出搅拌死区的概念。

朱坤展等[40]利用旋转黏度计测定不同固含率、温度和不同剪切速率条件下的牛粪发酵原料的表观黏度，研究表明，其表观黏度随温度升高、剪切速率的增加和固含量的减小而呈递减趋势。

目前国内外采用畜禽养殖粪便作为厌氧消化原料的沼气工程日益增多，采用的发酵原料种类也呈现多元化趋势，然而，这些原料流变特性参数仍然缺乏，大多数相关研究停留在1970—2004年，研究老旧和缺乏制约了如今厌氧消化单元的优化设计，一定程度上减缓了厌氧消化制备沼气产业的发展速度。

2.3生物质复合材料

生物质复合材料是以植物纤维(稻草纤维、秸秆纤维和蔗渣纤维等)、淀粉为主料，添加填料、发泡剂和脱模剂等辅料，通过热压成型工艺制备而成，具有原料来源广泛、制备工艺简单、成本低廉和全生命周期无污染等属性，属于绿色环保型材料[41-45]。

用天然植物纤维与来源于石油资源的高分子塑料，制备木塑复合材料已有多种产品实现了工业化生产[46]。随着国家对生态环境的重视，以及人们对能源危机和环境保护意识的逐渐加深，用植物纤维材料与来源于植物资源的可生物降解塑料，制备环境友好的生物质复合材料(bio-composites)的研究受到极大关注，并逐渐成为复合材料发展的必然趋势[47]。

流变特性是生物质复合材料制品工业化生产中必不可少的一个重要参数。在实际生产过程中，处理后的秸秆纤维、塑化淀粉及各类添加剂在搅拌的作用下形成一种黏稠的浆料，该浆料因饱含植物纤维而黏度较大，难以通过管道输送的方式进行物料运输，成为限制生产效率提高的一大瓶颈[48]。因此，研究生物质复合材料生产过程中浆料阶段挤出过程的流变特性及其影响因素，对生物质复合材料实现大规模产业化具有积极的推动作用。

2.3.1木塑复合材料(WPC)

木塑复合材料(Wood-Plastic Composites，WPC)是将木粉和塑料按一定比例混合，制备成耐腐蚀、耐酸碱、力学性能优异和热学性能相对稳定的一种复合材料[49]。

对于WPC熔体而言，木质纤维材料与木质纤维材料之间、木质纤维材料与聚合物基体之间的相互作用增强，表现出“类固体”的复杂流体行为，这与传统的纯聚合物或低填充聚合物的流变行为显著不同，流变行为更加复杂[50]。为了提高生产效率并推进产业化，国内外很多学者对WPC熔体的流变特性进行了很多研究。

(1)流变特性拟合模型及其影响因素。

几乎所有的研究结果均表明，WPC的黏度随木质纤维含量的增加而增加，熔体幂律指数降低，具有剪切黏度依赖于剪切速率的假塑性流体特征，而且高填充体系下的熔体对剪切速率的变化更加敏感[51]。

XIAO K等[52]采用旋转流变仪和毛细管流变仪对比研究了枫木HDPE复合材料的流变性能，结果发现随WPC中加入的木粉比例增加，熔体弹性呈下降趋势，并且该体系不服从Cox-Merz规则。

LI T Q等[53]也得出随WPC中加入的木粉比例增加，WPC体系不服从Cox-Merz规则，且这一规则对于纯聚合物具有一定的适用性。

HRISTOV V等[54]研究表明，制备WPC熔体所用木粉颗粒的平均粒径对WPC熔体黏度的影响与木粉含量(木粉浓度)和剪切速率有关。在低剪切速率下，同一固含率的WPC熔体，木粉颗粒平均粒径较小的表现出更高的黏度；当木粉含量高于30%时，在高剪切速率条件下，木粉颗粒平均粒径对WPC熔体流动性能的影响几乎可以忽略。

(2)改善WPC熔体流变特性研究。

LI T Q等[53]采用毛细管流变仪研究了使用松木粉和枫木粉所制备的WPC熔体流变特性随木粉含量的增加而变化的规律，发现含有的枫木WPC熔体的表观黏度随木粉含量增加的敏感度比含有松木的WPC熔体表观黏度随木粉含量增加的敏感度强，这可能是由于松木被挤压碾碎后导致其中脂肪酸化合物被挤出起到润滑剂的作用，使其表观黏度随木粉含量的增加而变化的趋势变得缓慢。

ADHIKARY K B等[55]研究表明，润滑剂的添加会使体系表观黏度呈降低趋势。

GAO Hua等[56]利用动态测试方法研究了WPC熔体的流变性能，研究发现在低应变区域(<0.1%)储能模量与应变无关，所有复合材料都变现出剪切变稀行为，经过马来酸酐改性的复合材料的储能模量和黏度与未改性的相比有明显下降趋势。

王霞等[57]利用旋转流变仪研究了偶联剂、润滑剂对木粉聚丙烯(WFPP)复合体系动态流变特性的影响，得出马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)偶联剂的添加能够改善木粉和聚丙烯之间的界面结合，使得熔体的黏度升高。硬脂酸的添加，可大幅度降低由木粉含量增加所引起的熔体黏度急剧升高现象。

对于高填充的WPC体系，流变行为受塑化剂种类、木粉比例、木粉颗粒大小和加工工艺等多种因素的影响，目前尚没有形成系统和完整的流变学理论，阻碍了这一新型产业的大规模产业化。因此，随着对WPC体系研究的不断发展和深入，建立更加系统和完整的流变学理论十分重要。

2.3.2热塑性淀粉复合材料(TPS)

天然淀粉(玉米、小麦和马铃薯等)是地球上产量仅次于纤维素的天然高分子，来源丰富、可再生、价格低廉且可降解，通过改性塑化可用于生产淀粉基塑料，可以替代源于石油产品的传统塑料，解决石油原料日益枯竭的资源问题和塑料废弃物污染的环境问题[58]。

天然淀粉是一种强极性的结晶性物质，不具备热塑性。必须使其分子结构无序化，即破坏其结晶结构，进行塑化才能转变成TPS，从而获得一定的加工性能[59]。流变加工性能是淀粉基复合材料在应用和生产中首要考虑的性能，国内有关热塑性淀粉的流变特性及其影响因素研究很多。

(1)TPS熔体流变特性拟合模型。

WILLETT J L等[60]在研究TPS熔体流变特性时发现，TPS熔体的流变热性符合Power-Law(Power Law)模型，且其黏度随温度和含水量的升高而降低。

AICHHOLZER W等[61]研究TPS熔体的流变行为得出，TPS挤出过程的流动行为表现出假塑性流体的特征，不管哪一种TPS，在含有其他小分子添加剂或大量甘油的条件下均表现出粘壁流动行为。

谢新春等[62]研究得出，TPS和TPS生物降解共聚酯共混物在熔融状态下都表现出典型的假塑性流体流动特征。

(2)流变特性影响因素及改善方法。

谢新春等[62]同时还研究了增塑剂用量、共聚酯用量对TPS及TPS生物降解共聚酯共混物在熔融状态下流变行为的影响。得出甘油对淀粉具有较好的增塑效果，通过改变甘油含量，能获得流变性能较好的TPS。在低共聚酯用量的情况下，TPS分子链在共混搅拌过程中受到剪切作用发生断裂，导致共混物熔体表观黏度降低。

王礼建等[63]利用甘油对淀粉进行塑化改性以制备TPS，然后通过二次挤出将TPS与聚丙烯(PP)共混，并研究了增容剂MA-g-PP含量对TPSPP混合物性能的影响。研究得出，增容剂的添加可有效提高TPS和PP分子之间的结合力，使亲水性淀粉分子与非极性PP高分子的相容性得到提高，改善TPSPP混合物的力学性能和加工性能，从而影响其流变性能。

马骁飞等[64]研究得出，在TPS的加工范围内，用甘油作为塑化剂制备的甘油塑化淀粉(GPTPS)的剪切应力对温度变化的敏感度比用甲酰胺作为塑化剂制备的甲酰胺甘油塑化淀粉强。

2.4餐厨垃圾

餐厨垃圾是指人们日常饮食起居过程中产生的食物废料和食物残余，是城市生活垃圾中重要组成部分。与其他垃圾相比，餐厨垃圾具有含水量、有机物含率和油脂含量高及营养元素丰富等特点，具有很大的回收利用价值。餐厨垃圾含水率高，与垃圾混合焚烧，就提高了普通垃圾的含水率，不仅降低了垃圾原有的热值而且会产生剧毒二噁英(Dioxin)，对周围生态环境造成严重危害，给垃圾的的焚烧处理技术的应用带来很大困难。有机物含量高，在高温条件下，尤其是夏天，很容易滋生细菌、腐烂变质和产生恶臭，影响周边环境和周围居民的健康，因此餐厨垃圾需要通过合理的方法进行处置。

如果将餐厨垃圾在源头上分离，进行单独收集与处理利用，不但可以实现城市垃圾减量化，减少中转和运输费用，同时还可以实现餐厨垃圾的资源化利用[65]。目前国内餐厨垃圾资源化技术主要有饲料化、肥料化处理技术、生物厌氧发酵处理技术和生物柴油技术，而厌氧发酵技术具有资源化程度高、环境友好和厌氧污泥可利用等优点，是目前较认可的处理方法[65-66]。

针对餐厨垃圾的特点，采用厨房用食物垃圾破碎机对餐厨垃圾进行粉碎预处理，以真空管道输送代替传统的水力输送，在尽量少加水或不加水的情况下完成厨余垃圾的破碎及输送。对于新建小区或者居住紧凑型的农村，考虑将厨房下水道设置成餐厨垃圾通道和生活废水通道，将餐厨垃圾破碎后直接从餐厨垃圾源头与生活垃圾和生活废水进行分离，从而使用独立的管道系统将餐厨垃圾排入或者转运至集中处理设施中。真空管道式系统真正实现了将餐厨垃圾从源头分类收集，并通过封闭式真空管道进行运输，不仅减少了人力成本而且彻底消除了餐厨垃圾转运过程中的臭味、渗滤液遗洒等问题[67]。

真空物料输送最大缺点是其能量损失较大，对输送物料的压力要求较高。餐厨垃圾浆体的黏度随着其浓度的提高迅速提高，会导致真空输送过程中的能量损失迅速提高；当浓度较低时，浆体泵送性能显著提高，能量损失减少，但稳定性变差，导致厌氧发酵的转换率和产气量下降。黏度的大小直接影响关键设备的选型和工艺参数的确定，所以对餐厨垃圾的流变特性及其影响因素的研究非常有必要。

靳红燕[68]以北京市海淀区4个大型餐厅的餐厨垃圾为研究对象，对餐厨垃圾浆体的黏度进行了测定，并对测试结果和影响因素进行分析。研究表明，餐厨垃圾浆体的黏度随着固含量的降低而降低，尤其从18%降到16%时，黏度下降的最快。由于餐厨垃圾浆体的黏度对浓度的敏感度高于对温度的敏感度，温度对餐厨垃圾浆体黏度的变化影响不是很明显，因此基本上餐厨垃圾浆体的浓度即固含量决定了浆体的黏度。

目前，国内外针对餐厨垃圾流变特性研究很少，餐厨垃圾浆体管道输送缺乏很好的理论依据，导致餐厨垃圾回收及利用率不高而造成资源的浪费。因此研究餐厨垃圾浆体的流变特性对提高餐厨垃圾的回收率和实现餐厨垃圾资源化利用有积极推进作用。