豬糞流變特性及基于黏度曲線的反應器死區研究

尹偉齊， 曹秀芹， 張達飛

(北京建筑大學 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室， 北京 100044)

豬糞流變特性及基于黏度曲線的反應器死區研究

尹偉齊， 曹秀芹， 張達飛

(北京建筑大學 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室， 北京 100044)

文章采用旋轉黏度計對不同含固率、不同溫度下的豬糞做了流變測試實驗，并重點研究含固率、溫度、剪切速率對豬糞流變特性的影響。結果顯示：豬糞剪切應力隨剪切速率的增大而增大，黏度則隨剪切速率增大而減小，呈現出假塑性流體特征的剪切稀化現象, 表明豬糞是一種非牛頓流體，但含固率越小，越接近牛頓流體。豬糞黏度隨含固率的增大表現出“仰頭增”趨勢，隨溫度升高逐漸升高，且低剪切速率下溫度對其影響較大。黏度隨含固率的“仰頭增”趨勢存在一個臨界含固率8.66%，根據黏度曲線變化規律，該值可近似作為非牛頓流體與牛頓流體的臨界值，為反應器內流場可視化物料物性是否能夠簡化為牛頓流體提供理論支撐。從剪切速率角度定義死區，得出和死區相對應的剪切速率效應臨界點。

豬糞； 流變特性； “仰頭增”臨界點； 死區； 剪切速率效應臨界點

近年來，我國養豬業迅速發展，逐漸形成規?；?、集約化的生產模式。2014年我國生豬的生產總量達到120093.1萬頭，其中肉豬出欄占61.21%，且每年以2.7%左右的速 度增加[1]。與之伴隨的環境問題日漸突出，產生的豬糞豬尿中含有大量有機物，N，P和致病性微生物，已引起不容忽視的環境問題[2]。如何對豬糞高效合理的處理處置，已是目前急需解決的問題。厭氧消化技術是豬糞處理處置的重要措施[3]，被認為是實現豬糞無害化和資源化的方法之一[4]。

流變特性在厭氧消化反應器內的傳質傳熱中有重要作用，同時它也是反應器設計和優化的一項重要數據指標，是研究物料在反應器內流動行為的基礎。目前國內外專家學者對豬糞流變特性的深入研究還很少。石惠嫻[5]等人對表觀黏度與含固率、剪切速率的關系進行多元非線性回歸分析，建立表觀黏度模型，這為豬糞的工藝設計和優化提供物性參數。Landry[6]等人研究得出了特定剪切速率下表觀黏度與含固率的函數關系,為后期相關研究提供參考。

為防止厭氧發酵過程中出現明顯分層和物料干化結殼，攪拌是厭氧消化常用的一種技術手段，在厭氧消化過程中發揮著重要作用[7]。死區是評價攪拌混合效果的重要指標，但目前并沒有一個嚴謹全面的界定，如舒安慶[8]等人在直斜錯位槳攪拌槽內流場的探究中將速度小于等于0.02 m·s-1的區域稱為死區，范蘢[9]和Wu[10]等人在厭氧消化反應器的數值模擬中將速度小于0.001 m·s-1的區域定義為死區，王令閃[11]等人在高黏體系中最大葉片式攪拌槳直徑的CFD優化中將速度小于0.01 v(葉段速率)的區域定義為攪拌死區，可見對死區的概念還沒有統一的科學定義。

通過研究新鮮豬糞的流變特性及其影響因素，能為后期研究豬糞在反應器內的流動特征提供基礎參數，同時從剪切速率角度對豬糞中溫厭氧消化的死區進行了討論和研究，進一步對處理處置豬糞厭氧消化反應器的設計、優化和工程放大提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

新鮮豬糞取自北京某一豬場養殖基地，糞便取回后置于冰箱中保鮮冷藏。新鮮豬糞基本理化性質的測定，參考《水和廢水監測分析方法》(第四版)，測得新鮮豬糞的含固率為24.92%，密度為1.00 g·cm-3，VS為78%，氨氮為1571.00 mg·L-1。由離心機分離出豬糞上清液，平行測定并進行均質化處理：以15 rad·s-1的速度旋轉攪拌器使其混合均勻，靜置30 min，配制出其他含固率為24.01%，20.02%，17.45%，16.34%，14.67%，13.04%，11.87%，10.62%，9.74%，8.66%，7.29%，6.13%，4.98%，2.54%，1.54%，0.66%的原料樣品。

1.2 實驗主要儀器與裝置

離心機采用HC-3518型高速離心機，干燥箱為101-3AB型電熱鼓風干燥箱。豬糞的流變測量采用圖1所示的HAAKE Viscotester-550型旋轉黏度計進行實驗，傳感系統采用規范型號MV-DIN型。

HAAKE Viscotester-550型旋轉黏度計的指標參數如表1所示。

1.轉筒； 2.轉子; 3.物料圖1 HAAKE Viscotester-550型旋轉黏度計簡易裝置示意圖

RaRiLmmmmmmRa/Ri轉筒體積溫度范圍cm3℃21．0019．3658．081．0860．00-30～100

1.3 實驗方法

黏度計剪切速率設置為0～600 s-1，測試溫度設置為35℃±0.1℃。取適量某一含固率的新鮮豬糞樣品，倒入轉筒中并在黏度度計上安裝到好轉子，待溫度達到預先設定的溫度35℃±0.1℃并穩定后開始測定，等讀數穩定后，記錄本次測試數據，多次測量取平均值。測定結束后，卸下轉筒和轉子，清洗并擦拭干凈，其他含固率和溫度下豬糞的流變實驗遵照相同的方法和步驟進行測定，并記錄好實驗數據。

2 結果與分析

2.1 豬糞的流變特性

溫度為35℃時對不同含固率下的原料進行了流變實驗，得出剪切應力隨剪切速率的變化關系曲線。分析圖2和圖3得出：原料的剪切應力-剪切速率曲線存在非線性正相關關系，且隨著剪切速率增大，剪切應力隨之增大但趨勢減緩。圖4和圖5中的黏度-剪切速率曲線表明，不同含固率下原料黏度隨剪切速率增加在減小，表現出剪切稀化現象，具有明顯假塑性流體特征。含固率越高，豬糞的假塑性特征越強。

圖2 不同含固率下(TS 0.66%～4.98%)原料剪切應力隨剪切速率的變化

圖3 不同含固率下(TS 6.13%～24.92%)原料剪切應力隨剪切速率的變化

2.2 豬糞流變特性的影響因素分析

豬糞的流變特性受到諸多因素的影響，如豬糞中固體顆粒大小，有機物含量，組成成分，溫度，pH值，含固率，剪切速率等，結合實際工程中豬糞中溫厭氧消化的運行特點，重點研究含固率、溫度和剪切速率對豬糞流變特性的影響。

2.2.1 剪切速率對流變特性的影響

35℃時測試了不同含固率原料黏度隨剪切速率的變化，得到剪切速率對豬糞黏度的影響曲線。分析圖4和圖5得出：低含固率下豬糞黏度普遍較低，極限黏度在0.01 Pa·s左右，高含固率下豬糞黏度較高，且高于低含固率下豬糞黏度，極限黏度在0.1 Pa·s左右。豬糞黏度隨剪切速率的增大而降低，表現出剪切稀化特征。在剪切速率0～150 s-1范圍內，黏度驟降，150～600 s-1范圍內，黏度下降緩慢，后逐漸趨于某一黏度值，即極限黏度，說明低剪切速率對豬糞黏度有較大影響，含固率越高，這種影響越顯著，豬糞表現出的假塑性特征越強。

圖4 黏度隨剪切速率的變化(TS 0.66%～4.98%)

圖5 黏度隨剪切速率的變化(TS 6.13%～24.92%)

2.2.2 溫度對流變特性的影響

通過測試8種剪切速率下含固率為24.92%的豬糞黏度在溫度15℃～60℃范圍內的變化趨勢，分析圖6得出：8種剪切速率下，豬糞黏度均隨溫度升高而升高，其中低剪切速率5.54～87.35 s-1范圍內這種趨勢較為明顯，說明低剪切速率下溫度對豬糞黏度的影響更大。同一溫度下，豬糞黏度均隨剪切速率增大而減小，表現出剪切稀化現象，進一步驗證了豬糞的非牛頓流體特征。溫度15℃～45℃范圍內，豬糞黏度隨溫度幾乎沒有明顯變化，說明對豬糞的流變特性影響不大。溫度高于55℃時，豬糞黏度隨溫度增加表現出迅速增加趨勢。

圖6 新鮮豬糞黏度隨溫度的變化

實際厭氧消化工程中，反應器內所允許的溫度波動范圍為±1.5℃～2.0℃，加上內部攪拌及傳熱過程，反應器內上下層的溫差并不明顯，因此認為在較小溫度范圍內，溫度對豬糞的流變特性幾乎不產生影響。

進一步查閱文獻發現，豬糞黏度隨溫度的變化規律和其他畜禽糞便如牛糞不一致。朱坤展[12]等人在研究牛糞表觀黏度與溫度的關系中，采用的是一次線性函數模型，劉刈[13]等人在特定剪切速率下用阿倫尼烏斯(Arrhenius model)模型描述了溫度對牛糞流變特性的影響。可以看出，目前溫度對流變特性影響的作用機理研究尚不明確，今后仍需加強研究。

2.2.3 含固率對流變特性的影響

厭氧消化反應器內物料的含固率沒有統一要求，且在中溫厭氧消化過程中，反應器內往往會出現上浮、結殼、沉淀而出現分層現象，因此考察含固率對流變特性的影響，顯得格外重要。圖7為溫度35℃下，測試了7種剪切速率下含固率對原料黏度的影響。

圖7 黏度隨含固率的變化

分析圖7得出：某一剪切速率下，豬糞黏度會隨含固率的增大而增大，這是由于含固率越高，影響豬糞流動阻力的分子間作用越強造成的。同一含固率下，豬糞黏度隨剪切速率的增大而減小，表明豬糞具有剪切稀化性質。在含固率0%～8.66%范圍內，豬糞黏度相對較低且隨含固率的變化較為緩慢，含固率8.66%～15.67%范圍內，黏度隨含固率迅速增大，增大趨勢快于15.67%～24.81%的含固率范圍。剪切速率越小，豬糞黏度的這種變化趨勢越明顯。豬糞黏度隨含固率的增大表現出“仰頭增”現象，且這種變化趨勢的臨界含固率點約為8.66%。含固率低于8.66%時，可以把新鮮豬糞近似為牛頓流體，這為消化反應器內的流場可視化技術CFD的數值模擬中把低含固率的物性參數設置為牛頓流體提供了理論基礎。

3 攪拌死區

在厭氧消化實際工程中，反應器內往往會出現物料的堆積、結殼等不良現象，就會影響到厭氧消化的正常進行。若不采用一些技術措施如攪拌等，厭氧消化過程中物料在反應器內會形成大范圍死區，因此攪拌技術對厭氧消化非常重要。豬糞是一種非牛頓流體，研究豬糞黏度隨剪切速率的變化關系，發現黏度曲線存在一個剪切速率臨界點γ0。當γ≤γ0時，豬糞黏度隨剪切速率驟然下降，γ>γ0時，其黏度隨剪切速率變化緩慢。因此，攪拌死區的定義從剪切速率角度來考慮，并作進一步研究。

3.1 剪切速率效應臨界點

考慮到豬糞流變特性中流變參數n是小于1的，黏度-剪切速率曲線不存在數學意義上的拐點，因此臨界點的確定從剪切速率角度來解決實際問題。某一含固率下豬糞黏度-剪切速率曲線如圖7，圖8中所示。設黏度與剪切速率的函數關系為：

μ=f(γ)

(1)

式中：μ為豬糞黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

實驗測得豬糞黏度隨剪切速率的數據，其分布是離散的點，由實驗數據知，μ∈[μmin,μmax]，γ∈[γmin,γmax]。結合離散數學相關知識，對黏度μ∈[μmin,μmax]進行分割等分成n份，即是μ1,μ2,...μn(n=1,2,…,n)，與之對應的剪切速率為γ1,γ2,...γn(n=1,2,…,n)，如圖7中所示。當γ滿足：

(2)

則此時的γ就是剪切速率效應臨界點γ0。

另一種方法則是按照豬糞極限黏度的倍數來計算剪切速率效應臨界點，如圖9中所示。μmin為豬糞黏度的極限黏度值，m·μ為μmin的m倍。當豬糞黏度-剪切速率曲線首次落入直線μmin和m·μ范圍內時，此時的剪切速率即被認為是剪切速率效應臨界點γ0。

3.2 效應臨界點的計算

Sisko模型可以用來描述μ0到μ∞全部范圍的流變行為，它是1個三參數模型。剪切速率非常低時，存在1個幾乎不隨剪切速率變化的黏度μ0，被稱為“零剪切黏度”；剪切速率非常高時，黏度接近于一個常數μ∞，被稱為“極限黏度”；在μ0和μ∞區域范圍內，黏度隨剪切速率增加而減小[14-15]。

圖8 剪切速率效應臨界點示意圖一

圖9 剪切速率效應臨界點示意圖二

實驗室的流變儀器測試很難給出2～3個數量級以上的剪切速率范圍內都有效的黏度數據，μ0很難在極低剪切速率下獲得，μ∞能夠較容易的測得，導致流體并未呈現出μ0到μ∞全范圍內的行為[15,16]。因此用Sisko模型來描述黏度隨剪切速率降低區域和達到極限黏度μ∞區域內的流變行為。

Sisko模型的表達式為：

μ=μ∞+k×γn-1

(3)

3.2.1 分割法

以含固率24.92%的新鮮豬糞來說明計算，其他含固率參照相同方法。結合豬糞黏度隨剪切速率變化的實驗曲線，對Sisko模型方程擬合，得出豬糞黏度-剪切應力方程為：

μ=0.0046+9.21×γ-0.6949

(4)

對黏度進行n=10等分，計算求得第10個點的坐標(160.90，0.2744)，第9個點的坐標(59.35，0.5441)，第8個點的坐標(33.11，0.8139)。則：

(5)

(6)

按照γ應滿足的準則，則剪切速率效應臨界點γ0=160.90 s-1。

3.2.2 極限黏度倍率法

以含固率24.92%的新鮮豬糞來說明計算，其他含固率參照相同方法。結合豬糞黏度隨剪切速率變化的實驗曲線，取m值為2.5，即定義豬糞效應臨界點此處的2.5μmin。Sisko模型表達式與直線2.5μmin相交，求得的γ即是則剪切速率效應臨界點γ0=165.76s-1。

3.3 效應臨界點的校驗

實際工程中攪拌死區剪切速率臨界點的確定，還需結合物料的含固率、有機物含量、固體顆粒大小等方面考慮。因此，在對效應臨界點的確定中，應對分割法和極限黏度倍率法作出相應調整。分割法中γ可調整為：

(7)

極限黏度倍率法中m值的選擇也可做相應的調整。

4 結論

采用旋轉黏度計對含固率0.66%～24.92%范圍內的新鮮豬糞進行流變實驗，并測試了15℃～60℃溫度范圍內新鮮豬糞的流變特性。最后就豬糞厭氧消化反應器內的攪拌死區從剪切速率角度進行了研究。得出以下結論：

(1) 35℃時，新鮮豬糞的剪切應力隨剪切速率的增大而增加，黏度隨剪切速率的增大而減小，呈現出假塑性流體的剪切稀化現象。豬糞是一種非牛頓流體，含固率越小，越表現出牛頓流體特征。

(2) 豬糞黏度隨含固率的增大表現出“仰頭增”趨勢，且這個趨勢存在一個臨界含固率8.66%，低于含固率8.66%時，黏度隨含固率增加得很緩慢，且黏度值也較小；高于此含固率時，黏度迅速增加。含固體率臨界點8.66%，可以把非牛頓流體近似為牛頓流體的標準。豬糞黏度隨溫度升高逐漸升高，剪切速率在5.54～87.35 s-1范圍內這種趨勢較為明顯，說明低剪切速率下溫度對豬糞黏度的影響更大。15℃～45℃范圍內，豬糞黏度隨溫度幾乎沒有明顯變化，說明對豬糞的流變特性影響不大。溫度高于55℃時，豬糞黏度隨溫度增加表現出迅速增加趨勢。

(3)結合豬糞黏度曲線，分別從分割法和極限黏度倍率法兩種方法進行說明死區問題。均以24.92%的含固率來計算說明，分割法得出的臨界點γ0=160.90 s-1，極限黏度倍率法求得γ0=165.76 s-1。結合流變實驗測量數據研究，豬糞效應臨界點與物料的含固率、有機物含量、固體顆粒大小有關系，實際中的計算需要做相應調整。

[1] 國家統計局.中國統計年鑒[M]. 北京：中國統計出版社，2015.

[2] 張路寒，韓 冶.淺談畜禽糞便污染的危害與處理[J].中國畜禽種業，2010，6(6)：40-41.

[3] 陳 欣，涂德浴，隋倩雯，等. 固體濃度對豬糞厭氧消化甲烷產出特性的影響[J]. 中國農業氣象， 2014， 35(2)：149-155.

[4] Jiang Xinyuan, Sommer S G, Christensen K V. A review of the biogas industry in China[J]. Energy Policy, 2011, 39(10):6073-6081.

[5] 石惠嫻, 呂 濤, 朱洪光,等. 豬糞流變特性與表觀粘度模型研究[J]. 農業機械學報，2014，45(2)：188-193.

[6] Landry H, Lague C, Roberge M. Physical and rheological properties of manure products[J]. Applied Engineering in Agriculture,2004,20(3):277-288.

[7] 楊 浩，鄧良偉，劉 刈，等. 攪拌對厭氧消化產沼氣的影響綜述[J].中國沼氣，2010，28(4)：3-9.

[8] 舒安慶，王 敏，魏化中，等. 直斜錯位槳攪拌槽內流場的探究[J]. 武漢工程大學學報，2015，37(1)：44-48.

[9] 范 蘢，施漢昌，徐 農，等. 污水處理反應器的計算流體力學[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2012.

[10] Wu B, Chen S. CFD simulation of non-Newtonian fluid flow in anaerobic digesters [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 99(3):700-711.

[11] 王令閃，蘇紅軍，徐世艾. 高黏體系中最大葉片式攪拌槳直徑的CFD優化[J].化學工程，2011，39(7)：9-12.

[12] 朱坤展，劉建禹，趙 欣，等. 牛糞發酵原料流變特性與表觀粘度研究[J]. 農機化研究，2016(12) .

[13] 劉 刈，鄧良偉，王智勇. 幾種厭氧消化原料的流變特性及其影響因素[J]. 農業工程學報，2009，25(8)：204-209.

[14] Chakraborty S, Kumar M, Suresh K, et al. Influence of organically modified Ni, Al layered double hydroxide (LDH) loading on the rheological properties of poly (methyl methacrylate) (PMMA)/LDH blend solution[J]. Powder Technology, 2014, 256(256):196-203.

[15] Briedis D, Moutrie M F, Balmer R T. A study of the shear viscosity of human whole saliva[J]. Rheologica Acta, 1980, 19(3):365-374.

[16] 劉德明. 魚類體表粘液流變行為的研究[D]. 杭州：浙江大學, 2011.

The Rheological Properties of Pig Manure and the Dead Zone of the Reactor Based on the Viscosity Curve /

YIN Wei-qi, CAO Xiu-qin, ZHANG Da-fei /

(Key Laboratory of Urban Storm water System and Water Environment, Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

Rheological experiments of pig manure with different solid contents and temperatures were carried out adopting a rotating viscosity meter. The emphasis was put on the effect of solid content, temperature, and shear rate on rheological properties of pig manure. Results displayed that shear stress of pig manure increased with the shear rate increasing, while the viscosity decreased with the shear rate increasing, which presented the shear thinning phenomenon of the characteristic of the pseudo plastic fluid, showing that pig manure was a kind of non-Newtonian fluid, but if solid content of pig manure was smaller, it would be closer to the Newtonian fluid. Pig manure viscosity showed an “upward increase” trend with solid content increasing, and it increased with temperature increasing. Temperature had a greater influence on pig manure viscosity when shear rate was low. The viscosity had a critical solid content rate of 8.66% during the viscosity increasing with the “upward increase” trend, which can be approximated as the critical value of non-Newtonian fluid and the Newtonian fluid according to the viscosity curve, and could also provide theoretical support whether the property of visual material in the reactor could be simplified as Newtonian fluid. The critical point of the shear rate effect could be obtained by defining dead zone with the shear rate.

pig manure; rheological property; “upward increase” critical point; dead zone; shear rate critical point

2016-06-01

2016-08-15

項目來源： 北京市教委(北京市自然科學基金)科技重點項目(KZ201310016017)

尹偉齊(1991-)，男，碩士，研究方向為市政工程，E-mail：1538188325@qq.com 通信作者： 曹秀芹，E-mail：caoxiuqin@bucea.edu.cn

X705; S216.4

A

1000-1166(2017)03-0027-06