蛆粪颗粒群物理参数与剪切强度的关系

徐莉 杨启志 张婧 杜广雨 黄冠龙

摘要：为了确定蛆粪颗粒群在EDEM软件中建模的物理参数，拟研究蛆粪颗粒群的形貌结构、不同大小等级主要形状颗粒的组成比重、不同含水率蛆粪颗粒群的密度和剪切强度。将蛆粪原料干燥后除杂，并分为3个部分，依次测定含水率，分析并计算各形貌结构和比重，通过喷洒的方式加水得到不同含水率的蛆粪颗粒群并计算密度，测量其剪切强度，最后分析、比较蛆粪颗粒群的垂直压力、含水率与剪切强度的关系。结果表明，蛆粪颗粒群可分为4个大小等级，多为球状、条状、片状、块状，各级颗粒群所占比重由小到大分别为1.3%、3.7%、43.0%、52.0%;用离散元仿真软件建立各级颗粒群主要形状结构的蛆粪颗粒模型;当含水率为30%、40%、50%、60%时，蛆粪颗粒群的平均密度分别为0.36、0.39、0.41、0.43 g/cm3;蛆粪的剪切强度与垂直压力成正比，与含水率成反比。

关键词：蛆粪颗粒群;剪切强度;形貌结构;比重;含水率;密度;仿真模型

中图分类号： S23 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-0248-03

近年来，为了满足人们日益增长的对肉食类产品的需求，畜禽养殖行业得到了迅速发展，其中养猪行业已经成为我国最重要的行业之一。虽然畜禽养殖带来了可观的经济效益，但是也生产了大量畜禽粪便，并且畜禽粪便目前已经成为环境污染的主要污染源和危害人体健康的重要影响因素[1-5]。蝇蛆作为处理大量畜禽粪便的较为环保的有效生物，不仅缓解了畜禽粪便对环境的破坏，而且人们饲养的蝇蛆经过处理后可作为我国饲养行业的蛋白饲料，此外，蝇蛆吃过的畜禽粪便与蝇蛆粪便的混合物称为蛆粪，蛆粪作为农业肥料的效果比畜禽粪便好[6-11]。但是，农业物料的筛分一直以来都是农业生产的难题，由于缺少快速可控的蛆粪与蝇蛆的分离技术，利用蝇蛆养殖的方式处理畜禽粪便的措施并没有得到快速发展。笔者所在课题组已有的研究表明，利用并联振动筛筛分蛆粪与蝇蛆的技术能够实现蛆粪与蝇蛆的快速分离，为了确定合理的并联振动筛筛分参数，需要在EDEM软件中对蛆粪进行颗粒建模，对其筛分过程进行仿真分析[12-13]。

相关研究表明，蛆粪和蝇蛆在并联振动筛上进行筛分时，蛆粪同时受到筛框和蝇蛆作用力的影响，其颗粒位置容易发生变化，或者颗粒本身产生变形甚至破碎，因此需要测量蛆粪颗粒群的抗剪强度[14]。为了建立更加符合实际的EDEM仿真蛆粪颗粒模型，必须了解蛆粪颗粒的外貌结构和密度。但是，目前关于蛆粪颗粒相关参数的研究在國内外还未见报道。本研究拟采用电热恒温鼓风干燥箱烘干蛆粪颗粒群到一定程度，进行去杂处理，将部分去杂后的蛆粪颗粒群取出，放在干燥箱中继续烘干至恒质量，计算含水率;将部分去杂后的蛆粪颗粒群用圆孔筛进行大小等级筛分，通过电子天平计算分析各个等级蛆粪颗粒群占对应试样部分的百分比，并用CCD相机拍下各个等级蛆粪颗粒群的外貌形态，给出蛆粪颗粒群在EDEM软件中建模的实例;将最后一部分去杂后的蛆粪颗粒群分为4份，进行不同含水率的配制，并计算各个含水率蛆粪颗粒群的密度，测定剪切强度，通过试验数据分析蛆粪颗粒群的垂直压力、含水率与剪切强度的关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用材料为蛆粪颗粒，来源于郑州建国养殖厂饲养4 d的蝇蛆及其饲养物料混合物，该混合物中不仅含有猪粪和蝇蛆粪，还有少数秸秆、树枝、塑料袋等杂物。笔者所在课题组提出的蛆料分离多维振动筛筛分的对象是去除杂物后的蝇蛆和不同等级蛆粪的混合物，其中蛆粪是猪粪和蝇蛆粪的统称。

1.2 试验时间与地点

本试验于2017年11月20日至2018年1月6日在江苏大学土木工程中心实验室完成。

1.3 试验方法

先将蛆粪颗粒群在105 ℃烘干4 h，进行杂物清理后，从中取出1 kg试样，将孔径分别为0.25、0.50、1.00 mm的圆筛按照筛孔从小到大的顺序自下而上地摆放整齐，将蛆粪颗粒群试样倒入最上层土壤筛中，并通过顺时针或逆时针的方式筛动圆孔筛15 min左右，依次称取各级圆孔筛上的蛆粪颗粒群（粒径分别为0～0.25、0.25～0.50、0.50～1.00、≥100 mm）质量，并计算其百分比，最后用CCD相机观测各级圆孔筛上的蛆粪颗粒群，即可获得4种不同等级蛆粪颗粒群的形貌和比重。

用电热恒温鼓风干燥箱将30 g进行杂物清理后的蛆粪颗粒群小试样烘干至恒质量，将烘箱内的温度调节至105 ℃，根据计算公式得到蛆粪颗粒群小试样的含水率，通过喷洒方式得到4种蛆粪颗粒群试样的所需含水率。用容积为 59.962 cm3 的环刀取不同含水率的蛆粪颗粒群试样各3个，用精度为0.01 g的电子天平分别称取各个环刀和装有蛆粪颗粒群试样环刀的质量，计算得到不同含水率蛆粪颗粒群试样的密度。采用南京土壤仪器有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪（长、宽、高分别为93、55、115 cm）通过快剪的试验方法分别对其施加100、200、300、400 kPa的垂直应力，直至蛆粪试样被破坏，记录量力环读数并计算不同含水率的蛆粪在不同应力下的剪切应力。

2 结果与分析

2.1 形貌和比重分析

由图1可知，不同大小等级蛆粪颗粒群的主要颗粒形状并不相同，颗粒群等级越低，颗粒形状越简单。粒径为0～0.25 mm 的蛆粪颗粒多为条状;粒径为0.25～0.50 mm的蛆粪颗粒多为球状、片状;粒径为0.50～1.00 mm的蛆粪颗粒多为片状、复杂团状;粒径≥1.00 mm的蛆粪颗粒多为块状。不同大小等级蛆粪颗粒群的主要颗粒结构与EDEM模型如图2所示，第1种为条状颗粒及其模型，因条状颗粒的长度明显大于蛆粪颗粒的宽和高，因此这种类型的颗粒模型由5个球形线性组合而成;第2种为团状颗粒及其模型，这种类型的颗粒形状最简单，用单个球形代替即可;第3种为片状颗粒及其模型，用4个球形排列为平行四边形，作为其仿真颗粒模型;第4种为块状颗粒及其模型，用4个球形组合为六面体，代表其仿真颗粒模型。

进一步分析计算表明，蛆粪颗粒群的等级越高，占总体的比例越高。粒径为0～0.25 mm的蛆粪颗粒所占比重为 1.3%;粒径为0.25～0.50 mm的蛆粪颗粒所占比重为 3.7%;粒径为0.50～1.00 mm的蛆粪颗粒所占比重为 43.0%;粒径≥1.00 mm的蛆粪颗粒所占比重为52.0%。具体试验结果如表1所示。

2.2 含水率

含水率的计算公式：ω=m1/（m1+m2）×100%。式中：m1、m2分别为3组蛆粪颗粒群小试样中的水质量（g）、干蛆粪质量（g）。2组蛆粪颗粒群小试样的含水率见表2。

通过喷洒的方式得到4种蛆粪颗粒群各3组试样的含水率（表3），4种蛆粪颗粒群的含水率分别取30%（编号1～3）、40%（编号4～6）、50%（编号7～9）、60%（编号10～12）。

2.3 密度

密度的计算公式：λ=mV。式中：λ为蛆粪密度，g/cm3;m为蛆粪质量，g;V为环刀容积，m3。计算4种含水率蛆粪颗粒群各3组试样的密度。从表4可以看出，随着含水率的逐级提高，蛆粪颗粒群的密度呈现增大趋势。含水率为30%、40%、50%、60%的蛆粪颗粒群的密度分别取其平均值0.36、0.39、0.41、0.43 g/cm3。

2.4 剪切强度

剪切强度的计算公式：τ=cR。式中：τ为剪切强度，kPa;c为量力环校正系数，c=1.802;R为量力环读数，mm。计算不同含水率蛆粪颗粒群的剪切强度，结果如表5所示。分别以含水率、剪切强度为横、纵坐标，得到蛆粪颗粒群的剪切强度与垂直应力、含水率的关系曲线（图3）。由试验数据和图3可以看出，蛆粪的剪切强度随着垂直应力的增加而增大，随着含水率的提高而减小。

3 讨论与结论

近年来，我国养猪业迅速兴起，逐渐形成的规模集约化的生产模式带来了大量猪粪污染物，这些污染物未经处理便随意排放，加速了生态环境的恶化程度[1-5]。目前，针对畜禽粪便的处理方式主要以直接返田、制作肥料、制作燃气能源以及制作蝇蛆培养料为主，其中通过蝇蛆养殖处理畜禽粪便的途径具有诸多优势，但是蛆粪与成熟蝇蛆分离的研究仍是一个难点[6-11]。笔者所在课题组提出，利用三维并联振动筛能够实现蛆粪与成熟蝇蛆分离的快速性与可控性，但是试验物料参数皆为参考数据，为了展现实际物料的性能，必须进行参数的测量才能进行下一步研究[12]。

本研究结合使用CCD相机和电子天平得到不同等级蛆粪颗粒群的外貌形态，并且分析出不同等级蛆粪颗粒群的比重，利用喷洒的方式得到4种含水率的蛆糞颗粒群，通过计算得到不同含水率蛆粪颗粒群的密度，结论如下：蛆粪颗粒群分为4个大小等级，各级蛆粪颗粒形状复杂多样，但每个等级的蛆粪颗粒群的主要颗粒形状可以看成1或2种，且颗粒越大，形状越复杂，占总体的比重越高;蛆粪颗粒群的密度较小，受到含水率提高的影响而小幅度地增大，蛆粪为松软的颗粒状物质;蛆粪的剪切强度与垂直压力之间存在正比关系;蛆粪的剪切强度与含水率存在反比关系。

参考文献：

[1]秦翠兰，王磊元，刘 飞，等. 畜禽粪便生物质资源利用的现状与展望[J]. 农机化研究，2015（6）：234-238.

[2]蔡火炮，蔡伟强，谢 侃. 畜禽粪便污染的危害性及防治对策[J]. 福建畜牧兽医，2017，39（4）：35-36.

[3]王 森，焦瑞峰，马艳华，等. 我国畜禽粪便综合利用途径研究[J]. 河南科技学院学报（自然科学版），2017，45（1）：20-24.

[4]孙良媛，刘 涛，张 乐. 中国规模化畜禽养殖的现状及其对生态环境的影响[J]. 华南农业大学学报（社会科学版），2016，15（2）：23-30.

[5]吴娜伟，李 琳. 美国畜禽养殖污染防治管理对我国的启示[J]. 环境与可持续发展，2017，42（6）：40-42.

[6]徐 英. 利用蝇蛆处理畜禽粪便污染的生物技术[J]. 农家致富顾问，2016（6）：62.

[7]雷小文，苏 州，钟云平，等. 利用猪粪养殖蝇蛆及其应用[J]. 江西饲料，2013（5）：29-30，33.

[8]Ci[KG-*5]c[DD（-1*2][HT6]ˇ[DD）]ková H，Newton L，Lacy R C，et al. The use of fly larvae for organic waste treatment[J]. Waste Management，2015，35：68-80.

[9]张文娟，李胜振，马金桦，等.[HJ1.84mm]转化猪粪蝇蛆对肉鸡的饲养效果[J]. 湖北农业科学，2017，56（7）：1304-1306.

[10]Mutafela R N. High value organic waste treatment via black soldier fly bioconversion：onsite pilot study[D]. Stockholm：Royal Institute of Technology，2015：31-47.

[11]Charlton A J，Dickinson M，Wakefield M E，et al. Exploring the chemical safety of fly larvae as a source of protein for animal feed[J]. Journal of Insects as Food & Feed，2015，1（1）：7-16.

[12]汪志焕. 蝇蛆处理畜禽粪便中蛆料分离多维振动筛的设计[D]. 镇江：江苏大学，2016：56-74.

[13]Yoo H J. Organic waste processing apparatus using soldier fly larvae：KR2013/007920[P]. 2014-12-09.

[14]雷 洁，张国明，刘连友，等. 土壤抗剪强度测定与影响因素研究进展[J]. 北京师范大学学报（自然科学版），2016，52（4）：486-492.