鸡粪接种污泥联合厌氧发酵过程中的流变特性研究

牛耕芜，倪 哲

（1.内蒙古农业大学 材料科学与艺术设计学院，呼和浩特010018；2.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

鸡粪中含有大量有机物，处置不当会污染环境，其中含有的氮、磷、钾等营养元素，对其厌氧发酵是一种变废为宝的重要方法[1]。而物料的流变特性对厌氧消化单元中传质、传热、搅拌和物料输送等有重要意义[2-3]。因此，研究鸡粪的流变特性对于设计和开发新型高效的厌氧消化设备有重要意义。目前对于厌氧消化原料流变特性的研究，主要集中于污泥和少数几种禽畜粪便。污泥悬浊液，一般都属于低黏度(＜50000mP·s[4])非牛顿流体[6]。污泥的成分、结构[6-7]、絮体强度、粒径大小、表面电荷、温度[8-10]、微生物胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)的浓度[11-13]及污泥的调理[14-16]等都会对其流变特性产生影响。相对于污泥流变特性来说，禽畜粪便混合液流变特性的研究报道较少，主要集中在评价不同种类禽畜粪便的流变特性[17-20]、温度以及TS对于禽畜粪便流变特性的影响等方面。刘刈等[2]在TS为2%～14%范围内研究了6种禽畜粪便(猪粪、鸡粪、牛粪、鸭粪、兔粪和羊粪)的流变特性，认为6种禽畜粪便的混合液都为假塑性流体，处于低黏度范围内(＜50000mP·s)，符合幂率本构方程。随含固率增加，表观粘度上升，流变指数降低。其中鸡粪和兔粪的黏度变化不明显。温度对禽畜粪便流变特性的影响重大。可以用阿仑尼乌斯方程拟合温度与表观粘度之间的关系(R2＞0．95)。本研究以鸡粪和接种污泥为试验材料，特别研究了污泥接种对鸡粪流变特性的改变及在厌氧发酵过程中混合液的流变特性的变化，为鸡粪接种污泥发酵设计高效厌氧反应器系统以及搅拌器、泵等设备的开发和选择提供基础信息。

1 材料与方法

1.1 鸡粪和接种污泥的理化特性

鸡粪取自某蛋鸡养殖场，取样后迅速放置在-20℃的冷冻柜保存待用。接种污泥取自某生活污水处理厂脱水污泥，过1．25mm筛，筛除一些大体积的无机杂物。采用国标方法对鸡粪与接种污泥的性质进行测定。结果如表1。

1.2 表观粘度的测定

试验定义接种污泥与鸡粪的比值（g干污泥/g干鸡粪）为接种率。在混合液含固率为10%下，分别测量10%、30%、50%、70%和90%接种率下鸡粪的流变特性。试验量取一定质量的鸡粪，均匀混合，之后按照设计的接种率添加一定质量的接种污泥。最后加入自来水至设计的含固率。取上述混合液250mL于300mL长颈烧杯中，在室温条件下测量其粘度。试验平行测定3次，每次记录7次。以7次读数的平均值作为每次平行试验的最终结果。3次平行试验的平均值作为试验的最终结果。试验在室温下测得（25℃）。

探讨经污泥接种的鸡粪在不同含固率和温度下流变特性的变化规律的试验中，含固率为5%、7%、10%和12%，符合湿发酵到半干发酵的含固率范围（TS=5%～20%）。温度范围为25～65℃，基本满足厌氧发酵的温度要求，包含了中温到高温发酵 (37～65℃)。试验基于50%的污泥接种率，即接种污泥的干重比鸡粪的干重等于50%。不同含固率依靠添加一定量的自来水获得。

表1 鸡粪和接种污泥的理化性质Table1 Parameters of chicken manure and sludges

1.3 流变参数的拟合方法

根据前人研究，鸡粪混合液属于非牛顿假塑形流体，符合幂率方程（式1）[3]，运用幂率方程计算鸡粪混合液的流变参数。

式中：μa为非牛顿流体的表观黏度（Pa·s）；N 为旋转黏度仪/转子转速（r·s-1）；K 为稠度系数（Pa·sn）；n 为流变指数，无冈量。

1.4 鸡粪厌氧发酵产酸过程中流变参数变化

鸡粪的厌氧发酵采用批式试验，在5L厌氧发酵罐中进行。试验装置有效容积为4．5L。污泥接种量为有效容积的1/3。之后添加约1．5kg的鸡粪，加入自来水到设计容积。试验以水解产酸阶段为主要研究阶段，不涉及产甲烷阶段的研究，设计运行时间为9d。定时测量发酵液的表观黏度。

2 结果与分析

2.1 污泥接种率对于鸡粪流变特性的影响

表2为10%含固率条件下不同接种率鸡粪混合液的表观黏度的试验值。可以看出各接种率下，鸡粪混合物的表观黏度随着转子转速的增大而逐渐减小，体现出一定的剪切变稀现象，说明鸡粪与接种污泥的混合液为非牛顿假塑性流体。接种率的增加明显加强了混合液的表观黏度。

2.2 含固率和温度对于鸡粪混合液流变特性的影响

图1为不同含固率和温度下表观黏度随转子转速的变化规律。其中，图1a为室温下（25℃）不同含固率鸡粪液料的表观黏度；图1b为含固率为10%的鸡粪料液在不同温度下的表观黏度。

表2 不同接种率下鸡粪的表观黏度（mPa.s）和流变参数值Table 2 Apparent viscosity and consistency coefficient of chicken manure under different inoculation rates

图1 不同含固率和温度下表观黏度随转子转速的变化规律Figure 1 Apparentviscosity chang with rotation speed under different solid rate and temperature

由图2可知，在相同的转子转速下，温度的增加能降低物料的表观黏度。在低转速下这种差距越发明显，而当转子转速较高时，不同温度下料液的表观黏度差别有所减小，表观黏度基本在500～1000mPa．s范围内。

根据图1中所得的表观黏度值，利用幂率式1对其进行模拟，可以得到流变图2。由图2可知，在试验所设计的含固率和温度的范围内，幂率方程依旧能很好地描述鸡粪料液的流变行为，得到很高的拟合程度（R2＞0．95）。从各直线的截距可以看出，含固率对于物料流变特性的影响较温度更明显，不同含固率下直线截距的跨度较大。然而，在试验设计的范围内，鸡粪物料的流变图基本相似，说明混合液的流态并没有发生本质变化。

图2 不同含固率和温度下鸡粪料液的流变图Figure 2 Rheological diagram of chicken manure under different solid rates and temperatures

2.3 鸡粪接种污泥共发酵过程中流变特性的变化规律

由表3可知，随着厌氧发酵时间的增加，物料的黏度不断减小，表现出剪切变稀现象，即转速越大，黏度越小。此时的黏度称为表观黏度。以0，2，4，6，8d的发酵物料为例，将表3中的表观黏度数值代入式（1）中，可以得到不同停留天数下发酵液的流变图3。由图3可知，幂率公式同样能很好描述发酵产物的流变特征，相关系数R2＞0．99。稠度系数的最大值出现在t=0h时，随着发酵时间的增加，黏度系数不断减小，经过8d的发酵，稠度系数由最初的 1．7957Pa．sn减小到 0．4887Pa．sn，为最初值的 27%。

表3 厌氧发酵过程中鸡粪物料黏度的变化情况Table 3 Viscosity change during anaerobic digestion of chicken manure

3 讨论与结论

随着转子转速的增加，混合液表观黏度不断减小，说明鸡粪混合液在TS=5%～12%范围内时，属于非牛顿流体，并且表现出剪切变稀现象。有研究认为[18]，对于禽畜粪便当TS＜5%时，料液由非牛顿流体变为牛顿流体。而当TS大于5%时，料液呈现出非牛顿流体。这一结果与本研究一致。在刘刈等[2]研究的未经接种的鸡粪料液中，鸡粪含固率与n之间存在着弱负线性关系。而本研究鸡粪与接种污泥的混合体系中，n随着物料含固率的增加出现了一定的波动。究其原因，可能是由于流变指数n随含固率的变化受物料的种类和来源影响较大。本试验中随着温度的增加，各含固率下物料的流变指数都有一定程度的增长。这和刘刈等[2]的研究结果相似。说明接种物的添加并没有改变鸡粪颗粒的热运动形式。针对发酵过程，PEVER等[9]认为pH对污泥的流变特性有影响。本试验接种了部分污泥，然而在发酵过程中其pH变化范围较小，所以认为pH对本试验混合物料的流变特性影响可以忽略不计。

图3 反应过程中不同含固率下发酵底物的流变曲线图Figure 3 Rheological diagram of chicken manure and sludges with different solid rates in anaerobic digestion

本研究表明，5%～12%含固率的鸡粪混合液，属于假塑形非牛顿流体。在该含固率范围内，其对稠度系数的影响可用幂率方程描述。温度也是鸡粪流变特性影响的重要因素。随着温度升高，表观黏度、稠度系数降低。污泥接种率对鸡粪流变特性也有一定的影响。随着接种污泥的增加，混合液的稠度系数明显增加，两者符合直线关系。厌氧发酵水解过程中，鸡粪混合液的流变特性变化剧烈。认为水解阶段是鸡粪污泥联合发酵液黏度变化的主要阶段，故对推流式的厌氧反应器，在前端采取加密搅拌装置，后端搅拌逐渐减少，从而使反应器设计与物料厌氧降解的基本规律相适宜，可以降低设备运行能耗。