含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响

周婷， 孙松林， 朱海英， 彭才望

（湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128）

畜禽养殖中，生猪养殖及其养殖废弃物的规模都比较大，生猪养殖废弃物处理面临的形势非常严峻[1]。相对于传统的猪粪通过堆肥、发酵或直接还田等处理方法，黑水虻生物转化猪粪可有效降低猪粪累积程度、解决恶臭问题，2 周内猪粪堆积减少56%，猪粪残渣中氮、磷、钾含量分别降低55.1%、44.1%、52.5%，同时可有效降低大肠杆菌、获得可作鱼粉的高蛋白黑水虻幼虫，成为猪粪资源化与肥料化利用的重要手段[2]。因黑水虻生物转化猪粪工艺的差异，黑水虻生物转化猪粪后有机肥含水率在40%~60%，经后期进一步的有机肥工艺处理，其具备抗植物病害的活性物质且肥效高，广泛应用于牧草、果蔬种植业，可促进农作物生长发育与代谢过程[3]。近年来，国内外学者针对黑水虻幼虫生长发育[4]、生物转化效率[5]、重金属迁移[6]、幼虫营养价值及利用[7]、有机肥肥效与应用[3]等开展了大量研究，但是黑水虻生物转化猪粪后的虫沙有机肥流动特性及其黏结能力与含水率间的变化规律鲜有研究，导致机械设备设计缺乏基础数据支撑。

本团队前期针对黑水虻生物转化猪粪后形成含水率为43.6%的虫沙有机肥（简称“有机肥”）进行了接触参数标定[8]，并在此基础上设计了斗式取料机[9]、双向螺旋集料装置[10]，一定程度上实现了有机肥收集、提升与输送。但是，试验发现机械收集、输送不同含水率（40%~60%）的有机肥过程中机械作业稳定性与可靠性降低。有机肥流动性参数（内聚力、内摩擦角、接触面的摩擦系数、表面能等）是衡量有机肥流动过程的重要指标[11]，但不同含水率有机肥颗粒黏结流动相关接触参数难以通过常规测试方法量化获得。目前，针对黏湿颗粒物料接触参数难以获取的问题，通过堆积角测定与离散元仿真试验相结合的方法对黏重黑土[12]、蚯蚓粪[13-14]、猪粪[15]、一般有机肥[16]、土壤[17-18]等物料进行“虚拟标定”获取物料参数，具有较强的可行性，为探究含水率对黑水虻生物转化猪粪后的有机肥黏结流动影响提供了借鉴。

本研究以黑水虻生物转化猪粪后的有机肥作为研究对象，对不同含水率的有机肥进行堆积角测定、离散元仿真及直剪试验；通过Plackett-Burman Design、爬坡、Box-Burman Design 等试验方法，建立堆积角数学模型，量化获得不同含水率的有机肥流动特性参数，综合分析含水率与堆积角之间的变化关系及其对有机肥黏结流动特性的影响，以期为黑水虻生物转化猪粪后有机肥在收集、输送、分离等不同阶段的机械化作业提供有效的理论参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料与堆积角测定

1.1.1 试验材料 以黑水虻幼虫生物转化猪粪后形成的有机肥为试验材料，取自湖南农业大学与湖南艾布鲁环保科技股份有限公司黑水虻科研基地。将新鲜猪粪中投放一定数量的4 日龄黑水虻幼虫（料虫质量比为8∶1），经过8~12 d 的生物转化获得有机肥原料，后期通过进一步的有机肥处理工艺（水分蒸发、虫卵灭杀等），形成植物用有机肥。

试验采用卤素水分测定仪（HC-SFY001，±0.5%，上海花潮实业有限公司）测定不同处理工艺下的有机肥含水率，为40%~60%。结合实际生产中黑水虻生物转化猪粪工艺条件，获得5 组不同含水率有机肥样品，分别为A1（41.21%）、A2（44.46%）、A3（51.37%）、A4（56.56%）、A5（60.52%）。含水率低于50%时，有机肥中大部分呈疏松状的近似球体颗粒；含水率高于50%时，有机肥中出现部分黏结团状颗粒块。经筛分测量，粒径分布范围为1.4~2.8 mm，平均粒径为2.0 mm。

1.1.2 有机肥堆积角测定 本试验结合圆筒提升法测量有机肥堆积角[19]，试验所用钢质圆筒高120 mm、内径40 mm，钢质圆筒内填满有机肥，利用 CMT5105 型万能试验机夹住钢质圆筒并以0.03 m·s-1的速度向上提升，如图1 所示，参照文献[8]和[18]，用摄像机垂直拍照，照片导入计算机CAD 软件中标注堆积角，分别测量5 组（A1~A5）不同含水率有机肥的堆积角，每组重复3 次，取平均值作为最后结果。

图1 有机肥堆积试验Fig. 1 Repose angle of organic fertilizer

1.2 仿真模型构建

含水率较高的有机肥颗粒之间或有机肥对接触部件材料之间存在较大的粘附力[9-10]。本试验选取EDEM 软件中Hertz-Mindlin with JKR（Johnson-Kendall-Roberts）模型作为有机肥颗粒间接触模型[8]，JKR 表面能可表征有机肥颗粒之间或颗粒与接触部件材料之间的黏附力。在EDEM2.7软件中建立圆筒堆积角的仿真试验模型，圆筒内径 40 mm、高120 mm，接料底板为200 mm×200 mm的方形钢板。建立平均粒径为2 mm 的球体模型，采用标准差为0.1 mm 的标准正态分布方式生成有机肥颗粒，颗粒模型粒径变化范围设置为满足平均值，圆筒以0.03 m·s-1的速度垂直底板方向匀速提升，仿真模型如图2 所示。有机肥的各个待标定参数如表1 所示，其他参数包括不锈钢的泊松比为0.3[20]、剪切模量为7.9×1010Pa、密度为7 865 kg·m-3、重力加速度为9.81 m·s-2、仿真步长时间为瑞利时间的22%、数据保存间隔时间为0.01 s、仿真时间为5.5 s。

表1 离散元仿真标定参数Table 1 Parameters required for discrete element simulation

图2 离散元仿真模型Fig.2 Discrete element simulation model

1.3 试验方法

1.3.1 Plackett-Burman（PB）试验设计 Plackett-Burman筛选试验设计中10个待标定参数（T1~T10）均以1 和-1 形式分别代表各参数高低2 个水平，并选择1个中心点，试验次数共25次。

1.3.2 最陡爬坡试验 将Plackett-Burman试验得到的3 个显著性参数有机肥-不锈钢碰撞恢复系数、有机肥-不锈钢静摩擦系数和有机肥JKR 表面能进行最陡爬坡试验，3 个显著性参数均呈现正向效应，参数值按选定步长逐渐增加，其余对堆积角的影响不显著的参数采用中间水平值。以3 个显著性参数最低值为起点进行爬坡，并与含水率为41.21%和60.52%的有机肥堆积角试验结果进行极端值验证对比。

1.3.3 Box-Behnken（BB）试验 根据最陡爬坡试验结果，Box-Behnken Design 响应面分析试验中的非显著性参数选取表1 中所示中间水平值，有机肥-不锈钢碰撞恢复系数为0.25~0.45，有机肥-不锈钢静摩擦系数为0.25~0.55，JKR表面能为0.20~0.50 J·m-2。选择1 个中心点进行误差估计，共进行15 次试验，包括对中心点的3 次重复试验。利用Minitab 软件对试验结果进行拟合，获得回归方程模型并进行分析。

1.4 有机肥直剪试验方法

内摩擦角、抗剪强度等力学参数反映散体物料的摩擦特性[13]，是用于衡量物料内部颗粒克服自身阻力发生滚动、滑动、流动的重要参数。本试验通过有机肥直剪试验测量物料抗剪强度，获得物料的内摩擦角，分析有机肥含水率与流动性之间的关系。试验所用设备为河北路兴安达仪器有限公司生产的BJZ型应变控制式直剪仪。

1.4.1 含水率测定 试验用有机肥先进行过筛处理，去除杂物后，将其在遮阴条件下自然风干，使有机肥含水率缓慢下降，不定时取样，用卤素水分测定仪（HC-SFY001，±0.5%，上海花潮实业有限公司）测定，获得与物理堆积角试验时相同含水率（含水率误差为±2%）的有机肥。试验采用样品盒、电子天平（UTP313-4、精度为0.01 g）等仪器对不同粒度有机肥的含水率进行测试。测试过程如下：①对部分含水率较高呈现黏结团状的有机肥颗粒，先通过搅拌杆打散团状有机肥至粒径为2~3 mm 的小颗粒。然后将有机肥放入干燥洁净的样品盒中，通过电子天平称重，质量记为m1;②将盛放有机肥的样品盒放到提前预热好的卤素水分测定仪中，采用自动干燥模式，设置干燥温度为105 ℃，干燥率达到99%时自动停止干燥过程，有机肥烘干至没有水分状态，再将其放到电子天平上称重，质量记为m2；③通过2次平行试验计算获得有机肥含水率(1-m2/m1)的均值，作为其最后的含水率测定值。

1.4.2 直剪试验 针对不同含水率有机肥，分别用环刀切取4 个有机肥试样。试验前将配好的有机肥样件置于直剪仪上下金属盒之间，调整好有机肥试样与垂直加压框架的接触距离，保证其接触到位。

试验开始，压力和位移为0，设置垂直加压分别为50、100、200、300 kPa，手轮转速为4 r·min-1，使剪切速度控制在0.8 mm·min-1，直到有机肥试样构件破裂为止，记录应力的变化值。试验采用4 个试样为1 组，分别在不同的垂直法向压力（σ）下，施加水平剪应力进行剪切，直至有机肥试样受到剪切破坏，按照试验要求加载4 种不同垂直压力（σ），每组试验重复3 次，分别得到剪切破坏时抗剪强度（τ），取平均值。根据库伦定律进一步确定有机肥的抗剪强度参数，内摩擦角（φ）和内聚力（c）。不同垂直压力下的抗剪强度参照下面公式计算。

式中，τ为有机肥的抗剪强度，kPa；C 为测力计率定系数，166.7 kPa·mm-1；R为测力计量表读数，精度为0.01 mm。

以垂直压力（σ）为横坐标，以抗剪强度τ为纵坐标，根据试验测得点（σ，τ），绘制τ-σ关系曲线，其拟合直线的倾角为有机肥的内摩擦角φ，直线在纵轴上的截距为有机肥的内聚力c。泊松比计算公式如下。

式中，v为有机肥颗粒的近似泊松比，K0为侧压力系数，无量纲，根据式（2），可由内摩擦角φ求得有机肥的近似泊松比。

2 结果与分析

2.1 Plackett-Burman（PB）试验结果与分析

不同参数在不同水平组合下测定的堆积角值如表2 所示。方差分析结果（表3）表明，有机肥-不锈钢碰撞恢复系数、有机肥-不锈钢静摩擦系数、有机肥的JKR表面能显著影响有机肥堆积角。对有机肥堆积角的影响程度依次为：有机肥JKR表面能>有机肥-不锈钢静摩擦系数>有机肥-不锈钢碰撞恢复系数，且3 个显著性参数与有机肥堆积角均呈正相关，有机肥堆积角随3 个显著性参数的增大而增大。其中，JKR 表面能是用于衡量有机肥颗粒间接触表面黏结能力的重要数值指标[15,21-22]，有机肥的运动状态主要取决于颗粒之间表面的黏附能力大小。

表2 PB筛选试验结果Table 2 Pile angle result of Plackett-Burman design

表3 PB筛选试验方差分析Table 3 Analysis of variance of Plackett-Burman design

2.2 最陡爬坡试验结果与分析

从表4可以看出，2组堆积角仿真试验与物理试验相对误差先变小后变大，且在3 号试验组的相对误差均最小。因此，最陡爬坡试验可快速逼近最优参数区域，试验最优值区间位于3 号组附近，选取3 号组试验的3 个因素值作为中心点，2号、4号试验3个因素值分别为低、高水平进行后续响应面设计。

表4 最陡爬坡试验结果Table 4 Results of steep climbing test

2.3 Box-Behnken（BB）试验结果与分析

根据PB试验结果及最陡爬坡试验结果，重新选取各参数的水平值，进行三因素三水平中心组合试验，试验结果如表5所示。对表5试验结果进行拟合分析，获得堆积角与3 个显著性参数间的二次多项式回归方程如下。

表5 Box-Behnken Design方案及结果Table 5 Scheme and results of Box-Behnken design

该回归模型方差分析结果如表6 所示，在给定的试验因素水平范围内，T8（有机肥-不锈钢静摩擦系数）、T10（有机肥JKR 表面能）对堆积角影响极显著；T7（有机肥-不锈钢碰撞恢复系数）对堆积角影响不显著；T82对堆积角影响极显著，T8T10对堆积角影响显著，其余对堆积角影响不显著。模型决定系数R2=0.976 9，与实际数据的拟合程度高；模型的P=0.001，说明该堆积角回归模型因变量与自变量之间的关系表现为极显著；失拟项P=0.479，表明方程拟合良好。因此，可通过堆积角结果，反推导有机肥物料的有机肥-不锈钢碰撞恢复系数、有机肥-不锈钢静摩擦系数、有机肥JKR 表面能，从而进一步推导出不同含水率有机肥的接触参数。

表6 Box-Behnken Design二次回归模型方差分析Table 6 ANOVA of Box-Behnken Design quadratic model

为验证模型的有效性，对不同含水率有机肥堆积角进行试验验证，结果如表7所示。由表7可知，不同含水率(41.21%~60.52%)有机肥物理与仿真堆积角试验的相对误差均在5%以内，吻合结果较好。有机肥的JKR表面能随含水率的增加而不断增大，JKR 表面能对堆积角影响极其显著，其主要原因是有机肥颗粒为表面非圆滑颗粒，随着含水率的增加，导致有机肥颗粒表面黏附性能提高，发生颗粒团聚现象，表现出其表面能随含水率的增加而提高；有机肥-不锈钢静摩擦系数先增大后减小，在含水率为56.56%时有机肥颗粒与不锈钢静摩擦系数达到最大值，为0.39，此后随含水率的继续增大，其静摩擦系数迅速减小，其主要原因是有机肥含水率由小增大的过程中，有机肥中越来越多的弱结合水逐渐在强结合水外围吸附，有机肥颗粒外围结合水分子数量增加，因此，加大了有机肥与不锈钢之间的静摩擦系数。但是，当含水率超过56.56%，有机肥颗粒间的弱结合水逐渐形成较厚的结合水膜，颗粒间距增大，尤其是在结合水膜厚度增大到一定程度时，可起到润滑作用，使有机肥与不锈钢之间的静摩擦系数减小。

表7 模型验证试验结果Table 7 Model verification test results

2.4 含水率与有机肥堆积角关系分析

有机肥的堆积角随含水率的增加而增加，与一般散体物料的研究结果相似[14,23]。不同含水率（41.21%~60.52%）有机肥的堆积角变化如图3 所示，根据实际有机肥含水率与堆积角的变化关系，含水率降低时，堆积角减小的速率呈放缓趋势。本研究分别采用多项式方程与线性方程对散点图进行拟合，得到有机肥物料的堆积角（y，°）和有机肥物料的含水率（x，%）关系的数学模型如下所示。

图3 有机肥含水率与堆积角的关系曲线Fig. 3 Relationship between water content and physical accumulation angle of organic fertilizer

拟合方程（4）和（5）的拟合度都相对较高，通过对比图3中测量点误差范围与趋势，可知多项式方程（4）更符合含水率与堆积角两者之间的变化趋势。因此，可通过测量有机肥的含水率，并进一步利用式（5）计算预测得到有机肥的堆积角。

2.5 有机肥黏结流动分析

通过直剪试验得到的不同含水率有机肥法向应力-抗剪强度（τ-σ）关系曲线如图4 所示。在50~300 kPa 的法向应力下发生剪切破坏，不同含水率的有机肥τ-σ 关系拟合直线的回归方程决定系数R2均在0.96 以上，线性关系较好。从图4 分析和式（1）计算可知，有机肥内聚力和内摩擦角随含水率的增大而减小，主要原因是受有机肥颗粒间的摩擦和咬合作用影响，含水率的增加使有机肥颗粒间的结合水膜变厚，颗粒间的间距不断增大，颗粒间的吸引力和摩擦作用减弱，其相互胶结作用受到破坏。同时，根据式（2），通过侧压力系数Ko，计算获得A1～A5组有机肥的平均泊松比分别为0.33、0.35、0.38、0.40、0.44。

图4 不同含水率有机肥法向应力-抗剪强度关系Fig. 4 Relationship between normal stress and shear strength of organic fertilizers with different moisture content

通过直剪试验得到有机肥内聚力和内摩擦角与不同含水率的关系如图5 所示，有机肥内聚力随含水率的增加先减小后增大，内摩擦角随含水率的增加而减小，主要原因是有机肥内聚力主要受颗粒间相互吸引力作用影响，内摩擦角主要受颗粒间的摩擦作用影响；有机肥中水分主要起润滑与黏合作用，当含水率远小于40%时，因有机肥颗粒间的水分缺乏，颗粒间润滑作用减弱，此时内聚力较低，摩擦效应较强而导致内摩擦角较大；当含水率逼近40%时，有机肥颗粒间可能存在“咬合关系”最强的某空间位置，此时，有机肥抗剪强度指标内聚力和内摩擦角值均较高或处于减小趋势中；随着含水率增大并大于40%时，有机肥颗粒间因水膜的联结作用增强而导致颗粒间孔隙增多，有机肥颗粒间的关联性降低，有机肥颗粒间的内摩擦角不断减小，而内聚力因颗粒间表面能的增大而增大，易发生黏结团聚，一定程度上阻碍有机肥的翻滚运动。

图5 不同含水率有机肥的内聚力和内摩擦角的变化曲线Fig. 5 Variation curve of cohesion and internal friction angle of organic fertilizer with different moisture content

3 讨论

黑水虻生物转化猪粪是畜禽废弃物资源化利用研究的热点方向之一，针对黑水虻生物转化猪粪后的有机肥含水率处于40%~60%，而不同含水率有机肥的物理接触参数及其流动特性并不清晰，导致机械设备开发缺乏对应的基础数据支撑。因此，方便、准确获得不同含水率的黑水虻生物转化猪粪有机肥仿真参数及流动特性具有重要意义。与其他已有研究仅对单一含水率的物料进行参数标定相比，本文应用堆积角测定与离散元仿真试验相结合的方法，量化不同含水率有机肥流动性参数指标并进行验证分析，比较全面的分析了显著影响有机肥颗粒堆积角的因素，对比验证试验相对误差在5%以内，试验结果较为理想，为后续试验提供了基础数据支撑；建立了含水率与堆积角之间的数学模型，并采用多项式拟合模型获得了相对更高拟合精度，可及时准确地对有机肥堆积角进行预测，有利于进一步推导物料其他接触参数；本研究进一步通过有机肥直剪试验反映了有机肥含水率与内聚力、内摩擦角之间的关联，研究结果为机械收集、转移、输送不同含水率有机肥提供了有效的基础数据。总体来说，本研究以黑水虻生物转化猪粪后的有机肥为研究对象，获得了不同含水率与堆积角之间的变化关系及其对有机肥黏结流动特性的影响规律，为后续设备开发与试验提供了基础数据支撑。