林嘉聰，羅 帥，袁巧霞※，曹紅亮

（1. 華中農業(yè)大學工學院，武漢 430070； 2. 農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

0 引 言

蚯蚓堆肥是目前處理農業(yè)生產廢棄物無害化、減量化、資源化再利用的重要手段，堆肥處理之后排出的號稱“有機肥之王”的蚯蚓糞[1-4]。由于蚯蚓糞在孔隙特性，養(yǎng)分特性、氣水濕熱協(xié)調方面具有的優(yōu)良品質，被廣泛用于育苗基質、氣體吸附劑、畜禽床墊料等方面。雖然近年來蚯蚓糞的應用研究大量開展，并逐步成為科學家們研究的熱點，但大量的研究仍然集中于對蚯蚓糞化學組分、轉化前后養(yǎng)分特性應用、微生物學指標[5-12]等方面，較少對蚯蚓糞物料的物理性能進行量化研究。

由于國內的蚯蚓堆肥發(fā)展水平比較低，蚯蚓糞的收集、分離、運輸?shù)葯C械化是蚯蚓行業(yè)亟需解決的瓶頸問題之一[13-14]。物料的流動性參數(shù)是實現(xiàn)蚯蚓糞機械化作業(yè)所需要的關鍵，也是進行蚯蚓糞物料流動計算的基礎，需要量化獲得。由于蚯蚓糞是經過蚯蚓過腹處理之后的小顆粒，結構特殊、含水率高達40%～60%，但同時又保持大量的孔隙結構，使得蚯蚓糞在高含水率的狀態(tài)下又呈現(xiàn)細小顆粒的散體狀態(tài)，導致了蚯蚓糞的流動性相關的參數(shù)較難以通過常規(guī)測試方法獲取。

物料流動性參數(shù)[15]是物料滾動流動過程的重要指標，包括物料的內聚力、內摩擦角、接觸面滾動摩擦系數(shù)，常用堆積角試驗進行研究。本研究中蚯蚓糞為高含水的散體小顆粒，流動方式中主要以滾動流動為主，針對流動參數(shù)難以獲取的問題，可以通過離散元方法（discrete element method，DEM）進行的“虛擬試驗”標定物料參數(shù)。王國強、龔明[16-17]闡述了通過離散元獲取物料參數(shù)的方法，通過計算機仿真模擬完成一些物料參數(shù)試驗，如堆積角試驗、斜板試驗等，并不斷的調整離散元參數(shù)，將模擬出來的物料堆積角表觀狀態(tài)值和實際試驗值驗證，若相一致，則認為該參數(shù)值是符合實際情況的。韓燕龍[18]等通過此方法探究了滾動摩擦系數(shù)對堆積特性的影響；石林榕等[19-21]用此方法獲得了不同農田土壤的部分物理參數(shù)，王云霞等[22]用此離散元標定方法獲得了排種器內玉米種子的部分參數(shù)，表明此方法在散體物料虛擬仿真推導參數(shù)上具有一定效果。

目前實際生產中蚯蚓處理的有機固體廢棄物主要有牛糞、豬糞、城市污泥等，以牛糞為堆肥基料由于工藝技術較簡單，是蚯蚓堆肥首選物料。研究以基于牛糞為原料經蚯蚓處理后的得到的蚯蚓糞為研究對象，進行蚯蚓糞直剪試驗與蚯蚓糞堆積角EDEM仿真模擬，通過PB篩選試驗、爬坡試驗、析因試驗和真實試驗標定的方法，建立堆積角數(shù)學模型，量化得到不同含水率蚯蚓糞流動性相關的運動摩擦系數(shù)與黏結性能參數(shù)，綜合分析含水率變化對蚯蚓糞顆粒流動性的影響，以期為蚯蚓糞收集、分離、運輸?shù)炔煌A段機械化作業(yè)提供有效的流動性參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與處理

試驗供試材料為蚯蚓處理牛糞之后所轉化成的蚯蚓糞，取自武漢東西湖蚯蚓養(yǎng)殖基地，蚯蚓糞直接從養(yǎng)殖基地現(xiàn)取樣。目前蚯蚓糞用于基質、吸附劑等應用產品均為小顆粒狀態(tài)，蚯蚓堆肥后期機械化應用的蚯蚓糞含水率絕大部分為40%～60%[8]，試驗材料蚯蚓糞的機械組成分布為：＞2.00 mm 4.11%，＞1.00～2.00 mm 13.65%，＞0.50～1.00 mm 12.73%，＞0.25～0.50 mm 22.44%，＞0.05～0.25 mm 6.92%，＞0.02～0.05 mm 29.53%，＜0.02 mm 10.22%。

蚯蚓糞原樣放入5個600 mm×600 mm×300 mm的立方體塑料盒中，基于物料原本含水狀態(tài)配置不同含水率25%～65%的蚯蚓糞樣品。每次取樣均用標準環(huán)刀（65 mm×φ120 mm）取中心樣品。配置不同含水率蚯蚓糞方法如下

式中ms為配置物料的加水量，kg；m0為物料質量，kg；ω0為物料原本含水率，%；ω1為配置物料的目標含水率，%。

參考土壤基本測試方法[23]、比重瓶法、環(huán)刀排水法、吸管法測試試驗蚯蚓糞材料的基本性質見表1。

表1 不同含水率蚯蚓糞原料基本性質Table 1 Basic properties of vermicompost under different moisture contents

1.2 試驗方法與試驗設計

1.2.1 蚯蚓糞直剪試驗

通過直剪試驗能夠獲得物料的內摩擦角，內摩擦角是散體物料抗剪強度指標，可用于衡量物料內部顆?？朔陨泶植诒砻孀枇Πl(fā)生滾動流動、滑動的重要參數(shù)，反映物料的摩擦特性[15]。蚯蚓糞為散體物料，按照散體力學理論[15]，將蚯蚓糞假設為連續(xù)介質模型，測量散粒體的內摩擦角，同時可以間接推算顆粒體的近似泊松比υ。直剪儀（南京土壤儀器廠有限公司）以 Coulomb理論為基礎，通過試驗結果可以繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線。

根據莫爾理論有

式中σ為正應力，Pa；τf為剪切應力，Pa；c為散粒體內聚力，N/m2；φ為內摩擦角，rad。

式中K0為側壓力系數(shù)，無量綱，可以通過內摩擦角求得。

1.2.2 蚯蚓糞運動摩擦參數(shù)標定試驗

在直徑為600 mm的不銹鋼圓盤上進行堆積角試驗[15]，試驗材料為自然堆積狀態(tài)下不同含水率 A1、A2、A3、A4、A5組蚯蚓糞。建立堆積試驗DEM模型，如圖1。試驗標定選擇Hertz-Mindlin-JKR模型[24]，此模型適用于具有一定含水率的潮濕物料，具有一定粘聚力的散體物料的運動模擬。建立相同的圓筒堆積角的試驗仿真模型[25]，選用了顆粒平均直徑為2.00 mm球體模型。不銹鋼的泊松比為 0.30，剪切模量 7.90×1010Pa，密度為 7.86×103kg/m3，重力加速度為9.81m/s2，仿真步長為瑞利時間的22%，每隔0.01 s記錄數(shù)據，仿真時間為4.00 s。

圖1 離散元模擬仿真模型Fig.1 Simulation model of discrete element

通過 Plackett-Burman（PB）篩選試驗，篩選出眾多物理因素中影響蚯蚓糞堆積角的下落堆積運動過程的摩擦性能相關因素。其次，針對顯著性因素進行最陡爬坡試驗進一步快速找到合理范圍值。最后，利用響應面析因試驗設計（response surface methodology，RSM）[26]建立的標定模型與真實試驗比對求解蚯蚓糞的運動摩擦參數(shù)，試驗設計與數(shù)據均通過Minitab和Excel軟件處理。表2為PB篩選試驗因素與水平。

表2 PB篩選試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of Plackett-Burman experiment

2 結果與分析

2.1 基于堆積角摩擦參數(shù)仿真標定與驗證

通過PB試驗，得到的試驗結果與方差分析結果如表3和表4所示，從方差分析的結果可以看出，顯著影響蚯蚓糞堆積角的因素為蚯蚓糞-蚯蚓糞之間的滾動摩擦系數(shù)，蚯蚓糞-不銹鋼的滾動摩擦系數(shù)，蚯蚓糞的JKR表面能。JKR表面能是DEM離散元法中衡量顆粒接觸表面黏結能量的數(shù)值指標[15,24]，能夠用于反映顆粒表面黏結性能強弱。從三者的分析結果可以看出，對堆積角影響程度的順序為：蚯蚓糞JKR表面能＞蚯蚓糞-蚯蚓糞滾動摩擦系數(shù)＞蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)。蚯蚓糞顆粒為近似圓球狀顆粒，物料的流動方式以滾動運動為主，故流動運動過程與滾動摩擦系數(shù)、表面黏結性能有最直接的聯(lián)系。

表3 PB篩選試驗結果Table 3 Pile angle result of Plackett-Burman design

表4 PB篩選試驗方差分析結果Table 4 Analysis of variance of Plackett-Burman design

由于篩選試驗取值范圍較大，為了進一步快速縮小試驗蚯蚓糞的參數(shù)至小范圍值，用于析因試驗標定，將蚯蚓糞-蚯蚓糞滾動摩擦系數(shù)，蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)和JKR表面能3個顯著參數(shù)進行最陡爬坡試驗[27]，其余影響效果不顯著的參數(shù)采用均值，從PB方差分析結果看出，3個顯著性因素均呈現(xiàn)正向效應，因素值正向增加會導致試驗結果正向增加，因此以 3因素均已最低值為起點進行爬坡，同時通過實際試驗選取含水率最低25%、含水率最高 65%的蚯蚓糞堆積角試驗結果進行極端值驗證對比。結果如表5，從中可以看出，仿真結果與試驗結果中偏差最小的均為組2；因此，選擇組2前后的參數(shù)范圍作為蚯蚓糞-蚯蚓糞滾動摩擦系數(shù)，蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)，JKR表面能作為小范圍值進行下一步的析因試驗。

表5 最陡爬坡試驗結果Table 5 Results of steep climbing test

針對縮小的范圍值，利用析因試驗，選取蚯蚓糞-蚯蚓糞滾動摩擦系數(shù)為 0.05～0.25，蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)為0.05～0.21，JKR表面能0.05～0.35 J/m2進行析因試驗，通過堆積角析因試驗建立三者與堆積角的關系模型，去除模型里面的不顯著項，得到調整模型，析因試驗結果如表6。

有建立的析因響應面模型為

模型的決定系數(shù)R2較高，說明了試驗得到的模型擬合效果較好，可以通過堆積角結果，反推導試驗蚯蚓糞物料的滾動摩擦系數(shù)、蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)和JKR表面能，進一步推導出不同含水率下蚯蚓糞的運動摩擦參數(shù)。為了驗證模型的有效性，通過不同含水率蚯蚓糞的實際試驗與仿真結果驗證，結果如表7和圖2，5組重復試驗結果的誤差均小于5%，表明模型擬合效果較好。

表6 析因試驗結果Table 6 Results of factorial experiments

表7 模型驗證與摩擦參數(shù)結果Table 7 Validation result and friction parameters of vermicompost

圖2 試驗與仿真結果驗證Fig.2 Verification of experiments and simulations

2.2 不同含水率下蚯蚓糞直剪試驗

通過直剪試驗得到的蚯蚓糞的 σ-τ的關系如圖 3所示，在50～200 kPa的壓力下發(fā)生剪切破壞，試驗結果擬合直線R2均在0.93以上，呈較好的線性關系。從應力變化圖可以看出，蚯蚓糞內聚力隨著含水率的升高逐漸增大，內摩擦角隨著含水率的增加而減小?？梢缘玫接嬎愠龆逊e狀態(tài)下 A1～A5組不同含水率下蚯蚓糞內摩擦角分別為 45.81°、40.51°、38.99°、34.43°、26.10°。此外，通過側壓力系數(shù)可以得到蚯蚓糞的平均泊松比為 0.22、0.25、0.27、0.30、0.35。

圖3 不同含水率蚯蚓糞的正應力-切應力關系Fig.3 Relationship between normal stress and shear stress of vermicompost under different moistures

2.3 不同含水率下蚯蚓糞流動性分析

蚯蚓糞的流動方式主要以顆粒滾動運動為主，物料運動過程中顯著受到滾動摩擦系數(shù)，表面黏附性的影響，按含濕散體物料水分張力與毛細管黏附理論[28]，顆粒表面凹凸不平，部分顆粒的表面孔隙會形成“水膜”，導致物料表面固-固界面接觸面減少，導致固-固接觸界面和固-液界面混合存在，表面趨于光滑，滾動摩擦系數(shù)略微下降，但與此同時水膜增加導致物料表面張力增加，黏附性能提高，又表現(xiàn)出表面能的提高，物料運動過程中會發(fā)生團聚現(xiàn)象。蚯蚓糞的流動性參數(shù)變化上，隨著蚯蚓糞含水率的增加，蚯蚓糞-蚯蚓糞的滾動摩擦系數(shù)由0.135下降至0.110，蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)由0.116下降至0.102，兩者呈現(xiàn)小幅度下降，內摩擦角由45.81°降至26.10°（圖4）；此外，蚯蚓糞的含水率的升高使得堆積角增加超過 15°，JKR 表面能由 0.179 J/m2增加至0.345 J/m2，增幅顯著，導致試驗中蚯蚓糞堆積角增大。蚯蚓糞JKR表面能影響堆積角極其顯著，表明了蚯蚓糞表面黏附性能改變是影響蚯蚓糞流動性能的關鍵。

圖4 不同含水率蚯蚓糞流動參數(shù)變化Fig.4 Changes of vermicompost fluidity parameters under different moisture contents

流動屬性對蚯蚓糞的收集、分離、運輸和加工等機械化作業(yè)極為關鍵，含水率升高，蚯蚓糞之間、蚯蚓糞與不銹鋼滾動摩擦系數(shù)降低，表面黏附性變強，導致物料在滾動時發(fā)生阻力改變明顯，物料流動性改變。實際生產中改變含水率能夠顯著改變蚯蚓糞的流動性能，含水率低于 50%之前，隨著含水率增加，物料滾動摩擦系數(shù)減小，內摩擦角減小，更易發(fā)生翻滾運動，流動性較好；但含水率超過 50%之后由于表面能增高，內聚力增大，蚯蚓糞物料之間易發(fā)生物料黏結團聚，一定程度上又會阻礙蚯蚓糞的翻滾運動。

3 結論與討論

通過堆積角真實與虛擬試驗結合的方法，量化不同含水率蚯蚓糞顆粒流動性的參數(shù)指標并進行分析，結果表明：1）顯著影響蚯蚓糞顆粒堆積角的因素為蚯蚓糞-蚯蚓糞滾動摩擦系數(shù)，蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)，JKR表面能（Johnson Kendall Roberts surface energy）；2）隨著蚯蚓糞含水率由25%升至65%，蚯蚓糞-蚯蚓糞的滾動摩擦系數(shù)由0.135下降至0.110，蚯蚓糞-不銹鋼滾動摩擦系數(shù)由0.116下降至0.102，內摩擦角由45.81°降至26.10°，而JKR表面能由0.179增加至0.345 J/m2；3）蚯蚓糞含水率增加，導致堆積角增加，蚯蚓糞流動性變差的核心原因是水分增加導致蚯蚓糞顆粒的表面能增大，顆粒的黏聚程度增加，改變含水率能夠明顯改善蚯蚓糞顆粒的流動性。

實際生產中為了滿足蚯蚓糞的應用需求，高含水率蚯蚓糞黏附性過高，可以通過手段控制蚯蚓糞含水率在40%～50%之間，一定限度上少量提高含水率，有助于蚯蚓糞滾動性能的提升，但由于蚯蚓糞含水率的改變對于蚯蚓糞保水保肥，養(yǎng)分等性能的改變是否有影響，將是未來進一步需要探究的方向。