李一凡，裴凱，王永江

華中農業(yè)大學工學院，武漢 430070

工廠化水產養(yǎng)殖是現(xiàn)代水產養(yǎng)殖的主要發(fā)展趨勢之一，其特點是建立封閉式水體循環(huán)的養(yǎng)殖系統(tǒng)，關鍵技術之一是水體溫度控制系統(tǒng)[1]。水體溫度的控制對魚類的生長以及魚苗的發(fā)育起著至關重要的作用，例如，胭脂魚育苗水溫需控制在17～21℃[2]，石斑魚養(yǎng)殖水溫需控制在25～28℃，對蝦、貝類育苗水溫需控制在22～25℃，大菱鲆水溫需低于20℃[3]。不同的魚類都有其生長發(fā)育的最適水溫范圍，絕大多數現(xiàn)代工廠化水產養(yǎng)殖就是根據水產生物的特性，選擇鍋爐加熱或者電加熱，以提供適宜的水溫條件，達到最佳效益[4]。

堆肥余熱具有釋熱周期長、放熱體量大的特點，利用堆肥余熱的研究和報道日漸增多。例如在日本某農村地區(qū)，竹子作為一種生物質資源，不僅產量豐富而且再生速度快，Seki等[5]基于此背景，設計了一套系統(tǒng)，用于回收竹片生物降解產熱并加熱小型養(yǎng)殖池塘，可維持池塘水溫在30℃左右，這為工廠化水產養(yǎng)殖的輔熱系統(tǒng)設計提供了新的構想[6-7]。李明等[8]針對城市有機固體廢棄物排放量大的問題，設計一套小型反應器，利用有機廢棄物降解產生的熱量來制備的熱水可達到55℃，用于滿足生活熱水和供暖需求。王順[9]設計一套新型熱電熱回收系統(tǒng)，可有效利用堆肥過程中產生的余熱能源，在不影響堆肥反應和最終品質的前提下將堆肥余熱轉化為電能，單位面積的產電量可達0.026 9～0.034 9 C。Di-Maria等[10]利用空氣源熱泵技術結合有機廢棄物好氧分解產生的高溫氣體來加熱水箱，可得到80～90℃的熱水。

有機固廢好氧堆肥加熱養(yǎng)殖水體既可調控水溫，又可節(jié)約能源。為考察豬糞好氧堆肥輔熱養(yǎng)殖水體的溫度變化和熱量傳遞過程，本研究使用計算流體力學軟件，考察模型的熱量傳遞過程及溫度變化，并開展驗證試驗，旨在為堆肥余熱輔熱養(yǎng)殖水體提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用鮮豬糞取自華中農業(yè)大學種豬質量檢測中心，堆肥調理劑為小麥秸稈，因季節(jié)因素網購于山東濟寧。試驗將豬糞與秸稈充分混合，其質量比為10∶1?；旌虾笪锪虾蕿椋?5.5±0.6）%，碳氮比為17.26±0.24，25℃下物料的導熱系數與比熱容分 別 為（0.690±0.021） W/（m ·K）、（3 424.53±55.00）J/（kg·°C）。

1.2 試驗裝置

為測試豬糞好氧堆肥余熱輔熱水產養(yǎng)殖水體的有效性，設計一套小型試驗裝置，包括發(fā)酵裝置、換熱裝置和溫度測量裝置，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reactor

發(fā)酵裝置主體為長方體形，長、寬、高分別為80、60、60 cm，主體材料為2 cm厚的隔熱板，并在隔熱板外設置不銹鋼架進行固定，發(fā)酵裝置用于豬糞堆體發(fā)酵。換熱裝置由儲水箱、模擬魚池以及換熱管組成，儲水箱為長方體形，長、寬、高分別為40、25、27.5 cm，用于回收豬糞好氧堆肥產生的熱量，模擬魚池為圓柱筒形，直徑為46 cm，高度為15 cm，并設置了0.5 cm厚的橡塑保溫層。在儲水箱和模擬魚池內部加置了長2 m、直徑0.01 m的換熱管，用于傳遞熱量加熱模擬魚池。溫度測量裝置由4個K型熱電偶測溫儀溫度計組成，分別測量環(huán)境溫度、儲水箱上2 cm處堆體的溫度以及儲水箱和模擬魚池的中心溫度，試驗裝置的物理特性如表1所示。

表1 試驗裝置物理特性Table 2 Physical characteristics of the lab scale device

1.3 仿真試驗

豬糞好氧堆肥前14 d的升溫較為明顯，因此本研究主要考察14 d豬糞好氧堆肥輔熱養(yǎng)殖水體的熱量傳遞過程，在試驗周期之后若堆肥未達到腐熟標準，仍需繼續(xù)進行發(fā)酵，待其達到標準后可用作有機肥。養(yǎng)殖系統(tǒng)的流體流動及熱量傳遞過程為三維瞬態(tài)問題，其過程遵循質量守恒定律和能量守恒定律[19]。

1）仿真試驗設計。依據小型試驗裝置，基于計算流體力學軟件，建立幾何模型，設置物理場與邊界條件，選擇實際環(huán)境溫度為模型外部溫度，進行仿真試驗，分析試驗周期內（14 d）豬糞堆體、儲水箱以及模擬魚池的溫度變化和熱量傳遞過程。

2）物理場與邊界條件。仿真試驗幾何模型包含豬糞堆體、儲水箱、換熱管和模擬魚池，其各項物性參數見表1，豬糞堆體、儲水箱和模擬魚池的初始溫度分別為26.13、25.70、25.33℃，豬糞堆體為多孔介質，儲水箱與模擬魚池通過換熱管進行熱量傳遞，其中流體流速為0.769 m/s，屬于湍流，基于此模型的物理場選擇為多孔介質傳熱和湍流模型耦合。

小型試驗裝置中發(fā)酵裝置和模擬魚池的主體為保溫材料，其導熱系數較小，因此，在模型中，豬糞堆體與模擬魚池的邊界條件設置為熱絕緣，僅豬糞堆體底部設有通風口與外界環(huán)境進行熱量交換。

3）熱量計算方法及公式。據熱力學第一定律，模型的熱量平衡方程可表達為：Q積累=Q產生+Q輸入-Q輸出。該方程為模型熱量平衡的理論基礎。本研究中模型自身熱量源于微生物分解有機物產生的熱量[20]，輸入與輸出的熱量為進出口氣體攜帶的熱量以及反應器底部散失熱量，在此基礎上建立實際模型熱量平衡方程：

式（1）中：m為堆體質量，kg；c為堆體比熱容，kJ/（kg·℃），BVS為堆體可生物降解有機質質量，kg；Hci為各反應階段生化反應熱，kJ/kg；G1為進口氣體質量流量，kg/d；G0為出口氣體質量流量，kg/d；H1為進口氣體熱量大??；H0為出口氣體熱量大??；U為反應器傳熱系數，W/（m2·℃）；A為反應器傳熱面積，m2；T0為環(huán)境溫度，℃；T為堆體溫度，℃。

微生物降解有機質的速率使用Monod一級降解動力學方程描述[20]：

式（2）中：k為反應速率，d-1。

反應速率受溫度、含水率、氧氣濃度以及自由空域等因素的影響，其中溫度對反應速率的影響最大.因此，研究中主要考慮溫度對反應速率的影響，試驗周期內各反應階段溫度對反應速率的影響方程[21-22]為：

式（3）中：ks為快速反應階段溫度系數，取0.016 9；at+b為過渡階段溫度系數；a取-0.002 546；b取0.025 891；kf為慢速反應階段溫度系數，取0.002 9；T為堆體溫度，℃；t為反應時間，d。

由于堆肥過程分為快速降解階段、過渡階段以及慢速降解階段，每個階段起作用的微生物種類不同，因此，生化反應熱也是時間的函數[21-22]，試驗周期內各階段反應方程為：

式（4）中：t為反應時間，d。

1.4 驗證試驗

驗證試驗與仿真試驗條件一致，試驗周期為14 d，驗證試驗豬糞堆體物料總量為102.9 kg，儲水箱中水的質量為25.0 kg，模擬魚池中水的質量為24.0 kg，3組驗證試驗堆體的初始溫度分別為26.40、25.40、26.60℃，儲水箱的初始溫度分別為25.60、25.90、25.60℃，模擬魚池的初始溫度分別為25.20、25.80、25.0℃，驗證試驗數據與仿真實驗數據取值位置相同，試驗重復3次。

1）驗證試驗設計。將豬糞和秸稈以質量比10∶1均勻混合，混合后豬糞堆體置于發(fā)酵裝置進行發(fā)酵，試驗周期為14 d。驗證試驗需分別測量豬糞堆體、儲水箱和模擬魚池的溫度。豬糞堆體溫度測量點位于儲水箱上2 cm處，儲水箱與模擬魚池的溫度測量位于中心位置。在以上位置布置3個熱電偶溫度探頭，每4.8 h由測溫儀表讀取溫度。熱電偶溫度探頭為K型探頭（-50～1 300℃），測溫儀表為K型測溫儀。

2）數據分析。使用標準偏差S與相對標準偏差RSD來表示模擬值與實測值的吻合程度，分析多個驗證點的仿真值與實測值的不同。

2 結果與分析

2.1 幾何模型和網格劃分

仿真試驗幾何模型與網格模型如圖2所示，為提高仿真精度和仿真效率，幾何模型省去了保溫層和防護結構，保留了發(fā)酵裝置和換熱裝置，其余部分作壁面處理，換熱裝置包括儲水箱和模擬魚池，二者之間通過換熱管進行熱量交換。

圖2 幾何仿真模型（A）和仿真模型網格劃分（B）Fig 2Geometry simulation model（A）and meshing of simulation model（B）

2.2 豬糞堆體測量點溫度的模擬值和實測值

圖3為試驗周期內豬糞堆體測量點處溫度實測值與模擬值對比結果。試驗結果表明，豬糞堆體模擬值與實測值相對偏差較小，且模擬溫度與實測溫度變化趨勢一致，但豬糞堆體測量處溫度實測值與模擬值之間仍有一定的差距，這是因為實際試驗過程中，裝置密封性原因造成的。豬糞堆體第1天與第2天溫度持續(xù)上升并在第2天左右達到最大值，第3天到第9天溫度呈不斷降低的趨勢，第10天到第14天堆體溫度逐漸趨于穩(wěn)定，接近于環(huán)境溫度。整個過程模型溫度平均上升17.53℃，實際溫度平均上升14.94℃。

圖3 豬糞堆體測量點處溫度實測與模擬結果Fig.3 Temperature measurement and simulation results at the measurement point of the pig manure pile

2.3 儲水箱溫度的模擬值和實測值

圖4A表示試驗周期內儲水箱溫度實測值和模擬值對比結果。試驗結果顯示：儲水箱模擬溫度與實測溫度變化趨勢一致，但儲水箱溫度實測值與模擬值之間有一定的差距。這是因為儲水箱的熱量全部來自豬糞堆體，因此儲水箱的溫度變化受到豬糞堆體發(fā)酵的影響。儲水箱溫度前3 d持續(xù)上升并在第3天左右達到最大值，隨后溫度呈不斷降低的趨勢，在第11天左右溫度逐漸趨于穩(wěn)定。整個過程模型溫度平均上升16.86℃，實際溫度平均上升11.85℃。圖4B表示儲水箱吸收熱量實測值與模擬值對比結果，可知試驗周期內，儲水箱理論吸收熱量為1.23×108kJ，儲水箱實際吸收熱量為8.71×107kJ。

圖4 儲水箱溫度模擬值與實測值（A）和儲水箱熱量模擬值與實測值（B）Fig.4 Simulated and measured values of the temperature of the water storage tank（A）and heat value of water storage tank（B）

2.4 模擬魚池溫度的模擬值和實測值

圖5A表示試驗周期內模擬魚池溫度實測值和模擬值對比結果。試驗結果顯示：模擬魚池模型溫度與實測溫度變化趨勢一致，但模擬魚池溫度實測值與模擬值之間有一定的差距。這是因為一方面模擬魚池的熱量來自儲水箱，而儲水箱的實測值與模擬值存在一定的差距，另一方面試驗過程中儲水箱與模擬魚池之間通過換熱管進行熱量交換，造成部分熱量的損失。模擬魚池溫度前3 d持續(xù)上升并在第3天左右達到最大值，隨后溫度呈不斷降低的趨勢，在第11天左右溫度逐漸趨于穩(wěn)定。整個過程模型溫度平均上升13.55℃，實際溫度平均上升9.42℃。圖5B表示模擬魚池吸收熱量實測結果與模擬結果，由圖5B可知，試驗周期內，模擬魚池理論吸收熱量為9.56×107kJ，實際吸收熱量為6.65×107kJ。

圖5 模擬魚池溫度模擬值與實測值（A）和模擬魚池熱量模擬值與實測值（B）Fig.5 Simulated fish pond temperature simulated and measured values（A）and simulated fish pond heat simulation value and actual measured value（B）

3 討論

本研究基于實際試驗和計算流體力學軟件，研究利用豬糞好氧堆肥余熱輔熱養(yǎng)殖水體的熱量傳遞和溫度變化過程。仿真試驗結果表明：發(fā)酵周期內豬糞堆體平均溫度為43.66℃；儲水箱平均溫度為42.56℃；模擬魚池平均溫度38.88℃。利用小型試驗裝置開展驗證試驗，驗證試驗結果顯示：試驗周期內，豬糞堆體平均升溫14.94℃；儲水箱平均升溫11.85℃，實際吸收的熱量為8.71×107kJ；模擬魚池平均升溫9.42℃，實際吸收的熱量為6.65×107kJ。與Seki等[5]研究相比，本試驗模擬魚池升溫較高，是因為將儲水箱置于堆體中可提高換熱效率，模擬魚池升溫更為明顯。模擬結果與實測結果表明，豬糞好氧堆肥余熱可加熱養(yǎng)殖水體，使其升溫效果顯著，對于豬糞好氧堆肥余熱應用于水產養(yǎng)殖具有一定的理論價值和指導意義。由于模擬魚池與堆體分開放置，二者之間通過儲水箱與換熱管進行熱量傳遞，堆肥過程中產生的氣體及污染物并未對養(yǎng)殖水體造成影響。本研究主要研究實測結果與模擬結果變化趨勢是否相符合，在實際操作過程中，由于試驗裝置密封性較差以及試驗環(huán)境溫度的變化，實測溫度與模擬溫度產生一定偏差，這也是后續(xù)工作需改進的方向。本試驗利用豬糞堆肥余熱加熱養(yǎng)殖水體，其每天運行費用為0.06元，平均每天利用熱量為4.75×106kJ，而利用鍋爐供熱產生相同的熱量需0.14元，相較于鍋爐供熱，利用堆肥余熱供暖更加經濟環(huán)保。