周婷， 孫松林， 朱海英， 彭才望

（湖南農業(yè)大學機電工程學院，長沙 410128）

畜禽養(yǎng)殖中，生豬養(yǎng)殖及其養(yǎng)殖廢棄物的規(guī)模都比較大，生豬養(yǎng)殖廢棄物處理面臨的形勢非常嚴峻[1]。相對于傳統(tǒng)的豬糞通過堆肥、發(fā)酵或直接還田等處理方法，黑水虻生物轉化豬糞可有效降低豬糞累積程度、解決惡臭問題，2 周內豬糞堆積減少56%，豬糞殘渣中氮、磷、鉀含量分別降低55.1%、44.1%、52.5%，同時可有效降低大腸桿菌、獲得可作魚粉的高蛋白黑水虻幼蟲，成為豬糞資源化與肥料化利用的重要手段[2]。因黑水虻生物轉化豬糞工藝的差異，黑水虻生物轉化豬糞后有機肥含水率在40%~60%，經后期進一步的有機肥工藝處理，其具備抗植物病害的活性物質且肥效高，廣泛應用于牧草、果蔬種植業(yè)，可促進農作物生長發(fā)育與代謝過程[3]。近年來，國內外學者針對黑水虻幼蟲生長發(fā)育[4]、生物轉化效率[5]、重金屬遷移[6]、幼蟲營養(yǎng)價值及利用[7]、有機肥肥效與應用[3]等開展了大量研究，但是黑水虻生物轉化豬糞后的蟲沙有機肥流動特性及其黏結能力與含水率間的變化規(guī)律鮮有研究，導致機械設備設計缺乏基礎數據支撐。

本團隊前期針對黑水虻生物轉化豬糞后形成含水率為43.6%的蟲沙有機肥（簡稱“有機肥”）進行了接觸參數標定[8]，并在此基礎上設計了斗式取料機[9]、雙向螺旋集料裝置[10]，一定程度上實現了有機肥收集、提升與輸送。但是，試驗發(fā)現機械收集、輸送不同含水率（40%~60%）的有機肥過程中機械作業(yè)穩(wěn)定性與可靠性降低。有機肥流動性參數（內聚力、內摩擦角、接觸面的摩擦系數、表面能等）是衡量有機肥流動過程的重要指標[11]，但不同含水率有機肥顆粒黏結流動相關接觸參數難以通過常規(guī)測試方法量化獲得。目前，針對黏濕顆粒物料接觸參數難以獲取的問題，通過堆積角測定與離散元仿真試驗相結合的方法對黏重黑土[12]、蚯蚓糞[13-14]、豬糞[15]、一般有機肥[16]、土壤[17-18]等物料進行“虛擬標定”獲取物料參數，具有較強的可行性，為探究含水率對黑水虻生物轉化豬糞后的有機肥黏結流動影響提供了借鑒。

本研究以黑水虻生物轉化豬糞后的有機肥作為研究對象，對不同含水率的有機肥進行堆積角測定、離散元仿真及直剪試驗；通過Plackett-Burman Design、爬坡、Box-Burman Design 等試驗方法，建立堆積角數學模型，量化獲得不同含水率的有機肥流動特性參數，綜合分析含水率與堆積角之間的變化關系及其對有機肥黏結流動特性的影響，以期為黑水虻生物轉化豬糞后有機肥在收集、輸送、分離等不同階段的機械化作業(yè)提供有效的理論參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與堆積角測定

1.1.1 試驗材料 以黑水虻幼蟲生物轉化豬糞后形成的有機肥為試驗材料，取自湖南農業(yè)大學與湖南艾布魯環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竞谒悼蒲谢?。將新鮮豬糞中投放一定數量的4 日齡黑水虻幼蟲（料蟲質量比為8∶1），經過8~12 d 的生物轉化獲得有機肥原料，后期通過進一步的有機肥處理工藝（水分蒸發(fā)、蟲卵滅殺等），形成植物用有機肥。

試驗采用鹵素水分測定儀（HC-SFY001，±0.5%，上海花潮實業(yè)有限公司）測定不同處理工藝下的有機肥含水率，為40%~60%。結合實際生產中黑水虻生物轉化豬糞工藝條件，獲得5 組不同含水率有機肥樣品，分別為A1（41.21%）、A2（44.46%）、A3（51.37%）、A4（56.56%）、A5（60.52%）。含水率低于50%時，有機肥中大部分呈疏松狀的近似球體顆粒；含水率高于50%時，有機肥中出現部分黏結團狀顆粒塊。經篩分測量，粒徑分布范圍為1.4~2.8 mm，平均粒徑為2.0 mm。

1.1.2 有機肥堆積角測定 本試驗結合圓筒提升法測量有機肥堆積角[19]，試驗所用鋼質圓筒高120 mm、內徑40 mm，鋼質圓筒內填滿有機肥，利用 CMT5105 型萬能試驗機夾住鋼質圓筒并以0.03 m·s-1的速度向上提升，如圖1 所示，參照文獻[8]和[18]，用攝像機垂直拍照，照片導入計算機CAD 軟件中標注堆積角，分別測量5 組（A1~A5）不同含水率有機肥的堆積角，每組重復3 次，取平均值作為最后結果。

圖1 有機肥堆積試驗Fig. 1 Repose angle of organic fertilizer

1.2 仿真模型構建

含水率較高的有機肥顆粒之間或有機肥對接觸部件材料之間存在較大的粘附力[9-10]。本試驗選取EDEM 軟件中Hertz-Mindlin with JKR（Johnson-Kendall-Roberts）模型作為有機肥顆粒間接觸模型[8]，JKR 表面能可表征有機肥顆粒之間或顆粒與接觸部件材料之間的黏附力。在EDEM2.7軟件中建立圓筒堆積角的仿真試驗模型，圓筒內徑 40 mm、高120 mm，接料底板為200 mm×200 mm的方形鋼板。建立平均粒徑為2 mm 的球體模型，采用標準差為0.1 mm 的標準正態(tài)分布方式生成有機肥顆粒，顆粒模型粒徑變化范圍設置為滿足平均值，圓筒以0.03 m·s-1的速度垂直底板方向勻速提升，仿真模型如圖2 所示。有機肥的各個待標定參數如表1 所示，其他參數包括不銹鋼的泊松比為0.3[20]、剪切模量為7.9×1010Pa、密度為7 865 kg·m-3、重力加速度為9.81 m·s-2、仿真步長時間為瑞利時間的22%、數據保存間隔時間為0.01 s、仿真時間為5.5 s。

表1 離散元仿真標定參數Table 1 Parameters required for discrete element simulation

圖2 離散元仿真模型Fig.2 Discrete element simulation model

1.3 試驗方法

1.3.1 Plackett-Burman（PB）試驗設計 Plackett-Burman篩選試驗設計中10個待標定參數（T1~T10）均以1 和-1 形式分別代表各參數高低2 個水平，并選擇1個中心點，試驗次數共25次。

1.3.2 最陡爬坡試驗 將Plackett-Burman試驗得到的3 個顯著性參數有機肥-不銹鋼碰撞恢復系數、有機肥-不銹鋼靜摩擦系數和有機肥JKR 表面能進行最陡爬坡試驗，3 個顯著性參數均呈現正向效應，參數值按選定步長逐漸增加，其余對堆積角的影響不顯著的參數采用中間水平值。以3 個顯著性參數最低值為起點進行爬坡，并與含水率為41.21%和60.52%的有機肥堆積角試驗結果進行極端值驗證對比。

1.3.3 Box-Behnken（BB）試驗 根據最陡爬坡試驗結果，Box-Behnken Design 響應面分析試驗中的非顯著性參數選取表1 中所示中間水平值，有機肥-不銹鋼碰撞恢復系數為0.25~0.45，有機肥-不銹鋼靜摩擦系數為0.25~0.55，JKR表面能為0.20~0.50 J·m-2。選擇1 個中心點進行誤差估計，共進行15 次試驗，包括對中心點的3 次重復試驗。利用Minitab 軟件對試驗結果進行擬合，獲得回歸方程模型并進行分析。

1.4 有機肥直剪試驗方法

內摩擦角、抗剪強度等力學參數反映散體物料的摩擦特性[13]，是用于衡量物料內部顆粒克服自身阻力發(fā)生滾動、滑動、流動的重要參數。本試驗通過有機肥直剪試驗測量物料抗剪強度，獲得物料的內摩擦角，分析有機肥含水率與流動性之間的關系。試驗所用設備為河北路興安達儀器有限公司生產的BJZ型應變控制式直剪儀。

1.4.1 含水率測定 試驗用有機肥先進行過篩處理，去除雜物后，將其在遮陰條件下自然風干，使有機肥含水率緩慢下降，不定時取樣，用鹵素水分測定儀（HC-SFY001，±0.5%，上?；ǔ睂崢I(yè)有限公司）測定，獲得與物理堆積角試驗時相同含水率（含水率誤差為±2%）的有機肥。試驗采用樣品盒、電子天平（UTP313-4、精度為0.01 g）等儀器對不同粒度有機肥的含水率進行測試。測試過程如下：①對部分含水率較高呈現黏結團狀的有機肥顆粒，先通過攪拌桿打散團狀有機肥至粒徑為2~3 mm 的小顆粒。然后將有機肥放入干燥潔凈的樣品盒中，通過電子天平稱重，質量記為m1;②將盛放有機肥的樣品盒放到提前預熱好的鹵素水分測定儀中，采用自動干燥模式，設置干燥溫度為105 ℃，干燥率達到99%時自動停止干燥過程，有機肥烘干至沒有水分狀態(tài)，再將其放到電子天平上稱重，質量記為m2；③通過2次平行試驗計算獲得有機肥含水率(1-m2/m1)的均值，作為其最后的含水率測定值。

1.4.2 直剪試驗 針對不同含水率有機肥，分別用環(huán)刀切取4 個有機肥試樣。試驗前將配好的有機肥樣件置于直剪儀上下金屬盒之間，調整好有機肥試樣與垂直加壓框架的接觸距離，保證其接觸到位。

試驗開始，壓力和位移為0，設置垂直加壓分別為50、100、200、300 kPa，手輪轉速為4 r·min-1，使剪切速度控制在0.8 mm·min-1，直到有機肥試樣構件破裂為止，記錄應力的變化值。試驗采用4 個試樣為1 組，分別在不同的垂直法向壓力（σ）下，施加水平剪應力進行剪切，直至有機肥試樣受到剪切破壞，按照試驗要求加載4 種不同垂直壓力（σ），每組試驗重復3 次，分別得到剪切破壞時抗剪強度（τ），取平均值。根據庫倫定律進一步確定有機肥的抗剪強度參數，內摩擦角（φ）和內聚力（c）。不同垂直壓力下的抗剪強度參照下面公式計算。

式中，τ為有機肥的抗剪強度，kPa；C 為測力計率定系數，166.7 kPa·mm-1；R為測力計量表讀數，精度為0.01 mm。

以垂直壓力（σ）為橫坐標，以抗剪強度τ為縱坐標，根據試驗測得點（σ，τ），繪制τ-σ關系曲線，其擬合直線的傾角為有機肥的內摩擦角φ，直線在縱軸上的截距為有機肥的內聚力c。泊松比計算公式如下。

式中，v為有機肥顆粒的近似泊松比，K0為側壓力系數，無量綱，根據式（2），可由內摩擦角φ求得有機肥的近似泊松比。

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman（PB）試驗結果與分析

不同參數在不同水平組合下測定的堆積角值如表2 所示。方差分析結果（表3）表明，有機肥-不銹鋼碰撞恢復系數、有機肥-不銹鋼靜摩擦系數、有機肥的JKR表面能顯著影響有機肥堆積角。對有機肥堆積角的影響程度依次為：有機肥JKR表面能>有機肥-不銹鋼靜摩擦系數>有機肥-不銹鋼碰撞恢復系數，且3 個顯著性參數與有機肥堆積角均呈正相關，有機肥堆積角隨3 個顯著性參數的增大而增大。其中，JKR 表面能是用于衡量有機肥顆粒間接觸表面黏結能力的重要數值指標[15,21-22]，有機肥的運動狀態(tài)主要取決于顆粒之間表面的黏附能力大小。

表2 PB篩選試驗結果Table 2 Pile angle result of Plackett-Burman design

表3 PB篩選試驗方差分析Table 3 Analysis of variance of Plackett-Burman design

2.2 最陡爬坡試驗結果與分析

從表4可以看出，2組堆積角仿真試驗與物理試驗相對誤差先變小后變大，且在3 號試驗組的相對誤差均最小。因此，最陡爬坡試驗可快速逼近最優(yōu)參數區(qū)域，試驗最優(yōu)值區(qū)間位于3 號組附近，選取3 號組試驗的3 個因素值作為中心點，2號、4號試驗3個因素值分別為低、高水平進行后續(xù)響應面設計。

表4 最陡爬坡試驗結果Table 4 Results of steep climbing test

2.3 Box-Behnken（BB）試驗結果與分析

根據PB試驗結果及最陡爬坡試驗結果，重新選取各參數的水平值，進行三因素三水平中心組合試驗，試驗結果如表5所示。對表5試驗結果進行擬合分析，獲得堆積角與3 個顯著性參數間的二次多項式回歸方程如下。

表5 Box-Behnken Design方案及結果Table 5 Scheme and results of Box-Behnken design

該回歸模型方差分析結果如表6 所示，在給定的試驗因素水平范圍內，T8（有機肥-不銹鋼靜摩擦系數）、T10（有機肥JKR 表面能）對堆積角影響極顯著；T7（有機肥-不銹鋼碰撞恢復系數）對堆積角影響不顯著；T82對堆積角影響極顯著，T8T10對堆積角影響顯著，其余對堆積角影響不顯著。模型決定系數R2=0.976 9，與實際數據的擬合程度高；模型的P=0.001，說明該堆積角回歸模型因變量與自變量之間的關系表現為極顯著；失擬項P=0.479，表明方程擬合良好。因此，可通過堆積角結果，反推導有機肥物料的有機肥-不銹鋼碰撞恢復系數、有機肥-不銹鋼靜摩擦系數、有機肥JKR 表面能，從而進一步推導出不同含水率有機肥的接觸參數。

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

為驗證模型的有效性，對不同含水率有機肥堆積角進行試驗驗證，結果如表7所示。由表7可知，不同含水率(41.21%~60.52%)有機肥物理與仿真堆積角試驗的相對誤差均在5%以內，吻合結果較好。有機肥的JKR表面能隨含水率的增加而不斷增大，JKR 表面能對堆積角影響極其顯著，其主要原因是有機肥顆粒為表面非圓滑顆粒，隨著含水率的增加，導致有機肥顆粒表面黏附性能提高，發(fā)生顆粒團聚現象，表現出其表面能隨含水率的增加而提高；有機肥-不銹鋼靜摩擦系數先增大后減小，在含水率為56.56%時有機肥顆粒與不銹鋼靜摩擦系數達到最大值，為0.39，此后隨含水率的繼續(xù)增大，其靜摩擦系數迅速減小，其主要原因是有機肥含水率由小增大的過程中，有機肥中越來越多的弱結合水逐漸在強結合水外圍吸附，有機肥顆粒外圍結合水分子數量增加，因此，加大了有機肥與不銹鋼之間的靜摩擦系數。但是，當含水率超過56.56%，有機肥顆粒間的弱結合水逐漸形成較厚的結合水膜，顆粒間距增大，尤其是在結合水膜厚度增大到一定程度時，可起到潤滑作用，使有機肥與不銹鋼之間的靜摩擦系數減小。

表7 模型驗證試驗結果Table 7 Model verification test results

2.4 含水率與有機肥堆積角關系分析

有機肥的堆積角隨含水率的增加而增加，與一般散體物料的研究結果相似[14,23]。不同含水率（41.21%~60.52%）有機肥的堆積角變化如圖3 所示，根據實際有機肥含水率與堆積角的變化關系，含水率降低時，堆積角減小的速率呈放緩趨勢。本研究分別采用多項式方程與線性方程對散點圖進行擬合，得到有機肥物料的堆積角（y，°）和有機肥物料的含水率（x，%）關系的數學模型如下所示。

圖3 有機肥含水率與堆積角的關系曲線Fig. 3 Relationship between water content and physical accumulation angle of organic fertilizer

擬合方程（4）和（5）的擬合度都相對較高，通過對比圖3中測量點誤差范圍與趨勢，可知多項式方程（4）更符合含水率與堆積角兩者之間的變化趨勢。因此，可通過測量有機肥的含水率，并進一步利用式（5）計算預測得到有機肥的堆積角。

2.5 有機肥黏結流動分析

通過直剪試驗得到的不同含水率有機肥法向應力-抗剪強度（τ-σ）關系曲線如圖4 所示。在50~300 kPa 的法向應力下發(fā)生剪切破壞，不同含水率的有機肥τ-σ 關系擬合直線的回歸方程決定系數R2均在0.96 以上，線性關系較好。從圖4 分析和式（1）計算可知，有機肥內聚力和內摩擦角隨含水率的增大而減小，主要原因是受有機肥顆粒間的摩擦和咬合作用影響，含水率的增加使有機肥顆粒間的結合水膜變厚，顆粒間的間距不斷增大，顆粒間的吸引力和摩擦作用減弱，其相互膠結作用受到破壞。同時，根據式（2），通過側壓力系數Ko，計算獲得A1～A5組有機肥的平均泊松比分別為0.33、0.35、0.38、0.40、0.44。

圖4 不同含水率有機肥法向應力-抗剪強度關系Fig. 4 Relationship between normal stress and shear strength of organic fertilizers with different moisture content

通過直剪試驗得到有機肥內聚力和內摩擦角與不同含水率的關系如圖5 所示，有機肥內聚力隨含水率的增加先減小后增大，內摩擦角隨含水率的增加而減小，主要原因是有機肥內聚力主要受顆粒間相互吸引力作用影響，內摩擦角主要受顆粒間的摩擦作用影響；有機肥中水分主要起潤滑與黏合作用，當含水率遠小于40%時，因有機肥顆粒間的水分缺乏，顆粒間潤滑作用減弱，此時內聚力較低，摩擦效應較強而導致內摩擦角較大；當含水率逼近40%時，有機肥顆粒間可能存在“咬合關系”最強的某空間位置，此時，有機肥抗剪強度指標內聚力和內摩擦角值均較高或處于減小趨勢中；隨著含水率增大并大于40%時，有機肥顆粒間因水膜的聯(lián)結作用增強而導致顆粒間孔隙增多，有機肥顆粒間的關聯(lián)性降低，有機肥顆粒間的內摩擦角不斷減小，而內聚力因顆粒間表面能的增大而增大，易發(fā)生黏結團聚，一定程度上阻礙有機肥的翻滾運動。

圖5 不同含水率有機肥的內聚力和內摩擦角的變化曲線Fig. 5 Variation curve of cohesion and internal friction angle of organic fertilizer with different moisture content

3 討論

黑水虻生物轉化豬糞是畜禽廢棄物資源化利用研究的熱點方向之一，針對黑水虻生物轉化豬糞后的有機肥含水率處于40%~60%，而不同含水率有機肥的物理接觸參數及其流動特性并不清晰，導致機械設備開發(fā)缺乏對應的基礎數據支撐。因此，方便、準確獲得不同含水率的黑水虻生物轉化豬糞有機肥仿真參數及流動特性具有重要意義。與其他已有研究僅對單一含水率的物料進行參數標定相比，本文應用堆積角測定與離散元仿真試驗相結合的方法，量化不同含水率有機肥流動性參數指標并進行驗證分析，比較全面的分析了顯著影響有機肥顆粒堆積角的因素，對比驗證試驗相對誤差在5%以內，試驗結果較為理想，為后續(xù)試驗提供了基礎數據支撐；建立了含水率與堆積角之間的數學模型，并采用多項式擬合模型獲得了相對更高擬合精度，可及時準確地對有機肥堆積角進行預測，有利于進一步推導物料其他接觸參數；本研究進一步通過有機肥直剪試驗反映了有機肥含水率與內聚力、內摩擦角之間的關聯(lián)，研究結果為機械收集、轉移、輸送不同含水率有機肥提供了有效的基礎數據。總體來說，本研究以黑水虻生物轉化豬糞后的有機肥為研究對象，獲得了不同含水率與堆積角之間的變化關系及其對有機肥黏結流動特性的影響規(guī)律，為后續(xù)設備開發(fā)與試驗提供了基礎數據支撐。