牛糞發(fā)酵原料流變特性與表觀粘度研究

朱坤展，劉建禹，趙　欣，賀佳貝，杜　越

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱　150030)

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牛糞發(fā)酵原料流變特性與表觀粘度研究

朱坤展，劉建禹，趙欣，賀佳貝，杜越

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱150030)

摘要：由于牛糞發(fā)酵原料的流變特性和表觀粘度對其在管道運輸、混合及熱交換等厭氧發(fā)酵過程中均有重要影響，因此對其流變特性和表觀粘度的研究具有重要意義。為此，利用旋轉粘度計測定了不同含固率(TS)、溫度條件下的牛糞發(fā)酵原料的表觀粘度，并分析牛糞發(fā)酵原料TS、溫度對其流變特性的影響，以及TS、溫度、轉速與其表觀粘度的關系。結果表明：牛糞為假塑性流體且符合冪率方程。同一剪切速率下，隨著溫度的升高，其表觀粘度呈下降的趨勢；同一溫度下，隨著剪切速率的增大，表觀粘度減小；在同一剪切速率、同一溫度下，表觀粘度隨其TS的增大而增大。此研究為牛糞在厭氧發(fā)酵過程的工藝設計及熱交換等提供了重要依據(jù)。

關鍵詞：牛糞；發(fā)酵原料；流變特性；表觀粘度

0引言

牛糞發(fā)酵原料流變參數(shù)的確定在厭氧發(fā)酵裝置的設計和運行中起著重要的作用。當牛糞表觀粘度變化時，將影響發(fā)酵氣體溢出時的效率。在原料的管道輸送、攪拌、混合及熱交換等厭氧發(fā)酵過程設計中，必須清楚原料的流體類型，計算出原料的流變參數(shù)，才能對厭氧消化、特別是高濃度物料厭氧發(fā)酵進行合理的工藝設計，以及設備選用與開發(fā)。此外，原料的流變特性也是厭氧發(fā)酵的工藝控制的重要依據(jù)[1-8]。

國內(nèi)以牛糞為原料的沼氣工程中，普遍以中溫厭氧發(fā)酵為主，而國內(nèi)外并無對牛糞流變特性做深入研究。劉刈[9]等研究了包括牛糞在內(nèi)的幾種畜禽養(yǎng)殖場廢棄物懸浮分散系的流變特性，分析了物料濃度、溫度和發(fā)酵時間等因素的影響。李剛[10]等人研究了牛糞厭氧發(fā)酵過程中的分層流變特性，分析了牛糞在厭氧發(fā)酵過程中反應器中上層、中層和下層料液的表觀粘度隨發(fā)酵時間的變化而具有的趨勢特征。上述研究未能具體地分析牛糞發(fā)酵原料TS、溫度對其流變特性的影響，以及TS、溫度、剪切速率與其表觀粘度的關系。本文更為具體地分析牛糞發(fā)酵原料TS、溫度對其流變特性的影響，以及TS、溫度、剪切速率與其表觀粘度的關系，從而為厭氧發(fā)酵的工藝控制提供重要依據(jù)。

1實驗材料與方法

1.1　實驗材料

實驗材料取自黑龍江省哈爾濱良種奶牛繁育中心奶牛養(yǎng)殖場的新鮮牛糞，將取回的新鮮牛糞放置于冰箱保鮮層冷藏。由于糞便中含有少許雜草等物質(zhì)，加蒸餾水稀釋后，利用網(wǎng)孔為1cm3的鐵絲網(wǎng)篩除雜質(zhì)，得到較為干凈的新鮮牛糞。根據(jù)TS的測量方法對多組牛糞平行樣進行測定，得到未經(jīng)稀釋的新鮮牛糞TS為12.90%。

實驗儀器為NDJ-9S數(shù)字顯示粘度計(上海平軒科學儀器有限公司)。本儀器用于測量牛頓流體和非牛頓流體的表觀粘度，轉子規(guī)格：1～4號轉子選配0號轉子可測低粘度至0.1mPa·s，轉子轉速為6、12、30、60r/min。

1.2　實驗方法

為了不改變牛糞的流變特性，使用蒸餾水稀釋出不同TS的混合液裝于1 000mL的燒杯中，各個樣品的TS分別為4%、6%、8%、10%，將樣品經(jīng)過攪拌使其糊化。由于牛糞發(fā)酵液的流體稠度系數(shù)較高，在濃度大于10%時，隨著旋轉黏度計轉子的旋轉，在轉子與原料的接觸面形成一個滑移層，此層內(nèi)的物料只隨轉子旋轉而產(chǎn)生滑移，并未產(chǎn)生剪切，這樣就使得黏度的測量無法進行，所以牛糞的黏度測量濃度不高于10%[9]。

采用NDJ-9S數(shù)字顯示粘度計測量不同TS(4%、6%、8%、10%)下不同溫度(15、20、25、30、35、40、45、50、55℃)的表觀粘度，其轉速分別為6、12、30、60r/min，每組表觀粘度數(shù)據(jù)測量4次，取其算術平均值。

2實驗結果

2.1　牛糞的流變特性

一些學者試驗測得糞便厭氧發(fā)酵的黏度都在50 000mPa·s以下，所以說牛糞厭氧發(fā)酵中的攪拌混合過程都是處于低黏度條件[11]。

畜禽養(yǎng)殖場的廢棄物懸浮分散體系大多為非牛頓流體，可以使用冪率方程來描述其流變特性[12]。

lnη=(n-1)·ln4πN+lnK-n·lnn

(1)

其中，η為表觀粘度(Pa·s)；N為轉速(r/s)；K為流體稠度系數(shù)(Pa·sn)；n為流體流變指數(shù)，無因次。

稠度系數(shù)K是液體粘稠度的度量(Pa·sn)，稠度系數(shù)越大，液體越黏稠。液體流變指數(shù)是衡量實際流體與牛頓流體相似程度的指標，流變指數(shù)越小，剪切越易變稀，假塑料性程度越大；反之，越接近于牛頓流體。

2.2　TS對流變特性的影響

在以牛糞為原料的厭氧發(fā)酵過程中，低溫發(fā)酵溫度為15℃，中溫溫度發(fā)酵溫度為35℃，高溫發(fā)酵溫度為55℃。根據(jù)測得數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得出TS為4%、6%、8%、10%及牛糞發(fā)酵原料在15、35、55℃時的流變指數(shù)n和稠度系數(shù)K，如表1～表3所示。

表1　牛糞發(fā)酵原料在TS為4%、6%、8%、10%時的

表2　牛糞發(fā)酵原料在TS為4%、6%、8%、10%時的

續(xù)表2

表3　牛糞發(fā)酵原料在TS為4%、6%、8%、10%時的

從表1～3中可以看出：在相同溫度下，隨著牛糞發(fā)酵原料TS的增大，其流變指數(shù)呈減小趨勢。這表明：隨著TS的增大，牛糞的流變特性偏離牛頓流體的程度增大；TS越小，牛糞的流變特性越接近于牛頓流體。由冪率方程得出：牛糞發(fā)酵原料的流變指數(shù)都小于1，且為假塑性流體。在相同溫度下，隨著TS的增大，稠度系數(shù)也逐漸增大，表明隨著TS的增大，牛糞越黏稠。

2.3　溫度對流變特性的影響

液體的流變指數(shù)可以反映其與牛頓流體的相似程度。當液體的流變指數(shù)越接近于1時，說明液體越接近于牛頓流體；反之，其假塑性程度越大。稠度系數(shù)只反映液體的黏稠程度。

在牛糞TS為4%、6%、8%、10%時，不同溫度下的流變指數(shù)的變化如圖1所示。

圖1　不同溫度下牛糞發(fā)酵原料流變指數(shù)(n)變化

從圖1中可以看出：隨著溫度的升高，牛糞的流變指數(shù)也逐漸增大；TS為6%、10%時，其流變指數(shù)隨溫度的升高變化較為顯著，隨后趨于平緩；TS為4%、8%時，其流變指數(shù)隨溫度的升高變化較為緩慢。牛糞發(fā)酵原料TS為4%時，隨著溫度的升高，流變指數(shù)(n)越來越接于1，表明了牛糞典型的假塑性特征。

牛糞發(fā)酵原料在TS為4%、6%、8%、10%，不同溫度條件下為假塑性流體，造成其呈現(xiàn)明顯的假塑性流體的性質(zhì)的原因可能是在動物的糞便中存在一些沒有徹底消化的大分子物質(zhì)，如纖維素等。這些大分子物質(zhì)的存在會使原料在受到剪切后發(fā)生分子的重排，分子趨向與流動方向一致，流動阻力下降，從而使表觀黏度在剪切速率增大時減小[13]。

2.4　溫度與表觀粘度的關系

表觀粘度變化趨勢通常符合一次函數(shù)模型η=At+B。其中，η為表觀粘度(Pa·s)；t為溫度(℃)。

不同溫度牛糞發(fā)酵原料的表現(xiàn)粘度η變化如圖2所示。由圖2可以看出：TS為8%時，在同一剪切速率下，隨著溫度的升高，牛糞發(fā)酵原料的表觀粘度呈下降的趨勢；轉速越低，表觀粘度下降的幅度越大，表觀粘度受溫度影響敏感。在同一溫度下，剪切速率越小，其表觀粘度越大。

圖2　不同溫度牛糞發(fā)酵原料的表觀粘度(η)變化(TS=8%)

2.5　轉速、TS與表觀粘度的關系

在溫度分別為15、35、55℃這3種情況下，對不同TS(4%、6%、8%、10%)的牛糞進行其表觀粘度的測量，測量結果如圖3所示。

由圖3可知：同一溫度下，隨著剪切速率的增大，所測量的表觀粘度減??；在低剪切速率范圍內(nèi)，牛糞表觀粘度減小的速度很快且幅度很大；在高剪切速率范圍內(nèi)則變化幅度并不大；在同一轉速、同一溫度下，表觀粘度隨TS的增大而增大，隨TS的減小而減小。

圖3　不同轉速下牛糞發(fā)酵原料的表觀粘度化

3結論

1)在相同溫度下，隨著牛糞發(fā)酵原料TS的增大，其流變指數(shù)呈減小趨勢，稠度系數(shù)逐漸增大。這表明：隨著TS的增大，牛糞的流變特性偏離牛頓流體的程度就越大；TS越小，牛糞的流變特性越接近于牛頓流體。

2)隨著溫度的升高，牛糞的流變指數(shù)也逐漸增大。牛糞發(fā)酵原料TS為4%時，隨著溫度的升高，流變指數(shù)越來越接于1，表明了牛糞典型的假塑性特征。

3)在同一剪切速率下，隨著溫度的升高，牛糞發(fā)酵原料的表觀粘度呈下降的趨勢；轉速越低，表觀粘度下降的幅度越大。在同一溫度下，剪切速率越小，其表觀粘度越大。

4)同一溫度下，隨著粘度計轉速的增大，所測量的表觀粘度而減小。在同一轉速、同一溫度下，表觀粘度隨TS的增大而增大，隨TS的減小而減小。

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Rheological Properties and Apparent Viscosity Research of Cow Dung Fermentation Raw Material Research

Zhu Kunzhan, Liu Jianyu, Zhao Xin, He Jiabei, Du Yue

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Since rheological properties and apparent viscosity of cow dung fermentation feedstock have an important effect on the cow dung transport, mixing, heat exchange and so the process in the pipeline of anaerobic fermentation process, Therefore it has important implications for the study of rheological properties and the apparent viscosity of cow dung fermentation feedstock. Using Rotational viscometer measured the apparent viscosity of cow dung fermentation feedstock under different solid content and temperature conditions, analysis the effect of cow dung fermentation materials TS and temperature to Rheological properties, and the relationship between TS, temperature, speed and their apparent viscosity.The results indicated that cow dung behaved like pseudo plastic fluid and followed the power law model．With the increasing temperature, apparent viscosity showed a downward trend at the same shear rate; with the increase in shear rate, apparent viscosity showed a decreasing trend at the temperature; apparent viscosity increases with the increase of its TS at the same shear rate and temperature. This study provides an important basis for the technological design and heat exchange in anaerobic fermentation of cow dung process.

Key words：cow dung; fermentation raw material; rheological properties; apparent viscosity

中圖分類號：S216.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0260-04

作者簡介：朱坤展(1988-),男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)zhkzh1022@163.com。通訊作者：劉建禹(1965-),男，哈爾濱人，教授，碩士生導師，(E-mail)liujy@neau.cn。

基金項目：黑龍江省科技攻關項目(GA09B503-1)

收稿日期：2015-12-22