蛆糞顆粒群物理參數(shù)與剪切強度的關系

徐莉 楊啟志 張婧 杜廣雨 黃冠龍

摘要：為了確定蛆糞顆粒群在EDEM軟件中建模的物理參數(shù)，擬研究蛆糞顆粒群的形貌結構、不同大小等級主要形狀顆粒的組成比重、不同含水率蛆糞顆粒群的密度和剪切強度。將蛆糞原料干燥后除雜，并分為3個部分，依次測定含水率，分析并計算各形貌結構和比重，通過噴灑的方式加水得到不同含水率的蛆糞顆粒群并計算密度，測量其剪切強度，最后分析、比較蛆糞顆粒群的垂直壓力、含水率與剪切強度的關系。結果表明，蛆糞顆粒群可分為4個大小等級，多為球狀、條狀、片狀、塊狀，各級顆粒群所占比重由小到大分別為1.3%、3.7%、43.0%、52.0%;用離散元仿真軟件建立各級顆粒群主要形狀結構的蛆糞顆粒模型;當含水率為30%、40%、50%、60%時，蛆糞顆粒群的平均密度分別為0.36、0.39、0.41、0.43 g/cm3;蛆糞的剪切強度與垂直壓力成正比，與含水率成反比。

關鍵詞：蛆糞顆粒群;剪切強度;形貌結構;比重;含水率;密度;仿真模型

中圖分類號： S23?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0248-03

近年來，為了滿足人們日益增長的對肉食類產品的需求，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)得到了迅速發(fā)展，其中養(yǎng)豬行業(yè)已經成為我國最重要的行業(yè)之一。雖然畜禽養(yǎng)殖帶來了可觀的經濟效益，但是也生產了大量畜禽糞便，并且畜禽糞便目前已經成為環(huán)境污染的主要污染源和危害人體健康的重要影響因素[1-5]。蠅蛆作為處理大量畜禽糞便的較為環(huán)保的有效生物，不僅緩解了畜禽糞便對環(huán)境的破壞，而且人們飼養(yǎng)的蠅蛆經過處理后可作為我國飼養(yǎng)行業(yè)的蛋白飼料，此外，蠅蛆吃過的畜禽糞便與蠅蛆糞便的混合物稱為蛆糞，蛆糞作為農業(yè)肥料的效果比畜禽糞便好[6-11]。但是，農業(yè)物料的篩分一直以來都是農業(yè)生產的難題，由于缺少快速可控的蛆糞與蠅蛆的分離技術，利用蠅蛆養(yǎng)殖的方式處理畜禽糞便的措施并沒有得到快速發(fā)展。筆者所在課題組已有的研究表明，利用并聯(lián)振動篩篩分蛆糞與蠅蛆的技術能夠實現(xiàn)蛆糞與蠅蛆的快速分離，為了確定合理的并聯(lián)振動篩篩分參數(shù)，需要在EDEM軟件中對蛆糞進行顆粒建模，對其篩分過程進行仿真分析[12-13]。

相關研究表明，蛆糞和蠅蛆在并聯(lián)振動篩上進行篩分時，蛆糞同時受到篩框和蠅蛆作用力的影響，其顆粒位置容易發(fā)生變化，或者顆粒本身產生變形甚至破碎，因此需要測量蛆糞顆粒群的抗剪強度[14]。為了建立更加符合實際的EDEM仿真蛆糞顆粒模型，必須了解蛆糞顆粒的外貌結構和密度。但是，目前關于蛆糞顆粒相關參數(shù)的研究在國內外還未見報道。本研究擬采用電熱恒溫鼓風干燥箱烘干蛆糞顆粒群到一定程度，進行去雜處理，將部分去雜后的蛆糞顆粒群取出，放在干燥箱中繼續(xù)烘干至恒質量，計算含水率;將部分去雜后的蛆糞顆粒群用圓孔篩進行大小等級篩分，通過電子天平計算分析各個等級蛆糞顆粒群占對應試樣部分的百分比，并用CCD相機拍下各個等級蛆糞顆粒群的外貌形態(tài)，給出蛆糞顆粒群在EDEM軟件中建模的實例;將最后一部分去雜后的蛆糞顆粒群分為4份，進行不同含水率的配制，并計算各個含水率蛆糞顆粒群的密度，測定剪切強度，通過試驗數(shù)據(jù)分析蛆糞顆粒群的垂直壓力、含水率與剪切強度的關系。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

本試驗所用材料為蛆糞顆粒，來源于鄭州建國養(yǎng)殖廠飼養(yǎng)4 d的蠅蛆及其飼養(yǎng)物料混合物，該混合物中不僅含有豬糞和蠅蛆糞，還有少數(shù)秸稈、樹枝、塑料袋等雜物。筆者所在課題組提出的蛆料分離多維振動篩篩分的對象是去除雜物后的蠅蛆和不同等級蛆糞的混合物，其中蛆糞是豬糞和蠅蛆糞的統(tǒng)稱。

1.2?試驗時間與地點

本試驗于2017年11月20日至2018年1月6日在江蘇大學土木工程中心實驗室完成。

1.3?試驗方法

先將蛆糞顆粒群在105 ℃烘干4 h，進行雜物清理后，從中取出1 kg試樣，將孔徑分別為0.25、0.50、1.00 mm的圓篩按照篩孔從小到大的順序自下而上地擺放整齊，將蛆糞顆粒群試樣倒入最上層土壤篩中，并通過順時針或逆時針的方式篩動圓孔篩15 min左右，依次稱取各級圓孔篩上的蛆糞顆粒群（粒徑分別為0～0.25、0.25～0.50、0.50～1.00、≥100 mm）質量，并計算其百分比，最后用CCD相機觀測各級圓孔篩上的蛆糞顆粒群，即可獲得4種不同等級蛆糞顆粒群的形貌和比重。

用電熱恒溫鼓風干燥箱將30 g進行雜物清理后的蛆糞顆粒群小試樣烘干至恒質量，將烘箱內的溫度調節(jié)至105 ℃，根據(jù)計算公式得到蛆糞顆粒群小試樣的含水率，通過噴灑方式得到4種蛆糞顆粒群試樣的所需含水率。用容積為 59.962 cm3 的環(huán)刀取不同含水率的蛆糞顆粒群試樣各3個，用精度為0.01 g的電子天平分別稱取各個環(huán)刀和裝有蛆糞顆粒群試樣環(huán)刀的質量，計算得到不同含水率蛆糞顆粒群試樣的密度。采用南京土壤儀器有限公司生產的ZJ型應變控制式直剪儀（長、寬、高分別為93、55、115 cm）通過快剪的試驗方法分別對其施加100、200、300、400 kPa的垂直應力，直至蛆糞試樣被破壞，記錄量力環(huán)讀數(shù)并計算不同含水率的蛆糞在不同應力下的剪切應力。

2?結果與分析

2.1?形貌和比重分析

由圖1可知，不同大小等級蛆糞顆粒群的主要顆粒形狀并不相同，顆粒群等級越低，顆粒形狀越簡單。粒徑為0～0.25 mm 的蛆糞顆粒多為條狀;粒徑為0.25～0.50 mm的蛆糞顆粒多為球狀、片狀;粒徑為0.50～1.00 mm的蛆糞顆粒多為片狀、復雜團狀;粒徑≥1.00 mm的蛆糞顆粒多為塊狀。不同大小等級蛆糞顆粒群的主要顆粒結構與EDEM模型如圖2所示，第1種為條狀顆粒及其模型，因條狀顆粒的長度明顯大于蛆糞顆粒的寬和高，因此這種類型的顆粒模型由5個球形線性組合而成;第2種為團狀顆粒及其模型，這種類型的顆粒形狀最簡單，用單個球形代替即可;第3種為片狀顆粒及其模型，用4個球形排列為平行四邊形，作為其仿真顆粒模型;第4種為塊狀顆粒及其模型，用4個球形組合為六面體，代表其仿真顆粒模型。

進一步分析計算表明，蛆糞顆粒群的等級越高，占總體的比例越高。粒徑為0～0.25 mm的蛆糞顆粒所占比重為 1.3%;粒徑為0.25～0.50 mm的蛆糞顆粒所占比重為 3.7%;粒徑為0.50～1.00 mm的蛆糞顆粒所占比重為 43.0%;粒徑≥1.00 mm的蛆糞顆粒所占比重為52.0%。具體試驗結果如表1所示。

2.2?含水率

含水率的計算公式：ω=m1/（m1+m2）×100%。式中：m1、m2分別為3組蛆糞顆粒群小試樣中的水質量（g）、干蛆糞質量（g）。2組蛆糞顆粒群小試樣的含水率見表2。

通過噴灑的方式得到4種蛆糞顆粒群各3組試樣的含水率（表3），4種蛆糞顆粒群的含水率分別取30%（編號1～3）、40%（編號4～6）、50%（編號7～9）、60%（編號10～12）。

2.3?密度

密度的計算公式：λ=mV。式中：λ為蛆糞密度，g/cm3;m為蛆糞質量，g;V為環(huán)刀容積，m3。計算4種含水率蛆糞顆粒群各3組試樣的密度。從表4可以看出，隨著含水率的逐級提高，蛆糞顆粒群的密度呈現(xiàn)增大趨勢。含水率為30%、40%、50%、60%的蛆糞顆粒群的密度分別取其平均值0.36、0.39、0.41、0.43 g/cm3。

2.4?剪切強度

剪切強度的計算公式：τ=cR。式中：τ為剪切強度，kPa;c為量力環(huán)校正系數(shù)，c=1.802;R為量力環(huán)讀數(shù)，mm。計算不同含水率蛆糞顆粒群的剪切強度，結果如表5所示。分別以含水率、剪切強度為橫、縱坐標，得到蛆糞顆粒群的剪切強度與垂直應力、含水率的關系曲線（圖3）。由試驗數(shù)據(jù)和圖3可以看出，蛆糞的剪切強度隨著垂直應力的增加而增大，隨著含水率的提高而減小。

3?討論與結論

近年來，我國養(yǎng)豬業(yè)迅速興起，逐漸形成的規(guī)模集約化的生產模式帶來了大量豬糞污染物，這些污染物未經處理便隨意排放，加速了生態(tài)環(huán)境的惡化程度[1-5]。目前，針對畜禽糞便的處理方式主要以直接返田、制作肥料、制作燃氣能源以及制作蠅蛆培養(yǎng)料為主，其中通過蠅蛆養(yǎng)殖處理畜禽糞便的途徑具有諸多優(yōu)勢，但是蛆糞與成熟蠅蛆分離的研究仍是一個難點[6-11]。筆者所在課題組提出，利用三維并聯(lián)振動篩能夠實現(xiàn)蛆糞與成熟蠅蛆分離的快速性與可控性，但是試驗物料參數(shù)皆為參考數(shù)據(jù)，為了展現(xiàn)實際物料的性能，必須進行參數(shù)的測量才能進行下一步研究[12]。

本研究結合使用CCD相機和電子天平得到不同等級蛆糞顆粒群的外貌形態(tài)，并且分析出不同等級蛆糞顆粒群的比重，利用噴灑的方式得到4種含水率的蛆糞顆粒群，通過計算得到不同含水率蛆糞顆粒群的密度，結論如下：蛆糞顆粒群分為4個大小等級，各級蛆糞顆粒形狀復雜多樣，但每個等級的蛆糞顆粒群的主要顆粒形狀可以看成1或2種，且顆粒越大，形狀越復雜，占總體的比重越高;蛆糞顆粒群的密度較小，受到含水率提高的影響而小幅度地增大，蛆糞為松軟的顆粒狀物質;蛆糞的剪切強度與垂直壓力之間存在正比關系;蛆糞的剪切強度與含水率存在反比關系。

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