雞糞接種污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵過(guò)程中的流變特性研究

牛耕蕪，倪 哲

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，呼和浩特010018；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

雞糞中含有大量有機(jī)物，處置不當(dāng)會(huì)污染環(huán)境，其中含有的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)其厭氧發(fā)酵是一種變廢為寶的重要方法[1]。而物料的流變特性對(duì)厭氧消化單元中傳質(zhì)、傳熱、攪拌和物料輸送等有重要意義[2-3]。因此，研究雞糞的流變特性對(duì)于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型高效的厭氧消化設(shè)備有重要意義。目前對(duì)于厭氧消化原料流變特性的研究，主要集中于污泥和少數(shù)幾種禽畜糞便。污泥懸濁液，一般都屬于低黏度(＜50000mP·s[4])非牛頓流體[6]。污泥的成分、結(jié)構(gòu)[6-7]、絮體強(qiáng)度、粒徑大小、表面電荷、溫度[8-10]、微生物胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的濃度[11-13]及污泥的調(diào)理[14-16]等都會(huì)對(duì)其流變特性產(chǎn)生影響。相對(duì)于污泥流變特性來(lái)說(shuō)，禽畜糞便混合液流變特性的研究報(bào)道較少，主要集中在評(píng)價(jià)不同種類禽畜糞便的流變特性[17-20]、溫度以及TS對(duì)于禽畜糞便流變特性的影響等方面。劉刈等[2]在TS為2%～14%范圍內(nèi)研究了6種禽畜糞便(豬糞、雞糞、牛糞、鴨糞、兔糞和羊糞)的流變特性，認(rèn)為6種禽畜糞便的混合液都為假塑性流體，處于低黏度范圍內(nèi)(＜50000mP·s)，符合冪率本構(gòu)方程。隨含固率增加，表觀粘度上升，流變指數(shù)降低。其中雞糞和兔糞的黏度變化不明顯。溫度對(duì)禽畜糞便流變特性的影響重大?？梢杂冒瞿釣跛狗匠虜M合溫度與表觀粘度之間的關(guān)系(R2＞0．95)。本研究以雞糞和接種污泥為試驗(yàn)材料，特別研究了污泥接種對(duì)雞糞流變特性的改變及在厭氧發(fā)酵過(guò)程中混合液的流變特性的變化，為雞糞接種污泥發(fā)酵設(shè)計(jì)高效厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)以及攪拌器、泵等設(shè)備的開(kāi)發(fā)和選擇提供基礎(chǔ)信息。

1 材料與方法

1.1 雞糞和接種污泥的理化特性

雞糞取自某蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)，取樣后迅速放置在-20℃的冷凍柜保存待用。接種污泥取自某生活污水處理廠脫水污泥，過(guò)1．25mm篩，篩除一些大體積的無(wú)機(jī)雜物。采用國(guó)標(biāo)方法對(duì)雞糞與接種污泥的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果如表1。

1.2 表觀粘度的測(cè)定

試驗(yàn)定義接種污泥與雞糞的比值（g干污泥/g干雞糞）為接種率。在混合液含固率為10%下，分別測(cè)量10%、30%、50%、70%和90%接種率下雞糞的流變特性。試驗(yàn)量取一定質(zhì)量的雞糞，均勻混合，之后按照設(shè)計(jì)的接種率添加一定質(zhì)量的接種污泥。最后加入自來(lái)水至設(shè)計(jì)的含固率。取上述混合液250mL于300mL長(zhǎng)頸燒杯中，在室溫條件下測(cè)量其粘度。試驗(yàn)平行測(cè)定3次，每次記錄7次。以7次讀數(shù)的平均值作為每次平行試驗(yàn)的最終結(jié)果。3次平行試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)的最終結(jié)果。試驗(yàn)在室溫下測(cè)得（25℃）。

探討經(jīng)污泥接種的雞糞在不同含固率和溫度下流變特性的變化規(guī)律的試驗(yàn)中，含固率為5%、7%、10%和12%，符合濕發(fā)酵到半干發(fā)酵的含固率范圍（TS=5%～20%）。溫度范圍為25～65℃，基本滿足厭氧發(fā)酵的溫度要求，包含了中溫到高溫發(fā)酵 (37～65℃)。試驗(yàn)基于50%的污泥接種率，即接種污泥的干重比雞糞的干重等于50%。不同含固率依靠添加一定量的自來(lái)水獲得。

表1 雞糞和接種污泥的理化性質(zhì)Table1 Parameters of chicken manure and sludges

1.3 流變參數(shù)的擬合方法

根據(jù)前人研究，雞糞混合液屬于非牛頓假塑形流體，符合冪率方程（式1）[3]，運(yùn)用冪率方程計(jì)算雞糞混合液的流變參數(shù)。

式中：μa為非牛頓流體的表觀黏度（Pa·s）；N 為旋轉(zhuǎn)黏度儀/轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（r·s-1）；K 為稠度系數(shù)（Pa·sn）；n 為流變指數(shù)，無(wú)岡量。

1.4 雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過(guò)程中流變參數(shù)變化

雞糞的厭氧發(fā)酵采用批式試驗(yàn)，在5L厭氧發(fā)酵罐中進(jìn)行。試驗(yàn)裝置有效容積為4．5L。污泥接種量為有效容積的1/3。之后添加約1．5kg的雞糞，加入自來(lái)水到設(shè)計(jì)容積。試驗(yàn)以水解產(chǎn)酸階段為主要研究階段，不涉及產(chǎn)甲烷階段的研究，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為9d。定時(shí)測(cè)量發(fā)酵液的表觀黏度。

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥接種率對(duì)于雞糞流變特性的影響

表2為10%含固率條件下不同接種率雞糞混合液的表觀黏度的試驗(yàn)值?？梢钥闯龈鹘臃N率下，雞糞混合物的表觀黏度隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小，體現(xiàn)出一定的剪切變稀現(xiàn)象，說(shuō)明雞糞與接種污泥的混合液為非牛頓假塑性流體。接種率的增加明顯加強(qiáng)了混合液的表觀黏度。

2.2 含固率和溫度對(duì)于雞糞混合液流變特性的影響

圖1為不同含固率和溫度下表觀黏度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。其中，圖1a為室溫下（25℃）不同含固率雞糞液料的表觀黏度；圖1b為含固率為10%的雞糞料液在不同溫度下的表觀黏度。

表2 不同接種率下雞糞的表觀黏度（mPa.s）和流變參數(shù)值Table 2 Apparent viscosity and consistency coefficient of chicken manure under different inoculation rates

圖1 不同含固率和溫度下表觀黏度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律Figure 1 Apparentviscosity chang with rotation speed under different solid rate and temperature

由圖2可知，在相同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，溫度的增加能降低物料的表觀黏度。在低轉(zhuǎn)速下這種差距越發(fā)明顯，而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，不同溫度下料液的表觀黏度差別有所減小，表觀黏度基本在500～1000mPa．s范圍內(nèi)。

根據(jù)圖1中所得的表觀黏度值，利用冪率式1對(duì)其進(jìn)行模擬，可以得到流變圖2。由圖2可知，在試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的含固率和溫度的范圍內(nèi)，冪率方程依舊能很好地描述雞糞料液的流變行為，得到很高的擬合程度（R2＞0．95）。從各直線的截距可以看出，含固率對(duì)于物料流變特性的影響較溫度更明顯，不同含固率下直線截距的跨度較大。然而，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，雞糞物料的流變圖基本相似，說(shuō)明混合液的流態(tài)并沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)變化。

圖2 不同含固率和溫度下雞糞料液的流變圖Figure 2 Rheological diagram of chicken manure under different solid rates and temperatures

2.3 雞糞接種污泥共發(fā)酵過(guò)程中流變特性的變化規(guī)律

由表3可知，隨著厭氧發(fā)酵時(shí)間的增加，物料的黏度不斷減小，表現(xiàn)出剪切變稀現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)速越大，黏度越小。此時(shí)的黏度稱為表觀黏度。以0，2，4，6，8d的發(fā)酵物料為例，將表3中的表觀黏度數(shù)值代入式（1）中，可以得到不同停留天數(shù)下發(fā)酵液的流變圖3。由圖3可知，冪率公式同樣能很好描述發(fā)酵產(chǎn)物的流變特征，相關(guān)系數(shù)R2＞0．99。稠度系數(shù)的最大值出現(xiàn)在t=0h時(shí)，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，黏度系數(shù)不斷減小，經(jīng)過(guò)8d的發(fā)酵，稠度系數(shù)由最初的 1．7957Pa．sn減小到 0．4887Pa．sn，為最初值的 27%。

表3 厭氧發(fā)酵過(guò)程中雞糞物料黏度的變化情況Table 3 Viscosity change during anaerobic digestion of chicken manure

3 討論與結(jié)論

隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，混合液表觀黏度不斷減小，說(shuō)明雞糞混合液在TS=5%～12%范圍內(nèi)時(shí)，屬于非牛頓流體，并且表現(xiàn)出剪切變稀現(xiàn)象。有研究認(rèn)為[18]，對(duì)于禽畜糞便當(dāng)TS＜5%時(shí)，料液由非牛頓流體變?yōu)榕ｎD流體。而當(dāng)TS大于5%時(shí)，料液呈現(xiàn)出非牛頓流體。這一結(jié)果與本研究一致。在劉刈等[2]研究的未經(jīng)接種的雞糞料液中，雞糞含固率與n之間存在著弱負(fù)線性關(guān)系。而本研究雞糞與接種污泥的混合體系中，n隨著物料含固率的增加出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。究其原因，可能是由于流變指數(shù)n隨含固率的變化受物料的種類和來(lái)源影響較大。本試驗(yàn)中隨著溫度的增加，各含固率下物料的流變指數(shù)都有一定程度的增長(zhǎng)。這和劉刈等[2]的研究結(jié)果相似。說(shuō)明接種物的添加并沒(méi)有改變雞糞顆粒的熱運(yùn)動(dòng)形式。針對(duì)發(fā)酵過(guò)程，PEVER等[9]認(rèn)為pH對(duì)污泥的流變特性有影響。本試驗(yàn)接種了部分污泥，然而在發(fā)酵過(guò)程中其pH變化范圍較小，所以認(rèn)為pH對(duì)本試驗(yàn)混合物料的流變特性影響可以忽略不計(jì)。

圖3 反應(yīng)過(guò)程中不同含固率下發(fā)酵底物的流變曲線圖Figure 3 Rheological diagram of chicken manure and sludges with different solid rates in anaerobic digestion

本研究表明，5%～12%含固率的雞糞混合液，屬于假塑形非牛頓流體。在該含固率范圍內(nèi)，其對(duì)稠度系數(shù)的影響可用冪率方程描述。溫度也是雞糞流變特性影響的重要因素。隨著溫度升高，表觀黏度、稠度系數(shù)降低。污泥接種率對(duì)雞糞流變特性也有一定的影響。隨著接種污泥的增加，混合液的稠度系數(shù)明顯增加，兩者符合直線關(guān)系。厭氧發(fā)酵水解過(guò)程中，雞糞混合液的流變特性變化劇烈。認(rèn)為水解階段是雞糞污泥聯(lián)合發(fā)酵液黏度變化的主要階段，故對(duì)推流式的厭氧反應(yīng)器，在前端采取加密攪拌裝置，后端攪拌逐漸減少，從而使反應(yīng)器設(shè)計(jì)與物料厭氧降解的基本規(guī)律相適宜，可以降低設(shè)備運(yùn)行能耗。