生物質(zhì)漿體的流變特性研究進(jìn)展

庫(kù)爾班江·熱西提，趙希強(qiáng)，2，馬春元，2

(1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250100；2.燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250061)

0 引言

生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，它是植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能以化學(xué)能形式存儲(chǔ)在生物質(zhì)中的能量形式，是能源消費(fèi)量前4名的能源之一，僅次于煤、石油和天然氣，在全球能源消費(fèi)系統(tǒng)中有很重要的地位。我國(guó)國(guó)土面積廣闊，耕地面積多，使得我國(guó)生物質(zhì)資源非常豐富，僅農(nóng)作物秸稈2018年產(chǎn)量就達(dá)11.35億t，約折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.6億t(1 t秸稈的熱值按0.5 t標(biāo)準(zhǔn)煤折算)。其他如木材加工廢棄物、畜牧業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的禽畜糞便和廢棄物、生物質(zhì)復(fù)合材料、污泥、餐廚垃圾、生活污水及富含有機(jī)質(zhì)的工業(yè)廢水等，也屬于生物質(zhì)。生物質(zhì)取之不盡，用之不竭，是一種可再生能源，也是唯一的可再生碳源。

目前，我國(guó)生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展和生物質(zhì)回收機(jī)制還不夠完善，大部分生物質(zhì)資源沒(méi)有得到合理利用。傳統(tǒng)的車輛運(yùn)輸方式回收生物質(zhì)資源不僅耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力，而且會(huì)對(duì)運(yùn)輸路徑的環(huán)境造成污染。通過(guò)管道運(yùn)輸對(duì)生物質(zhì)漿體進(jìn)行回收并進(jìn)行集中處理不僅可以節(jié)省人力、財(cái)力和減少污染，還可以大大提高回收效率，進(jìn)而提高我國(guó)生物質(zhì)資源的利用率。

生物質(zhì)漿體是指有機(jī)物質(zhì)通過(guò)初步加工并加入少量的水配置成的漿體。長(zhǎng)距離漿體管道輸送是一種高效、節(jié)能和環(huán)保的運(yùn)輸方式，擁有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景[1]。漿體在管道內(nèi)流動(dòng)，漿體的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、漿體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及外部與管道內(nèi)壁的摩擦都會(huì)產(chǎn)生壓力的損失，導(dǎo)致輸送能量的減少。對(duì)于管道運(yùn)輸阻力的研究應(yīng)從影響因素著手，在掌握了影響因素效果之后便可以找到更加經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)輸條件[2]。已有研究認(rèn)為管道輸送漿體阻力的影響因素主要包括漿體的物料特性即漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、漿體的流動(dòng)特性即漿體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況及管道特性等。

生物質(zhì)漿體的流變特性對(duì)其運(yùn)輸過(guò)程中的流動(dòng)性、混合及制備沼氣過(guò)程有重要影響。生物質(zhì)漿體的流變參數(shù)是分析和確定漿體流動(dòng)規(guī)律的基本參數(shù)，是輸送管道設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)選擇的重要依據(jù)，對(duì)選取生物質(zhì)漿體長(zhǎng)距離管道輸送參數(shù)有重要意義。

1 流變學(xué)屬性及對(duì)流變特性的要求

1.1流變學(xué)屬性

生物質(zhì)漿體屬于復(fù)雜的多項(xiàng)懸浮體系，其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槭艿郊羟辛ψ饔枚l(fā)生變化，反過(guò)來(lái)施加剪切應(yīng)力產(chǎn)生的速率梯度受其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)變化的影響，而胞外聚合物的存在使得生物介質(zhì)相互粘結(jié)成菌膠團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大多數(shù)生物質(zhì)漿體表現(xiàn)出非常顯著的非牛頓流體特性。

生物質(zhì)漿體的非牛頓流體特性通常具有如下特點(diǎn)：流變特性需要用多個(gè)參數(shù)來(lái)表示；黏度隨顆粒形狀及大小、漿體溫度和剪切應(yīng)力等因素發(fā)生變化；黏度與剪切作用的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，即表現(xiàn)出一定的觸變性[3]。含有纖維素的生物質(zhì)漿體含有一定的內(nèi)聚力即剛性。少數(shù)生物質(zhì)漿體在低固含率的情況下變?yōu)榧偎苄粤黧w。還有極少的生物質(zhì)漿體呈現(xiàn)脹塑流性流體和Bingham性流體的特性。

5種不同流體的流變曲線如圖1所示。

描述生物質(zhì)漿體流變特性常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀幸韵?種[3]。

(1)牛頓流體模型。

τ=μγ

(1)

(2)Bingham(Bingham)塑性模型。

τ=τy+ργ

(2)

(3)冪率(Power Law)模型。

τ=Kγn

(3)

(4)屈服-冪率(Herschele-Bulkley)模型。

τ=τy+Kγn

(4)

(5)Casson模型。

τ0.5=0.5τy+(ργ)0.5

(5)

(6)Sisko模型。

τ=∞+Kγn

(6)

式中τ——剪切應(yīng)力，Pa

τy——屈服應(yīng)力，Pa

γ——剪切速率，s-1

μ——黏度，Pa·s

ρ——?jiǎng)偠认禂?shù)

K——稠度系數(shù)

n——流變特性指數(shù)

∞——高剪切速率對(duì)應(yīng)的極限剪切黏度，Pa·s

以上經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀址Q作本構(gòu)方程，以應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間關(guān)系來(lái)描述物料的流變性質(zhì)，反映了特定物質(zhì)的固有屬性，隨所研究的具體介質(zhì)和運(yùn)動(dòng)條件而變[4]。

在非牛頓流體的流變特性研究中，往往借用牛頓流體黏度的概念，即表觀黏度來(lái)表征生物質(zhì)漿體的流動(dòng)性能。對(duì)非牛頓流體，表觀黏度是剪切速率和剪切應(yīng)力的比值，其能夠清晰地表明受到剪切作用時(shí)漿體抵抗變形的能力。因此，研究表觀黏度的變化規(guī)律和影響因素對(duì)生物質(zhì)漿體流動(dòng)特性規(guī)律的了解和實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用有著非常重要的推動(dòng)作用。

1.2對(duì)流變特性的要求

從生物質(zhì)漿體制備、輸運(yùn)到工程應(yīng)用，都要求生物質(zhì)漿體有良好的成漿性能、輸送特性(泵送性能)和穩(wěn)定性。工程應(yīng)用所需生物質(zhì)漿體理想的流變特性應(yīng)為，具有較高的濃度以保證生物質(zhì)厭氧發(fā)酵設(shè)備的產(chǎn)氣量和轉(zhuǎn)化率，靜止?fàn)顟B(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性。當(dāng)漿體中生物質(zhì)的濃度即固含量(TS)提高時(shí)，生物質(zhì)漿體的表觀黏度會(huì)隨濃度的增加而迅速增大，這會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)漿體的泵送性能變差，能量損失變大。當(dāng)濃度較低時(shí)，漿體泵送性能顯著提高，但穩(wěn)定性變差，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵設(shè)備的產(chǎn)氣量和轉(zhuǎn)換率隨之下降。因此，研究生物質(zhì)漿體流變特性的重點(diǎn)應(yīng)在保證合理的流動(dòng)性能的前提下盡量提高生物質(zhì)漿體濃度。

2 不同生物質(zhì)漿體流變學(xué)研究現(xiàn)狀

將生物質(zhì)漿體分成污泥、禽畜糞便和廢棄物、生物質(zhì)復(fù)合材料和餐廚垃圾4類漿體，并對(duì)各自流變特性的現(xiàn)有研究方法、影響因素和流變機(jī)理等方面進(jìn)行概述。

2.1污泥

由于富含有機(jī)質(zhì)可將污泥歸類為一種可再生的生物質(zhì)資源。污泥的主要特性是含水率高(>80%)、有機(jī)物含量高、顆粒較細(xì)、密度較小和呈膠狀液態(tài)，可以用泵運(yùn)輸[5]。污泥不僅有機(jī)物含量高且不穩(wěn)定，含有的有毒有害物質(zhì)很容易釋放到環(huán)境[6]。為防止污泥對(duì)周圍水資源、空氣及生態(tài)環(huán)境造成危害，必須對(duì)污泥進(jìn)行正確的處理。有研究表明，我國(guó)污水產(chǎn)量將在2020年左右達(dá)到一個(gè)峰值，隨之產(chǎn)生的污泥也會(huì)出現(xiàn)峰值，污泥問(wèn)題將會(huì)突顯[7]。針對(duì)多種來(lái)源和總量龐大的污泥，需要選擇合適的處理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無(wú)害化和資源化。

任宏[8]對(duì)我國(guó)的污泥處置進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，44.8%的污泥用于農(nóng)業(yè)，土地填埋占34.5%，甚至有13.8%未經(jīng)任何處理。這會(huì)對(duì)周圍水資源和生態(tài)造成很大的影響，同時(shí)導(dǎo)致資源浪費(fèi)。隨著人們的環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，傳統(tǒng)的污泥處理方式必然會(huì)遭到淘汰，亟需探索或引進(jìn)污泥處理的新技術(shù)。污泥處置的最有效方式是對(duì)污泥進(jìn)行減量化，污泥源頭減量化技術(shù)最典型的是厭氧消化技術(shù)[9]。

由于真空管道輸送和厭氧發(fā)酵系統(tǒng)都對(duì)漿料濃度有一定要求，為了獲得最適合的真空輸送濃度和厭氧發(fā)酵腳料濃度，眾多學(xué)者開(kāi)展了污泥流變特性及其影響因素的研究[10-11]。目前的研究表明，污泥可以認(rèn)為是牛頓流體(濃度較小時(shí))，也可以是非牛頓流體(濃度較高時(shí))，目前研究更傾向于認(rèn)為污泥是一種非牛頓流體[12]。

2.1.1城市污泥

城市污泥是指通過(guò)各種方法處理生活廢水和工業(yè)廢水時(shí)產(chǎn)生的各種沉淀物、顆粒物和漂浮物。

(1)流變特性擬合模型。

SOZANSKI M M等[13]用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)含水量85%～100%的污泥進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)研究，并作出了其流變特性曲線，圍繞污泥流變特性曲線對(duì)其流變特性變化規(guī)律做出分析并給出經(jīng)驗(yàn)公式，將污泥歸類為Bingham流體。

董玉婧等[14]對(duì)給水廠濃縮污泥的流變行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)污泥表現(xiàn)出觸變性，并且黏度隨剪切速率的增加逐漸變小，表現(xiàn)出假塑性流體的剪切變稀性質(zhì)。

張曉斌等[15]利用平行板旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)污泥流變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出Carreau-Bird模型對(duì)污泥流變行為擬合處理比較好。張曉斌等還發(fā)現(xiàn)污泥在不同含水率下，隨著剪切速率的增加，流體由假塑性流體向Bingham流體轉(zhuǎn)化的規(guī)律。并且隨著剪切速率的增加污泥黏度逐漸變小，表現(xiàn)出剪切變稀現(xiàn)象。

曹秀芹等[16]利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定了污水處理廠含水率分別為90%、93%和96%時(shí)污泥的流動(dòng)曲線和黏度曲線，研究結(jié)果表明其流變特性可以用冪律模型來(lái)擬合。

(2)流變特性影響因素。

BAUDEZ J C等[17]研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，熱擾動(dòng)開(kāi)始起主導(dǎo)作用并引起黏度和屈服應(yīng)力降低。

董玉婧等[14]研究表明，影響和改變污泥流變特性的重要因素為污泥濃度(固含量)。

張曉斌等[15]發(fā)現(xiàn)零剪切黏度隨溫度變化非常大，無(wú)窮大剪切黏度隨含水率變化比較小。

曹秀芹等[16]分析了污泥含水率、溫度對(duì)污泥流變特性的影響，得出污泥黏度隨含水率的減小而增加，且剪切速率越小，這種增加趨勢(shì)越明顯。污泥黏度隨溫度升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)在低剪切速率時(shí)表現(xiàn)的比較明顯，在高剪切速率時(shí)變化幅度很小。

(3)改善城市污泥流變特性研究。

呼慶等[18]研究高速攪拌時(shí)間及有機(jī)、無(wú)機(jī)分散劑對(duì)脫水污泥黏度的影響，得出以上3種制備得到的污泥黏度比處理前的同種情況下的污泥黏度低，其中加入有機(jī)、無(wú)機(jī)分散劑的混合物對(duì)污泥的表觀黏度降低效果比采用高速機(jī)械攪拌更加明顯。

周丕仁等[19]采用旋轉(zhuǎn)黏度機(jī)研究污泥在恒定及變剪切速率條件下的表觀黏度變化規(guī)律。周丕仁等還得出，向污泥中加入CaO試劑、加熱及高溫預(yù)處理都能使污泥的表觀黏度明顯下降。

戴財(cái)勝等[20]研究不同種類添加劑對(duì)城市污泥與焦混合物成漿性能和流變特性的影響。結(jié)果表明，在相同的制漿條件下，與NF(萘系添加劑)相比，DCSA(湖南科技大學(xué)自主研發(fā)的復(fù)合型水煤漿添加劑)不僅能夠提高城市污泥與焦混合物的成漿性能，還能改善污泥焦?jié){的流變特性和穩(wěn)定性能[21]。

污泥流變特性隨各種因素變化而變化的規(guī)律非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥流變特性的相關(guān)研究和報(bào)道很多，但已有研究往往只是局限于使用控制變量法對(duì)污泥單質(zhì)進(jìn)行單個(gè)影響因素的分析，多種因素相互作用時(shí)對(duì)其流變特性改變敏感度的研究很少。在工程應(yīng)用中，需要綜合考慮多種因素的影響以獲得最佳的污泥流變特性，提高設(shè)備效率，節(jié)約資源。

2.1.2厭氧消化污泥

我國(guó)是世界上最早利用沼氣的國(guó)家之一[22]。我國(guó)的大中型沼氣發(fā)酵工程也已經(jīng)得到很好的發(fā)展，基本上具備了生產(chǎn)能源、減少污染和綜合利用等多種功能，實(shí)現(xiàn)了能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)3方面的綜合效益[22-23]。

由于全國(guó)沼氣用戶多，沼氣工程總量大，產(chǎn)生厭氧消化污泥也非常多。此外，沼氣還含有大約5%的其他氣體(如H2S、N2、H2、CO和NH3等)[24]。這導(dǎo)致沼氣池及其周圍的氣味非常大，是清理沼氣池內(nèi)厭氧消化污泥的一大問(wèn)題，也是很多農(nóng)村用戶不愿意建立沼氣池的一個(gè)很大的原因。

使用真空輸運(yùn)系統(tǒng)對(duì)封閉沼氣池內(nèi)的厭氧消化污泥進(jìn)行回收，既能避免H2S等有臭味的氣體逸出，影響周圍的環(huán)境，又能減少清理沼氣池時(shí)的麻煩。為了使真空輸運(yùn)系統(tǒng)達(dá)到最高的工作效率，需對(duì)厭氧污泥的流變特性及其影響因素進(jìn)行研究。很多學(xué)者已對(duì)厭氧消化污泥流變參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究。

(1)流變特性擬合模型。

MONTEIRO P S[25]研究厭氧消化污泥的流變特性，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵原料的發(fā)酵程度是影響其流變特性的重要因素，并用Herschel-Bulkley模型擬合了厭氧消化污泥的流變行為。

BAUDEZ J C等[26]研究低濃度(TS<5%)厭氧消化污泥在不同剪切率下的流變特性，發(fā)現(xiàn)中、低剪切率下，其流變行為更適合用Herschel-Bulkle和Power-Law模型擬合，而在高剪切率下，流變行為更適合用Bingham模型擬合。

FORSTER C F[27]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了活性污泥和消化污泥顆粒的表面組成與其流變行為之間的關(guān)系，并確定了懸浮液的屈服應(yīng)力與絮體顆粒表面所帶的電荷和污泥含水量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系式。

王彥祥等[28]以半連續(xù)式和序批式餐廚垃圾中溫厭氧消化產(chǎn)生的污泥為研究對(duì)象，得出中溫厭氧消化產(chǎn)生的污泥具有剪切變稀的特點(diǎn)，通過(guò)剪切應(yīng)力的上升曲線和下降曲線得出厭氧消化污泥為時(shí)間相關(guān)性流體，通過(guò)動(dòng)力黏度與時(shí)間的曲線進(jìn)一步說(shuō)明了污泥為觸變性流體。

(2)流變特性影響因素。

研究者一致認(rèn)為溫度升高會(huì)導(dǎo)致污泥黏度降低[13，29-30]。然而，當(dāng)溫度的變化范圍接近室溫甚至更低的時(shí)候，溫度對(duì)污泥的影響并不顯著[31]。

BAUDEZ J C等[17]通過(guò)測(cè)定厭氧消化污泥在加熱升溫及降溫冷卻過(guò)程中的動(dòng)力黏度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溫度的升高會(huì)對(duì)污泥流變性產(chǎn)生不可逆的影響。導(dǎo)致同一種溫度在升溫和降溫過(guò)程中的動(dòng)力黏度大小不一樣。這可能歸因于厭氧消化污泥受較高溫度的影響，組分中有些固體成分轉(zhuǎn)化成不溶于水的物質(zhì)，造成污泥組分及原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的改變。

丁仕強(qiáng)[32]對(duì)TS為17.0%～21.4%的厭氧消化污泥進(jìn)行研究，得出厭氧消化污泥的動(dòng)力黏度隨固含率提高而增大，并認(rèn)為污泥動(dòng)力黏度增大的主要原因是由于含固率提高導(dǎo)致污泥顆粒數(shù)目增多。

BATTISTONI P[33]研究發(fā)現(xiàn)，在同種固含率下平均顆粒直徑較小的污泥，其動(dòng)力黏度相對(duì)較大。

王彥祥等[28]還得出餐廚垃圾中溫厭氧消化產(chǎn)生的污泥的流動(dòng)性隨溫度升高而變強(qiáng)，隨溫度降低而變?nèi)?，且溫度升高?huì)對(duì)污泥流變性能造成不可逆的影響，這就表明在升溫過(guò)程中得到的流變曲線與降溫過(guò)程的流變曲線不重合。同一剪切速率下，污泥的動(dòng)力黏度隨固含量的升高而變大。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)厭氧消化污泥流變特性相關(guān)的研究不是很多，大多都停留在厭氧消化污泥流變特性影響因素的研究上。對(duì)其時(shí)間觸變性的研究甚少，為了使其厭氧消化污泥能夠進(jìn)一步應(yīng)用到工程應(yīng)用，時(shí)間觸變性的影響尤為重要。

2.2禽畜糞便和廢棄物

我國(guó)作為畜牧大國(guó)，每年產(chǎn)生大量的禽畜廢棄物，據(jù)保守統(tǒng)計(jì)，2020年開(kāi)始我國(guó)禽畜養(yǎng)殖每年將產(chǎn)生41億t禽畜糞便[34-35]。我國(guó)最主要的禽畜糞便和廢棄物處理方式是還田，這種方法雖然使土壤的有機(jī)物含量提高，但在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)。

畜牧業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污水和禽畜糞便中含有大量有機(jī)質(zhì)，經(jīng)微生物發(fā)酵后，會(huì)產(chǎn)生清潔能源沼氣，而沼渣經(jīng)過(guò)除臭、生物肥菌種發(fā)酵、養(yǎng)分濃縮和無(wú)害化處理之后，加工制作成有機(jī)肥施用于農(nóng)田，其肥力相當(dāng)于同質(zhì)量畜禽糞便的3倍。若將禽畜養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行收集，集中處理，建造大型沼氣站，則可產(chǎn)生足夠的沼氣進(jìn)行發(fā)電，可在一定程度上緩解全球能源危機(jī)。

由于畜禽糞便的流變特性和表觀黏度對(duì)其在管道運(yùn)輸、混合及厭氧發(fā)酵過(guò)程中有重要影響，因此對(duì)其流變特性和表觀黏度的研究具有重要意義，國(guó)內(nèi)外關(guān)于禽畜糞便和廢棄物發(fā)酵原料流變特性研究有很多。

2.2.1流變特性擬合模型

LANDRY H等[36]擬合了豬糞在特定剪切速率條件下表觀黏度與固含率之間的函數(shù)表達(dá)式。

劉刈等[37]研究6種厭氧消化原料的流變行為，得出牛糞、羊糞、雞糞、兔糞、鴨糞和豬糞等制作的厭氧消化原料均有假塑性流體的流體特性，且流變行為符合Power-Law模型。

2.2.2禽畜糞便和廢棄物流變特性影響因素

EL-MASHAD H M等[38]研究溫度對(duì)奶牛糞便流變特性的影響，得出溫度對(duì)其黏度的影響可使用阿侖尼烏斯方程模型擬合。

劉刈等[37]研究6種厭氧消化原料的原料濃度、溫度等因素對(duì)流變特性的影響，得出隨濃度增加6種原料黏度均逐漸升高，流變指數(shù)逐漸降低，流動(dòng)性能逐漸減弱。隨著溫度的升高，鴨糞、牛糞和雞糞的黏度逐漸降低，流變指數(shù)逐漸升高，流動(dòng)性能逐漸增強(qiáng)；豬糞、羊糞和兔糞的黏度先降低后升高，流變指數(shù)先升高后降低，流動(dòng)性能先增強(qiáng)后減弱。

石惠嫻等[39]采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定不同固含率、溫度條件下新鮮豬糞的流變曲線，并對(duì)固含率、溫度對(duì)豬糞流變特性的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，表觀黏度隨固含率的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但溫度對(duì)其影響不大；表觀黏度與剪切速率曲線也存在一個(gè)臨界D值，并提出攪拌死區(qū)的概念。

朱坤展等[40]利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定不同固含率、溫度和不同剪切速率條件下的牛糞發(fā)酵原料的表觀黏度，研究表明，其表觀黏度隨溫度升高、剪切速率的增加和固含量的減小而呈遞減趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外采用畜禽養(yǎng)殖糞便作為厭氧消化原料的沼氣工程日益增多，采用的發(fā)酵原料種類也呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，然而，這些原料流變特性參數(shù)仍然缺乏，大多數(shù)相關(guān)研究停留在1970—2004年，研究老舊和缺乏制約了如今厭氧消化單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一定程度上減緩了厭氧消化制備沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。

2.3生物質(zhì)復(fù)合材料

生物質(zhì)復(fù)合材料是以植物纖維(稻草纖維、秸稈纖維和蔗渣纖維等)、淀粉為主料，添加填料、發(fā)泡劑和脫模劑等輔料，通過(guò)熱壓成型工藝制備而成，具有原料來(lái)源廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和全生命周期無(wú)污染等屬性，屬于綠色環(huán)保型材料[41-45]。

用天然植物纖維與來(lái)源于石油資源的高分子塑料，制備木塑復(fù)合材料已有多種產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[46]。隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，以及人們對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸加深，用植物纖維材料與來(lái)源于植物資源的可生物降解塑料，制備環(huán)境友好的生物質(zhì)復(fù)合材料(bio-composites)的研究受到極大關(guān)注，并逐漸成為復(fù)合材料發(fā)展的必然趨勢(shì)[47]。

流變特性是生物質(zhì)復(fù)合材料制品工業(yè)化生產(chǎn)中必不可少的一個(gè)重要參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，處理后的秸稈纖維、塑化淀粉及各類添加劑在攪拌的作用下形成一種黏稠的漿料，該漿料因飽含植物纖維而黏度較大，難以通過(guò)管道輸送的方式進(jìn)行物料運(yùn)輸，成為限制生產(chǎn)效率提高的一大瓶頸[48]。因此，研究生物質(zhì)復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中漿料階段擠出過(guò)程的流變特性及其影響因素，對(duì)生物質(zhì)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化具有積極的推動(dòng)作用。

2.3.1木塑復(fù)合材料(WPC)

木塑復(fù)合材料(Wood-Plastic Composites，WPC)是將木粉和塑料按一定比例混合，制備成耐腐蝕、耐酸堿、力學(xué)性能優(yōu)異和熱學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定的一種復(fù)合材料[49]。

對(duì)于WPC熔體而言，木質(zhì)纖維材料與木質(zhì)纖維材料之間、木質(zhì)纖維材料與聚合物基體之間的相互作用增強(qiáng)，表現(xiàn)出“類固體”的復(fù)雜流體行為，這與傳統(tǒng)的純聚合物或低填充聚合物的流變行為顯著不同，流變行為更加復(fù)雜[50]。為了提高生產(chǎn)效率并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)WPC熔體的流變特性進(jìn)行了很多研究。

(1)流變特性擬合模型及其影響因素。

幾乎所有的研究結(jié)果均表明，WPC的黏度隨木質(zhì)纖維含量的增加而增加，熔體冪律指數(shù)降低，具有剪切黏度依賴于剪切速率的假塑性流體特征，而且高填充體系下的熔體對(duì)剪切速率的變化更加敏感[51]。

XIAO K等[52]采用旋轉(zhuǎn)流變儀和毛細(xì)管流變儀對(duì)比研究了楓木HDPE復(fù)合材料的流變性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨WPC中加入的木粉比例增加，熔體彈性呈下降趨勢(shì)，并且該體系不服從Cox-Merz規(guī)則。

LI T Q等[53]也得出隨WPC中加入的木粉比例增加，WPC體系不服從Cox-Merz規(guī)則，且這一規(guī)則對(duì)于純聚合物具有一定的適用性。

HRISTOV V等[54]研究表明，制備WPC熔體所用木粉顆粒的平均粒徑對(duì)WPC熔體黏度的影響與木粉含量(木粉濃度)和剪切速率有關(guān)。在低剪切速率下，同一固含率的WPC熔體，木粉顆粒平均粒徑較小的表現(xiàn)出更高的黏度；當(dāng)木粉含量高于30%時(shí)，在高剪切速率條件下，木粉顆粒平均粒徑對(duì)WPC熔體流動(dòng)性能的影響幾乎可以忽略。

(2)改善WPC熔體流變特性研究。

LI T Q等[53]采用毛細(xì)管流變儀研究了使用松木粉和楓木粉所制備的WPC熔體流變特性隨木粉含量的增加而變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含有的楓木W(wǎng)PC熔體的表觀黏度隨木粉含量增加的敏感度比含有松木的WPC熔體表觀黏度隨木粉含量增加的敏感度強(qiáng)，這可能是由于松木被擠壓碾碎后導(dǎo)致其中脂肪酸化合物被擠出起到潤(rùn)滑劑的作用，使其表觀黏度隨木粉含量的增加而變化的趨勢(shì)變得緩慢。

ADHIKARY K B等[55]研究表明，潤(rùn)滑劑的添加會(huì)使體系表觀黏度呈降低趨勢(shì)。

GAO Hua等[56]利用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法研究了WPC熔體的流變性能，研究發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)變區(qū)域(<0.1%)儲(chǔ)能模量與應(yīng)變無(wú)關(guān)，所有復(fù)合材料都變現(xiàn)出剪切變稀行為，經(jīng)過(guò)馬來(lái)酸酐改性的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和黏度與未改性的相比有明顯下降趨勢(shì)。

王霞等[57]利用旋轉(zhuǎn)流變儀研究了偶聯(lián)劑、潤(rùn)滑劑對(duì)木粉聚丙烯(WFPP)復(fù)合體系動(dòng)態(tài)流變特性的影響，得出馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(MAPP)偶聯(lián)劑的添加能夠改善木粉和聚丙烯之間的界面結(jié)合，使得熔體的黏度升高。硬脂酸的添加，可大幅度降低由木粉含量增加所引起的熔體黏度急劇升高現(xiàn)象。

對(duì)于高填充的WPC體系，流變行為受塑化劑種類、木粉比例、木粉顆粒大小和加工工藝等多種因素的影響，目前尚沒(méi)有形成系統(tǒng)和完整的流變學(xué)理論，阻礙了這一新型產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。因此，隨著對(duì)WPC體系研究的不斷發(fā)展和深入，建立更加系統(tǒng)和完整的流變學(xué)理論十分重要。

2.3.2熱塑性淀粉復(fù)合材料(TPS)

天然淀粉(玉米、小麥和馬鈴薯等)是地球上產(chǎn)量?jī)H次于纖維素的天然高分子，來(lái)源豐富、可再生、價(jià)格低廉且可降解，通過(guò)改性塑化可用于生產(chǎn)淀粉基塑料，可以替代源于石油產(chǎn)品的傳統(tǒng)塑料，解決石油原料日益枯竭的資源問(wèn)題和塑料廢棄物污染的環(huán)境問(wèn)題[58]。

天然淀粉是一種強(qiáng)極性的結(jié)晶性物質(zhì)，不具備熱塑性。必須使其分子結(jié)構(gòu)無(wú)序化，即破壞其結(jié)晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)行塑化才能轉(zhuǎn)變成TPS，從而獲得一定的加工性能[59]。流變加工性能是淀粉基復(fù)合材料在應(yīng)用和生產(chǎn)中首要考慮的性能，國(guó)內(nèi)有關(guān)熱塑性淀粉的流變特性及其影響因素研究很多。

(1)TPS熔體流變特性擬合模型。

WILLETT J L等[60]在研究TPS熔體流變特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，TPS熔體的流變熱性符合Power-Law(Power Law)模型，且其黏度隨溫度和含水量的升高而降低。

AICHHOLZER W等[61]研究TPS熔體的流變行為得出，TPS擠出過(guò)程的流動(dòng)行為表現(xiàn)出假塑性流體的特征，不管哪一種TPS，在含有其他小分子添加劑或大量甘油的條件下均表現(xiàn)出粘壁流動(dòng)行為。

謝新春等[62]研究得出，TPS和TPS生物降解共聚酯共混物在熔融狀態(tài)下都表現(xiàn)出典型的假塑性流體流動(dòng)特征。

(2)流變特性影響因素及改善方法。

謝新春等[62]同時(shí)還研究了增塑劑用量、共聚酯用量對(duì)TPS及TPS生物降解共聚酯共混物在熔融狀態(tài)下流變行為的影響。得出甘油對(duì)淀粉具有較好的增塑效果，通過(guò)改變甘油含量，能獲得流變性能較好的TPS。在低共聚酯用量的情況下，TPS分子鏈在共混攪拌過(guò)程中受到剪切作用發(fā)生斷裂，導(dǎo)致共混物熔體表觀黏度降低。

王禮建等[63]利用甘油對(duì)淀粉進(jìn)行塑化改性以制備TPS，然后通過(guò)二次擠出將TPS與聚丙烯(PP)共混，并研究了增容劑MA-g-PP含量對(duì)TPSPP混合物性能的影響。研究得出，增容劑的添加可有效提高TPS和PP分子之間的結(jié)合力，使親水性淀粉分子與非極性PP高分子的相容性得到提高，改善TPSPP混合物的力學(xué)性能和加工性能，從而影響其流變性能。

馬驍飛等[64]研究得出，在TPS的加工范圍內(nèi)，用甘油作為塑化劑制備的甘油塑化淀粉(GPTPS)的剪切應(yīng)力對(duì)溫度變化的敏感度比用甲酰胺作為塑化劑制備的甲酰胺甘油塑化淀粉強(qiáng)。

2.4餐廚垃圾

餐廚垃圾是指人們?nèi)粘ｏ嬍称鹁舆^(guò)程中產(chǎn)生的食物廢料和食物殘余，是城市生活垃圾中重要組成部分。與其他垃圾相比，餐廚垃圾具有含水量、有機(jī)物含率和油脂含量高及營(yíng)養(yǎng)元素豐富等特點(diǎn)，具有很大的回收利用價(jià)值。餐廚垃圾含水率高，與垃圾混合焚燒，就提高了普通垃圾的含水率，不僅降低了垃圾原有的熱值而且會(huì)產(chǎn)生劇毒二噁英(Dioxin)，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，給垃圾的的焚燒處理技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)很大困難。有機(jī)物含量高，在高溫條件下，尤其是夏天，很容易滋生細(xì)菌、腐爛變質(zhì)和產(chǎn)生惡臭，影響周邊環(huán)境和周圍居民的健康，因此餐廚垃圾需要通過(guò)合理的方法進(jìn)行處置。

如果將餐廚垃圾在源頭上分離，進(jìn)行單獨(dú)收集與處理利用，不但可以實(shí)現(xiàn)城市垃圾減量化，減少中轉(zhuǎn)和運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化利用[65]。目前國(guó)內(nèi)餐廚垃圾資源化技術(shù)主要有飼料化、肥料化處理技術(shù)、生物厭氧發(fā)酵處理技術(shù)和生物柴油技術(shù)，而厭氧發(fā)酵技術(shù)具有資源化程度高、環(huán)境友好和厭氧污泥可利用等優(yōu)點(diǎn)，是目前較認(rèn)可的處理方法[65-66]。

針對(duì)餐廚垃圾的特點(diǎn)，采用廚房用食物垃圾破碎機(jī)對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行粉碎預(yù)處理，以真空管道輸送代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水力輸送，在盡量少加水或不加水的情況下完成廚余垃圾的破碎及輸送。對(duì)于新建小區(qū)或者居住緊湊型的農(nóng)村，考慮將廚房下水道設(shè)置成餐廚垃圾通道和生活廢水通道，將餐廚垃圾破碎后直接從餐廚垃圾源頭與生活垃圾和生活廢水進(jìn)行分離，從而使用獨(dú)立的管道系統(tǒng)將餐廚垃圾排入或者轉(zhuǎn)運(yùn)至集中處理設(shè)施中。真空管道式系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了將餐廚垃圾從源頭分類收集，并通過(guò)封閉式真空管道進(jìn)行運(yùn)輸，不僅減少了人力成本而且徹底消除了餐廚垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的臭味、滲濾液遺灑等問(wèn)題[67]。

真空物料輸送最大缺點(diǎn)是其能量損失較大，對(duì)輸送物料的壓力要求較高。餐廚垃圾漿體的黏度隨著其濃度的提高迅速提高，會(huì)導(dǎo)致真空輸送過(guò)程中的能量損失迅速提高；當(dāng)濃度較低時(shí)，漿體泵送性能顯著提高，能量損失減少，但穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵的轉(zhuǎn)換率和產(chǎn)氣量下降。黏度的大小直接影響關(guān)鍵設(shè)備的選型和工藝參數(shù)的確定，所以對(duì)餐廚垃圾的流變特性及其影響因素的研究非常有必要。

靳紅燕[68]以北京市海淀區(qū)4個(gè)大型餐廳的餐廚垃圾為研究對(duì)象，對(duì)餐廚垃圾漿體的黏度進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)測(cè)試結(jié)果和影響因素進(jìn)行分析。研究表明，餐廚垃圾漿體的黏度隨著固含量的降低而降低，尤其從18%降到16%時(shí)，黏度下降的最快。由于餐廚垃圾漿體的黏度對(duì)濃度的敏感度高于對(duì)溫度的敏感度，溫度對(duì)餐廚垃圾漿體黏度的變化影響不是很明顯，因此基本上餐廚垃圾漿體的濃度即固含量決定了漿體的黏度。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)餐廚垃圾流變特性研究很少，餐廚垃圾漿體管道輸送缺乏很好的理論依據(jù)，導(dǎo)致餐廚垃圾回收及利用率不高而造成資源的浪費(fèi)。因此研究餐廚垃圾漿體的流變特性對(duì)提高餐廚垃圾的回收率和實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用有積極推進(jìn)作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

生物質(zhì)漿體的流變特性隨各種因素變化而變化的規(guī)律非常復(fù)雜，常用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃茈y全面而正確地反映速率與響應(yīng)之間特性，用以描述生物質(zhì)漿體流動(dòng)特性時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)一定偏差。因此，需要研發(fā)或引進(jìn)更先進(jìn)的試驗(yàn)手段和數(shù)據(jù)處理方法來(lái)研究生物質(zhì)漿體流變行為，完善已有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@得尤為重要。

現(xiàn)有生物質(zhì)漿體流變特性研究局限于從宏觀上分析，如固含量、溫度和添加劑等對(duì)漿體流變特性的影響。至于生物質(zhì)漿體不同成分之間作用是否是共價(jià)鍵結(jié)合、離子相互作用和氫鍵結(jié)合等，當(dāng)前的流變分析還無(wú)法提供這方面的信息。隨著科技的發(fā)展和研究的進(jìn)展，研制高性能流變儀也十分有必要。

在生物質(zhì)漿體流變特性研究中，各種影響因素之間相互干涉，一種因素可能會(huì)對(duì)另外一種因素的流變特性敏感度產(chǎn)生影響。試驗(yàn)中先將各因素的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)再進(jìn)行多因素疊加研究，對(duì)流變特性和流變機(jī)理的深入研究具有重要意義。

現(xiàn)有研究局限于進(jìn)行單因素分析，在生物質(zhì)漿體的工程應(yīng)用中，需要綜合考慮多種因素以獲得最佳的生物質(zhì)漿體流變特性。