![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响.pdf
《含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、中国农业科技导报,2023,25(10):126-136Journal of Agricultural Science and Technology含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响周婷,孙松林,朱海英,彭才望*(湖南农业大学机电工程学院,长沙 410128)摘要:黑水虻生物转化猪粪后获得的有机肥含水率介于40%60%之间,其黏结流动参数难以通过常规手段获取。为探究含水率对有机肥黏结流动的影响,通过堆积角测定与离散元仿真相结合的方法,从数值上量化分析不同含水率(41.21%60.52%)对有机肥颗粒流动与黏结能力的影响。结果表明,有机肥-不锈钢碰撞恢复系数、有机肥-不锈钢静摩擦系数
2、、有机肥JKR(Johnson-Kendall-Roberts)表面能显著影响有机肥堆积角;有机肥含水率在41.21%60.52%范围内,随着含水率的增加,有机肥-不锈钢静摩擦系数先增大后减小,在含水率56.56%时达到最大值,为0.39,而JKR表面能由0.22 J m-2逐渐升高到0.47 J m-2;有机肥直剪试验表明,当含水率大于40%时,有机肥颗粒间的内摩擦角逐渐减小,但颗粒间的内聚力随JKR表面能增大而增大,有机肥颗粒间易发生团聚现象,一定程度上阻碍颗粒流动,堆积角增大。研究结果可为转移、输送有机肥的机械设备研究提供基础数据支撑。关键词:黑水虻;有机肥;含水率;黏结流动;离散元do
3、i:10.13304/j.nykjdb.2022.0389 中图分类号:S216;X713文献标志码:A文章编号:10080864(2023)10012611Effect of Moisture Content on Bond Flows of Black Soldier Fly Larvae Biotransformation Pig Manure Organic FertilizerZHOU Ting,SUN Songlin,ZHU Haiying,PENG Caiwang*(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan Ag
4、ricultural University,Changsha 410128,China)Abstract:The moisture content of black soldier fly biotransformation pig manure organic fertilizer can reach 40%60%under natural condition,but the flow parameters are difficult to obtain by conventional means.In order to explore the effect of moisture cont
5、ent on the bonding flow of organic fertilizer,the effects of different water content(41.21%60.52%)on the flow and bonding ability of organic fertilizer particles were quantitatively analyzed by the method of accumulation angle measurement and discrete element simulation.The results showed that the o
6、rganic fertilizer-steel collided restitution coefficient,organic fertilizer-steel static friction coefficient and organic fertilizer Johnson-Kendall-Roberts(JKR)surface energy significantly affected the accumulation angle of organic fertilizer.With the rising of moisture content from 41.21%to 60.52%
7、,the organic fertilizer-steel static friction coefficient firstly decreased and then increased,especially,which reached the maximum value 0.39 when the moisture content was 56.56%,the surface energy changed from 0.22 to 0.47 J m-2.The direct shear test of organic fertilizer showed that when the mois
8、ture content was greater than 40%,the internal friction angle between the organic fertilizer particles gradually decreased,the cohesion between particles increases with the increase of JKR surface energy,organic fertilizer particles were easy to agglomerate,which would restrict the flow movement of
9、organic fertilizer to some extent,and the repose angle increased.The study was expected to provide numerical parameter reference for the black soldier fly biotransformation pig manure organic fertilizer application and development of mechanization.Key words:black soldier fly;organic fertilizer;moist
10、ure content;bond flow;discrete element收稿日期:20220510;接受日期:20220906基金项目:湖南省大学生创新训练计划项目(S202110537054);湖南省农机装备与技术创新项目(湘财农指 2020 0107)。联系方式:周婷 E-mail:;*通信作者 彭才望 E-mail:10 期周婷等:含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响畜禽养殖中,生猪养殖及其养殖废弃物的规模都比较大,生猪养殖废弃物处理面临的形势非常严峻1。相对于传统的猪粪通过堆肥、发酵或直接还田等处理方法,黑水虻生物转化猪粪可有效降低猪粪累积程度、解决恶臭问题,2周内猪粪堆
11、积减少56%,猪粪残渣中氮、磷、钾含量分别降低55.1%、44.1%、52.5%,同时可有效降低大肠杆菌、获得可作鱼粉的高蛋白黑水虻幼虫,成为猪粪资源化与肥料化利用的重要手段2。因黑水虻生物转化猪粪工艺的差异,黑水虻生物转化猪粪后有机肥含水率在40%60%,经后期进一步的有机肥工艺处理,其具备抗植物病害的活性物质且肥效高,广泛应用于牧草、果蔬种植业,可促进农作物生长发育与代谢过程3。近年来,国内外学者针对黑水虻幼虫生长发育4、生物转化效率5、重金属迁移6、幼虫营养价值及利用7、有机肥肥效与应用3等开展了大量研究,但是黑水虻生物转化猪粪后的虫沙有机肥流动特性及其黏结能力与含水率间的变化规律鲜有研
12、究,导致机械设备设计缺乏基础数据支撑。本团队前期针对黑水虻生物转化猪粪后形成含水率为43.6%的虫沙有机肥(简称“有机肥”)进行了接触参数标定8,并在此基础上设计了斗式取料机9、双向螺旋集料装置10,一定程度上实现了有机肥收集、提升与输送。但是,试验发现机械收集、输送不同含水率(40%60%)的有机肥过程中机械作业稳定性与可靠性降低。有机肥流动性参数(内聚力、内摩擦角、接触面的摩擦系数、表面能等)是衡量有机肥流动过程的重要指标11,但不同含水率有机肥颗粒黏结流动相关接触参数难以通过常规测试方法量化获得。目前,针对黏湿颗粒物料接触参数难以获取的问题,通过堆积角测定与离散元仿真试验相结合的方法对黏
13、重黑土12、蚯蚓粪1314、猪粪15、一般有机肥16、土壤1718等物料进行“虚拟标定”获取物料参数,具有较强的可行性,为探究含水率对黑水虻生物转化猪粪后的有机肥黏结流动影响提供了借鉴。本研究以黑水虻生物转化猪粪后的有机肥作为研究对象,对不同含水率的有机肥进行堆积角测定、离散元仿真及直剪试验;通过 Plackett-Burman Design、爬坡、Box-Burman Design 等试验方法,建立堆积角数学模型,量化获得不同含水率的有机肥流动特性参数,综合分析含水率与堆积角之间的变化关系及其对有机肥黏结流动特性的影响,以期为黑水虻生物转化猪粪后有机肥在收集、输送、分离等不同阶段的机械化作业
14、提供有效的理论参数。1材料与方法1.1试验材料与堆积角测定1.1.1试验材料以黑水虻幼虫生物转化猪粪后形成的有机肥为试验材料,取自湖南农业大学与湖南艾布鲁环保科技股份有限公司黑水虻科研基地。将新鲜猪粪中投放一定数量的4日龄黑水虻幼虫(料虫质量比为8 1),经过812 d的生物转化获得有机肥原料,后期通过进一步的有机肥处理工艺(水分蒸发、虫卵灭杀等),形成植物用有机肥。试 验 采 用 卤 素 水 分 测 定 仪(HC-SFY001,0.5%,上海花潮实业有限公司)测定不同处理工艺下的有机肥含水率,为40%60%。结合实际生产中黑水虻生物转化猪粪工艺条件,获得5组不同 含 水 率 有 机 肥 样
15、品,分 别 为 A1(41.21%)、A2(44.46%)、A3(51.37%)、A4(56.56%)、A5(60.52%)。含水率低于50%时,有机肥中大部分呈疏松状的近似球体颗粒;含水率高于50%时,有机肥中出现部分黏结团状颗粒块。经筛分测量,粒径分布范围为1.42.8 mm,平均粒径为2.0 mm。1.1.2有机肥堆积角测定本试验结合圆筒提升法测量有机肥堆积角19,试验所用钢质圆筒高120 mm、内径40 mm,钢质圆筒内填满有机肥,利用 CMT5105 型万能试验机夹住钢质圆筒并以0.03 m s-1的速度向上提升,如图 1所示,参照文献8和18,用摄像机垂直拍照,照片导入计算机CAD
16、软件中标注堆积角,分别测量5组(A1A5)不同含水率有机肥的堆积角,每组重复3次,取平均值作为最后结果。1.2仿真模型构建含水率较高的有机肥颗粒之间或有机肥对接触部件材料之间存在较大的粘附力910。本试验选取 EDEM 软件中 Hertz-Mindlin with JKR(Johnson-Kendall-Roberts)模型作为有机肥颗粒间接触模型8,JKR 表面能可表征有机肥颗粒之间或颗粒与接触部件材料之间的黏附力。在127中 国 农 业 科 技 导 报25 卷EDEM2.7软件中建立圆筒堆积角的仿真试验模型,圆筒内径 40 mm、高120 mm,接料底板为200 mm200 mm的方形钢板
17、。建立平均粒径为2 mm的球体模型,采用标准差为0.1 mm的标准正态分布方式生成有机肥颗粒,颗粒模型粒径变化范围设置为满足平均值,圆筒以0.03 m s-1的速度垂直底板方向匀速提升,仿真模型如图2所示。有机肥的各个待标定参数如表1所示,其他参数包括不锈钢的泊松比为0.320、剪切模量为7.91010 Pa、密度为7 865 kg m-3、重力加速度为9.81 m s-2、仿真步长时间为瑞利时间的22%、数据保存间隔时间为0.01 s、仿真时间为5.5 s。1.3试验方法1.3.1Plackett-Burman(PB)试验设计Plackett-Burman筛选试验设计中10个待标定参数(T1
18、T10)均以1和-1形式分别代表各参数高低2个水平,注:1万能试验机;2钢质圆筒;3肥堆;4摄像机;5计算机。Note:1Universal testing machine;2Steel cylinder;3Fertilizer heap;4Video camera;5Computer.图1有机肥堆积试验Fig.1Repose angle of organic fertilizer 图2离散元仿真模型Fig.2Discrete element simulation model表1离散元仿真标定参数Table 1Parameters required for discrete element s
19、imulation参数符号Parameter notationT1T2T3T4T5T6T7T8T9T10参数Parameter泊松比Poisson ratio剪切模量Shear modulus/MPa密度Particle density/(kg m-3)有机肥-有机肥碰撞恢复系数Organic fertilizer-organic fertilizer collided restitution coefficient有机肥-有机肥静摩擦系数Organic fertilizer-organic fertilizer static friction coefficient有机肥-有机肥滚动摩擦系数
20、Organic fertilizer-organic fertilizer rolling friction coefficient有机肥-不锈钢碰撞恢复系数Organic fertilizer-steel collided restitution coefficient有机肥-不锈钢静摩擦系数Organic fertilizer-steel static friction coefficient有机肥-不锈钢滚动摩擦系数Organic fertilizer-steelr rolling friction coefficientJKR表面能JKR surface energy/(J m-2)参
21、数水平 Parameter level-10.101.001 600 0.400.100.050.150.100.100.0500.305.502 000 0.600.550.250.400.500.400.4010.5010.002 400 0.801.000.450.650.900.700.7512810 期周婷等:含水率对黑水虻生物转化猪粪有机肥黏结流动的影响并选择1个中心点,试验次数共25次。1.3.2最陡爬坡试验将Plackett-Burman试验得到的3个显著性参数有机肥-不锈钢碰撞恢复系数、有机肥-不锈钢静摩擦系数和有机肥 JKR表面能进行最陡爬坡试验,3个显著性参数均呈现正向效
22、应,参数值按选定步长逐渐增加,其余对堆积角的影响不显著的参数采用中间水平值。以3个显著性参数最低值为起点进行爬坡,并与含水率为41.21%和60.52%的有机肥堆积角试验结果进行极端值验证对比。1.3.3Box-Behnken(BB)试验根据最陡爬坡试验结果,Box-Behnken Design响应面分析试验中的非显著性参数选取表1中所示中间水平值,有机肥-不锈钢碰撞恢复系数为0.250.45,有机肥-不锈钢静摩擦系数为0.250.55,JKR表面能为0.200.50 J m-2。选择1个中心点进行误差估计,共进行15次试验,包括对中心点的3次重复试验。利用Minitab软件对试验结果进行拟合
23、,获得回归方程模型并进行分析。1.4有机肥直剪试验方法内摩擦角、抗剪强度等力学参数反映散体物料的摩擦特性13,是用于衡量物料内部颗粒克服自身阻力发生滚动、滑动、流动的重要参数。本试验通过有机肥直剪试验测量物料抗剪强度,获得物料的内摩擦角,分析有机肥含水率与流动性之间的关系。试验所用设备为河北路兴安达仪器有限公司生产的BJZ型应变控制式直剪仪。1.4.1含水率测定试验用有机肥先进行过筛处理,去除杂物后,将其在遮阴条件下自然风干,使有机肥含水率缓慢下降,不定时取样,用卤素水分测定仪(HC-SFY001,0.5%,上海花潮实业有限公司)测定,获得与物理堆积角试验时相同含水率(含水率误差为2%)的有机
24、肥。试验采用样品盒、电子天平(UTP313-4、精度为0.01 g)等仪器对不同粒度有机肥的含水率进行测试。测试过程如下:对部分含水率较高呈现黏结团状的有机肥颗粒,先通过搅拌杆打散团状有机肥至粒径为23 mm的小颗粒。然后将有机肥放入干燥洁净的样品盒中,通过电子天平称重,质量记为 m1;将盛放有机肥的样品盒放到提前预热好的卤素水分测定仪中,采用自动干燥模式,设置干燥温度为105,干燥率达到99%时自动停止干燥过程,有机肥烘干至没有水分状态,再将其放到电子天平上称重,质量记为m2;通过2次平行试验计算获得有机肥含水率(1-m2/m1)的均值,作为其最后的含水率测定值。1.4.2直剪试验针对不同含
25、水率有机肥,分别用环刀切取4个有机肥试样。试验前将配好的有机肥样件置于直剪仪上下金属盒之间,调整好有机肥试样与垂直加压框架的接触距离,保证其接触到位。试验开始,压力和位移为0,设置垂直加压分别为50、100、200、300 kPa,手轮转速为4 r min-1,使剪切速度控制在 0.8 mm min-1,直到有机肥试样构件破裂为止,记录应力的变化值。试验采用4个试样为1组,分别在不同的垂直法向压力()下,施加水平剪应力进行剪切,直至有机肥试样受到剪切破坏,按照试验要求加载4种不同垂直压力(),每组试验重复3次,分别得到剪切破坏时抗剪强度(),取平均值。根据库伦定律进一步确定有机肥的抗剪强度参数
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 含水率 黑水 生物转化 有机肥 黏结 流动 影响
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。