基于机器学习的畜禽粪便资源化预测研究

为了比较不同来源的畜禽粪便理化性质差异,考察堆肥过程中与腐熟度有关的理化指标变化情况,采集5种畜禽粪便的原料(堆肥原样)和堆肥腐熟后的样品,对其进行性质测定分析;同时,为探索预测堆肥腐熟度的最优模型,选用XGBoost、随机森林、支持向量机(SVM)、多元非线性回归模型对训练集样本堆肥腐熟度进行预测,并利用测试集样本对比分析4种模型的预测精度。结果表明:羊粪、牛粪、猪粪、兔粪、鸡粪原样均为弱碱性,其浸提液中可溶性盐浓度(EC)较高,鸡粪原样总养分(N、P、K)含量最高,猪粪原样中金属元素铜、锌、铁、锰总含量和有机质含量最高;5种粪便原样经过升温腐熟过程后,铜、锌、铁、锰元素含量和发芽率均表现出明显的上升趋势,pH值、EC值和有机质含量呈显著下降趋势;堆肥有机质含量和含水率对堆肥腐熟度影响最大,%IncMSE值分别为14.92%和13.61%;通过构建XGBoost、随机森林、SVM机器学习模型和多元非线性回归模型,经特征选择模型优化后,仅选取含水率和有机质含量作为特征变量,即可准确地预测堆肥腐熟度,模型预测值与实测值间的拟合优度(R2)分别为0.994、0.871、0.908、0.800。其中,XGBoost模型表现出较高的预测性能,均方根误差和平均绝对误差分别为4.690%和4.042%。相比于模型优化前,XGBoost、随机森林、SVM的R2分别升高41.39%、5.83%和36.30%。由于堆肥腐熟前后pH值、含水率、有机质及发芽率变化显著,且与其他性质之间存在较高的相关性,据此选取其作为堆肥腐熟度的评价指标。综合分析结果认为,XGBoost模型对堆肥腐熟度的预测精度最高,特征选择是提高模型预测精度的有效方法。     

春秋季对近红外光谱模型预测奶牛场粪水氮磷含量结果的影响

为研究季节因素对规模化奶牛场粪水氮磷含量及其近红外光谱模型预测结果的影响,该研究采集了天津市春秋双季27家规模化奶牛场粪水处理全过程的250个粪水样品,解析了季节对粪水氮磷含量分布特征的影响,同时采集了所有样品的近红外光谱并进行主成分分析。采用偏最小二乘法(Partial Least Squares,PLS)建立了粪水氮磷季节内预测模型,包括春秋单季和双季融合模型以及季节间的相互预测模型。结果表明,粪水氮磷含量随季节变化呈现出差异性,季节内模型总体的预测效果较好,优于季节间模型;其中春季模型表现最佳,验证相关系数分别为0.98和0.90,剩余预测偏差(Residual Predictive Deviation,RPD)分别为4.67和2.03。研究表明,季节因素对粪水中氮磷含量的模型预测结果存在不同程度的影响,该研究可为建立全季节要素的综合模型提供依据。     

有机固废堆肥过程的水分平衡模型研究进展

畜禽粪便等有机固体废物堆肥过程中水分含量影响堆肥反应过程,并最终影响堆肥产品质量和后续的产品加工,建立堆肥过程中的水分平衡模型有利于深入理解堆肥过程并优化堆肥过程的工艺参数。该文基于国内外研究进展,对堆肥模型建立基础、水分模型及有机质降解模型研究现状进行综述,概括了堆肥过程中水分迁移转化的主要途径,明确了堆肥过程有机质降解产生的水分是水分平衡模型的重要组成部分。同时,提出可以根据物料平衡思想建立堆肥过程中质量平衡模型,由此分析了堆肥过程中水分平衡模型和有机质降解模型。现在的水分质量平衡模型考虑了堆肥过程中通风对流、水汽蒸发以及微生物作用有机质降解产水对水分的影响,将水分模型分为对流模型、反应—对流模型、反应—蒸发模型和反应—对流—扩散模型4种模型。堆肥产水过程中的有机质降解模型主要有一阶动力学模型、Monod模型和经验模型。     

猪粪堆肥挥发性有机物的产生规律与影响因素

堆肥是畜禽粪便处理及资源化利用的有效途径,然而堆肥过程中极易产生挥发性有机物(VOCs,volatile organic compounds),引发恶臭问题,并对人体健康带来危害。该研究以猪粪和秸秆为原料,通过堆肥试验,研究了含水率、碳氮比和通风速率等工艺参数对猪粪堆肥过程中主要VOCs产生的影响。研究结果表明:堆肥过程中TVOCs的最高体积分数可达2 000×10~(-6)以上,主要在堆肥升温期产生。二甲二硫、二甲三硫是主要的致臭VOCs,其中,影响二甲二硫排放的主要因素为物料初始含水率,影响二甲三硫排放的主要因素为通风速率。极差及方差分析结果表明,堆肥过程中采用含水率65%,碳氮比30,通风速率0.1 m~3/(min·m~3)可以有效控制VOCs的排放。     

北京典型耕作土壤养分的近红外光谱分析

为研究土壤养分含量分布信息,以从北京郊区一块试验田采集的72个土壤样品为试验材料,应用傅里叶变换近红外光谱技术分析了土样的全氮、全钾、有机质养分含量和pH值。采用偏最小二乘法(PLS)对光谱数据与土壤养分实测值进行回归分析,建立预测模型,以模型决定系数(R2)、校正标准差(RMSECV)、预测标准差(RMSEP)和相对分析误差(RPD)作为模型精度的评价指标。结果表明,利用该模型与光谱数据对土壤全氮、全钾、有机质养分含量和pH值进行预测,结果与实测数据具有较好的一致性,最高决定系数R2达到0.9544。偏最小二乘回归方法建立的养分预测模型能准确地对北京地区褐土土质全氮、有机质、全钾和pH值4种养分进行预测。     

立式筒仓反应器堆肥技术工艺优化研究

反应器堆肥技术作为一种新型快速堆肥方式逐渐被人们所认可，该技术包括反应器堆肥处理和陈化两个阶段，但反应器堆肥时长和通气方式等工艺参数对堆肥全过程的影响尚不清楚。因此，本研究立足生产中的实际问题，利用12 m³立式堆肥反应器，开展了反应器堆肥工艺优化调控试验，以鸡粪和锯末为原料，分别研究了连续供气和间歇供气（风机开3 min，关7 min）两种供气方式下，反应器处理周期对堆肥有机质降解率、产品含水率、氮素损失和运行成本的影响。研究结果表明：反应器堆肥10 d比2 d的处理物料有机质降解率分别增加60.7%（间歇）和66.2%（连续），产品含水率分别降低41.2%（间歇）和40.7%（连续）。反应器堆肥阶段是物料降解的主要阶段，利用反应器堆肥的时长越长，堆肥产品生产时间越短；但运行成本的增加也对反应器堆肥时长造成了限制，同时增加反应器堆肥时长也会增加堆肥物料的氮素损失，其中连续供气反应器堆肥10 d比2 d氮素损失增加17.5%。连续供气方式可提高堆肥效率，较间歇供气处理堆肥周期平均缩短32.1%，产品全氮含量平均提高7.4%，虽然反应器堆肥阶段每日能耗较间歇供气高20.2%，但堆肥周期的缩短使全程连续供气平均运行成本降低16.5%。其中，连续供气下反应器中处理6 d、8 d和10 d，堆肥产品理化性质无显著差异。综合考虑堆肥效率、产品和经济，本试验建议选择“连续供气方式+反应器内堆肥8 d”处理，既可提高反应器堆肥处理效率，在实际生产中又具有较高的经济效益潜力。     

厨余垃圾、绿化废弃物和茶叶渣中试共堆肥系统效果评估

为解决厨余垃圾等有机废弃物处理难的问题，该研究以厨余垃圾、绿化废弃物和茶叶渣为主要原料，通过控制通风方式和菌种类型在堆肥成套设备内开展中试好氧堆肥，选取温度、含水率、碳氮比（C/N）、总养分、有机质含量、种子发芽指数和卫生学特性等指标评估共堆肥系统的技术可行性和经济可行性。结果表明：选择间歇式通风方式并按质量分数1‰投加复配菌剂，堆肥在65 ℃以上高温持续7 d；经10 d发酵，物料含水率和C/N分别从63.5%和31.5降至30.1%和9.6；堆肥产物的总养分（9.8%，质量分数，下同）和有机质含量（43%）均远高于NY/T 525-2021农业行业标准（总养分≥4%，有机质含量≥30%）；堆肥产物腐熟度和卫生学特性状况良好，种子发芽指数达88.3%，粪大肠菌群数<3 个/g，产物中未发现蛔虫卵。该共堆肥系统的废物平均处置成本低至（248.67±19.89）元/t。研究结果可为实现厨余垃圾、绿化废弃物和茶叶渣的低成本、规模化处理，有效解决厨余等有机废弃物环境污染问题提供参考依据。     

条垛堆肥 -蚯蚓堆肥联合处理对堆肥产品性状的影响

蚯蚓粪逐渐成为一种优质的有机肥,然而蚯蚓处理对有机肥属性影响的机制和过程并不清楚。本文选用Rw发酵菌对牛粪和蘑菇渣先进行高温好氧堆肥预处理,然后接种蚯蚓,监测了蚯蚓处理前后堆肥中关键质量属性的变化。结果表明:联合堆肥温度、NH4+-N含量、NH4+-N/NO3--N、T值、pH值、EC值、种子发芽指数均符合堆肥腐熟要求。联合堆肥显著提高了全磷含量、NO3--N含量(P0.05),增幅分别达到16.8%、1 286.1%;显著降低了有机质含量、全钾含量、pH值、EC值(P0.05),分别降低35.9%、77.4%、12.6%、56.1%;但未显著降低NH4+-N含量、全氮含量;显著提高了堆肥的品质,如T值从0.64降低到0.58,种子发芽指数从82.6%提高到90.6%(P0.05)。     

基于遗传算法的土壤质地高光谱预测模型研究

为快速、准确地获取土壤质地信息,利用遗传算法结合偏最小二乘法(GA-PLS)回归建立土壤质地预测模型。采集了丰乐河流域162个表层土样,在实验室内对土样进行质地分析和光谱测量,采用遗传算法(Genetic Algorithm)筛选土壤质地光谱特征波段,在此基础上运用偏最小二乘法(PLS)构建了土壤质地预测模型,并与全谱段PLS模型进行对比分析。结果表明:基于遗传算法结合偏最小二乘的模型验证精度高于全谱段PLS模型,粉粒光谱验证集R~2达到0.841,RPD为2.391,较全谱段PLS模型RPD提高了18.13%,提升效果显著;砂粒光谱验证集的R~2为0.721,RPD为2.142,较全谱段PLS模型RPD提高了10.41%。遗传算法结合偏最小二乘法(GA-PLS)在土壤质地高光谱估测中,压缩了光谱变量,减少了数据冗余,提高了模型预测精度。     

不同碳氮比猪粪堆肥及其产品肥效

为有效处理规模化猪场养殖粪污,确立猪粪堆肥的原辅料最佳配比,建立高效堆肥工艺。通过工厂化堆肥试验,以猪粪为原料,稻壳和蘑菇渣为辅料,设置3个C/N分别为10、25和35的处理(Z1、Z2、Z3),比较不同碳氮比猪粪、稻壳及蘑菇渣混合物高温堆肥过程中堆体温度、pH值、EC、C/N、养分等指标差异和黄瓜盆栽促生试验中不同处理所得猪粪堆肥的促生效果。3个处理的高温期平均温度为Z2Z3Z1,堆肥结束时各处理的pH值为7.51、7.63、6.96,EC值为1.31、1.65、1.54 m S·cm-1;NH_4~+-N的含量为Z3Z2Z1;NO-3-N含量为Z1=Z2Z3,各处理C/N分别下降了18.24%、47.56%、30.47%,Z1、Z2、Z3的氮、磷、钾(N、P_2O_5、K_2O)总养分含量分别达50.25、51.66、48.43 mg·kg-1。3个堆体的发芽指数显示其均已腐熟,三维荧光图谱则显示Z1、Z2腐熟程度较高于Z3。两季盆栽促生试验结果显示化肥处理与Z2处理肥效最佳,Z1、CK处理次之,Z3处理效果最差。C/N为25是堆肥适宜的C/N初始设定值,有利于堆体的快速腐熟和养分保持,其堆肥产品肥效优异。     

C/N对蓝藻好氧堆肥腐熟及无害化进程的影响

为探索和优化脱水蓝藻藻泥好氧堆肥无害化处理工艺参数,利用堆肥反应器,研究了C/N分别为5（T1）、15（T2）和25（T3）的处理对蓝藻藻泥腐熟进程及微囊藻毒素（MC）降解速率的影响。结果表明,堆肥过程中各处理间的pH、总碳量及其形态、总氮量及其形态、总磷含量、总钾含量、种子发芽指数差异显著。与蓝藻自然堆置相比,添加辅料增加堆体C/N可提高蓝藻的腐熟速度。堆肥35d后,T2和T3处理的堆肥成品均已满足有机肥行业标准,种子发芽指数均高于80%;但MC-LR和MC-RR仍有较大的降解潜力,从无害化的角度考虑,蓝藻高温堆肥时间不应少于50d。C/N过高增加了氮素的损失,如何进一步降低氮素的损失,提高堆肥过程中MC的降解将是今后蓝藻堆肥研究的重点。     

Recycling of Two-Phase Olive-Mill Cake “Alperujo” by Co-composting with Animal Manures

The use of poultry manure or goat/sheep manure in the co-composting of the two-phase olive-mill cake “alperujo” (ALP) with olive leaf (OL) is compared by studying organic-matter mineralization and humification processes during composting and the characteristics of the end products. For this, two different piles (P1 and P2) were prepared using ALP with OL mixed with poultry manure (PM) and goat/sheep manure (GSM), respectively, and composted by the turned windrow composting system. Throughout the composting process, a number of parameters were monitored, such as temperature, pH, electrical conductivity (EC), organic matter (OM), OM losses, total organic carbon (C_org), total nitrogen (N_t), C_org/N_t ratio, and the germination index (GI). In both piles, the temperature exceeded 55 °C for more than 2 weeks, which ensured maximum pathogen reduction. Organic-matter losses followed a first-order kinetic equation in both piles. The final composts presented a stabilized OM and absence of phytotoxins, as observed in the evolution and final values of the C_org/N_t ratio (C_org/N_t < 20) and the germination index (GI > 50 percent). Therefore, composting can be considered as an efficient treatment to recycle this type of waste, obtaining composts with suitable properties that can be safely used in agriculture.     

基于温度-时间的好氧堆肥通风控制系统的设计与运行效果

通风控制是强制通风静态好氧堆肥系统的技术关键。本研究开发了基于温度-时间的工业控制计算机好氧堆肥通风控制系统(TTime)，并实现了软硬件的配套。该文详细阐述了系统的设计思路、研究方法、功能和实现过程。运行试验表明，系统运行稳定、可靠，能保证堆肥过程的顺利进行，同时，加强了畜禽场废弃物堆肥过程的在线监控，降低了堆肥系统的运行费用，适合在大中型畜禽场推广应用。     

基于电子鼻和GIS的大型生活垃圾堆肥厂恶臭污染源测定

堆肥能够在有效地处理有机生活垃圾的同时生产肥料产品,但堆肥过程中产生的恶臭气体是影响环境的重要因素,严重影响了该项技术的推广应用。为确定堆肥厂恶臭来源和强度,进而为进一步治理提供参考。笔者通过先期调查对堆肥厂存在的恶臭污染释放点进行了初步确定,利用GPS(global position system)定位技术进行网格化布点。在为期30 d的调查过程中,通过电子鼻检测手段分别对堆肥厂厂区和周边环境的恶臭污染状况进行检测。在获得大量现场检测数据的基础上选择GIS(geographic information system)技术中的张力样条法对调查区域进行插值运算,依据生成的数值绘制该区域恶臭污染的等强度曲线。通过作图能够直观地了解恶臭污染分布及浓度梯度下降趋势。对厂区的调查结果作图表明在堆肥厂厂区主要存在着2个主要的恶臭污染释放点源,一个位于发酵车间前段渗滤液抽排外运出口,电子鼻检测数值显示2465,另一个位于与生物滤池附近,电子鼻检测数值显示2913,通过折算臭气浓度分别为840和2191。其中发酵车间附近渗滤液抽排外运出口的取样点邻近与填埋场划定的厂界,其数值远远超过恶臭污染排放标准(GB14554-1993)规定的无组织排放厂界臭气浓度值。2个污染释放源的恶臭强度均达到5级水平。通过对周边环境的更大范围内的恶臭状况检测与比较分析,可以确定堆肥厂的恶臭污染是影响周边环境的首要恶臭因素。     

蚕沙堆肥技术研究进展

堆肥处理是蚕沙无害化、资源化利用的一种主要方式。对蚕沙堆肥系统和影响堆肥的主要因素,即含水量、温度、通风供氧、C/N比、堆肥产品大小、pH值等进行了综述。     

稻壳-鸡粪好氧高温堆肥体系中磷石膏消纳能力的研究

为探究堆肥体系中磷石膏的消纳能力,增加磷石膏资源化利用强度,该研究以稻壳作为主要原料,以鸡粪为辅料,添加基于堆肥有机物料(干质量)的0、10%、20%、30%和40%磷石膏(CK、P10、P20、P30和P40)作为堆肥调理剂,研究其对高温堆肥过程中堆肥的物理、化学、生物指标以及堆肥腐熟后堆料品质性状的影响,从肥料化的角度,探究稻壳-鸡粪堆肥体系中磷石膏的消纳能力。结果表明,相比于CK而言,磷石膏添加量在10%~30%明显促进了堆料温度的快速上升和高温时间,增加堆肥的发酵强度。当磷石膏的添加量超过20%以后,随着磷石膏添加量的增加,堆肥持续高温期的时间有明显减少。添加40%磷石膏处理稀释效应太明显,堆肥结束以后,堆肥的总有机碳的绝对含量较低,导致堆肥产物的有机质含量(34.3%)不达标。添加磷石膏可以提高堆体的种子发芽指数,到堆肥结束时,CK、P10、P20、P30和P40的种子发芽指数分别为65.43%、86.54%、97.52%、81.35%和71.40%。但P40处理到堆肥结束时,水溶性铵态氮含量还高达528.2 mg/kg。与CK处理相比,P10、P20和P30处理的养分含量增加显著,且均符合NY525-2012标准要求。各处理重金属含量均未超过NY525-2012标准的要求,但磷石膏的添加仍有增加堆肥重金属的风险。综合添加磷石膏对堆肥腐熟度的影响和堆肥品质的影响来看,在稻壳为主要原料的堆肥体系中,添加有机物料干质量的30%的磷石膏,是本堆肥体系磷石膏最大的消纳量。     

生物质炭添加量对伊乐藻堆肥过程氮素损失的影响

为探讨高温堆肥中氮素损失的有效控制技术,研究以生物质炭为添加剂对伊乐藻与稻草混合堆肥过程中氮素损失的影响,通过静态高温好氧堆肥试验,设置了6个处理,即：CK（不添加生物质炭）、5个生物质炭不同添加量处理（以CK为基础,生物质炭添加量分别为CK堆体干基质量的6%、18%、30%、42%、54%）,监测了伊乐藻与稻草混合堆肥过程中堆温、氨挥发速率等相关指标的变化。结果表明,与 CK 相比,添加生物质炭可以提高堆温、延长高温期天数、缩短堆肥周期,堆肥周期减少天数与生物质炭添加量呈极显著的对数曲线相关（P<0.01）;添加生物质炭可以显著降低堆肥过程中的氨累积挥发量（P<0.05）,但与CK相比,生物质炭添加量为6%、18%处理的氨累积挥发量分别增加了26.58%、6.34%,同时,氮素损失率亦高于CK处理;堆肥过程中氮素损失率与生物质炭添加量关系密切,呈显著的一元三次曲线相关（P<0.05）,生物质炭的适宜添加量为27.11%～45%;根据不同影响因子的标准偏回归系数,对堆肥体氮素损失率的影响,由大到小依次为全氮、铵态氮、有机碳。     

Effects of Processing Technologies on Efficacy of Sludge-Yard Trash Cocompost

The subject of compost utilization is quite complex due to the wide variety of substrates used in making composts, the variety of processing technologies used during the pre- and post-processing phases, and the variety of composting technologies. The objective of the current study was to determine the influences of dewatering technology, composting technology, and the post-processing step of compost blending on the efficacy of sludge-yard trash cocompost as a production medium for bush beans, Phaseolus vulgaris.     

羊肉色泽傅立叶变换近红外光谱定量分析方法研究

以从北京市、山西大同市、宁夏吴忠市3个地区筛选的有代表性的227份羊肉样品为试材,应用傅里叶变换近红外光谱技术探讨羊肉色泽无损检测的方法。以决定系数(R2)、校正标准差(RMSECV)和预测标准差(RMSEP)为近红外光谱检测模型的评价指标,采用偏最小二乘法(PLS)对近红外光谱信息与样品的色差e值进行拟合,确定最佳的光谱预处理方法、主成分数和光谱区间范围。结果表明:所选227个羊肉样品的色差e值分布范围为1.556～9.879,其中80%以上的样品e值在1～5之间,具有显著的代表性;在11995.5～4597.6cm-1的波段范围内,最佳主成分数为6时,近红外光谱经最大最小归一法处理后,建立的羊肉色泽预测模型精度最高,R2达到0.776,RMSECV为0.451;用此模型对预测集48个样品进行预测,预测值与实测值的相关系数(R)为0.835,RMSEP为0.517,该研究表明利用近红外光谱技术检测羊肉色泽可行。     

香蕉茎秆与鸡粪混合堆肥效果的探讨

利用香蕉茎秆与鸡粪为底料进行了C/N分别为15.2、21.5、25.5、31.8、41.5的堆肥对比试验,定量化研究了堆肥过程中堆体的温度、水分、pH和EC、全碳、全氮及C/N、养分有效含量随时间的变化规律。结果表明,堆体初始C/N在20～40范围内,均能成功地进行好氧堆肥。当C/N低于15.2时,堆体温度上升快,但高温持续时间短,pH高,水溶性盐分的含量高,有机质和总养分含量较低,而且由于加入鸡粪太多,增加了堆肥的成本;当C/N大于41.5时,堆体温度上升慢,进入高温期所需时间长,堆体含水率过高。综合考虑各方面因素,堆肥初始C/N控制在20～30为宜,以25.5为最佳;腐熟期为27d左右,对应适宜的C/N判断值为18。