基于物联网的光伏太阳能驱动智能堆肥系统用于家庭废物生产天然基质的性能评估

《Environmental Technology & Innovation》：Performance Evaluation of an IoT-Based Smart Composting System Powered by Photovoltaic Solar Energy for the Production of Natural Substrate from Household Waste

　　

本研究旨在评估一种低能耗、操作简便的简化堆肥系统的性能，该系统集成了互联网（IoT）技术并由光伏太阳能供电，用于处理家庭有机废物。研究人员通过监测操作参数和对所得堆肥进行表征来评估系统性能。研究方法包括原型设计、实施以及通过两个独立试验的统计分析进行实验验证。结果显示系统具有高可重复性，试验间无统计学显著差异（P > 0.05）。半封闭圆柱形设计增强了热稳定性和隔热性，持续监测使研究人员能够识别关键过程动态，如O₂与CO₂的反比关系，确认了最佳好氧条件和高效微生物活性。所得堆肥的碳氮比（C/N）为20.6，氮（N）含量为1.65%，磷（P）含量为0.81%，钾（K）含量为1.22%，符合国际标准（FAO）和国内法规（NTP 201.208:2021），因此证实其作为有机改良剂的适用性。此外，与传统系统相比，堆肥时间缩短了50%（45天），表明过程效率显著提高。总体而言，将IoT与可再生能源集成到堆肥系统中，代表了有机废物管理的一种创新且高效的技术解决方案，在城市环境中具有强大的应用潜力。

**论文解读文章**

**研究背景**

全球经济增长、快速城市化和当前消费模式显著增加了固体废物（SW）的产生量，其中有机废物（OW）占总废物量的50%以上。若管理不当，有机废物会导致温室气体（GHG）排放、渗滤液污染土壤和水体、害虫滋生、恶臭以及相关卫生风险。尽管联合国2030年可持续发展议程设立了17项可持续发展目标（SDGs），但实施十年后，仅不足30%的目标得以实现。在秘鲁，每年产生约800万吨固体废物，其中超过55%为有机废物，但仅0.78%被回收利用。在阿雷基帕市，每天产生约21吨城市有机废物（MOW），其中49%处置不当，反映出有机废物利用不足。传统堆肥虽为经济可行的有机废物资源化途径，但存在监测与控制能力有限的问题，尤其在开放系统或现场条件下，温度、湿度和气体排放易出现波动，且许多传统系统未对过程气体（如CO₂、CH₄、H₂S）进行系统监测。为此，本研究旨在评估一种集成物联网（IoT）技术并由光伏太阳能驱动的简化智能堆肥系统的性能，该系统具有低能耗和操作简便的特点，用于处理家庭有机废物，并通过操作参数监测和堆肥表征进行评估，考虑其在家户、教育机构及小规模生产系统等城市环境中的潜在应用。

**研究内容与结论**

研究人员设计并实施了一个原型堆肥系统，通过两个独立试验进行实验验证，监测了温度、湿度、CO₂、O₂等关键参数，并对最终堆肥进行了理化分析。研究得出以下主要结论：系统表现出高可重复性，试验间无统计学显著差异（ANOVA，P > 0.05）；半封闭圆柱形设计增强了热稳定性；连续监测揭示了O₂与CO₂的反比关系，确认了最佳好氧条件和高效微生物活性；所得堆肥的C/N比为20.6，氮（N）为1.65%，磷（P）为0.81%，钾（K）为1.22%，符合FAO国际标准和秘鲁技术标准NTP 201.208:2021，证实其作为有机改良剂的适用性；堆肥时间缩短至45天，相比传统系统减少了约50%。该研究发表于《Environmental Technology》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）硬件架构：集成气体传感器（ZCE04B模块检测O₂、CO、H₂S、CH₄）、温湿度传感器（DHT22）和CO₂传感器（MQ-135），通过印刷电路板（PCB）整合微控制器（ESP-WROOM-32）、SD存储模块、实时时钟（RTC）、Wi-Fi/蓝牙模块等，实现变量测量、记录和传输；（2）软件架构：基于阈值（如表2所示）对IoT系统编程，实现自动校正动作（如灌溉、翻转），并使用Blynk Cloud平台进行数据实时监控与可视化；（3）原型容器结构：采用半封闭圆柱形工业塑料容器（0.13 m3），配备不锈钢搅拌轴、直流电机、低压水泵、光伏太阳能板（18.2 V）、电池（12V-1.3Ah）及充电控制器；（4）统计评估：通过单因素方差分析（ANOVA）评价系统重复性；（5）堆肥分析：采用标准方法（Dumas法测总氮，ICP-OES测金属含量等）表征堆肥质量；（6）成本效益分析（CBA）：假设规模化至6 m3的工业级容器，计算净现值（NPV），贴现率8%，评估经济可行性。样本来源：家庭有机废物，来自秘鲁阿雷基帕市当地家庭。

**研究结果**

**3.1 当地堆肥分析**
通过观察当地市政堆肥场，研究人员发现该场地仅利用修剪废物（28.11%）、干叶（10.86%）和市场废物（5.88%），其余来自农田土壤和购买的粪便，有机废物利用有限。监测记录仅限于温度、湿度及初始C/N比的理论计算，且数据为双周记录（共10个数据点），限制了与IoT系统连续监测数据的统计可比性。此外，堆肥堆暴露于自然环境中，导致湿度损失和微生物活性受限，当地堆肥耗时超过3个月。

**3.2 容器物理与概念结构**
**3.2.1 硬件**：PCB设计将电子组件集成于单板，ESP-WROOM-32模块处理传感器信息并执行执行器控制。
**3.2.2 软件**：正确编程实现了过程监控与自动化，Blynk Cloud平台实现远程实时数据可视化。
**3.2.3 尺寸与能耗**：原型容器实际体积0.13 m3，容量约65 kg（基于平均密度500 kg/m3），但仅装入32.5 kg（50%容量）以评估性能。系统总能耗为37.50 Wh/天，电机和水泵为主要耗能组件但每周使用不足30分钟。光伏板在峰值日照（PSH 5小时）可产生超过50 Wh能量，覆盖系统需求。电池容量15.6 Wh，考虑80%放电深度（DoD）后可用能量12.48 Wh，主要作为备用电源，系统每日运行14小时（白天10小时直接由光伏供电并充电，夜间4小时靠电池）。

**3.3 嵌入式系统**
气体、温湿度传感器安装于容器顶部，PCB置于附近防护盒内，集成控制模块、传感器及电源，最终原型如图3所示。

**3.4 堆肥过程监控与控制**
初始有机废物按表1配比，初始C/N比为32.49。两个试验各获得45天日均数据，图4显示参数演变趋势一致，误差线和较窄的四分位距证实系统稳定性与可重复性。

**3.5 温度**
温度呈高斯曲线状演变，从约25-23°C上升至最大值59.2-56.7°C（试验1和2），进入热嗜相阶段。中位数分别为46.34°C和44.05°C，多数过程处于热嗜范围，且无显著异常值，表明热行为稳定。

**3.6 湿度**
湿度最小约40%，最大约56%，平均51%，中位数接近51-52%，处于推荐范围（40-60%）。部分异常值（约35-36%）出现在初始阶段，因第一天容器开启。

**3.7 气体**
CO₂从初始820 ppm上升至约3840/3700 ppm（第12天），随后下降至约900 ppm；O₂从15%下降至约9.7-10%，后回升至约15%，反映了典型好氧堆肥代谢。CO持续为零，H₂S和CH₄浓度极低，证实好氧条件良好，无污染气体和恶臭产生。

**3.7.1 基质获取时间与分析**
至第45天，堆肥呈现暗褐色、泥土气味、适当湿度。与文献中传统堆肥（>90天）相比，时间缩短约50%；与Nikoloudakis等（2018）智能堆肥器（2个月）相比，本研究容器材料与尺寸更优，时间进一步缩短。

**3.8 系统性能统计评估**
单因素ANOVA（α=0.05）显示，所有监测参数（温度、湿度、CO₂、O₂）的p值均大于0.05，接受零假设，表明两个试验间无统计学显著差异，系统操作稳定且可重复。

**3.9 最终堆肥分析**
堆肥含N（1.65%）、P（0.81%）、K（1.22%），符合FAO和秘鲁标准NTP 201.208:2021的范围。最终C/N比为20.6，接近成熟堆肥的常见范围（10-20），考虑到初始原料含木质纤维素组分，该值可接受。表明材料达到一定程度的稳定化和生物学成熟度。

**3.10 系统可扩展性评估**
成本效益分析（CBA）假设工业级容器（6.03 m3），总成本S/.23,280（包括设计、建造、年度维护与运营），年维护费S/.3,000。按每次处理2,412.37 kg混合物、产出1,206.37 kg堆肥（效率50%），年销售6次，年产量7,238.22 kg，售价S/.1.50/kg，年收入S/.10,857.34。以8%贴现率计算5年期净现值（NPV），得到正值S/.8,092.06，表明系统经济可行，且具有环境效益（太阳能自给、减少CH₄排放等）。

**总结与讨论部分**
研究人员在讨论中指出，原型系统展现了与文献一致的良好性能：温度、湿度、气体浓度均在推荐范围内，无污染物气体和恶臭产生，与Diharja等（2025）类似。系统通过持续监测和自动控制（灌溉、翻转）维持好氧条件，缩短了堆肥时间。可扩展性分析表明规模化后经济可行。研究强调了IoT与太阳能集成在有机废物管理中的创新性，并建议未来研究关注系统放大、重金属分析和植物毒性试验。

**研究结论部分翻译**
智能堆肥单元采用圆柱形构型，由半封闭工业材料制成，通过确保关键变量（包括温度、湿度和气体排放）的持续监测和自动控制，展示了优化过程条件的能力。结果显示各试验间行为稳定且可重复，无统计学显著差异，从而证实了系统的操作可靠性。此外，过程成功达到热嗜相条件并维持了最佳湿度水平，增强了微生物活性，使堆肥在45天内产出，相比传统方法缩短了约50%。最终堆肥的理化与营养特性在推荐范围内，支持其作为有机改良剂的适用性。总体而言，所提出的系统构成了一种简化、低能耗且用户友好的堆肥解决方案，在城市环境中具有显著的应用潜力。