大学食堂中可持续的食品废弃物管理：反应堆堆肥系统的生命周期与技术经济分析

《Sustainable Materials and Technologies》：Sustainable food waste management in university canteens: Life cycle and techno-economic analysis of reactor composting systems

智能堆肥系统处理食物残渣与梧桐叶，集成实时传感器与模糊PID控制，使堆肥周期缩短至14天/吨。生命周期评估显示全球变暖潜势降低439.78%，富营养化潜势降低187.19%； techno-economic 分析表明净现值达150,653.17元，内部收益率24.1%，显著优于传统方法，证实智能堆肥系统在可持续城市食品废弃物管理中的高效与环保优势。

　　随着全球食品浪费问题日益严重，如何高效、环保地处理食品废弃物已成为一个紧迫的议题。据预测，到2025年，全球食品浪费将达到25亿吨，而中国每年的食品浪费量也超过1.2亿吨。面对这一挑战，中国政府通过国家发展和改革委员会提出了到2025年实现城市固体废弃物资源化利用率达到60%的目标。然而，传统的食品废弃物处理方式，如填埋和焚烧，不仅占用大量土地资源，还会释放大量的温室气体，尤其是甲烷，其全球变暖潜能值是二氧化碳的25倍以上。此外，这些方法还会通过渗滤液导致土壤和水体污染，对生态环境造成不可忽视的影响。

相比之下，可持续的处理方式如厌氧消化和好氧堆肥因其较低的污染排放而受到越来越多的关注。其中，好氧堆肥因其操作简单、成本较低，适合在城市环境中实施，例如大学食堂等小型单位。好氧堆肥不仅能减少对化学肥料的依赖，还能促进形成闭环的废弃物管理体系，为城市可持续发展提供重要支持。然而，现有的研究大多集中在不同技术之间的广泛比较，而对于反应器堆肥系统内部工艺优化的研究仍显不足。反应器堆肥作为好氧堆肥的一种先进形式，具有更快的稳定化过程、更低的环境干扰以及适用于城市规模废弃物处理的优势。但其高能耗问题仍然是制约其广泛应用的主要障碍。

为了缩短堆肥周期并降低能耗，精确的控制策略至关重要。当前许多研究聚焦于单一变量的优化，如通风或搅拌频率，而结合实时监测与自动化控制的智能控制策略仍然较少。例如，Singh等通过优化搅拌频率提高了效率，但55天的发酵周期仍限制了其规模化应用，并未能有效降低能耗。此外，大多数研究仅关注碳排放等单一环境指标，缺乏对整体环境和经济影响的综合评估。因此，有必要探索一种结合智能控制与全面环境和经济评估的综合方法，以推动反应器堆肥技术的发展。

本研究选取南京农业大学作为案例，全面分析了反应器堆肥系统在各个阶段的能源和资源消耗情况。通过量化环境影响和经济指标，评估了智能堆肥管理策略的减排潜力。研究中使用了大学食堂产生的食品废弃物以及校园内收集的悬铃木叶片作为堆肥原料，并对堆肥系统的关键技术和材料、能耗及排放特征进行了深入分析。同时，还对有机肥料的理化性质和使用效果进行了实验评估。借助SimaPro软件整合堆肥过程中的数据，并采用生命周期评估（LCA）方法比较了智能反应器堆肥（Intelligent RC）与传统反应器堆肥（Conventional RC）在环境影响方面的差异。此外，还对反应器堆肥系统进行了技术经济分析，并对主要成本和收益进行了敏感性分析。

研究结果显示，智能反应器堆肥系统将堆肥周期从传统的28天缩短至14天每吨，显著提升了处理效率。在环境影响方面，通过采用模糊比例积分微分（PID）智能控制系统，系统实现了全球变暖潜能值的降低，达到?473.16千克二氧化碳当量，相比传统方法减少了439.78%。同时，该系统在富营养化潜能方面也表现出显著优势，减少了0.35千克氮当量，降幅达到187.19%。这些成果表明，智能控制策略在提升堆肥效率、降低能耗和减少环境影响方面具有巨大潜力。

在经济层面，智能反应器堆肥系统展现出更高的盈利能力。其净现值（NPV）达到150,653.17元人民币，相比传统方法提高了2.8倍；内部收益率（IRR）为24.1%，是传统方法的1.6倍。这说明，尽管智能系统在初期可能需要更高的投资，但其长期经济效益显著优于传统方式。这些数据不仅为校园食品废弃物堆肥管理提供了实践参考，也为类似场景下的推广应用奠定了基础。

在实验部分，研究人员对有机肥料的使用效果进行了评估。例如，通过测量种子在种植后的第六天高度，发现不同处理组的种子生长情况存在明显差异。其中，T2组的种子生长高度最高，而T0和T1组则相对较低。这表明，经过充分分解的有机肥料能够为植物提供更优质的养分，从而提升其生长性能。进一步的实验结果还显示，智能堆肥管理策略能够有效提高有机肥料的成熟度，减少有害气体的排放，提高资源利用率。

本研究还探讨了校园食品废弃物堆肥管理的优化策略。通过分析反应器堆肥系统的运行数据，提出了降低能耗的具体措施。例如，优化堆肥原料的配比、加强实时监测和智能调控、提高系统的自动化水平等。这些措施不仅有助于提升堆肥效率，还能进一步降低运营成本，提高系统的可持续性。此外，研究还指出，智能堆肥系统可以为校园建立一个闭环的废弃物管理体系，促进资源的循环利用，减少对外部资源的依赖，从而实现环境和经济的双重效益。

研究团队由来自南京农业大学的多位研究人员组成，他们在本研究中各司其职，共同推进了项目的顺利进行。Xueru Zhu负责撰写原始稿件、软件开发、方法设计和数据管理；Chao Li负责数据可视化；Shilong Qiu参与了数据验证和管理；Samuel Mbugua Nyambura则贡献了方法论方面的研究；Haojun Xie负责实验调查；Wenhao Tang和Mingming Liu参与了数据验证工作；Hua Li在论文撰写、审阅和编辑方面提供了指导，并负责项目资金的获取；Jufei Wang则参与了论文的撰写、方法设计和实验调查。这种多元化的合作模式确保了研究的全面性和科学性。

本研究的资金支持来自中国国家重点研发计划项目（项目编号：2019YFC1906103）以及江苏省现代农业机械装备与技术推广项目（项目编号：NJ2024–05）。这些资金的投入为研究提供了必要的技术支持和资源保障，使得团队能够在实验设计、数据分析和系统优化等方面取得突破。同时，研究团队也强调，他们没有发现任何可能影响研究结果的财务利益冲突或个人关系。

综上所述，本研究通过引入智能控制系统，显著提升了反应器堆肥的效率和环保性能。智能反应器堆肥不仅缩短了堆肥周期，降低了能源消耗，还实现了更高的经济回报。这些成果为校园食品废弃物的处理提供了一个可复制、可推广的模型，同时也为城市可持续废弃物管理提供了重要的理论和技术支持。未来，随着智能技术的不断发展和应用，反应器堆肥有望成为城市废弃物处理的重要解决方案，推动循环经济的发展，实现资源的高效利用和环境的持续改善。