《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Integrated monitoring of composting process and odor emissions using portable NIR spectroscopy: a rapid and non-destructive approach
编辑推荐：
•便携式近红外光谱实现了异质性湿有机废料的原位监测。•主成分分析能够区分新鲜和腐熟后的废物，解释方差最高达96%。•便携式近红外光谱能够令人满意地预测堆肥过程中的关键理化指标。•便携式近红外光谱准确预测了生物稳定性指标（R2CV > 0.90）。•近红外光谱能够令人满意地估算
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便携式近红外光谱实现了异质性湿有机废料的原位监测。
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主成分分析能够区分新鲜和腐熟后的废物，解释方差最高达96%。
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便携式近红外光谱能够令人满意地预测堆肥过程中的关键理化指标。
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便携式近红外光谱准确预测了生物稳定性指标（R2CV > 0.90）。
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近红外光谱能够令人满意地估算恶臭排放，R2CV ≈ 0.82。
引言
过去几十年来，人口密度上升、城市化、经济增长和工业化显著增加了资源消耗，导致废物产生量和种类不断增加[1]。在各种城市废物类型中，市政固体废物的有机组分（OFMSW）和污泥（SL）产生量巨大。2022年，欧盟27国（EU-27）的所有经济活动和家庭共产生废物22.33亿吨，其中废物和水行业占总量的10.5%，家庭废物占9.0%[2]。由于废物产生量大且需要优化管理，近年来处理设施数量不断增加。这一扩展支持了废物的分类和回收利用，带来经济和环境效益[3]。事实上，2022年EU-27产生的总废物中超过61.4%通过回收处理进行了处理[2]。从环境影响角度来看，最合适的废物管理和消除策略是将选择性收集过程与回收和再利用相结合，限制填埋处置和焚烧。在此背景下，第七项环境行动纲领提倡制定和实施欧盟废物政策的优先目标，包括：(1)减少废物产生量，(2)最大限度提高回收和再利用率，(3)将焚烧限制在不可回收材料上，(4)逐步淘汰填埋至不可回收且不可利用的废物，(5)确保所有成员国全面实施废物政策目标[4]。
在各种有机固体废物管理的可持续方案中，堆肥具有降解多种有机废物并获得稳定化和无害化的有机改良剂（即堆肥）的优势[5]。文献中已报道需要通过各种变量（如理化、呼吸量和嗅觉变量）跟踪堆肥过程的操作条件，以便获得高质量产品[6]、[7]。然而，分析这些变量需要遵循严格的方案和标准化方法，通常需要大量试剂、熟练劳动力和设备完善的实验室。这一过程既耗时又昂贵。因此，该领域需要简单快速的替代技术来促进不同有机废物的识别和组成分析[8]，甚至监测生物氧化过程。
在工业过程原位分析的最新技术中，近红外光谱（NIR）是一种基于电磁辐射与物质在近红外光谱区域（通常从约780到2,500 nm）的吸收的有前景且有用的技术。该技术基于分子振动模式获取结构信息。当近红外光照射样品时，样品的能量吸收是分子振动和转动能级之间跃迁的结果，这些跃迁对官能团（C–H、N–H、O–H等）的分子结构细节非常敏感[9]。辐射与样品相互作用的测量结果是一个光谱，其特征是弱吸收带，与有机分子浓度直接相关[10]、[11]。由于近红外光谱具有通用性、快速响应和非破坏性，被广泛用于材料的定性和定量表征。该技术的主要优势之一是能够在极少或无需样品预处理的情况下分析样品，与通常需要干燥、研磨或化学提取程序的常规标准方法相比，大大缩短了分析时间。然而，由于存在宽而重叠的吸收带，近红外光谱非常复杂，导致光谱信息分布在整个光谱中[12]。因此，将近红外光谱与高级化学计量学工具相结合是必要的，以处理大数据集并获取信息。近红外光谱是一种准确、可靠、非破坏性、快速且相对廉价的定性和定量分析方法，应用范围非常广泛[13]。近红外光谱的实用性通过许多应用示例得到证明，如土壤[14]、食品[15]、有机废物[16]、植物[17]和其他有机材料。
已有大量研究使用台式设备规模的近红外光谱技术，这些设备结构复杂、体积大、价格昂贵且不可携带，无法用于原位分析[18]、[19]。最近，光学技术的进展在光学元件微型化方面取得了重大进步，提高了近红外设备的结构便携性。尽管便携式仪器具有许多优势，如紧凑的结构、较低的成本、环境和操作者安全性、增强的灵活性以及能够进行原位测量从而消除样品运输的需要，但便携式近红外设备与台式系统相比可能存在较低的波长重复性、降低的光谱分辨率和低信噪比。在此方面，先前的研究比较了两种设备（台式近红外和便携式近红外）在表征不同有机材料（包括土壤[19]或花生仁[20]）方面的性能。这些研究表明，便携式近红外能够达到与台式系统相当的定量性能。
更具体地说，已有研究报道在堆肥中使用台式近红外结合化学计量学分析，作为某些理化参数的可接受预测方法，校准相关系数超过0.8[21]，或污泥堆肥稳定性参数的残差预测偏差（RPD）在1.6–2.8之间[22]。然而，将这些实验室方法转化为便携式仪器以直接分析湿的异质性堆肥材料的研究仍然较少。这种区别对于实际实施尤为相关，因为常规实验室分析通常涉及样品采集、运输和预处理，而便携式近红外光谱提供了直接从新鲜材料获取光谱信息的可能性，仅需最少样品制备。据我们所知，使用便携式近红外结合化学计量学分析来预测理化、呼吸量和嗅觉变量以监测堆肥过程的研究尚未在文献中报道。在此背景下，本研究旨在：(1)评估在真实操作条件下使用便携式近红外光谱仪快速、非破坏性地监测不同有机废物堆肥过程的技术可行性，(2)开发预测关键理化性质、堆肥稳定性（通过呼吸量测量推断）和恶臭相关参数的模型，使用近红外光谱数据结合化学计量学分析，(3)评估结合湿样和干燥研磨样品的联合校准框架是否能够适应与水分含量和样品制备差异相关的光谱变异性，以评估在不显著降低预测性能的情况下消除样品预处理的可行性，并作为开发异质性堆肥材料通用校准策略的初步步骤。
分节摘录
材料与方法
本研究在位于科尔多瓦（安达卢西亚，西班牙）的城市废物管理厂进行，该厂由市政公司Saneamientos de Córdoba S.A.（SADECO）管理。
新鲜与腐熟有机废物的比较评价
本研究评估的不同有机废物的理化、呼吸量和嗅觉表征揭示了新鲜材料与腐熟材料之间的显著差异，反映了有机质在堆肥过程中的逐步稳定化（表2）。总体而言，新鲜样品，特别是SL和OFMSW，显示出更高的含水量（分别为76 ± 7%和50 ± 11%）、挥发分（分别为63.47 ± 1.24%和70.13 ± 10.09%）、溶解性有机碳（5.81 ±
结论
本研究证明了便携式近红外光谱作为城市废物堆肥管理中一种快速、高通量且可现场部署的分析替代方案的技术可行性。漫反射光谱曲线的主成分分析准确监测了有机基质在生物氧化过程中的分子指纹，有效地区分了原始基质和成熟堆肥。定量分析表明，偏最小二乘框架显示便携式近红外设备
CRediT作者贡献声明
M. Toledo：初稿撰写、验证、调查、正式分析、概念构思。M.C. Gutiérrez：可视化、验证、项目管理、资金获取。J. García-Olmo：验证、方法论、数据整理。A.F. Chica：可视化、指导、概念构思。M.A. Martín：审阅与编辑、指导、项目管理、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文所报道的工作。
致谢
本研究获得PID2024-156093OB-I00项目资助，由西班牙科学与创新部提供资金，并获得研究组RNM-271的支持。我们还想感谢市政公司SADECO、研究支持中央服务（SCAI）以及化学与环境化学研究所（IQUEMA）的支持与合作。最后，特别感谢Inmaculada Bellido女士和María Luisa López Campa?a女士（化学领域
M. Toledo|M.C. Gutiérrez|J. García-Olmo|A.F. Chica|M.A. Martín
