Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

每天都有数百万吨的食物残渣被丢弃，它们通常最终进入填埋场，在缺乏空气的情况下腐烂。这种腐烂过程会释放出难闻的气味和温室气体，同时也让食物中珍贵的营养物质永远流失。处理这类废物的更好方法是堆肥，这是一种利用微生物分解有机物并将其转化为肥沃土壤肥料的自然方法。为了使这一过程顺利进行，堆肥堆需要氧气。如果没有足够的空气，过程就会停滞，堆体变得过湿且紧实，有益细菌也无法发挥作用。传统上，人们会加入锯末或木屑等体积较大的材料，以保持堆体的松散和透气。然而，这些天然材料在分解过程中本身也会发生降解，最终失去保持空气的能力，从而需要不断更换。

研究人员一直在寻找一种既能保持堆体开放，又不会消失的解决方案。他们也对利用数据来精确理解这些堆肥堆随时间变化的规律感兴趣，旨在超越简单的猜测，实现精准预测。目标是将高水分的食物废物转化为稳定、安全且营养丰富的产物，且速度更快，特别适用于像学校、酒店或产生日常废物的社区这类缺乏大型工业设施的空间。

在受控的实验室环境中，印度浦那 MIT 艺术设计与技术大学的一位研究人员针对这一问题测试了一种新方法。该研究重点在于使用可重复使用的塑料球，特别是带孔的塑料球，作为传统木屑的永久替代品。这些塑料球充当支架，在潮湿的食物废物中创造出微小的通道，让空气得以流动，而它们本身不会发生分解。研究人员将从大学食堂收集的食物废物与一些有益的添加剂混合在一起：生物炭用于保持养分，石灰用于平衡酸度，苦楝粉用于控制不必要的微生物，以及红糖用于为细菌提供养分。为了观察需要多少塑料支架，研究人员准备了四个不同的批次。其中一个批次完全没有塑料球，作为对照组。其他三个批次则分别按重量计加入了 2%、4% 和 8% 的塑料球，混入食物废物中。

实验在专门设计的金属反应器内运行了三十天，该反应器可以控制温度和气流。机器保持堆体温暖，并循环供应氧气，模拟大规模堆肥系统的条件。在一个月的时间里，研究人员测量了堆体的温度变化、酸度变化以及废物化学成分的演变。关键的成功指标是碳氮比，这是衡量堆肥是否成熟的标准指标。高比例意味着材料仍处于原始且不稳定的状态，而较低的比例则表明堆肥已成熟并转化为安全的类土壤产品。

结果显示，不同批次之间存在明显差异。没有任何塑料球的对照组堆体难以保持热量，最高温度仅达到 40 摄氏度。它从未在高温区停留足够长的时间，以充分消毒废物或高效分解废物。到月底时，该堆体仍未完全成熟，其碳氮比仍然过高，无法安全使用。相比之下，含有塑料球的批次表现要好得多。含有 8% 塑料球的批次达到了 58 摄氏度的峰值温度，并保持高温以杀死病原体长达十一天。这种热量有助于微生物更快地工作，并使堆体显著提前成熟。到第 18 天时，该批次已经达到了目标成熟范围，到第 24 天时，已完全稳定。含有 2% 和 4% 塑料的批次也有所改善，但 8% 的批次表现最为稳定。

除了速度之外，塑料球还有助于保持堆肥中的养分。当有机物分解时，珍贵的元素如磷和钾很容易被冲走或流失。研究发现，含有 8% 塑料球的批次保留了最多的磷，其保留率高达 45.65%，而对照组仅为 24.44%。它也保留了更多的钾，保留率为 22.96%，而对照组仅为 7.69%。这意味着最终产物不仅能更早投入使用，而且含有更多植物生长所需的矿物质。来自 8% 批次的最终堆肥被归类为高质量，适用于农业生产且无重金属风险，而对照组的质量则较低。

为了准确理解哪些因素在驱动这些变化，研究人员使用计算机模型来分析数据。一个模型分析了整个月采集的所有测量数据，以确定哪些因素最为重要。它发现，堆体中的氮含量、酸度和水分含量是决定堆肥成熟快慢的主要驱动因素。另一个旨在追踪随时间变化的模型，成功预测了碳氮比如何随着天数的增加而下降。这些工具证实了塑料球不仅仅是增加了体积，它们还创造了一个让正确的化学反应能够更快、更可靠发生的环境。

研究表明，使用这些可重复使用的塑料球可以成为分布式堆肥系统的实用解决方案。与会被消耗掉并需要反复购买的锯末或木屑不同，这些塑料球可以从完成的堆肥中取出，并在下一批次中重复使用。对于那些每天产生大量食物废物的机构来说，这可以使堆肥过程更高效、成本更低。虽然这项实验是在实验室的小规模环境下进行的，但研究结果指向了一种方法，即通过加速废物的分解、保留养分，并在无需不断更换填充材料的情况下生产出高质量的肥料。研究强调，只要拥有正确的物理结构和数据驱动的洞察力，将食物残渣转化为土壤可以比以往认为的更加快速、清洁且高效。