李夢(mèng)洋， 孫耀杰， 張 馨， 鄭文剛

(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401； 2. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097； 4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

當(dāng)前，我國農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖過程中排放廢棄物造成的污染和農(nóng)作物秸稈焚燒導(dǎo)致的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，農(nóng)業(yè)廢棄物中的養(yǎng)分含量較高，這些從土壤中帶走的營養(yǎng)物質(zhì)只靠化肥是不足以返還的[1-2]。好氧發(fā)酵堆肥以其穩(wěn)定性和無害性成為當(dāng)前最主要且較有效處理農(nóng)業(yè)廢棄物的方法之一。2013年國務(wù)院頒布的《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》中指出，鼓勵(lì)和支持采取糞肥還田、制造沼氣及有機(jī)肥等方法，對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行綜合利用[3]。中國共產(chǎn)黨第十六屆中央委員會(huì)第五次全體會(huì)議以來，國家提出要建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，其核心目標(biāo)是降低生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染。對(duì)好氧發(fā)酵核心技術(shù)深入研究是加快我國資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)的重要方式，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的重要途徑。

堆肥過程中在線自動(dòng)監(jiān)測堆體環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)堆肥管控一體化，能夠減少人力成本，加快發(fā)酵過程，提高發(fā)酵效率，符合密閉、環(huán)保的反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，有利于減緩環(huán)境壓力，完成了從自然堆制、污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)堆肥方式到傳感器監(jiān)測、機(jī)器控制的智能化生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)變，對(duì)于進(jìn)一步提高堆肥效率和質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)我國智能化堆肥有著重要的實(shí)際意義。堆肥成功的關(guān)鍵是使微生物生活在一個(gè)較為適宜的環(huán)境中，目前，美國、德國、澳大利亞在商業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究等方面取得較大的進(jìn)展，具體的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)技術(shù)已經(jīng)得以應(yīng)用并形成標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在臭氣濃度、含水量、pH值等測量分析與處理方面取得了突破。但我國在堆肥監(jiān)測方面的研究還處于起步階段，監(jiān)測傳感器感知參數(shù)少，環(huán)境適應(yīng)性差，準(zhǔn)確度不夠，測量方式較為傳統(tǒng)，缺少有效的測量辦法，未能充分利用信息與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升堆肥環(huán)境監(jiān)測水平，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，相對(duì)其他行業(yè)處于滯后狀態(tài)，導(dǎo)致資源浪費(fèi)、堆肥產(chǎn)物質(zhì)量下降，對(duì)堆肥過程智能化生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，也影響了我國環(huán)境資源循環(huán)再利用的進(jìn)程。

本文在綜合分析堆肥環(huán)境監(jiān)測需求的基礎(chǔ)上，介紹堆體溫度、含水量、氧氣濃度、臭氣值等參數(shù)的監(jiān)測原理和方法及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并介紹堆肥探桿封裝結(jié)構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式及監(jiān)測平臺(tái)應(yīng)用現(xiàn)狀，最后分析提出該領(lǐng)域存在的問題和今后發(fā)展趨勢(shì)，以期為智能化監(jiān)測堆肥環(huán)境提供參考。

1 堆肥環(huán)境監(jiān)測需求分析

目前堆肥方式分為開放式和密閉式[4-5]，開放條垛式和室外靜態(tài)堆肥采用原料簡單的堆積，在自然好氧條件下進(jìn)行物料堆制的方法，并加以定時(shí)的翻堆或通風(fēng)以保持堆體環(huán)境最佳，由于堆體較高，環(huán)境測量需要>1 m的探桿，當(dāng)不需要拋翻時(shí)，可以長時(shí)間在線監(jiān)測，如需拋翻堆體時(shí)，固定在線監(jiān)測會(huì)影響拋翻過程，須定時(shí)拔掉測量探頭。密閉式堆肥是指將物料投放在密閉空間中，通過監(jiān)測堆體溫度、氧氣濃度等參數(shù)控制其通風(fēng)并攪拌，使物料進(jìn)行生物降解和轉(zhuǎn)化[6]，溫度、氧氣濃度測量探桿需要長時(shí)間固定在反應(yīng)器壁上，且其探頭不能影響反應(yīng)器中攪拌工作。圖1為不同場景傳感器的應(yīng)用。

盡管堆肥的物料來源有多種，但是適合微生物生存的環(huán)境是固定的，在配比物料時(shí)，配制質(zhì)量含水率45%～65%，C ∶N (質(zhì)量比)為20 ∶1～30 ∶1，pH值為5～8[7-14]。好氧微生物的新陳代謝釋放大量能量，產(chǎn)生水，消耗氧氣，在堆肥初期，溫度從室溫逐步上升到45 ℃，產(chǎn)生大量酸，pH值下降到5左右，之后進(jìn)入高溫階段(45～65 ℃)，pH值恢復(fù)到6～8，釋放氨氣，前2個(gè)階段耗氧速率很快，氧氣濃度降低，應(yīng)保持氧濃度>8%；最后是降溫階段，有機(jī)物趨于穩(wěn)定，氧氣含量趨于平緩。由此可見，堆肥過程中高溫(50～70 ℃)、高濕(含水率 45%～65%，部分雞糞原料更高)、堆體腐蝕性(pH值5～8)的環(huán)境，要求傳感器能工作在高溫高濕環(huán)境下，溫度測量范圍30～80 ℃，精度應(yīng)達(dá)到至少1 ℃；氧氣濃度監(jiān)測范圍為0～25%即可，精度應(yīng)為0.1%；濕度應(yīng)該可以監(jiān)測20%～80%，精度最好為0.1%。傳感器封裝采用耐腐蝕材料，在監(jiān)測氣體時(shí)，須要對(duì)被測氣體進(jìn)行預(yù)處理，避免影響氣體測量元件，如堆體中氨氣濃度一般為500～1 000 μmol/mol，測量時(shí)采用擴(kuò)散或氣泵抽氣方式，且須快速濾除水分，以避免氣體溶于水中，同時(shí)須將氣體溫度調(diào)整為感知元件可接受范圍。

堆肥過程中一般測量堆體溫度、含水量、氧氣濃度、pH值、電導(dǎo)率等以及堆制產(chǎn)生的氨氣、硫化氫、含氮有機(jī)物、含硫有機(jī)物等參數(shù)的濃度，過程監(jiān)測有在線、離線的需求且設(shè)備須適應(yīng)室外操作環(huán)境，同時(shí)由于堆體內(nèi)部環(huán)境惡劣，對(duì)傳感器穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可維護(hù)性提出較高的要求。

2 堆肥過程環(huán)境參數(shù)感知原理研究與應(yīng)用

2.1 堆體溫度感知

傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方法有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、集成溫度傳感器、紅外測溫等。熱電偶、熱電阻和集成數(shù)字式溫度傳感器在堆體溫度測量中的應(yīng)用較多。其中，熱電阻的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理能獲得較高測量精度，是目前應(yīng)用與研究的主流。德國LOGIDATATECH公司生產(chǎn)的溫度探桿使用5個(gè)Pt100傳感器，具有低功耗、多點(diǎn)多層測溫的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了堆肥過程中溫度的自動(dòng)化監(jiān)測；de Guardia等在好氧堆肥反應(yīng)堆中使用3個(gè)Pt100溫度傳感器監(jiān)測堆體上、中、下3層溫度[15]；李鑒明采用Pt100溫度傳感器采集堆肥過程的溫度，熱響應(yīng)時(shí)間<2 s，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[16]。熱電偶具有測溫范圍廣、成本低等特點(diǎn)，但其調(diào)理電路相對(duì)其他傳感器復(fù)雜，堆體溫度測量相對(duì)較少。美國REOTEMP公司生產(chǎn)的溫度探桿，采用K型熱電偶，測量范圍為-46～538 ℃，分辨率為1 ℃[17]，能夠較方便地測量出堆肥溫度，如圖2所示，該公司生產(chǎn)的無線溫度探桿，設(shè)計(jì)上、下2個(gè)溫度傳感器，從堆體內(nèi)部測量溫度，探桿上部的3層密閉外殼可保護(hù)電子元件，防止水汽和腐蝕性氣體的損壞，尖鞘部分采用非金屬材料，既保證了傳熱還防止腐蝕。隨著數(shù)字集成電路的發(fā)展，集成式數(shù)字溫度傳感器具有集成度高、免校準(zhǔn)、能耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前最高精度已經(jīng)達(dá)到±0.2 ℃，符合堆體溫度測量精度要求，是今后應(yīng)用的主要趨勢(shì)。張海波等設(shè)計(jì)了以STC89C52單片機(jī)為主控單元、DS18B20為溫度傳感器的時(shí)間-溫度控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)安裝在某堆肥廠中，結(jié)果證明，該系統(tǒng)操作簡便，運(yùn)行較穩(wěn)定[18]。其他如紅外測溫儀更多地被用在表面溫度測量方面，測量精度在±1 ℃以上，應(yīng)用較少。

2.2 堆體含水量測量

對(duì)于堆體含水量的監(jiān)測，有取樣監(jiān)測和原位監(jiān)測2種方法[19]。取樣監(jiān)測就是從堆體上取出樣品進(jìn)行測試，常見的是捏擠法和稱質(zhì)量法。捏擠法就是抓取一定的堆肥物料用力擠壓，憑借測試人員的感官判斷當(dāng)前物料的濕度情況，該方法測量快速，但受人主觀意識(shí)的影響較大，準(zhǔn)確性低[20]。稱質(zhì)量法是對(duì)比堆肥物料去除水分前后的質(zhì)量或體積，從而計(jì)算出質(zhì)量含水率或者體積含水率，該方法操作比較簡便，使用設(shè)備價(jià)格較低，是目前在測量堆肥含水率時(shí)最常用的方法，但是在去除水分的加熱時(shí)，會(huì)使得一些易揮發(fā)的固體揮發(fā)掉[21]，如甲硫醚(沸點(diǎn)37.5 ℃)、丙醛(沸點(diǎn)48.0 ℃)等[22]，稱質(zhì)量測量一般須要將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，不能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，且取出樣本后破壞堆體，影響堆體微生物的生長環(huán)境[23]。原位監(jiān)測主要是直接在堆體上測量，常采用電導(dǎo)法、電容法、紅外法、微波法等，REOTEMP公司生產(chǎn)的水分監(jiān)測儀通過測量堆肥物料的導(dǎo)電性判斷含水率，Morgan Scientific公司的監(jiān)測設(shè)備可以同時(shí)監(jiān)測溫度、氧氣濃度和含水率，通過測量堆體小孔中的空氣濕度得出含水率。時(shí)域反射法(TDR)使用電脈沖測量電信號(hào)在介質(zhì)中的傳輸時(shí)間，測量出堆體的介電常數(shù)再轉(zhuǎn)換成含水率，該方法更加精確，對(duì)堆體的影響較小，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，但受土壤酸性、鹽度等的影響較大[24]，德國ESI環(huán)境傳感器公司將TDR水分傳感器應(yīng)用到堆肥含水量測量上。

2.3 堆體氧氣濃度測量

當(dāng)前堆肥過程對(duì)于氧氣濃度的測量，一般是測定堆層中的氧濃度或者耗氧速率。常用的氧氣傳感器有3種，分別為電化學(xué)氧氣傳感器、氧化鋯傳感器和光纖氧氣傳感器，3種測氧方式比較如表1所示。

氧化鋯傳感器具有耐高溫的特性，適用于環(huán)境比較惡劣的氧氣濃度監(jiān)測。當(dāng)附著有多孔鉑膜的氧化鋯陶瓷層兩側(cè)存在氧濃度差時(shí)，氧離子就會(huì)從濃度高一側(cè)向濃度低一側(cè)遷移，在2個(gè)鉑電極之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，輸出的電動(dòng)勢(shì)與電池工作溫度和兩側(cè)氧濃度具有一定關(guān)系，利用這種方式即可測量出氧氣濃度。相比其他氧氣傳感器，它具有壽命長、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是由于傳感器內(nèi)部氣泵需要加壓抽氣， 功耗較大，需要持續(xù)供電。曾劍飛等選用氧化鋯型氧體積分?jǐn)?shù)傳感器(Honeywell GMS10-RVS型，美國)監(jiān)測堆體氧體積分?jǐn)?shù)，其氧分壓測量范圍為0.2～300.0 kPa，精度<500 Pa，靈敏度 0.010 5 ms/Pa，具有較高測量精度和穩(wěn)定性，使用前須預(yù)熱30 s[25]。北京瑞陽恒興科技有限公司開發(fā)的數(shù)顯氧氣濃度探桿(BRET-O500-P)，具有1個(gè)測氧點(diǎn)，采用英國SST雙氧化鋯氧傳感器，精度為2% Fs，測氧范圍可選0～25%或0～100%，且線性輸出。圖3為該氧氣探桿外觀結(jié)構(gòu)示意，敏感頭通過一個(gè)不銹鋼桿體安裝在探頭的一端，下方的進(jìn)氣孔采集氣體進(jìn)入桿體并從上方排出，以保持內(nèi)部氣壓平衡。德國LOGIDATATECH公司也設(shè)計(jì)生產(chǎn)了核心為氧化鋯的氧氣傳感器。

表1 氧氣濃度測量方法比較

光纖氧氣傳感器，一般以熒光物質(zhì)作為指示劑，利用氧氣對(duì)熒光具有淬滅作用的原理，通過一定波長的光激發(fā)熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，根據(jù)熒光被淬滅程度，可監(jiān)測氧氣濃度。光纖氧氣傳感器無需標(biāo)定，內(nèi)置壓強(qiáng)傳感器，通過測量環(huán)境壓強(qiáng)和氧分壓的大小來判斷氧氣濃度；具有傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器低功耗的特點(diǎn)，非消耗的傳感原理使其擁有更長的壽命；傳感器自身有氧壓和溫度補(bǔ)償，使其可以精確工作在較寬環(huán)境范圍內(nèi)而不需額外的補(bǔ)償電路；非常穩(wěn)定、環(huán)保，不含鉛或其他任何有毒材料，并且不受其他氣體交叉干擾的影響。Chen等對(duì)光纖氧氣傳感器的研究證明，光纖氧傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、測量范圍廣、使用壽命長、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)[26-27]。

2.4 臭氣濃度監(jiān)測

堆肥過程中產(chǎn)生的臭氣中除了氮化物、硫化物以外，還有一些揮發(fā)性有機(jī)物，如含氮有機(jī)物、含硫有機(jī)物、胺類、揮發(fā)性脂肪酸等[28-30]。目前常見的用于監(jiān)測臭氣濃度的方法有化學(xué)法、嗅覺測試法、光譜儀分析法和傳感器監(jiān)測法。

化學(xué)法就是利用氣體與化學(xué)試劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)發(fā)生的顏色變化等現(xiàn)象來判斷氣體濃度。該法通常是抽取一定的氣體進(jìn)行試驗(yàn)，簡單易行，所用試劑價(jià)格低廉，但得出的結(jié)果不是實(shí)時(shí)的，且只能得出大致結(jié)果，不適于實(shí)時(shí)、精確測量。

嗅覺監(jiān)測法是一些比較有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，通過感官直接估計(jì)有味氣體的含量值，方法簡便，但是存在估計(jì)不準(zhǔn)確、依賴于經(jīng)驗(yàn)且容易對(duì)技術(shù)人員的身體健康產(chǎn)生影響的缺點(diǎn)[31]，一般用來與其他測臭氣濃度的方法進(jìn)行比較。Hamacher等針對(duì)接近濃度閾值的臭氣使用嗅覺監(jiān)測法測量困難的問題，引出電子鼻測量方法[32]。

光譜分析法測臭氣濃度一般使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spetronmetry，GC-MS)法，這是用氣相色譜法分離并定性與用質(zhì)譜法定性相聯(lián)用的分析方法，具有高分辨率、高靈敏度、重復(fù)性好等特點(diǎn)，一直以來被用作復(fù)雜成分的分離和鑒定，但是與此同時(shí)，由于氣相色譜-質(zhì)譜儀的價(jià)格較為昂貴，體積較大，不易于搬動(dòng)，不能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測而受到了一定的限制，由于其精確度高，一般被作為其他方法的準(zhǔn)確性參考。Dickert等使用其設(shè)計(jì)的電子鼻監(jiān)測堆肥逸出的乙酸乙酯、檸檬烯等氣體濃度，并與用HP 5890系列氣相色譜儀進(jìn)行的GC-MS法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[33-34]；Romain等在監(jiān)測堆肥逸出氣體時(shí)，將電子鼻測得的數(shù)據(jù)與氣相色譜-質(zhì)譜分析法測量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[35-36]，均得出2種方法監(jiān)測結(jié)果一致的結(jié)論。Delgado-Rodriguez等利用GC-MS方法監(jiān)測一些揮發(fā)性有機(jī)物含量，將安捷倫6890氣相色譜儀和四極安捷倫5973電子電離質(zhì)譜探測儀結(jié)合起來，通過主成分分析(PCA)法得出與電子鼻方法測得的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上相似的結(jié)論[37]。

傳感器測臭氣濃度主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器、電化學(xué)傳感器、催化燃燒式傳感器等監(jiān)測方式，具有體積小、實(shí)時(shí)監(jiān)測、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，表2為幾種傳感器原理性能比較。電子鼻是近幾年發(fā)展起來的一種模仿動(dòng)物嗅覺器官的高科技產(chǎn)品，是由有選擇性的電化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)淖R(shí)別方法組成的儀器，能夠識(shí)別混合的氣體，具有強(qiáng)大的信息處理能力和較高的分辨率，并且對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性強(qiáng)，體積小巧，便于攜帶與安放。電子鼻的工作原理可以分為3部分：氣體傳感器陣列、信號(hào)處理單元和模式識(shí)別部分，圖4為Li等設(shè)計(jì)的電子鼻陣列[38]，從上到下依次對(duì)應(yīng)這3部分。氣體傳感器陣列是多個(gè)具有不同選擇性氣敏元件的組合，信號(hào)處理單元是將各傳感器數(shù)據(jù)歸一化處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，模式識(shí)別部分對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并使用模式識(shí)別算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Delgado-Rodriguez等利用電子鼻監(jiān)測城市固體廢棄物堆肥揮發(fā)出的揮發(fā)性有機(jī)物濃度，采用10個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器組成的陣列監(jiān)測檸檬烯、β-蒎烯、2-丁酮等氣體濃度，利用PCA精簡了數(shù)據(jù)集，可以將幾種氣體進(jìn)行很好的分類[37]。Romain等使用由4個(gè)金屬氧化物傳感器(TGS880、TGS822、TGS2610、TGS842)陣列組成的電子鼻測量堆肥產(chǎn)生的臭氣濃度，試驗(yàn)說明，可以使用同一種電子鼻儀器監(jiān)測不同原料堆肥過程中相同時(shí)期的不同參數(shù)[36]。一些質(zhì)量敏感型氣體傳感器也能夠更好地作為電子鼻的一部分滿足工業(yè)上的不同要求。Dickert等設(shè)計(jì)了一個(gè)具有6個(gè)石英晶體微量天平(QCM)陣列，用于堆肥過程的在線監(jiān)測，得出檸檬烯等物質(zhì)的濃度變化過程曲線，之后在實(shí)際中應(yīng)用這一電子鼻，證明了其能夠定量測量不同的有機(jī)物濃度[33-34]。Hamacher等提出，使用石英微量天平(QMB)傳感器陣列設(shè)計(jì)電子鼻來監(jiān)測低于臭氣濃度閾值的臭氣，試驗(yàn)證明，該傳感器系統(tǒng)具有良好的性能，運(yùn)用主成分分析法(PCA)之后，還能夠預(yù)測堆肥的變化過程[32]。

表2 幾種臭氣傳感器測量方法比較

2.5 其他

2.5.1 堆體pH值測量方面 pH值是影響微生物生長繁殖的重要因素之一，一般在堆肥初期進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)，在堆肥過程中監(jiān)測pH值以了解其變化情況。常見的pH值測量使用的是電位測定法，把對(duì)pH值敏感的玻璃電極和電位穩(wěn)定的參比電極放在同一溶液中，構(gòu)成一個(gè)測量電池，其電動(dòng)勢(shì)和溶液的pH值之間符合能斯特方程，從而測得其溶液pH值。秦莉等在對(duì)于生活垃圾堆肥理化性質(zhì)的研究中，使用pH S-3C 型pH值計(jì)測量pH值[39]；Chikae等使用日本HORIBA公司生產(chǎn)的pH值測量儀測量樣本pH值，以觀察整體堆肥腐熟度情況[40]。新近研發(fā)出并應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的pH值離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)測量技術(shù)，具有壽命長、精度和準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。ISFET與傳統(tǒng)的場效應(yīng)管(MOSFET)結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別是氫離子敏感膜代替了MOSFET的金屬柵極，當(dāng)氫離子存在時(shí)，ISFET就會(huì)產(chǎn)生對(duì)其敏感的能斯特電位，使漏極電流發(fā)生變化。目前被廣泛應(yīng)用于土壤和水質(zhì)的pH值測量上，美國Spectrum pH400/600土壤pH值測量儀使用ISFET電極，可以用在堆體pH值監(jiān)測中。

2.5.2 生物傳感器方面 堆肥過程中微生物的濃度和分布、酶的活性和變化及各種有機(jī)物的濃度等的原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。生物傳感器是生物化學(xué)技術(shù)和傳感器技術(shù)的結(jié)合，在堆肥過程的各種參數(shù)監(jiān)測中起著越來越重要的作用。周雯婧等分析了生物傳感器在堆肥過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用，得出酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器等可用于堆肥過程中酶濃度、微生物濃度、有毒有害物質(zhì)濃度監(jiān)測的結(jié)論，因此適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用生物傳感器可以有效幫助人們判斷堆肥腐熟情況[41]。章毅等將生物傳感器中的免疫傳感器進(jìn)行細(xì)化，闡述了免疫傳感器在堆肥物料固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)參數(shù)監(jiān)測中的應(yīng)用，指出免疫傳感器為進(jìn)一步細(xì)化堆肥產(chǎn)物提供了技術(shù)支持，并提出了當(dāng)前與監(jiān)測物質(zhì)對(duì)應(yīng)的抗體有限并且難以穩(wěn)定的問題[42]。劉燦等闡述了基因傳感器的應(yīng)用，指出將基因傳感器用于堆肥中微生物功能基因檢測是今后的主要研究方向[43]。

2.5.3 堆體腐熟度監(jiān)測方面 采用光學(xué)儀器對(duì)堆肥腐熟度監(jiān)測是一種很好的分析方法，基于原子團(tuán)的振動(dòng)產(chǎn)生的光譜可提供有關(guān)原子團(tuán)組成方面的信息，得到堆肥過程中產(chǎn)生物質(zhì)的情況，一般使用的有近紅外光譜、紅外光譜和紫外光譜等。黃光群等采用美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Spectrum one NTS基于傅里葉變換近紅外光譜儀進(jìn)行腐熟度分析，光譜采集范圍為10 000～4 000 cm-1，使用數(shù)學(xué)方法建立近紅外校正模型，得出近紅外漫反射光譜可以快速準(zhǔn)確測定堆肥中水分、揮發(fā)性固體、總有機(jī)碳、總氮含量和電導(dǎo)率的結(jié)論[44]。段旭光等也進(jìn)行了類似的研究，得出紅外光譜分析法有助于堆肥腐熟度監(jiān)測的結(jié)論[45]。Domeizel等通過紫外線光譜去卷積的方法來判斷堆肥成熟度并指出，這種指示方法比成熟度指數(shù)使用更頻繁，且可簡單快速得出結(jié)果[46]。郭峰等使用熒光光譜對(duì)堆肥過程進(jìn)行監(jiān)測分析并指出，相關(guān)參數(shù)可以較好地表征堆肥腐熟度[47]。祝虹煜等介紹了熒光光譜在堆肥腐熟度中的應(yīng)用并指出，該技術(shù)可以為堆肥腐熟度評(píng)價(jià)提供參考，在堆肥研究中具有廣闊的應(yīng)用前景[48]。

3 堆肥環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過數(shù)據(jù)采集卡(傳感器采用4～20 mA或0～5 V等模擬信號(hào))或者RS232/485接口向電腦傳輸數(shù)據(jù)，這種有線的傳輸方式易受到距離的限制，且線纜易腐蝕或被人為破壞，維護(hù)困難。曾劍飛等設(shè)計(jì)的好氧堆肥溫氧監(jiān)測系統(tǒng)，可顯示單片機(jī)采集到的溫氧值，并可利用數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳到電腦上[25]。Sironi等針對(duì)堆肥廠臭氣的產(chǎn)生情況，使用RS232或者USB接口連接電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制[49]。

隨著工業(yè)現(xiàn)場總線、物聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)等通信信息技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始與監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)結(jié)合，擺脫了傳統(tǒng)堆肥參數(shù)監(jiān)測時(shí)線纜的約束，藍(lán)牙、Wi-Fi、Sub-GHz等在堆肥監(jiān)測系統(tǒng)中都有應(yīng)用，圖5為澳大利亞OneTemp公司的智能化堆肥環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意，堆肥探桿監(jiān)測到相關(guān)參數(shù)后無線傳輸?shù)皆贫?，然后云端發(fā)送數(shù)據(jù)到電腦上進(jìn)行記錄和監(jiān)測，預(yù)警數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)端以通知用戶。Casas等設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于堆肥監(jiān)測和控制，將節(jié)點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)匯集在網(wǎng)關(guān)處，然后通過無線傳到電腦上保存，并上傳到云服務(wù)器，服務(wù)器保存節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)并自動(dòng)更新；節(jié)點(diǎn)使用美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC430，在60 ℃條件下工作良好，無線傳輸在 433 MHz 頻率；該系統(tǒng)在新西蘭、澳大利亞和西班牙進(jìn)行了試驗(yàn)，傳感器具有一定的魯棒性，低能耗、精度高、量程范圍廣、充電時(shí)間較短[50]。隨后，López等對(duì)上述監(jiān)測控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于溫度和水分含量等參數(shù)的實(shí)時(shí)多點(diǎn)監(jiān)測[51]。美國的REOTEMP公司設(shè)計(jì)了ECOPROBE智能堆肥系統(tǒng)，采用 902～928 MHz頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸，傳輸距離約300 m，開發(fā)的Compost Watch軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前堆體情況并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。陳朝旭等研究設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的堆肥控制系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在堆肥車間，對(duì)堆體參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)接收、顯示并存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)[52]。除了通過無線模塊傳輸數(shù)據(jù)外，還可以使用藍(lán)牙進(jìn)行通信，不過傳輸距離有限，多用于實(shí)驗(yàn)室研究。鄧志輝等為監(jiān)測發(fā)酵倉參數(shù)，設(shè)計(jì)了以C8051F020單片機(jī)為核心的無線參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，采集溫度、發(fā)酵速率、pH值、電導(dǎo)率及含氧量，通過BF10-1型藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，計(jì)算機(jī)上的藍(lán)牙適配器接收數(shù)據(jù)后傳到計(jì)算機(jī)上[53]。

針對(duì)好氧堆肥過程建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)堆肥相關(guān)參數(shù)的預(yù)估，闡釋堆肥動(dòng)態(tài)變化過程，更有效控制堆肥過程。一般通過研究有機(jī)物降解過程來推算溫度、含水率、氧氣濃度等堆肥參數(shù)的變化情況。利用質(zhì)量或者能量守恒原則，建立固相、水相、氣相平衡以及能量熱平衡的數(shù)學(xué)公式，除所求值的其他參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式、一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式或Monod降解動(dòng)力學(xué)方程表示外，聯(lián)合求出所需要的關(guān)鍵參數(shù)表達(dá)式。這種方法一般建立模型簡單，參數(shù)較少，運(yùn)算速度快，但是在參數(shù)選擇上須要考慮堆肥物料性狀、堆體均一性等諸多因素，須要對(duì)模型方程和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。王永江等通過建立水分蒸發(fā)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型及等式，得出水分隨時(shí)間變化模擬曲線[54]。Petric等建立基于有機(jī)質(zhì)降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型，將其與溫度變化相聯(lián)系，得出溫度模擬值[55]。在氧氣參數(shù)預(yù)測方面，Sole-Mauri等利用Monod微生物反應(yīng)方程模擬微生物生長速率，并建立其與氧氣消耗速率(OUR)的關(guān)系，得到OUR的動(dòng)態(tài)變化情況[56]。Higgins等則通過建立一級(jí)反應(yīng)模型來計(jì)算氧氣的消耗速率[57-58]。

4 存在問題與發(fā)展方向

4.1 存在問題

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)于堆肥監(jiān)測方法的技術(shù)研究有了很大的提升。但在研究應(yīng)用過程中存在以下問題：(1)傳統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測模式影響堆肥環(huán)境監(jiān)測，很多傳感器直接采用工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品，導(dǎo)致傳感器針對(duì)性不足，部分參數(shù)難以在線測量，傳感器穩(wěn)定性、可靠性有待提高；(2)監(jiān)測傳感器以模擬信號(hào)輸出為主，且測量參數(shù)單一，不具備智能傳感器特點(diǎn)，存在能耗高，測量誤差大等問題，難以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多點(diǎn)測量；(3)有線測量方式占有較大比重，現(xiàn)場布線對(duì)施工、維護(hù)帶來不便，同時(shí)堆肥現(xiàn)場具有較強(qiáng)的腐蝕性會(huì)對(duì)傳輸線纜產(chǎn)生較大影響，且過多線纜對(duì)機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)產(chǎn)生阻礙；(4)先進(jìn)的感知原理、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)技術(shù)在堆肥監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用較少，導(dǎo)致在測量手段、通信方式、服務(wù)模式等方面落后于其他行業(yè)。

4.2 發(fā)展方向

針對(duì)目前行業(yè)中存在的問題，堆肥環(huán)境參數(shù)監(jiān)測要朝著成本低、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)以及多點(diǎn)監(jiān)測、無線監(jiān)測、綜合參數(shù)監(jiān)測的方向發(fā)展。

(1)整個(gè)堆肥感知系統(tǒng)的中心，能夠適應(yīng)高溫、髙濕、高腐蝕性的工作環(huán)境，低功耗、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性好的傳感器監(jiān)測是將來的重要研究方向之一。

(2)精度高、成本低、能夠區(qū)分相似氣體的電子鼻將成為堆肥行業(yè)氣體監(jiān)測發(fā)展的趨勢(shì)。

(3)低成本、低功耗、穩(wěn)定性強(qiáng)的無線化數(shù)據(jù)傳輸方式是通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。

(4)包括堆肥參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)的采集、傳輸并保存以及軟件建立堆肥過程模型、判斷堆體狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制在內(nèi)的綜合監(jiān)測方式，將不斷促進(jìn)堆肥過程參數(shù)的集中分析管理和統(tǒng)一控制，是未來的發(fā)展方向。

(5)隨著信息技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，堆肥環(huán)境參數(shù)感知系統(tǒng)也應(yīng)該向著便捷式的方向發(fā)展，控制平臺(tái)可以逐漸的從電腦終端發(fā)展到嵌入式平臺(tái)，手機(jī)、平板電腦等編寫設(shè)備應(yīng)成為重要的一環(huán)。

5 結(jié)論

本文首先介紹了好氧堆肥環(huán)境的惡劣性、國內(nèi)外關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測儀器使用情況及堆肥監(jiān)測系統(tǒng)研究、應(yīng)用現(xiàn)狀，之后提出存在的問題和發(fā)展方向，得出堆肥過程環(huán)境參數(shù)感知系統(tǒng)是智能堆肥發(fā)展必然趨勢(shì)的結(jié)論。前人研究表明，將監(jiān)測到的全部參數(shù)進(jìn)行集中管理，可減少人力成本，加快發(fā)酵過程，提高發(fā)酵效率。對(duì)于堆肥過程環(huán)境感知的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行深入研究，應(yīng)致力于開發(fā)堆肥過程參數(shù)的高智能、高精確度、低能耗監(jiān)測方式，建立堆肥過程參數(shù)監(jiān)測通用模式。解決現(xiàn)有的問題，對(duì)堆肥參數(shù)監(jiān)測方法進(jìn)行研究，對(duì)于我國堆肥過程自動(dòng)化、智能化發(fā)展具有重要的意義。