图文摘要
文章亮点
1. 厨余垃圾、畜禽粪便和污泥堆肥过程存在显著差异
2. 模型与解释性方法的结合增强了对堆肥成熟度的评估
3. 结构方程模型揭示了堆肥指标之间的相互作用路径
4. 部分依赖分析量化了关键指标对堆肥成熟度的影响
引 言
随着人口增长和畜牧业的扩张，厨余垃圾、畜禽粪便和污泥等有机固体废弃物的产量不断增加，这些废弃物的有效管理对于减少环境污染和健康风险至关重要。堆肥作为一种资源回收和污染控制的有效手段，其成熟度受多种因素影响，且不同材料的堆肥过程存在显著差异。因此，本研究旨在通过统计方法和机器学习算法，深入分析不同类型材料的堆肥成熟度差异。
图1. 基于统计方法探究不同材料堆肥成熟度差异的思路（从建模策略、机器学习算法到研究目标）
主要内容
1. 模型性能比较
机器学习模型：研究中使用了随机森林、XGBoost和堆叠模型（Stacking model）来预测堆肥成熟度，堆叠模型在所有堆肥类型中均表现出最高的预测精度（R² > 0.90），显示出良好的泛化能力。
模型优势：堆叠模型通过整合多种基础模型，有效克服了单一模型的局限性，提高了对复杂堆肥数据的预测能力。
图2. 预测数据与真实数据对比（a、c、e）以及堆叠模型（Stacking）的性能评估（b、d、f）
2. 不同堆肥类型和阶段的关键指标及其影响
厨余垃圾堆肥：电导率、总氮和含水率在各个阶段均是关键影响因素，随着堆肥进程的推进，环境因素的影响逐渐减弱，而营养物质的作用逐渐增强。
畜禽粪便堆肥：堆肥时间、温度、含水率和氨氮在不同阶段对成熟度的影响显著，含水率对有机物降解和氮转化过程起关键作用。
污泥堆肥：含水率和总氮是主要的调控因素，含水率通过影响微生物活性和营养物质转化对堆肥成熟度产生显著影响。
图3. 不同原料及不同阶段的堆肥成熟度得分数据分布（a-c）以及指标重要性排序（d-f）
3. 多指标相互作用分析
结构方程模型用于评估不同堆肥类型和阶段中关键指标对堆肥成熟度的作用关系，结果表明：
环境因素和营养物质共同推动了堆肥的进行；
厨余垃圾堆肥通过pH、EC和TN等指标与其他指标互作影响了堆肥腐熟；
畜禽粪便中水分通过促进有机质降解、影响氮转化和硝化作用等多途径促进堆肥腐熟；
污泥堆肥中发现了水分驱动的氮保存机制以及温度和堆肥时间推动的硝化作用和腐熟路径。
图4. 环境指标和营养物质对堆肥成熟度的影响：(a, b) KW组，(c,d) LM组， (e, f) SW组
图5. 不同堆肥类型的结构方程模型分析：(a) KW_I；(b) KW_T；(c) KW_M；(d) LM_I；(e) LM_T；(f) LM_M；(g) SW_I；(h) SW_T；(i) SW_M
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.12.011