CN110803965A - 一种以咖啡渣为主原料的有机肥、其好氧堆肥工艺及应用 - Google Patents

一种以咖啡渣为主原料的有机肥、其好氧堆肥工艺及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于资源化利用和堆肥技术领域，涉及一种以咖啡渣为主原料的有机肥、其好氧堆肥工艺及应用。本发明以咖啡店加工的剩余咖啡渣作为主要原料，降低咖啡渣造成的环境污染，使得咖啡渣资源再利用。通过控制混料中各组分用量和含水量，根据反应器内含氧量和堆体温度控制通风及通风量实现高温好氧堆肥发酵，缩短发酵周期，降低堆肥能耗，提高产品的腐熟程度，有机质降解率高达40％以上。由于咖啡渣具有特殊的多孔结构，在堆肥过程中对可溶盐有吸附作用，本发明保证了较小的EC变化幅度，降低堆肥产物的盐渍化风险，对土壤具有很好的修复作用。本发明制得的有机肥pH为6.69‑7.06，符合关于堆肥产品pH应在5.5‑8.5之间的要求。

Description

一种以咖啡渣为主原料的有机肥、其好氧堆肥工艺及应用
技术领域
本发明属于资源化利用和堆肥技术领域，尤其涉及一种以咖啡渣为主原料的有机肥、其好氧堆肥工艺及应用。
背景技术
近年来，咖啡消费已成流行趋势，据统计，2017/2018年度全球咖啡消费量达到了968.286万吨。在咖啡产业高速发展的同时，咖啡生产的副产物咖啡渣却带来巨大的环境负担。咖啡渣资源化利用方案已有许多，如提取甘露糖和抗氧化多酚等特异性化合物，但提取后仍有大量废弃物，环境负担依然存在。咖啡渣富含有机质，但具有生物毒性，不利于农业生产的直接利用。
堆肥技术能够把复杂的有机质转化为稳定的腐殖质，即可消除生物毒性又可以实现资源的循环利用，符合可持续发展的要求。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种以咖啡渣为主原料的有机肥、其好氧堆肥工艺及应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种以咖啡渣为主原料的有机肥，其原料组分按照重量百分数计包括：咖啡渣80％-90％、调配剂A1％-2％和调配剂B 8％-13％，原料均为干重。
进一步，所述的调配剂A为含氮物质；所述的调配剂B为稻壳或木屑。
更进一步，所述的含氮物质为尿素。
本发明的第二个目的在于提供上述以咖啡渣为主原料的有机肥的好氧堆肥工艺，步骤如下：
(1)配料：按照配方比例，取咖啡渣、调配剂A和调配剂B混合，加水使得混合物料的含水率为52％-58％、碳氮比为23-27，得预混物料；
(2)堆肥：将步骤(1)的预混物料放入绝热堆肥反应器中，加入步骤 (1)所得预混物料重量1％的高温好氧堆肥菌剂堆制，进行好氧堆肥发酵，堆体中心温度升高至55-63℃，保持5-7天，完成一级发酵；
当堆体中心温度由55-63℃下降至20-25℃，完成二次发酵，堆肥腐熟，得有机肥；
其中，在一级发酵和二级发酵过程中，根据反应器内含氧量和堆体温度控制通风及通风量，第一天翻堆后每间隔4天翻堆一次。
进一步，所述通风及通风量的控制是按堆肥中需氧量的变化予以随时调整，通风量控制在0.4-0.5L·(min·kg-1)，通风控制按下表方式自动进行：
Figure RE-GDA0002321972360000021
采用上述进一步方案的有益效果是，在保证供氧量的同时，可大幅降低供氧能耗，控制堆体温度，缩短堆肥周期。
进一步，所述堆肥的周期为15天。
进一步，堆肥过程中，预混物料的电导率EC值的变化幅度为 0.854-1.157mS·cm-1；所得有机肥的电导率EC值为0.845-0.877mS·cm-1。
进一步，所得有机肥的pH为6.92-7.06；所得有机肥的种子发芽指数 GI达到85％以上。
本发明的第三个目的在于提供上述以咖啡渣为主原料的有机肥作为底肥在百合花卉盆栽观赏植物种植领域的应用。
本发明的第四个目的在于提供上述以咖啡渣为主原料的有机肥作为追肥在植物驱虫领域的应用。
本发明的有益效果是：
本发明以咖啡店加工的剩余咖啡渣作为主要原料，降低了咖啡渣造成的环境污染，且使得咖啡渣资源再利用。通过控制混料中各组分用量和含水量，根据反应器内含氧量和堆体温度控制通风及通风量实现高温好氧堆肥发酵，缩短发酵周期，降低堆肥能耗，提高产品的腐熟程度，有机质降解率高达40％以上。由于咖啡渣具有特殊的多孔结构，在堆肥过程中对可溶盐有吸附作用，本发明保证了较小的EC变化幅度，降低堆肥产物的盐渍化风险，对土壤具有很好的修复作用。本发明制得的有机肥pH为6.69-7.06，符合关于堆肥产品pH应在5.5-8.5之间的要求。
附图说明
图1为堆肥中心温度与发酵时间的关系曲线示意图；
图2为堆肥pH与发酵时间的关系曲线示意图；
图3为堆肥的EC值与发酵时间的关系曲线示意图；
图4为堆肥的TN值与发酵时间的关系曲线示意图；
图5为堆肥的GI值与发酵时间的关系曲线示意图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
【实验设计】
本发明选取L9(34)多指标正交实验方案，以堆肥物料有机物降解率为评定指标。在前期初步实验的基础上，确定正交实验因素及水平如表1所示。
表1正交试验因素与水平
Figure RE-GDA0002321972360000041
正交实验共9组处理同时进行，每组取2kg风干的咖啡渣物料，加水、尿素和葡萄糖调节物料至相应含水率和碳氮比。稻壳作为膨松剂需在装料前调节含水率与该组反应器内物料一致，以降低稻壳吸水对物料含水率的影响。
1.样品采集与分析
实验过程中每天12时测量各反应器堆体中心温度，并记录环境温度。取样时间间隔为4天，即第1、5、9、13、17、21天翻堆取样，四分法定样。样品分为二份，一份用于制备浸提液，一份自然风干过0.149mm筛待测。
浸提液制备：取新鲜样品10g，加入100mL去离子水，经200r·min-1震荡浸提30min，5000r·min-1离心分离5min，取其上清液，用于测定 pH和电导率(Electricalconductivity,EC)。
总有机碳(Total organic carbon，TOC)采用重铬酸钾容量法测定，总氮(Totalnitrogen，TN)采用凯氏定氮法测定。
种子发芽指数(Germination index,GI)测定：取上述浸提液5mL于铺有滤纸的培养皿，皿中均匀放置20粒油菜(上海青)种子，于恒温培养箱中25℃培养48h，去离子水做空白对照，测定种子发芽率及根长，即可由下列公式计算种子发芽指数。
Figure RE-GDA0002321972360000051
2.实验结果与分析
2.1正交试验结果分析
堆肥过程中有机质降解率的高低是表征堆肥腐熟度的重要指标，因此选取有机质降解率作为本次正交试验的重要参照。正交试验设计可以通过极差计算进行直观分析，用以表征各因素中各水平对实验结果的影响程度，本实验中选定堆肥有机质降解率作为参数进行极差分析，确定正交实验的最优工艺组合。正交试验极差分析见表2。
表2正交试验极差分析
Figure RE-GDA0002321972360000061
由表2可知，6号处理有机质降解效果最好，降解率达到45.18％。对比各因素中不同水平k值，k值越大则说明堆肥有机物在该条件下降解效果最佳，即通风量0.45[L·(min·kg DM)-1]，含水率55％，碳氮比25，膨松剂添加9％(干重比)为最优工艺条件，这与6号处理工艺条件一致。由极差分析结果可知，各因素对堆肥有机质降解效果的影响程度大小依次为：通风量﹥碳氮比﹥含水率﹥膨松剂添加量。
2.2不同工艺参数下堆肥温度的变化
堆体温度变化反映了堆肥微生物生命活动的强弱和有机物料转化的进程，也是衡量堆肥腐熟质量和评价腐熟程度的指标之一。如图1所示，各处理温度变化趋势基本一致，均经历升温、高温和降温三个阶段。堆肥初期，微生物分解简单有机物放出大量的热，堆体温度升高，1号、3号和6号处理2d即升温至高温期(＞55℃)，其中6号处理升温最快。高温阶段是堆肥过程中有机物氧化分解的关键阶段，也是堆肥工艺条件优劣的直观表现。 3号、5号和6号处理维持高温期的时间均超过5d，符合生活垃圾堆肥的相关要求，其中6号处理维持高温期最长达到7d，腐熟效果最佳。随后各组处理堆体温度均缓慢下降，在21d后堆体温度接近环境温度，堆肥基本腐熟。经堆体温度分析可知，6号处理的工艺条件为试验最优方案，这与正交试验直观分析结果一致。
2.3不同工艺参数下pH的变化
pH是评价堆肥产物应用能力的重要指标，也影响着微生物的生命活动。堆肥pH值变化如图2所示。1号、4号、7号和9号处理的pH呈现先下降后上升，最后趋于稳定的趋势。这四组处理由于通风供氧效果不佳，堆体厌氧发酵产生大量有机酸导致pH下降；随着通风继续和堆温升高，物料含水率下降，好氧微生物分解有机质产生NH3引起pH上升；堆肥后期易分解有机质减少，NH3因挥发减少，堆体pH最终趋于稳定。其余处理pH变化趋势为先上升后下降，而后趋于稳定。这表明堆体通风供氧效果较好，微生物分解有机物产生大量NH3引起堆体pH值迅速上升；随着温度升高，NH3大量逸出， pH开始下降，进而硝化反应将铵态氮转化为硝态氮，pH继续下降；最终易分解有机质耗尽，堆体pH趋于稳定。最终堆肥产品pH为6.69-7.06，符合关于堆肥产品pH应在5.5-8.5之间的要求。
2.4不同工艺参数下EC的变化
EC表征了堆肥中可溶性盐的含量，是堆肥物料矿化程度的重要体现。不同植物对EC的耐受程度不同，EC过高或者过低都不利于植物生长，因此EC 值可以在一定程度上表征堆肥产品对植物的毒害程度和抑制作用。堆肥底物以大分子有机物为主，EC值较低，堆肥开始后微生物在有氧环境下分解有机物产生磷酸盐、铵盐等可溶盐，引起EC升高；氨气挥发和微生物生长繁殖消耗无机盐使得EC出现下降，堆肥后期小分子无机盐合成大分子腐殖酸，EC进一步下降并最终趋于稳定。这解释了图3中EC值先升高后降低最终趋于稳定的变化趋势，其中6号处理EC最高，说明其有机物分解效果最好。各处理最终产物EC值均小于4mS·cm-1，符合要求。由于咖啡渣具有特殊的多孔结构，在堆肥过程中对可溶盐有吸附作用，因此EC值变化幅度较小，这也降低了堆肥产物的盐渍化风险，对盐渍化土壤具一定修复作用。
2.5不同工艺条件下TN的变化
氮素是植物生长繁殖必需的营养元素，是衡量堆肥产品肥效的重要依据。堆肥过程中氮素转化包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和生物吸收固持作用。有机氮的矿化、持续性的氨挥发和硝态氮的反硝化是造成堆肥氮损失的主要原因。各组处理TN变化见图4。1号、2号、3号、5号和6号处理TN先小幅度下降，而后持续上升并趋于稳定。堆肥升温使得氨气快速挥发，导致堆肥中TN出现小幅度下降；随后堆温升高，有机物分解速率超过氮素损失速率，虽然氨气挥发持续进行，但TN含量却逐渐增加。其中6号处理TN含量升高最显著，说明该处理有机物分解效果最好，这也佐证了正交分析的结果。7号、9号处理TN含量呈下降趋势，这是由于堆体局部厌氧，氨气挥发和反硝化作用造成氮素损失速率高于有机物分解速率。
2.6不同工艺条件下GI的变化
GI是衡量堆肥产品腐熟度和实用性的重要指标，它能直观的表征堆肥产品的植物毒性。当GI达到80％时就可以认为堆肥产品没有植物毒性，即堆肥达到腐熟。堆肥初期，微生物分解有机质产生大量氨气，较高NH4 +含量使得 GI出现下降；堆肥进入高温期，随着氨气大量逸失和有机酸分解加快，堆肥 GI迅速上升并趋于稳定。这与图5中3号、5号、6号处理的变化趋势一致，其中6号处理GI最高达到94.59％，说明其腐熟效果最佳。其余处理GI均呈现平稳上升的趋势，其中4号、7号、8号、9号处理由于高温期维持时间较短，NH4 +和有机酸残留较多，至实验结束其GI低于80％，未能达到腐熟。
2.7通风方式改进
通风是高温好氧堆肥成功的关键因素之一，是调节堆体氧气浓度、温度和含水率的重要手段，直接影响微生物活性、有机质降解率和温度变化。合理的通风方式能够实现堆肥快速升温、提高堆肥品质、降低能耗。定时开－关周期循环控制方式是高温好氧堆肥中常用的控制方式，控制方式简单易行但仍有弊端。本研究采用温度-氧气含量反馈控制，以堆体温度和堆体氧气浓度为监测指标进行通风控制，控制逻辑见表3。
表3
T＜25℃时，堆肥微生物生命活动低，氧气需求小，且经过混料氧气充足，故不需要通风；25℃≤T＜45℃时，堆肥进入升温阶段，氧气消耗加快，故这一阶段采用氧气含量反馈控制，当氧气浓度低于15％时开启风机通风，通风5min，暂停15min，至氧气浓度19％时停止通风；45℃≤T＜63℃时，堆肥进入高温阶段，同样采用氧气含量反馈控制，但考虑氧气消耗速率高于升温阶段，通风5min，暂停10min；T＞63℃时，连续通风，至氧气浓度 19％时停止通风。
采用温度-氧气含量控制能够在保证充足氧气供应的同时有效降低堆肥能耗。
3.实验结果与分析
3.1通风量对高温好氧堆肥的影响
通风量是高温好氧堆肥的关键控制因素之一，通风量合适与否直接影响堆肥温度变化，进而影响堆肥产品质量。通风对高温好氧堆肥的影响主要有三个方面：通风能够提供好氧微生物维持生命活动所需的氧气；堆肥高温阶段通风能够带走多余水分实现物料减量化；通风可以带走高温阶段多余热量，保证微生物处于合理温度区间。本研究中，最佳通风量为0.45 [L·(min·kg DM)-1]。咖啡渣有机质含量高，低于最佳通风量无法保证微生物生命活动的氧气需求，出现厌氧反应，堆温维持高温时间短，影响有机物的分解效果和堆肥产品品质，不利于堆肥物料干化。但堆肥初期低通风量可以减少热量散失，有利于堆体升温。堆肥中后期适当增加通风量能够提供充足氧气，有利于堆肥微生物的生长繁殖和物料干化，但同时加剧氮素损失，降低堆肥产品肥效。
3.2含水率对高温好氧堆肥的影响
在高温好氧堆肥过程中，水分能够为微生物吸收营养物质提供良好介质，为微生物的生长繁殖和新陈代谢提供合适的环境条件。适宜的水分条件可以软化物料，加速微生物的分解作用，并且水分的移动能够使微生物和营养物质在堆体中分布均匀，有利于堆肥的顺利进行。含水率过高时，堆体内空隙减少，供氧不足，易形成厌氧环境，不利于好氧微生物生存，且易产生渗滤液，增加处理成本。又由于水的比热容较大，含水率过高使得堆体初期升温缓慢，更加不利于水分散失。本研究中最佳含水率为55％，升温阶段能够提供足够的空隙保证通风供氧，高温阶段水分大量散失仍能保证含水率满足微生物生长繁殖的要求，降温阶段含水率下降明显，降低了物料干化的能耗。并且咖啡店产出的新鲜咖啡渣含水率为50％～55％，含水率调节范围较小，能有效节省水资源。
3.3碳氮比对高温好氧堆肥的影响
碳氮比对堆肥微生物的生命活动和堆肥产品品质有重要的影响。碳氮比较低时，堆肥物料中氮素过剩，微生物分解有机物导致氮素大量损失，增加了温室气体的排放，也使得堆肥产品肥效降低；碳氮比过高时，堆肥物料中氮素不足，微生物生长受限，有机物分解缓慢。咖啡馆产生的咖啡渣碳氮比高于30，可通过添加尿素等氮源调节碳氮比，成本较低且易于堆肥启动。
3.4膨松剂添加量对高温好氧堆肥的影响
膨松剂是改善堆体透气性的常用堆肥调理剂之一，实验表明，膨松剂的添加能够改善物料结构，提高堆肥效率。咖啡渣粒径较小，堆肥物料空隙少，堆肥过程中极易压实，造成局部厌氧。添加膨松剂能够增加堆体空隙，增强氧气在堆体内扩散，延长堆肥高温期，加速有机质分解和物料干化。本研究中选取稻壳作为膨松剂，最佳添加量为9％(干重比)。膨松剂添加过多会形成多余空隙，空气流通过快不利于堆体保温；膨松剂添加不足无法有效改善堆体结构，堆体压实现象自然存在。
实施例1
一种以咖啡渣为主原料的有机肥，其原料组分按照重量百分数(干重) 计包括：咖啡渣89.5％、调配剂A尿素1.4％和调配剂B稻壳9.1％。
上述以咖啡渣为主原料的有机肥的好氧堆肥工艺，步骤如下：
(1)配料：按照配方比例，取咖啡渣、调配剂A充分混合，加水调节混合物料的含水率为55％、碳氮比为25；继续加入含水量为55％的稻壳，得预混物料；
(2)堆肥：将步骤(1)的预混物料放入绝热堆肥反应器中，加入步骤 (1)所得预混物料重量1％的高温好氧堆肥菌剂堆制，进行好氧堆肥发酵，堆体中心温度升高至55-63℃，保持5-7天，完成一级发酵；其中，所述的高温好氧堆肥菌剂购买自山东君德生物科技有限公司，有效活菌数为≥1× 1010/mL；
当堆体中心温度由60℃下降至25℃，完成二次发酵，得有机肥，所得有机肥的电导率EC值为0.83mS·cm-1，pH为7.06，种子发芽指数GI达到 94.59％；
其中，在一级发酵和二级发酵过程中，控制通风量为 0.45L·(min·kg-1)，第1、5、9、13、17、21天翻堆，即每间隔4天翻堆一次。
【有机肥的肥效试验】
有机肥在百合上的应用
试验采用盆栽方式，每盆栽种百合种球三株，实施例1所得有机肥作为底肥施加，施加量为10％-15％(干重比)，以空白土壤和等氮量化肥作为对照，当季生长周期无追肥，具体见表4、表5、表6。
表4栽种试验处理方式
组别 底肥
处理方式1 无
处理方式2 实施例1有机肥10％(质量比)
处理方式3 与有机肥同氮量的化肥10％(质量比)
表5不同时期百合植株生长情况
组别 30天株高/cm 开花前株高/cm
处理方式1 24 54
处理方式2 29 60.5
处理方式3 32 57
表6不同肥料对百合花期影响
组别 平均花期/d 平均花数/朵 花朵直径/cm
处理方式1 27 6 10.2
处理方式2 31 6.3 13.5
处理方式3 29 6.3 11.7
由表5、表6可以看出，实施例1所得有机肥的施加能够有效促进百合植株生长，且明显优于处理方式1和处理方式3。处理方式3中施加化肥，植株在生长前期出现旺长趋势，但后期养分供应不足，使得花期明显短于处理方式1，需追施肥料；而实施例1的有机肥中，丰富的腐殖质能够保证植株在当季生长中有充足的养分供应，更利于植株生长，能够有效延长花期、增大花朵。
【有机肥的驱虫试验】
为探究本发明咖啡渣堆肥的驱虫性，选取鼠妇和蜗牛作为研究对象进行实验。实验所用昆虫取自校园绿化带，将实验容器按面积等分为2份，一侧放置土壤，另一侧放置堆肥，调节含水率一致，并在两侧放置相同面积的三叶草叶片供蜗牛自由采食，观察并统计昆虫的趋避性，具体见表7。
表7咖啡渣堆肥对昆虫的驱除效果
5min驱离/％ 10min驱离/％ 1h驱离/％ 6h驱离/％
蜗牛 53.3 60 86.7 93.3
鼠妇 26.6 53.3 93.3 96.7
由表7可以看出，咖啡渣堆肥对鼠妇和蜗牛具有明显驱离作用。并且，实验过程中蜗牛对放置堆肥一侧叶片的采食面积仅为放置土壤一侧叶片的采食面积的38.9％。当堆肥比例降至土壤的30％时，混合土壤对鼠妇的6h驱离率仍能达到60％。因此本发明的有机肥可作为追肥使用，直接覆于盆土上，有驱虫效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种以咖啡渣为主原料的有机肥，其特征在于，其原料组分按照重量百分数计包括：咖啡渣80％-90％、调配剂A 1％-2％和调配剂B 8％-13％。
2.根据权利要求1所述的有机肥，其特征在于，所述的调配剂A为含氮物质；所述的调配剂B为稻壳或木屑。
3.根据权利要求2所述的有机肥，其特征在于，所述的含氮物质为尿素。
4.一种权利要求1-3任一项所述的以咖啡渣为主原料的有机肥的好氧堆肥工艺，其特征在于，步骤如下：
(1)配料：按照配方比例，取咖啡渣、调配剂A和调配剂B混合，加水使得混合物料的含水率为52％-58％、碳氮比为23-27，得预混物料；
(2)堆肥：将步骤(1)的预混物料放入绝热堆肥反应器中，加入步骤(1)所得预混物料重量1％的高温好氧堆肥菌剂堆制，进行好氧堆肥发酵，堆体中心温度升高至55-63℃，保持5-7天，完成一级发酵；
当堆体中心温度由55-63℃下降至20-25℃，完成二次发酵，堆肥腐熟，得有机肥；
其中，在一级发酵和二级发酵过程中，根据反应器内含氧量和堆体温度控制通风及通风量，第一天翻堆后每间隔4天翻堆一次。
5.根据权利要求4所述的好氧堆肥工艺，其特征在于，通风及通风量的控制是按堆肥中需氧量的变化予以及时调整，通风量控制在0.4-0.5L·(min·kg-1)，通风控制按下表方式自动进行：
Figure FDA0002273375710000021
6.根据权利要求4所述的好氧堆肥工艺，其特征在于，堆肥过程中，预混物料的电导率EC值的变化幅度为0.854-1.157mS·cm-1；所得有机肥的电导率EC值为0.845-0.877mS·cm-1。
7.根据权利要求4所述的好氧堆肥工艺，其特征在于，所得有机肥的pH为6.92-7.06；所得有机肥的种子发芽指数GI达到85％以上。
8.一种权利要求1所述的以咖啡渣为主原料的有机肥作为底肥在百合花卉盆栽观赏植物种植领域的应用。
9.一种权利要求1所述的以咖啡渣为主原料的有机肥作为追肥在植物驱虫领域的应用。
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