碱/酸功能化废弃咖啡渣的集成工艺优化与技术经济评估，用于缓解肥料污染导致的灌溉水中的养分问题

《Bioresource Technology Reports》：Integrated process optimization and techno-economic evaluation of alkali/acid-functionalized spent coffee grounds for sustainable nutrient abatement in fertilizer-impacted irrigation water

　　蒂亚斯·普斯皮塔·奥克塔维亚尼|梅特里·贝拉·普斯帕
印度尼西亚苏迪尔曼将军大学农业学院植物保护系，53122

摘要
含肥料的灌溉废水排放构成了严重的环境挑战，其主要原因是会加速水体富营养化并破坏水生生态系统。本研究提出了一种利用废弃咖啡渣的新转化方法，通过碱/酸协同改性，制备出具有双重功能的生物吸附剂——SCGs-碱酸型吸附剂，其对营养污染物的吸附能力更强。与传统吸附研究不同，本研究结合了系统化的工艺优化与严格的技术经济评估，以确定该吸附剂的性能效果及工业化可行性。研究采用响应面法分析关键操作变量之间的相互作用，确定最佳吸附条件。在最优参数下（pH值为7.0，吸附剂添加量为1.0克/升，接触时间为35分钟，温度为50摄氏度），SCGs-碱酸型吸附剂对磷酸盐的去除效率可达88%，对硝酸盐的去除效率可达85%。值得注意的是，该材料具有出色的再生稳定性，在多次循环使用后仍能保持95%以上的吸附能力，这体现了其结构上的稳固性以及长期应用的潜力。本研究的一个显著创新之处在于建立了全面的技术经济评估体系，计算得出该系统的内部收益率为32.8%，从而证明了其相比现有处理技术更具经济竞争力。通过对材料性能提升与工艺规模化可行性的综合评估，SCGs-碱酸型吸附剂有望成为一种低成本、环境友好的吸附剂，用于去除农业废水中的营养物质。未来的研究应重点关注中试规模的实施、表面功能化的进一步改进、营养物质回收以及生命周期评估，以提高其可扩展性和可持续性表现。

引言
现代农业中化学肥料的广泛使用显著提高了作物产量，但同时也导致了富含营养物质的径流大量排入附近水体。这些径流中的磷酸盐和硝酸盐不断积累，已成为严重的环境问题，常常引发水体富营养化、藻类大量繁殖，进而导致水生生态系统恶化（Akinnawo, 2023; Govil et al., 2024）。传统的物理化学和生物处理方法，如混凝沉淀法（El-taweel et al., 2023）、离子交换法（D?rner et al., 2025）或生物反硝化法（Zhang et al., 2026），往往存在运行成本高、维护复杂以及在污染物浓度较低时效率下降等问题（Kusworo et al., 2024）。因此，迫切需要开发出可持续、低成本且可再生的吸附材料，能够有效去除受肥料污染的灌溉水中的营养物质。

在这种背景下，基于吸附的处理工艺因其操作简单、适合分散式系统应用以及成本相对较低而受到重视（Worku et al., 2025）。在众多吸附材料中，源自农业废弃物的生物基吸附剂因其可再生性和较低的环境影响而备受关注。尤其是废弃咖啡渣，作为一种极具潜力却未得到充分利用的生物质资源，在全球范围内大量产生。废弃咖啡渣富含碳质结构以及羟基、羧基等功能基团，同时作为农业工业废弃物也极为常见（Leite et al., 2025）。据估计，全球每年产生的废弃咖啡渣约为600万至800万吨，其中大部分被作为固体废物丢弃，从而造成二次环境污染（Cervera-Mata et al., 2022）。尽管废弃咖啡渣储量丰富，但由于其中含有蛋白质、脂类、碳水化合物和酚类等有价值的有机成分，这些成分可通过化学改性实现再利用，因此至今仍未得到充分利用（Mahajan et al., 2026）。

大量研究表明，废弃咖啡渣在多个领域都具有广泛应用价值。例如，有研究在酸性和碱性条件下优化了从废弃咖啡渣中提取蛋白质的方法，找到了能够最大化提取效率的参数，这为其在可持续食品和饲料产业中的应用提供了可能（Melikoglu, 2025）。除了用于蛋白质提取外，废弃咖啡渣还可作为生产生物基化学品和生物聚合物的前体。尤其是碱性预处理，已被证明能有效去除木质素并提高糖分转化效率，从而有助于生产富含油酸的微生物油脂，而油酸是生物燃料和生物产品合成中的重要成分（Bansod et al., 2024）。此外，经过改性的废弃咖啡渣还显示出作为重金属吸附剂的巨大潜力，能够在废水处理中实现高效的污染物去除。另有研究探索了将废弃咖啡渣热解转化为生物炭的方法，实验结果表明，由废弃咖啡渣制成的生物炭能够催化降解磺胺甲噁唑等有机污染物（Kumar Mishra et al., 2023）。

尽管取得了这些进展，但仍有诸多限制因素制约着废弃咖啡渣衍生产品的实际应用和大规模推广。其中一个主要问题是提取效率的不确定性，这一效率会因预处理参数、溶剂选择以及工艺条件的不同而发生变化。这种不确定性往往会影响产物的稳定性与质量，给工业标准化带来困难。此外，废弃咖啡渣的利用经济性也是一个值得关注的议题。虽然某些提取技术，如超临界流体萃取，能够实现较高的提取率，并具有良好的长期经济效益，但其高昂的初始投资成本限制了其规模化应用，尤其对于中小型企业而言更为如此。另外，虽然基于废弃咖啡渣的吸附剂通常具备较好的再生能力，但在经过六次再生循环后，其吸附性能会出现下降，这就需要采取材料稳定化策略，以确保其在连续处理系统中的长期稳定运行。尽管以往的研究分别报道过经酸处理或碱处理的废弃咖啡渣，但将碱/酸双重改性策略用于营养物质吸附应用，尤其是同时去除农业废水中的磷酸盐和硝酸盐，目前仍鲜有研究。这种双重改性的核心优势在于，每一步处理都会对材料表面产生互补性的变化：碱处理通过去除半纤维素和可溶性有机物质，促进脱木质化并打开孔隙，从而增加表面积并暴露出内部的吸附位点；随后的酸处理则会使生物质表面带正电荷，引入或激活含氧功能基团，进而增强对阴离子污染物的静电作用和离子交换亲和力。这种序贯改性使得所制备的吸附剂具有更好的表面可及性、更高的活性结合位点密度，以及比单步改性更强的吸附-解吸稳定性。

基于此，本研究旨在开发并优化经碱/酸双重改性的废弃咖啡渣，以此通过吸附作用高效去除废水中的磷酸盐和硝酸盐。研究采用响应面法系统优化了pH值、吸附剂用量、接触时间以及温度等工艺参数，以明确各参数之间的协同效应，进而最大化吸附性能。除工艺优化外，本研究还进行了技术经济分析，以评估该工艺的规模化可行性，并在现实操作条件下估算其潜在的经济效益。实验优化与经济评估的结合为材料研发与实际应用之间搭建了一个完整的框架，有助于解决环境可持续性与经济可持续性方面的问题。与以往仅侧重于材料制备或吸附性能研究的文献不同，本研究将序贯双重改性、多参数吸附优化以及技术经济可行性分析整合在同一个框架之下。这项研究为生物废物资源化在可持续水处理领域的应用提供了新的思路。它提出的一种双重改性策略显著提升了废弃咖啡渣的吸附效率与重复使用性能，同时通过严格的技术经济评估证明了该工艺的可行性。研究结果表明，改性后的废弃咖啡渣是一种价格低廉、可再生且性能优异的生物吸附剂，适用于去除受肥料污染的灌溉系统中的营养物质，这与全球推动可持续资源管理及循环水经济的发展目标相契合。

材料
废弃咖啡渣来自印度尼西亚中爪哇省的一家当地咖啡加工厂。氢氧化钠（NaOH，纯度≥98%）、柠檬酸（C6H8O7，纯度≥99.5%）以及磷酸（H3PO4，浓度为85%）均购自德国默克公司，无需进一步纯化即可直接用作改性剂。所有试剂均为分析级，实验过程中均使用去离子水。

改性废弃咖啡渣的制备
收集到的废弃咖啡渣首先用去离子水彻底清洗，然后在60摄氏度下烘干24小时，最后进行筛分。

形态学分析
如图1所示，本研究利用扫描电子显微镜和原子力显微镜分别对原始废弃咖啡渣以及经过碱/酸双重处理的样品的形态结构和表面形貌进行了分析。扫描电子显微镜和原子力显微镜的结合使用，能够同时揭示材料的结构排列情况以及纳米级别的表面粗糙度，而这些因素都是影响材料吸附行为和表面反应活性的关键因素。

结论
本研究证明了经碱/酸改性的废弃咖啡渣作为一种可持续的生物吸附剂，能够在去除受肥料污染的灌溉水中的营养物质方面发挥重要作用。通过响应面法优化后，在pH值为7.0、吸附剂添加量为1.0克/升、接触时间为35分钟、温度为50摄氏度的最佳条件下，该吸附剂对磷酸盐的去除效率可达88%，对硝酸盐的去除效率可达85%。经过六次重复使用后，改性后的废弃咖啡渣仍能保持95%以上的吸附效率，这进一步证明了其应用潜力。

CRediT作者贡献声明
蒂亚斯·普斯皮塔·奥克塔维亚尼：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，正式分析。梅特里·贝拉·普斯帕：撰写——审阅与编辑，验证，数据整理，概念构建。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
作者声明，仅使用了生成式人工智能工具ChatGPT（由OpenAI开发）来提升手稿的可读性和语言表达的清晰度。该人工智能工具并未被用于数据分析、科学推理或原创研究内容的创作。所有的科学概念、实验设计、数据解读以及研究结论均由作者独立完成。作者对研究内容、准确性及完整性承担全部责任。

资金来源
作者声明，本项研究未获得任何政府、商业或非营利组织的财政支持。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢苏迪尔曼将军大学的研究与服务机构（LPPM）对本研究所提供的支持与帮助。同时，作者也感谢迪波内戈罗大学化学工程系以及植物保护系的各位教师所给予的宝贵指导、建设性建议以及技术支持。