Кофейные сточные воды , также известные как кофейные отходы , являются побочным продуктом переработки кофе . Их очистка и утилизация являются важным экологическим фактором для переработки кофе, поскольку сточные воды являются формой промышленного загрязнения воды . [1]
Несорванный плод кофейного дерева, известный как кофейная вишня, проходит длительный процесс, чтобы стать готовым к употреблению . Этот процесс часто влечет за собой использование большого количества воды и производство значительного количества твердых и жидких отходов. Тип отходов является результатом типа процесса, которому подвергаются кофейные ягоды. Превращение ягоды в оро [примечание 1] или зеленые бобы (сушеные кофейные бобы, готовые к экспорту) достигается посредством сухого, полумытого или полностью мытого процесса.
Кофейные ягоды сушат сразу после сбора урожая путем сушки на солнце, солнечной сушки или искусственной сушки. При солнечной сушке кофейные ягоды кладут на чистый пол и оставляют сушиться на открытом воздухе. При солнечной сушке ягоды помещают в закрытый шкаф, в котором есть вентиляционные отверстия для выхода влаги. Искусственная сушка используется в основном во время сезона дождей, когда низкий уровень солнечного света увеличивает время, необходимое для солнечной сушки, и ягоды склонны к образованию плесени. После сушки ягоды очищают от шелухи. В ходе этого процесса высушенный внешний слой ягоды, известный как перикарпий , удаляется механически.
При полумытой обработке из вишен удаляют мякоть, чтобы удалить околоплодник. После этого удаляется слизистый слой слизи , покрывающий бобы. Это делается механически, путем подачи бобов в цилиндрическое устройство, которое перемещает их вверх. Хотя трения и давления, оказываемого на бобы в этом процессе, достаточно для удаления большей части слизи, небольшое ее количество все еще остается в центральном срезе бобов. Этот метод используется в Колумбии и Мексике, чтобы сократить потребление воды из-за длительного процесса ферментации и обильной промывки.
Чтобы уменьшить загрязнение, вызванное влажным процессом обработки кофейных плодов, ученые Cenicafé разработали технологию, которая позволяет избегать использования воды, когда она не нужна, и использовать правильную воду, когда она нужна. Технология, названная Becolsub (взято из инициалов испанского слова, обозначающего экологический влажный процесс обработки кофе с побочными продуктами: B eneficio Ecol ogicos Sub -productos [2] ), контролирует более 90% загрязнений, вызванных ее предшественником. Качество кофе, обработанного таким образом, такое же, как и у кофе, обработанного путем естественной ферментации.
Технология Becolsub состоит из варки без воды, механического удаления слизи и смешивания побочных продуктов (кожицы и слизи плодов) в винтовом конвейере. Технология также включает гидромеханическое устройство для удаления плавающих плодов и легких примесей, а также тяжелых и твердых предметов и цилиндрическое сито для удаления плодов, чья кожица не была отделена в машине для варки. Ученые из Cenicafé обнаружили, что кофейный плод с слизью (незрелые и сухие плоды не имеют слизи) имеет достаточно воды внутри для отделения кожицы и семян в обычных машинах для варки без воды, что жидкость требуется только как средство транспортировки, и что варка без воды позволяет избежать 72% потенциального загрязнения.
Удаление слизи осуществляется посредством процесса ферментации, который занимает от 14 до 18 часов, пока слизь не разложится и ее можно будет легко удалить водой. Промывка ферментированной слизи требует, в лучшем случае, 5,0 л/кг DPC. Ученые из Cenicafé разработали машину для удаления слизи, покрывающей кофейные зерна. Эта машина, называемая Deslim (начальные буквы испанского слова demucilager, механическая мойка и очиститель), удаляет более 98% всей слизи (так же, как и хорошо проведенная ферментация) путем приложения давления и создания столкновений между зернами, используя всего 0,7 л/кг DPC. Полученная высококонцентрированная смесь воды, слизи и примесей является вязкой и добавляется к отделенной кожуре фруктов в винтовом конвейере. В винтовом конвейере удержание составляет более 60%, что означает 20% дополнительный контроль потенциального загрязнения.
Оба побочных продукта широко используются в качестве субстрата для червей для производства натуральных удобрений. Однако высокая концентрация слизи, полученной из демусилителя, дает возможность для индустриализации побочного продукта.
Этот процесс в основном используется при обработке Coffea arabica . [3] После удаления мякоти бобы собираются в ферментационных чанах, где бактериальное удаление слизи происходит в течение 12–36 часов. [4] Фаза ферментации важна для развития вкуса кофе, что частично обусловлено происходящими микробиологическими процессами. Появление дрожжей и плесени в кислой воде может привести к появлению посторонних привкусов, таких как кислый кофе и луковый привкус . Однако считается, что влажная обработка дает более качественный кофе, чем другие процессы, поскольку небольшие количества посторонних привкусов придают кофе его особый вкус и «тело». [5]
Когда ферментация завершена, бобы тщательно промывают, чтобы удалить остатки ферментации и любую оставшуюся слизь. Если их не удалить, они обесцвечивают пергамент и делают бобы восприимчивыми к дрожжам. После промывки бобы сушат. Если процесс сушки недостаточно быстрый, появляются землистые и затхлые привкусы, такие как привкус Рио . [6]
Количество воды, используемой при обработке, сильно зависит от типа обработки. Влажная полностью промытая обработка кофейных ягод требует наибольшего количества пресной воды, сухая обработка — наименьшего. Источники указывают на широкий диапазон использования воды. [ необходима цитата ] Переработка воды в процессе извлечения мякоти может радикально сократить необходимое количество. При повторном использовании и улучшенных методах промывки можно достичь расхода от 1 до 6 м3 воды на тонну свежих кофейных ягод; без повторного использования возможно потребление до 20 м3 / тонну.
Вода, используемая при обработке кофе, покидает установку по переработке кофе с высоким уровнем загрязнения . Основным компонентом являются органические вещества , образующиеся в результате депульпирования и удаления слизи. [ 15] Большая часть органических веществ в сточных водах отличается высокой устойчивостью, а значения ХПК , количества кислорода, необходимого для стабилизации органических веществ с использованием сильного окислителя, составляют 80% загрязняющей нагрузки, достигая значений до 50 г/л. [16] [17] БПК , количество кислорода, необходимое для биологического разложения органических веществ в аэробных условиях при стандартизированной температуре и времени инкубации, [18] поступающее из биоразлагаемого органического материала, может достигать значений 20 г/л.
При (грубом) просеивании и удалении пульпы значения ХПК и БПК значительно снижаются. Были обнаружены значения в диапазоне 3–5 г/л для ХПК и 1,5–3 г/л для БПК 5 [примечание 2] . [11] Зарегистрированные значения 2,5 г/л для ХПК и 1,5 г/л для БПК 5 . [19] [20]
Большая часть органического вещества, пектинов , выпадает в осадок в виде слизистых твердых веществ и может быть удалена из воды. [16] Если эти твердые вещества не удаляются, а значения pH повышаются, можно наблюдать увеличение ХПК.
Для оптимизации анаэробной обработки сточных вод значения pH должны быть в пределах от 6,5 до 7,5, вместо обычно присутствующих значений pH=4, что является высокой кислотностью. Это достигается путем добавления гидроксида кальция (CaOH2 ) в сточные воды. Это привело к восстановлению растворимости пектинов, увеличив ХПК со среднего значения 3,7 г/л до среднего значения 12,7 г/л.
Вода также характеризуется наличием флавоноидных соединений, поступающих из кожуры вишни. Флавоноидные соединения приводят к темному окрашиванию воды при pH = 7 или выше, но они не увеличивают уровни БПК или ХПК сточных вод и не оказывают существенного воздействия на окружающую среду. Однако более низкие уровни прозрачности могут оказывать негативное влияние на фотосинтетические процессы, рост и трансформацию питательных веществ (особенно) укорененными водными растениями. Многие усилия в оливковой и винодельческой промышленности, с относительно большими фондами для исследований, пытались найти решение этой проблемы. Калверт упоминает исследования, проведенные по удалению полифенолов и флавоноидных соединений видами грибов, переваривающих древесину ( Basidiomycetes ) в погруженном растворе с аэрацией сжатым воздухом. [21] Эти сложные процессы, казалось, могли удалять цветные соединения, но упрощенные, более дешевые методы с использованием других типов грибов (например, Geotrichum , Penicillium , Aspergillus ) процветали только в сильно разбавленных сточных водах.
Сточные воды от кофе не являются постоянным потоком воды с равномерной нагрузкой загрязнения. Обработка кофейных ягод является периодическим процессом, и относительно потоков воды можно выделить два процесса: депульпирование и ферментация/промывка.
Вода, используемая для отделения мякоти от вишни, называется водой для варки. Она составляет чуть более половины воды, используемой в процессе. По словам фон Эндена и Калверта, «вода для варки состоит из быстро ферментируемых сахаров из компонентов мякоти и слизи. Мякоть и слизь в значительной степени состоят из белков, сахаров и слизи, в частности, из пектинов, т. е. полисахаридных углеводов. [15] Эти сахара ферментируются с использованием ферментов бактерий на вишне. Другими компонентами воды для варки являются кислоты и токсичные химикаты, такие как полифенолы (танины) или алкалоиды (кофеин).
Воду для варки мякоти можно повторно использовать во время депульпации урожая одного дня. Это приводит к увеличению содержания органических веществ и снижению pH. Исследования в Никарагуа показали, что средние значения ХПК выросли с 5400 мг/л до 8400 мг/л, при этом большая часть мякоти была удалена. [14] Падение pH можно объяснить началом ферментации воды для варки мякоти. Это падение продолжается до тех пор, пока ферментация не закончится и не будет достигнут уровень pH около 4. Содержание питательных веществ в воде для варки мякоти при максимальной нагрузке ХПК, которая, как считалось, отражает максимальное загрязнение, было определено в ходе этого исследования. Общая концентрация азота (TN) в образцах варьировалась от 50 до 110 мг/л со средним значением по всем образцам 90 мг/л. Общая концентрация фосфора (TP) в образцах варьировалась от 8,9 до 15,2 мг/л со средним значением по всем образцам 12,4 мг/л.
Промывка ферментированных бобов приводит к образованию сточных вод, содержащих в основном пектины из слизи, белки и сахара. Ферментация сахаров (дисахаридных углеводов) в этанол и CO2 приводит к кислым условиям в промывочной воде. Этанол преобразуется в уксусные кислоты после реакции с кислородом, снижая pH до уровня около 4. Высокая кислотность может отрицательно влиять на эффективность очистки очистных сооружений, обрабатывающих сточные воды от кофе, как анаэробный реактор или искусственные водно-болотные угодья, и считается губительной для водной флоры и фауны при сбросе непосредственно в поверхностные воды .
В процессе промывки исследования в Никарагуа показали явное снижение загрязнения сточных вод. [14] Значения ХПК снижаются со среднего значения 7200 мг/л до менее 50 мг/л. Несмотря на то, что сточные воды со значениями ХПК ниже 200 мг/л разрешено сбрасывать в естественные водотоки в Никарагуа, рекомендуется перенаправлять все сточные воды в систему очистки. Это связано с тем, что уровни ХПК невозможно определить на месте во время процесса промывки, а сброс сточных вод в поверхностные воды основывается на визуальном осмотре. Когда вода «чистая», она считается достаточно чистой, но значения ХПК, измеренные во время исследования, показали, что сброс, как правило, был слишком быстрым, что приводило к сточным водам с более высоким уровнем ХПК, чем разрешено. Другим положительным эффектом отвода сточных вод в систему очистки является разбавление сточных вод, что обеспечивает лучшую очистку анаэробными бактериями из-за более благоприятных значений pH и лучшую последующую очистку из-за более низких концентраций аммония.
Концентрация TN в пробах сточных вод, образующихся при промывке, составила от 40 до 150 мг/л при среднем значении по всем пробам 110 мг/л. Концентрация TP в пробах составила от 7,8 до 15,8 мг/л при среднем значении по всем пробам 10,7 мг/л.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )