陳云蘭 莫麗珍 陳小龍 陳治華 蔣快樂

(1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院 云南普洱 665000；2普洱市產(chǎn)業(yè)發(fā)展辦公室 云南普洱 665000)

咖啡初加工是形成商品豆的重要環(huán)節(jié)，目前生產(chǎn)上主要有濕法加工、干法加工及半干法加工3種方式。全世界大約有40%、云南有80%以上的咖啡采用濕法加工處理[1]。濕法加工耗水量大，產(chǎn)生的廢水富含有機(jī)質(zhì)和氮磷營養(yǎng)物質(zhì)，毒性高，會(huì)導(dǎo)致水中氧含量的下降，可以殺死水生生物。此外，總廢水中的懸浮固體含量很高，特別是消化的果膠從溶液中析出時(shí)，在地表形成地殼，堵塞水道，進(jìn)一步造成厭氧環(huán)境[2-3]。

Haddis等[4]研究證明，含高濃度有機(jī)物的咖啡加工用水流至地表水體里，若被當(dāng)做家庭用水，會(huì)導(dǎo)致頭暈、呼吸困難、皮膚不適等問題。由于處理咖啡污水的成本高、技術(shù)不成熟、政府及社會(huì)的激勵(lì)措施不健全等原因，導(dǎo)致咖啡加工用水處理比較困難，很多咖啡產(chǎn)區(qū)都是直接將未經(jīng)處理的污水排放到周邊的河流及地表，嚴(yán)重破壞水生態(tài)系統(tǒng)，威脅健康，這是一個(gè)全球性的問題。在埃塞爾比亞，長期向河里排放未經(jīng)處理的咖啡廢水，由于有機(jī)物過多，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞河流的生態(tài)系統(tǒng)[5]。傳統(tǒng)處理咖啡加工污水的方法是建池子加滑石粉沉淀處理后即排除[6]，一方面達(dá)不到污水排放的要求，另一方面產(chǎn)季用水量大，池子無法滿足生產(chǎn)需要。國內(nèi)對咖啡污水處理的研究比較少，國外目前有少量的研究。William等[7]的研究表明，在肯尼亞使用辣木油可降低咖啡廢水中的懸浮物；Rossmann等[8]和Selvamurugan等[9]用充曝氣的方式處理咖啡加工廢水，最低平均化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)和總懸浮固體(TSS)去除率分別為87%、84%和73%。通過化學(xué)絮凝法降低咖啡廢水中的高級氧化過程[10]。污水處理涉及物理、化學(xué)和生物等多個(gè)過程，其本質(zhì)是通過微生物生化反應(yīng)、氧化降解污水中的有機(jī)碳和氮污染物，使經(jīng)過處理的污水出水水質(zhì)指標(biāo)滿足污水排放指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

本研究采用Pectinex Ultra SP-L酶作為生物酶脫膠劑，探索使用脫膠劑后咖啡果膠發(fā)酵液的化學(xué)需氧量(COD)、總氮 、總磷、總懸浮固體(TSS)、pH等指標(biāo)，獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為云南阿拉比卡咖啡濕法加工妥善解決發(fā)酵液廢水不達(dá)標(biāo)問題提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用咖啡鮮果采摘于西雙版納傣族自治州景洪市勐旺鄉(xiāng)南門口村，海拔1100～1200m，品種為卡蒂姆；試驗(yàn)所用生物酶為諾維信中國投資有限公司生產(chǎn)的Pectinex Ultra SP-L咖啡果膠酶(3300 PGNU/g)。

1.1.2 儀器

6KTP-480型咖啡脫皮機(jī)；UV-1800PCDS2型分光光度計(jì)；雷磁PHS-3C酸度測定儀；上海榮欣DHG-9145A型干燥箱；梅特勒-托利多ME204E型電子分析天平。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法

(1)鮮果脫膠污水取樣方法

取20 kg全成熟的咖啡鮮果，用6KTP-480型咖啡脫皮機(jī)進(jìn)行脫皮，將帶果膠的咖啡平均分成兩份，平均每份6 kg。一份進(jìn)行傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠，發(fā)酵方式為：將帶果膠咖啡豆放入無蓋的發(fā)酵桶中，加入5 L水，使咖啡豆全部浸泡在水里，放置室外進(jìn)行脫膠；一份進(jìn)行生物酶制劑脫膠，發(fā)酵方式為：將帶果膠咖啡豆放入無蓋的發(fā)酵桶中，加入5 L水，使咖啡豆全部浸泡在水里，再加入濃度為0.01%的Pectinex Ultra SP-L果膠酶與傳統(tǒng)自然發(fā)酵放置室外進(jìn)行脫膠。試驗(yàn)當(dāng)天最低氣溫度17℃，最高氣溫為30℃，日平均氣溫為23℃。前期試驗(yàn)研究得出，在這個(gè)溫度條件下，傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠果膠全部降解需要46 h，添加0.01%的生物酶脫膠需要12 h。2種脫膠方式每隔12 h取樣1次。生物酶脫膠12 h完成脫后將咖啡豆取出清洗，發(fā)酵液繼續(xù)放置發(fā)酵桶里與傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠樣品同時(shí)取樣測定相關(guān)指標(biāo)。

(2)污水中色度的測定

參照國標(biāo)GB 11903-1989水質(zhì)色度的測定，稀釋倍數(shù)法。

(3)污水pH值測定

用雷磁PHS-3C酸度測定儀器測定。

(4)污水中懸浮物(SS)測定[12]

參照國標(biāo)GB18918-2002城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)中的懸浮物測定法 “重量法”測定。懸浮物系指污水中的固體物質(zhì)。測定的方法是將污水水樣通過濾紙過濾后，并于103～105℃烘至恒重，將所稱重量減去濾紙重量，即為懸浮固體。

按式(1)計(jì)算污水懸浮物。

式中：A，濾紙重(g)；B，懸浮固體＋濾紙重(g)；V，水樣體積(mL)。

(5)污水中化學(xué)需氧量(COD)測定[13]

采用重鉻酸鉀法測定。

(6)污水總氮的測量

參照國標(biāo)HJ 636-2012水質(zhì)總氮的測定——堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

采集數(shù)據(jù)用Excel 2010處理，采用DPS 6.55進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種脫膠方式脫膠速度與清洗用水量比較

在整個(gè)發(fā)酵過程中每隔1 h觀察一次物理變化，并以用手搓來判斷脫膠程度，以咖啡豆不粘手、不會(huì)從手中滑落為標(biāo)準(zhǔn)，確定為完成發(fā)酵。使用0.01%的生物脫膠劑完成脫膠時(shí)間及清洗用水量見表1。

表1 生物酶脫膠速度與清洗用水量比較

由表1可見，傳統(tǒng)自然發(fā)酵果膠全部降解需要46 h，添加生物酶制劑酶解以后，果膠降解速度比未添加生物酶制劑的自然發(fā)酵降解速度快3.5倍。采用生物酶制劑脫膠清洗咖啡豆的用水量比傳統(tǒng)自然發(fā)酵用水量減少33%。

2.2 色度檢測

通過檢測，由表2可知，在咖啡脫膠過程中，隨著發(fā)酵程度的加深，發(fā)酵液的顏色由淺黃色逐漸變成深褐色，傳統(tǒng)自然發(fā)酵至46 h完成發(fā)酵，顏色比較深，為深褐色，色度值為150，生物酶脫膠發(fā)酵至12 h，發(fā)酵液顏色呈深黃色，色度值為79。

表2 2種脫膠方式發(fā)酵液色度值測定

2.3 pH檢測結(jié)果

生物酶制劑脫膠與傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠咖啡發(fā)酵液的pH值比較見表3。

由表1可見，無論是傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠還是生物酶制劑脫膠，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，pH值會(huì)持續(xù)下降。采用生物酶制劑脫膠劑后，12 h完成脫膠時(shí)pH為6.1，酸度處于中性范圍，此時(shí)，及時(shí)處理排放廢液可減少對周邊環(huán)境及土壤的污染。傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠46 h完成脫膠時(shí)pH為4.9，偏酸性。

表3 2種脫膠方式發(fā)酵液pH的變化情況

2.4 廢水懸浮物濃度測定

依據(jù) “污水中懸浮物(SS)測定”方法，分別測定生物脫膠劑脫膠、傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠的懸浮物濃度，結(jié)果如表4所示。

表4 2種脫膠方式發(fā)酵液中懸浮物(mg·L-1)測定

由表4所知，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，懸浮物含量越來越高，傳統(tǒng)自然發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)酵液的懸浮物值為515 mg/L，生物酶制劑脫膠發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)酵液懸浮物值為366 mg/L，前者是后者的1.4倍。

2.5 廢液中化學(xué)需氧量檢測

經(jīng)檢測，2種脫膠方式廢液的化學(xué)需氧量(CODcr)值都隨著發(fā)酵時(shí)間的延長而增大，傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠的增速比生物脫膠的要快，46 h時(shí)的化學(xué)需氧量為2 113.22 mg/L，濃度很高，生物脫膠結(jié)束時(shí)化學(xué)需氧量值為812.73 mg/L，生物脫廢液中的化學(xué)需氧值比傳統(tǒng)自然發(fā)酵降低了61.5%。見表5。

2.6 廢液總氮測定

采用1.2.1(6)的方法測定咖啡加工廢水的總氮含量，測傳統(tǒng)自然發(fā)酵脫膠與生物脫膠的總氮含量分別為 1.48%、0.91%，生物脫膠廢液中的總氮值比傳統(tǒng)自然發(fā)酵降低了38.5%，見表6。

表5 2種脫膠方式發(fā)酵廢液化學(xué)需氧量(mg·L-1)測定

表6 2種脫膠方式發(fā)酵廢液總氮(%)測定

3 結(jié)論

咖啡加工污水主要來自脫皮和脫膠環(huán)節(jié)。本研究中，傳統(tǒng)自然發(fā)酵液中pH值隨著發(fā)酵時(shí)間的延長而減小，逐漸呈酸性，懸浮物、色度值、化學(xué)需氧量、總氮隨著發(fā)酵時(shí)間的延長而增加，直接排放對環(huán)境造成污染比較大。這與匡鈺等[14]研究結(jié)果[咖啡初加工排放的廢水呈酸性，pH值普遍在4.0～4.5范圍內(nèi)，廢水樣品中的化學(xué)需氧量、氨氮、總磷指標(biāo)都較高，達(dá)不到 《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(二級標(biāo)準(zhǔn)；GB8978/1996)排放要求] 相吻合。本研究通過采用Pectinex Ultra SP-L果膠酶進(jìn)行脫膠后，脫膠時(shí)間縮短，用來清洗咖啡豆的用水量減少，從這個(gè)角度來講，可以減少脫膠廢水排放量，減少污染。同時(shí)，采用生物酶脫膠后，提前完成脫膠，脫膠廢液的pH處于中性范圍，廢液中的懸浮物、色度值、化學(xué)需氧量、總氮含量都還比較低，及時(shí)采用簡單的中轉(zhuǎn)池沉淀處理后排放，能大幅度減少對環(huán)境的污染，也可降低廢液處理的成本，生物酶脫膠適合在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

本研究不足之處是未對生物酶制劑在不同溫度梯度條件下的活性做系統(tǒng)測試分析，因?yàn)樯锩钢苿┦且环N具有生物催化能力的蛋白質(zhì)，在適宜的條件下具有活性。其活性會(huì)受到溫度的影響，溫度過低會(huì)降低生物菌的活性，溫度較高，則會(huì)殺死生物菌，使生物菌徹底失去發(fā)揮作用的機(jī)會(huì)[15]，所以本研究所得試驗(yàn)結(jié)論有一定的局限性。為了使生物酶制劑更好的在咖啡加工污水處理中推廣應(yīng)用，下一步將從生物酶制劑優(yōu)化篩選、不同溫度梯度及pH條件下生物酶的活性、咖啡加工污水使用生物酶制劑處理后的無害化處理工藝等方面進(jìn)行深入研究。