咖啡濕法加工中生物酶制劑脫膠污水指標測定①

陳云蘭 莫麗珍 陳小龍 陳治華 蔣快樂

(1云南農業大學熱帶作物學院 云南普洱 665000；2普洱市產業發展辦公室 云南普洱 665000)

咖啡初加工是形成商品豆的重要環節，目前生產上主要有濕法加工、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，產生的廢水富含有機質和氮磷營養物質，毒性高，會導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，在地表形成地殼，堵塞水道，進一步造成厭氧環境[2-3]。

Haddis等[4]研究證明，含高濃度有機物的咖啡加工用水流至地表水體里，若被當做家庭用水，會導致頭暈、呼吸困難、皮膚不適等問題。由于處理咖啡污水的成本高、技術不成熟、政府及社會的激勵措施不健全等原因，導致咖啡加工用水處理比較困難，很多咖啡產區都是直接將未經處理的污水排放到周邊的河流及地表，嚴重破壞水生態系統，威脅健康，這是一個全球性的問題。在埃塞爾比亞，長期向河里排放未經處理的咖啡廢水，由于有機物過多，導致嚴重破壞河流的生態系統[5]。傳統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]，一方面達不到污水排放的要求，另一方面產季用水量大，池子無法滿足生產需要。國內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、化學和生物等多個過程，其本質是通過微生物生化反應、氧化降解污水中的有機碳和氮污染物，使經過處理的污水出水水質指標滿足污水排放指標標準[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酵液的化學需氧量(COD)、總氮 、總磷、總懸浮固體(TSS)、pH等指標，獲得基礎數據，為云南阿拉比卡咖啡濕法加工妥善解決發酵液廢水不達標問題提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

試驗用咖啡鮮果采摘于西雙版納傣族自治州景洪市勐旺鄉南門口村，海拔1100～1200m，品種為卡蒂姆；試驗所用生物酶為諾維信中國投資有限公司生產的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；UV-1800PCDS2型分光光度計；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型咖啡脫皮機進行脫皮，將帶果膠的咖啡平均分成兩份，平均每份6 kg。一份進行傳統自然發酵脫膠，發酵方式為：將帶果膠咖啡豆放入無蓋的發酵桶中，加入5 L水，使咖啡豆全部浸泡在水里，放置室外進行脫膠；一份進行生物酶制劑脫膠，發酵方式為：將帶果膠咖啡豆放入無蓋的發酵桶中，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果膠酶與傳統自然發酵放置室外進行脫膠。試驗當天最低氣溫度17℃，最高氣溫為30℃，日平均氣溫為23℃。前期試驗研究得出，在這個溫度條件下，傳統自然發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，發酵液繼續放置發酵桶里與傳統自然發酵脫膠樣品同時取樣測定相關指標。

(2)污水中色度的測定

參照國標GB 11903-1989水質色度的測定，稀釋倍數法。

(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GB18918-2002城鎮污水排放標準中的懸浮物測定法 “重量法”測定。懸浮物系指污水中的固體物質。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HJ 636-2012水質總氮的測定——堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

1.2.2 數據處理

采集數據用Excel 2010處理，采用DPS 6.55進行分析。

2 結果與分析

2.1 2種脫膠方式脫膠速度與清洗用水量比較

在整個發酵過程中每隔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、不會從手中滑落為標準，確定為完成發酵。使用0.01%的生物脫膠劑完成脫膠時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，傳統自然發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自然發酵用水量減少33%。

2.2 色度檢測

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

表2 2種脫膠方式發酵液色度值測定

2.3 pH檢測結果

生物酶制劑脫膠與傳統自然發酵脫膠咖啡發酵液的pH值比較見表3。

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

表3 2種脫膠方式發酵液pH的變化情況

2.4 廢水懸浮物濃度測定

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

表4 2種脫膠方式發酵液中懸浮物(mg·L-1)測定

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

2.5 廢液中化學需氧量檢測

經檢測，2種脫膠方式廢液的化學需氧量(CODcr)值都隨著發酵時間的延長而增大，傳統自然發酵脫膠的增速比生物脫膠的要快，46 h時的化學需氧量為2 113.22 mg/L，濃度很高，生物脫膠結束時化學需氧量值為812.73 mg/L，生物脫廢液中的化學需氧值比傳統自然發酵降低了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，測傳統自然發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自然發酵降低了38.5%，見表6。

表5 2種脫膠方式發酵廢液化學需氧量(mg·L-1)測定

表6 2種脫膠方式發酵廢液總氮(%)測定

3 結論

咖啡加工污水主要來自脫皮和脫膠環節。本研究中，傳統自然發酵液中pH值隨著發酵時間的延長而減小，逐漸呈酸性，懸浮物、色度值、化學需氧量、總氮隨著發酵時間的延長而增加，直接排放對環境造成污染比較大。這與匡鈺等[14]研究結果[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，廢水樣品中的化學需氧量、氨氮、總磷指標都較高，達不到 《綜合污水排放標準》(二級標準；GB8978/1996)排放要求] 相吻合。本研究通過采用Pectinex Ultra SP-L果膠酶進行脫膠后，脫膠時間縮短，用來清洗咖啡豆的用水量減少，從這個角度來講，可以減少脫膠廢水排放量，減少污染。同時，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、化學需氧量、總氮含量都還比較低，及時采用簡單的中轉池沉淀處理后排放，能大幅度減少對環境的污染，也可降低廢液處理的成本，生物酶脫膠適合在生產中推廣應用。

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測試分析，因為生物酶制劑是一種具有生物催化能力的蛋白質，在適宜的條件下具有活性。其活性會受到溫度的影響，溫度過低會降低生物菌的活性，溫度較高，則會殺死生物菌，使生物菌徹底失去發揮作用的機會[15]，所以本研究所得試驗結論有一定的局限性。為了使生物酶制劑更好的在咖啡加工污水處理中推廣應用，下一步將從生物酶制劑優化篩選、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行深入研究。