Кофейные сточные воды

Ягоды сушат сразу после сбора: на солнце, в сушилках или искусственно. При сушке на солнце ягоды раскладывают на чистом полу на открытом воздухе. При солнечной сушке (в закрытых камерах) используются вентиляционные отверстия для выхода влаги. Искусственная сушка применяется в основном во влажный сезон, когда недостаток солнечного света затягивает процесс и повышает риск появления плесени. После сушки ягоды шелушат. В этом процессе механически удаляется сухая внешняя оболочка ягоды, известная как перикарпий.

При полумытой обработке ягоды депульпируют (удаляют мякоть), чтобы снять перикарпий. Затем удаляют слизистый слой (мусилаж), покрывающий зерно. Это делается механически: зёрна подаются в цилиндрическое устройство, которое перемещает их вверх. Трение и давление, оказываемые на зёрна в этом процессе, удаляют большую часть слизи, но небольшое её количество остаётся в центральном разрезе зерна. Эта техника используется в Колумбии и Мексике для сокращения потребления воды, необходимой для длительной ферментации и тщательной промывки.

Для снижения загрязнения, возникающего при влажной обработке кофейных ягод, учёные из Cenicafé разработали технологию, которая позволяет не использовать воду там, где это не требуется, и использовать её рационально при необходимости. Технология, названная Becolsub (акроним от испанского названия экологического процесса влажной обработки с управлением побочными продуктами: Beneficio Ecologicos Sub-productos^[2]), контролирует более 90 % загрязнений, генерируемых её предшественниками. Качество кофе, обработанного таким способом, аналогично качеству кофе, полученного путём естественной ферментации.

Технология Becolsub включает депульпацию без воды, механическое удаление слизи и смешивание побочных продуктов (кожуры и слизи) в шнековом конвейере. Технология также предусматривает гидромеханическое устройство для удаления всплывающих ягод и лёгких примесей, а также тяжёлых и твёрдых предметов, и цилиндрическое сито для удаления ягод, чья кожура не была отделена в депульпаторе. Учёные Cenicafé обнаружили, что кофейная ягода со слизью (незрелые и сухие плоды слизи не имеют) содержит достаточно воды для разделения кожуры и семян в обычных депульпаторах без добавления воды. Жидкость требовалась только как средство транспортировки, а депульпация без воды позволяет избежать 72 % потенциального загрязнения.

Удаление слизи традиционно проводилось путём ферментации, которая занимает от 14 до 18 часов, пока слизь не разложится и не сможет быть легко смыта водой. Промывка ферментированной слизи требует в лучшем случае 5,0 л/кг кофе (DPC). Учёные Cenicafé разработали машину для удаления слизи с кофейных зёрен. Эта машина, названная Deslim (от начальных букв испанских слов: демуцилагатор, механический мойщик и очиститель), удаляет более 98 % всей слизи (столько же, сколько хорошо проведённая ферментация) за счёт трения и столкновений между зёрнами, используя всего 0,7 л/кг воды. Полученная высококонцентрированная смесь воды, слизи и примесей имеет вязкую консистенцию и добавляется к отделённой кожуре в шнековом конвейере. В конвейере удержание составляет более 60 %, что означает дополнительный контроль 20 % потенциального загрязнения.

Два побочных продукта широко используются как субстрат для червей при производстве натуральных удобрений. Однако высокая концентрация слизи, полученной из демуцилагатора, открывает возможности для промышленной переработки этого побочного продукта.

Этот процесс в основном используется при обработке Coffea arabica^[3]. После депульпации зерна собирают в баки для ферментации, где бактериальное удаление слизи происходит в течение 12-36 часов^[4]. Фаза ферментации важна для формирования вкуса кофе, что частично обусловлено микробиологическими процессами. Появление дрожжей и плесени в кислой воде может привести к появлению посторонних привкусов, таких как «кислый кофе» или «луковый привкус». Тем не менее считается, что влажная обработка даёт кофе более высокого качества, чем другие процессы, так как небольшие количества посторонних привкусов придают кофе особый вкус и «тело»^[5].

Когда ферментация завершена, зёрна тщательно промывают для удаления остатков ферментации и слизи. Если их не удалить, они вызывают обесцвечивание пергаментной оболочки и делают зёрна восприимчивыми к дрожжам. После промывки зёрна сушат. Если процесс сушки недостаточно быстр, могут появиться землистые и затхлые привкусы, такие как Rio-flavor^[6].

Вода, используемая при обработке кофе, покидает производственный блок с высоким уровнем загрязнения. Основным компонентом являются органические вещества, образующиеся при депульпации и удалении слизи^[15]. Большая часть органического материала в сточных водах обладает высокой стойкостью. Значения ХПК (количество кислорода, необходимое для стабилизации органического вещества сильным окислителем) составляют 80 % нагрузки загрязнения, достигая 50 г/л^[16][17]. БПК (количество кислорода для биологического разложения органики в аэробных условиях при стандартной температуре и времени инкубации^[18]), происходящее от биоразлагаемого органического материала, может достигать 20 г/л.

При (грубой) фильтрации и удалении мякоти значения ХПК и БПК становятся значительно ниже. Были зафиксированы значения в диапазоне 3-5 г/л для ХПК и 1,5-3 г/л для БПК₅^[11]. Также отмечались значения 2,5 г/л для ХПК и 1,5 г/л для БПК₅^[19][20].

Значительная часть органических веществ, пектины, выпадает в осадок в виде слизистых твёрдых частиц и может быть удалена из воды^[16]. Если эти твёрдые частицы не удаляются, значения pH растут, и наблюдается увеличение ХПК.

Для оптимизации анаэробной обработки сточных вод значения pH должны составлять от 6,5 до 7,5, вместо обычно присутствующих значений pH=4 (сильнокислая среда). Это достигается добавлением гидроксида кальция (CaOH₂) в сточные воды. Это приводит к восстановлению растворимости пектинов, повышая ХПК со среднего значения 3,7 г/л до среднего значения 12,7 г/л.

Вода также характеризуется наличием флавоноидных соединений, поступающих из кожуры ягод. Флавоноиды вызывают тёмное окрашивание воды при pH=7 или выше, но они не увеличивают уровни БПК или ХПК сточных вод и не оказывают значительного воздействия на окружающую среду. Однако снижение прозрачности может негативно влиять на фотосинтез, рост и трансформацию питательных веществ (особенно) укоренёнными водными растениями. Многие усилия в индустриях переработки оливок и вина, располагающих относительно большими средствами на исследования, были направлены на решение этой проблемы. Калверт упоминает исследования по удалению полифенолов и флавоноидов видами грибов, переваривающих древесину (Базидиомицеты), в погружённом растворе с аэрацией сжатым воздухом^[21]. Эти сложные процессы, по-видимому, способны удалять красящие соединения, но упрощённые и более дешёвые методы с использованием других видов грибов (например, Geotrichum, Penicillium, Aspergillus) были эффективны только в сильно разбавленных сточных водах.

Кофейные сточные воды не являются постоянным потоком с равномерной нагрузкой загрязнения. Обработка кофейных ягод — это периодический процесс, и в отношении водных потоков можно выделить два этапа: депульпация и ферментация/промывка.

Вода, используемая для депульпации ягод, называется пульповой водой. Она составляет чуть более половины воды, используемой в процессе. Согласно Фон Эндену и Калверту, «пульповая вода состоит из быстро ферментирующихся сахаров как из мякоти, так и из компонентов слизи. Мякоть и слизь в значительной степени состоят из белков, сахаров, а слизь, в частности, из пектинов, то есть полисахаридных углеводов»^[15]. Эти сахара ферментируются с использованием ферментов бактерий на ягодах. Другими компонентами пульповой воды являются кислоты и токсичные химические вещества, такие как полифенолы (таннины) или алкалоиды (кофеин).

Пульповая вода может быть повторно использована при депульпации урожая одного дня. Это приводит к увеличению содержания органических веществ и снижению pH. Исследования в Никарагуа показали рост средних значений ХПК с 5400 мг/л до 8400 мг/л при удалении большей части мякоти^[14]. Падение pH можно объяснить началом ферментации пульповой воды. Это падение продолжается до завершения ферментации и достижения уровня pH около 4. В ходе этого исследования было определено содержание питательных веществ в пульповой воде при максимальной нагрузке ХПК, что считалось отражением максимального загрязнения. Концентрация общего азота (TN) в образцах варьировалась от 50 до 110 мг/л со средним значением по всем образцам 90 мг/л. Концентрация общего фосфора (TP) варьировалась от 8,9 до 15,2 мг/л со средним значением 12,4 мг/л.

Промывка ферментированных зёрен 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 превращается в уксусную кислоту после реакции с кислородом, снижая pH до уровня около 4. Высокая кислотность может негативно влиять на эффективность очистных сооружений, обрабатывающих кофейные стоки (таких как анаэробные реакторы или искусственные водно-болотные угодья), и считается вредной для водной жизни при прямом сбросе в поверхностные воды.

В ходе исследований в Никарагуа было показано явное снижение загрязнения сточных вод в процессе промывки^[14]. Значения ХПК падают со среднего уровня 7200 мг/л до менее 50 мг/л. Несмотря на то, что в Никарагуа разрешён сброс сточных вод со значениями ХПК ниже 200 мг/л в естественные водотоки, рекомендуется направлять все сточные воды в систему очистки. Это связано с тем, что уровни ХПК невозможно определить на месте во время промывки, и сброс в поверхностные воды основывается на визуальном осмотре. Когда вода «прозрачная», она считается достаточно чистой, но значения ХПК, измеренные в ходе исследования, показали, что сброс, как правило, происходил слишком рано, что приводило к стокам с уровнями ХПК выше допустимых. Ещё одним положительным эффектом направления сточных вод в систему очистки является разбавление стоков, что способствует лучшей обработке анаэробными бактериями благодаря более благоприятным значениям pH и лучшей доочистке из-за более низких концентраций аммония.

Концентрация общего азота (TN) в образцах промывочных вод варьировалась от 40 до 150 мг/л со средним значением 110 мг/л. Концентрация общего фосфора (TP) варьировалась от 7,8 до 15,8 мг/л со средним значением 10,7 мг/л.