Nước thải công nghiệp chế biến cafe

Cafe là mặt hàng được giao dịch nhiều thứ hai trên toàn cầu sau xăng dầu. Vậy nước thải công nghiệp chế biến cafe được xử lý như thế nào? Đặc biệt là với quốc gia trồng và sản xuất cafe với số lượng thương mại lớn như Việt Nam.
Quá trình sản xuất sử dụng một lượng lớn nước thải ra ngoài là nước bị ô nhiễm. Sự hiện diện của các hóa chất độc hại như tannin, phenolic và alkaloids ức chế sự phân hủy sinh học. Các quá trình vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thải ra trong nước một cách từ từ, sử dụng hết lượng oxy trong nước (COD).
Khi nhu cầu về oxy cần thiết để phân hủy chất thải hữu cơ trong nước thải bắt đầu vượt quá cung cấp, sự giảm lượng oxy cần thiết để kết hợp với hóa chất (COD) từ từ tạo ra tình trạng yếm khí. Đánh giá xem xét một số phương pháp hiện tại (hóa lý và sinh học) được sử dụng trong quản lý nước thải cafe, những ưu điểm và nhược điểm của chúng bao gồm, hàm ý chi phí cao, hoạt động phức tạp và tiêu tốn nhiều thời gian hơn trong số những người khác; hơn nữa, tổng quan đề xuất kỹ thuật trao đổi ion như một giải pháp thay thế tốt hơn dựa trên khả năng của nó để hoạt động như một chất trao đổi ion và chất hấp thụ.

Thực trạng của ngành công nghiệp chế biến cafe

Công nghệ chế biến cafe có thể là khô hoặc ướt. Hệ thống xử lý ướt sử dụng lượng nước lớn và do đó tạo ra khối lượng lớn nước thải ô nhiễm mà theo truyền thống, dễ dàng thải ra sông hoặc suối gần đó.

Sản phẩm phụ của quá trình chế biến cafe bao gồm bột giấy chiếm 43%, chất nhầy 12% và giấy da 6,1%. Nước thải này thường được tạo ra từ nồng độ chất hữu cơ cao và chất rắn lơ lửng và có tính axit cao.

Một vấn đề lớn khác liên quan đến chế biến cafe ướt là lượng nước cần thiết cao để chế biến khoảng 15–20L đến 1 kg hạt cafe; nếu không tái chế nước, thì bản thân các nguồn tài nguyên đang bị đe dọa. Cần phải xử lý nước thải cafe trước khi xả thải vì theo quan sát thấy mức độ ô nhiễm nước của các sông suối gần các nhà máy chế biến cafe là rất cao. Ngoài ra, có thể thấy rằng đã có rất ít hoặc không có đánh giá toàn diện về cách thức quản lý nước thải cafe trong thời gian gần đây.

Hơn nữa, nước thải chế biến cafe tạo ra có màu chứa các đại phân tử khác nhau như polyphenol (ví dụ: melanoidin) và caffein. Các melanoidin trong cafe bao gồm các nhóm phối tử như tannin, polysaccharid và sự kết hợp của chúng. Các đại phân tử này rất khó bị phân hủy khi sử dụng các quy trình xử lý sinh học thông thường và là nguyên nhân dẫn đến màu nâu sẫm của nó. Do đó, ô nhiễm do xả nước thải có màu là nguyên nhân dẫn đến độ mờ đục, nhu cầu oxy sinh học và hóa học cao, gây ra hiện tượng phú dưỡng, cản ánh sáng và ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.

Các phương pháp chế biến cafe

Do chất lượng của hạt cafe bắt đầu giảm sút sau khi được hái từ nông trại vài giờ nên việc chế biến được thực hiện ngay lập tức. Đây là lý do tại sao các nhà máy hoặc khu vực chế biến cafe nên được đặt gần trang trại cafe. Mỗi kỹ thuật và mức độ xử lý đi kèm với khả năng gây ô nhiễm của nó. Có hai phương pháp chế biến cafe như sau:

Phương pháp chế biến cafe khô

Phương pháp khô là phương pháp đơn giản nhất với khả năng gây ô nhiễm tối thiểu. Quả cafe sau khi hái được phơi dưới nắng cho đến khi độ ẩm đạt tối thiểu 10%, loại bỏ lớp vỏ ngoài và lớp da bên trong. Phương pháp khô đòi hỏi một không gian rộng để phơi nắng và thường không tạo ra cafe chất lượng; hơn nữa, quá trình khô hạn có thể dễ dàng bị cản trở bởi mùa mưa ở nhiều nơi trên thế giới.

Phương pháp ướt

Phương pháp này đòi hỏi các giai đoạn chế biến khác nhau và đòi hỏi kỹ thuật cao để đảm bảo sản xuất cafe chất lượng tốt. Quá trình chế biến được thực hiện trước bằng phân loại, nơi quả cafe được ngâm trong nước. Những hạt phát triển kém, suy thoái hoặc bị bệnh trôi nổi và được loại bỏ, và những mảnh vụn khác như cành hoặc lá có thể đã được thu thập cùng với quả mọng cũng bị loại bỏ.

Tiếp theo là làm giảm chất lượng; nó liên quan đến việc loại bỏ lớp bên ngoài của hạt cafe (exocarp, mesocarp), để lại một lớp màng nhầy bao quanh hạt cafe. Quá trình này tạo ra hàm lượng chất hữu cơ cao nên rất khó phân hủy lớp màng nhầy của quả cafe.

Tiếp theo là lên men của chất nhầy, theo đó chất nhầy được tác động bởi vi sinh vật theo cách đó phân hủy lớp, hạt cafe lại được rửa sạch. Thời gian lên men được xác định bởi nhiệt độ của khu vực chế biến nhất định. Thử nghiệm đơn giản nhất đối với quá trình lên men hoàn toàn là bằng cách ấn tay vào đống hạt cafe khi nó tạo ra một lỗ và sau đó nó được lên men hoàn toàn.

Rửa sạch sau khi quá trình lên men hoàn tất; Quá trình này bao gồm việc ngâm hạt đậu trong nước sạch, khuấy và rửa sạch, và quá trình này tiếp tục cho đến khi hạt đậu không còn dấu vết nào của chất nhầy, vì nếu có bất kỳ cặn bã nào của chất nhầy có thể ảnh hưởng đến chất lượng của thành phẩm.

Sau khi hạt đậu đã được giải phóng khỏi tất cả cặn bột, nó được làm khô bằng năng lượng mặt trời hoặc bằng cách sử dụng máy sấy cơ học chạy bằng điện hoặc chạy bằng nhiên liệu khí ở đó độ ẩm giảm xuống 10–12% bằng cách sử dụng đơn giản máy đo độ ẩm hạt kỹ thuật số để đo lường. Độ khô của cafe là rất quan trọng vì nó làm tăng chất lượng đồng thời làm tăng giá trị, đồng thời nó cũng ức chế sự phát triển của nấm trên hạt.

Đặc điểm sinh lý hóa và ảnh hưởng của nước thải chế biến cafe

Nước thải cafe được đặc trưng bởi nhu cầu oxy hóa học rất cao (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD), hàm lượng axit, mùi và màu.

Điều tối quan trọng cần lưu ý là tác động môi trường chính của ô nhiễm hữu cơ trong nước là giảm hoặc thiếu oxy và độ mờ đục. Sự hiện diện của các hóa chất độc hại như tannin, phenolic và alkaloids ức chế sự phân hủy sinh học hoặc các vật liệu hữu cơ tại nơi nước thải đã được thải ra. Các quá trình vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thải ra trong nước một cách từ từ, sử dụng hết oxy trong nước. Khi nhu cầu về oxy bắt đầu vượt quá cung, hàm lượng oxy giảm từ từ tạo ra tình trạng yếm khí.

Hiện tượng này dẫn đến lượng oxy cần thiết rất cao để phân hủy chất thải hữu cơ trong nước thải (BOD) và cũng là lượng oxy cao cần thiết để kết hợp với hóa chất (COD). Các điều kiện yếm khí được tạo ra trong nước thải là nguyên nhân gây ra mùi và có thể gây tử vong cho các cư dân thủy sinh; vi khuẩn xâm nhập vào nguồn nước uống cũng có thể gây ra ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Màu sắc là một yếu tố quan trọng đối với đời sống thủy sinh trong việc sản xuất thức ăn từ tia nắng mặt trời. Hoạt động quang hợp giảm do màu tối. Điều này sẽ ảnh hưởng đến các thông số khác như nhiệt độ, DO và BOD.

Nhìn chung, nhu cầu về thực hành quản lý nước thải bền vững cho các ngành công nghiệp được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố bao gồm luật pháp, giới hạn xử lý ở các vùng nước nhạy cảm, bảo vệ khỏi rủi ro liên quan đến nước, cân nhắc kinh tế liên quan đến chi phí nước, hình ảnh công ty, (như hình thành trách nhiệm xã hội của công ty hoặc thậm chí như một bộ phận nghĩa vụ của công ty đối với môi trường). Do đó, tổng quan này nhìn tại các phương pháp đã được sử dụng cho đến nay và cung cấp một không – để – chung công nghệ trong nước thải chế biến cafe.

Các công nghệ xử lý nước thải công nghiệp chế biến cafe hiện tại và ưu nhược điểm của chúng

Xử lý hóa lý

Phương pháp xử lý hóa lý nước thải công nghiệp gần đây được ưa chuộng hơn so với phương pháp xử lý sinh học vì khả năng phá vỡ hợp chất phức tạp trong nước thải trong thời gian tương đối ngắn (ví dụ, vài giờ) trong môi trường được kiểm soát.

Xử lý sắt không hóa trị (ZVI)

Các hạt sắt không hóa trị (ZVI) là vật liệu không độc hại, phong phú, chi phí thấp và dễ dàng thu hồi bằng từ tính. Trong thời gian gần đây, chúng đã được sử dụng để xử lý cả chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước thải khác nhau. Cơ chế loại bỏ ô nhiễm của chúng là giảm phân huỷ, phân huỷ oxy hoá, hấp phụ và kết tủa. Bất chấp những thành công của họ, các hạt ZVI đã qua sử dụng không dễ dàng tái sinh, điều này làm cho quy trình không hiệu quả về mặt kinh tế vì vật liệu cần được thay thế sau khi xử lý.

Phương pháp Photo-Fenton

Gần đây, nhiều phương pháp xử lý đối với nước thải cafe đã được đưa vào ánh sáng vôi như xúc tác quang với H2O2 và Fe2+ , với ZnO. Phương pháp này sử dụng phản ứng xúc tác giữa các ion sắt trong dung dịch và hydro peroxit tạo ra hydroxyl (một loại chất có khả năng oxy hóa cao) là thuốc thử quan trọng trong việc phá vỡ lignin liên quan đến hợp chất dễ ăn mòn.

Sử dụng các liều lượng khác nhau của H2O2 và tia UV để khử màu nước thải cafe, 93% màu nước thải cafe được loại bỏ trong 250 phút, bằng cách sử dụng kết hợp xử lý sinh học và hóa học với lò phản ứng yếm khí kỵ khí dòng lên (UASB) và photo-Fenton để đạt được loại bỏ 95% BOD ở nồng độ mol tối ưu của H 2 O 2 là 2,5 × 10 -1 mol L −1 và của F 2+ 6,3 × 10 −2 mol L −1.

Mặc dù phản ứng photo-Fenton rất hiệu quả để khử màu nước rửa giải cafe, nhưng việc cung cấp thêm hydro peroxit tiêu thụ trong quá trình này và việc kiểm soát độ pH tối ưu ở khoảng 3.0 là những hạn chế.

Xúc tác bức xạ cực tím (UV) (với ozone)

Ozon hóa đã được ủng hộ là một lựa chọn tốt hơn so với photo – Fenton là chất oxy hóa mạnh hơn của nhiều hợp chất hữu cơ. Các nghiên cứu đã báo cáo rằng thiếu sót chính của quá trình ozon hóa là độ khoáng hóa thấp, nhưng điều này thường bị chống lại bởi tia UV hoặc hydrogen peroxide (Hubbe et al. 2016 ). Cũng có người cho rằng chỉ áp dụng UV là phương pháp xử lý kém hiệu quả hơn trừ khi nó được kết hợp với các AOP khác chứng minh rằng lượng lớn các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như màu và độ đục đã được loại bỏ một cách hiệu quả. Sử dụng kỹ thuật oxy hóa quang sử dụng UV / H 2 O 2 trước đó là keo tụ tạo bông để loại bỏ 87% COD trong nước thải cafe.

Quá trình oxy hóa điện

Quá trình oxy hóa điện có thể được định nghĩa là một quá trình trong đó điện áp và các yếu tố khác trong điện cực được tối ưu hóa để tạo ra các loại phản ứng và oxy hóa tại chỗ. Trong phương pháp này, sự điện phân tạo ra các gốc oxy hóa khác nhau (ví dụ như hydroxyl, clo,) do các hợp chất hữu cơ trực tiếp phân hủy trên điện cực. Trong phương pháp này, sự điện phân tạo ra các gốc oxy hóa khác nhau (ví dụ, hydroxyl, clo,) do hợp chất hữu cơ bị phân hủy trực tiếp trên điện cực.

Quá trình oxy hóa điện đã được nhiều nhà nghiên cứu trong việc xử lý nước thải chế biến cafe. Sử dụng một cực dương ổn định về kích thước bao gồm titan với một màng ruthenium, coban oxit và iridi để giảm mức độ ô nhiễm sau khi xử lý trước bằng đông tụ / keo tụ hóa học. Việc loại bỏ COD và màu sắc sau khi tiền xử lý sinh học cho thấy rằng anode ăn cắp có hiệu quả trong việc loại bỏ COD trong nước thải cafe.

Lọc màng: Đây là một kỹ thuật tách cơ học để loại bỏ các chất gây ô nhiễm có kích thước micromet. Kỹ thuật này đã được báo cáo thành công trong việc xử lý nước thải công nghiệp giấy và bột giấy và đồng xử lý về nhiều mặt. Về cơ bản có bốn phân loại lọc màng: vi lọc với kích thước lỗ điển hình 0,1–2 μm, siêu lọc 2–100 nm, lọc nano 1–5 nm và thẩm thấu ngược <1 nm.

Mặc dù được sử dụng rộng rãi, nhưng nhược điểm chính của lọc màng là chỉ nó tách và không thay đổi bất kỳ thành phần nào của nước thải. Do đó, trong trường hợp nước thải bị ô nhiễm cao như nước thải chế biến cafe, cần có phương pháp xử lý bổ sung, theo đó một hệ thống kết hợp của lò phản ứng sinh học có vách ngăn kỵ khí và lọc màng được sử dụng để loại bỏ COD 81%. , TS 72%, TSS 100%, TDS 61%; Tuy nhiên, hiệu quả của nó trong việc loại bỏ các yếu tố khó kiềm chế như phenol tạo nên màu cafe vẫn chưa được báo cáo.

Một vấn đề rất phổ biến khác mà phương pháp này gặp phải là sự tắc nghẽn và bám bẩn của màng. Một công ty xử lý nước hoạt động ở Malaysia đã phát triển một nhà máy phản ứng sinh học màng lọc áp suất thân thiện với người vận hành, nhà máy này sẽ được sử dụng để xử lý và tái sử dụng nước thải từ công ty chế biến cafe hòa tan. Mặc dù phương pháp này sẽ loại bỏ hiệu quả COD và dầu mỡ tự do, nhưng không đề cập đến việc loại bỏ độ chua và màu là vấn đề chính đối với nước thải chế biến cafe.

Phương pháp sinh học

Các hình thức lọc khác nhau đã được nghiên cứu liên quan đến các lò phản ứng sinh học để tăng tốc độ phân hủy sinh học, ghi nhớ tác động đến sức khỏe và môi trường của việc xả trực tiếp nước thải cafe mà không qua xử lý. Xử lý sinh học được thực hành rộng rãi; một trong những mục tiêu chính của xử lý sinh học là loại bỏ BOD, và việc xử lý như vậy được phát hiện là không hiệu quả trong việc loại bỏ màu hoặc các thành phần có tính axit khác của nước thải cafe và các quy trình đòi hỏi một thời gian dài (vài tháng) để phân hủy hoàn toàn nguyên liệu hưu cơ. Xử lý sinh học bao gồm nhưng không giới hạn ở xử lý hiếu khí / kỵ khí, tưới phun, bùn hoạt tính, cố định, xử lý enzyme, sử dụng lò phản ứng sinh học.

Lò phản ứng sinh học đáy bùn dạng hạt mở rộng (EGSB) Một số quy trình kỵ khí đã được phát triển và nghiên cứu để xử lý CPWW, chẳng hạn như nghiên cứu về mô hình dòng chảy, ức chế độc tính, khởi động, tối ưu hóa, động học và điều kiện vận hành. Thời gian lưu thủy lực (HRT) là một trong những biến số độc lập quan trọng nhất để kiểm soát loại lò phản ứng sinh học kỵ khí này, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phân hủy kỵ khí và chuyển hydro và có thể tạo ra hiện tượng rửa tế bào (Cruz-Salomón et al. . 2017 ).

Người ta đã chứng minh rằng loại lò phản ứng sinh học này là một hệ thống tuyệt vời để xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ cao, nhưng nhược điểm lớn của nó là không loại bỏ được các chất dinh dưỡng (N và P). Một vấn đề khác của sự suy thoái sinh học kỵ khí có liên quan đến hàm lượng chất hữu cơ có thể lên men cao trong nước thải làm cho nước thải bị axit hóa nhanh dẫn đến sản sinh nhiều VFA.

Vì vậy, cần theo dõi hàm lượng VFA để hoạt động tốt của bể phản ứng sinh học kỵ khí. Do đó, cần phải theo dõi hàm lượng VFA đối với hoạt động tốt của lò phản ứng sinh học kỵ khí cũng như thời gian lưu thủy lực (HRT) vì những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất của lò phản ứng sinh học EGSB.

Đông tụ hóa học và keo tụ cũng được báo cáo là phương pháp xử lý nước thải chế biến cafe hiệu quả, dễ xử lý và rẻ tiền. Nó không yêu cầu tiền xử lý. Các nghiên cứu đã được xem xét cho thấy rằng mặc dù việc khử màu có hiệu quả, nhưng việc giảm COD không đạt được hiệu quả do quá trình này không thể phá vỡ sự liên kết phức tạp của các chất hữu cơ trong nước thải cafe.

Sự lắng xuống của các hạt rắn trong nước thải do tác động của trọng lực có thể được tăng cường bằng quá trình đông tụ điện hóa. Phương pháp đông tụ điện hóa đã được ghi nhận là có hiệu quả trong việc loại bỏ màu, COD và SS trong nước thải cafe. Loại bỏ chất rắn lơ lửng và nhu cầu oxy xảy ra khi tác nhân cation tích điện cao như chất đông tụ nhôm sunfat được sử dụng để trung hòa để trung hòa chất rắn nước thải tích điện âm, tiếp theo là polyelectrolyte khối lượng lớn như acrylamide (chất tạo bông) 

Phương pháp điện hóa bao gồm hai tấm kim loại dẫn điện (cực dương và cực âm) được nối với nguồn điện bên ngoài trong đó quá trình oxy hóa ăn mòn vật liệu làm anốt và cực âm bị thụ động hóa. So với các phương pháp xử lý nước thải chế biến cafe truyền thống khác, mạ điện có nhiều ưu điểm hơn bao gồm khả năng loại bỏ các chất gây ô nhiễm thường khó loại bỏ cao, hiệu quả chi phí, tương thích với môi trường, hiệu quả năng lượng, an toàn.

Downside được ghi nhận trong việc giảm dần hiệu quả của việc điều trị bởi sự thụ động của cathode khi dòng điện tiếp tục chạy qua nó. Nó cũng đòi hỏi tốc độ cung cấp năng lượng cao hơn so với hầu hết các công nghệ xử lý. Hơn nữa, sự hiện diện của tannin dường như gây ra ngắn mạch trong quá trình đông tụ và quá trình kết bông.

Hấp phụ Trong nhiệm vụ tìm kiếm công nghệ rẻ hơn và hiệu quả để loại bỏ chất hữu cơ, một số phụ phẩm nông nghiệp như thân cây ngô, trấu, chitosan, chitin, than bùn, gỗ đã được sử dụng làm chất hấp phụ. Do tính kỵ nước, diện tích bề mặt và ái lực cao thích hợp, các sản phẩm than hoạt tính đã được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Công nghệ than hoạt tính đã cho thấy hiệu quả tuyệt vời trong việc loại bỏ chất gây ô nhiễm với chất hấp phụ rất rẻ và sẵn có so với nhiều phương pháp xử lý nước thải hữu cơ thông thường.

Mặc dù có rất ít nghiên cứu áp dụng công nghệ hấp phụ trong quản lý nước thải công nghiệp chế biến cafe, nhưng nhiều nghiên cứu đã báo cáo việc sử dụng các sản phẩm phụ từ cafe làm chất hấp phụ hiệu quả trong việc loại bỏ kim loại nặng. Tuy nhiên, đã có nhiều báo cáo nghiên cứu về loại bỏ tannin bằng cách hấp phụ từ nước thải cafe và họ phát hiện ra rằng hiệu quả của quá trình phụ thuộc nhiều vào độ pH (ví dụ: 3–5 đối với gáo dừa hoạt tính và 5–6 đối với than hoạt tính thương mại) mặc dù phương pháp này có một số bất lợi liên quan đến chi phí bổ sung liên quan đến năng lượng cao cần thiết để hoạt hóa carbon.

Công ty môi trường CCEP

Trang web: http://ccep.com.vn/

Facebook: https://www.facebook.com/nuocthaikhithai/

Hotline: 091.789.6633

Email: ccep.vn@gmail.com

Xưởng sản xuất thiết bị: Xuân Trạch – Xuân Canh – Đông Anh – Hà Nội

VPĐD: Nhà NV 6.1 Khu đô thị Viglacera Hữu Hưng – 272 Hữu Hưng – Nam Từ Liêm – Hà Nội