咖啡湿法加工中生物酶制剂脱胶污水指标测定①

陈云兰 莫丽珍 陈小龙 陈治华 蒋快乐

(1云南农业大学热带作物学院 云南普洱 665000；2普洱市产业发展办公室 云南普洱 665000)

咖啡初加工是形成商品豆的重要环节，目前生产上主要有湿法加工、干法加工及半干法加工3种方式。全世界大约有40%、云南有80%以上的咖啡采用湿法加工处理[1]。湿法加工耗水量大，产生的废水富含有机质和氮磷营养物质，毒性高，会导致水中氧含量的下降，可以杀死水生生物。此外，总废水中的悬浮固体含量很高，特别是消化的果胶从溶液中析出时，在地表形成地壳，堵塞水道，进一步造成厌氧环境[2-3]。

Haddis等[4]研究证明，含高浓度有机物的咖啡加工用水流至地表水体里，若被当做家庭用水，会导致头晕、呼吸困难、皮肤不适等问题。由于处理咖啡污水的成本高、技术不成熟、政府及社会的激励措施不健全等原因，导致咖啡加工用水处理比较困难，很多咖啡产区都是直接将未经处理的污水排放到周边的河流及地表，严重破坏水生态系统，威胁健康，这是一个全球性的问题。在埃塞尔比亚，长期向河里排放未经处理的咖啡废水，由于有机物过多，导致严重破坏河流的生态系统[5]。传统处理咖啡加工污水的方法是建池子加滑石粉沉淀处理后即排除[6]，一方面达不到污水排放的要求，另一方面产季用水量大，池子无法满足生产需要。国内对咖啡污水处理的研究比较少，国外目前有少量的研究。William等[7]的研究表明，在肯尼亚使用辣木油可降低咖啡废水中的悬浮物；Rossmann等[8]和Selvamurugan等[9]用充曝气的方式处理咖啡加工废水，最低平均化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)和总悬浮固体(TSS)去除率分别为87%、84%和73%。通过化学絮凝法降低咖啡废水中的高级氧化过程[10]。污水处理涉及物理、化学和生物等多个过程，其本质是通过微生物生化反应、氧化降解污水中的有机碳和氮污染物，使经过处理的污水出水水质指标满足污水排放指标标准[11]。

本研究采用Pectinex Ultra SP-L酶作为生物酶脱胶剂，探索使用脱胶剂后咖啡果胶发酵液的化学需氧量(COD)、总氮 、总磷、总悬浮固体(TSS)、pH等指标，获得基础数据，为云南阿拉比卡咖啡湿法加工妥善解决发酵液废水不达标问题提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料

试验用咖啡鲜果采摘于西双版纳傣族自治州景洪市勐旺乡南门口村，海拔1100～1200m，品种为卡蒂姆；试验所用生物酶为诺维信中国投资有限公司生产的Pectinex Ultra SP-L咖啡果胶酶(3300 PGNU/g)。

1.1.2 仪器

6KTP-480型咖啡脱皮机；UV-1800PCDS2型分光光度计；雷磁PHS-3C酸度测定仪；上海荣欣DHG-9145A型干燥箱；梅特勒-托利多ME204E型电子分析天平。

1.2 方法

1.2.1 试验方法

(1)鲜果脱胶污水取样方法

取20 kg全成熟的咖啡鲜果，用6KTP-480型咖啡脱皮机进行脱皮，将带果胶的咖啡平均分成两份，平均每份6 kg。一份进行传统自然发酵脱胶，发酵方式为：将带果胶咖啡豆放入无盖的发酵桶中，加入5 L水，使咖啡豆全部浸泡在水里，放置室外进行脱胶；一份进行生物酶制剂脱胶，发酵方式为：将带果胶咖啡豆放入无盖的发酵桶中，加入5 L水，使咖啡豆全部浸泡在水里，再加入浓度为0.01%的Pectinex Ultra SP-L果胶酶与传统自然发酵放置室外进行脱胶。试验当天最低气温度17℃，最高气温为30℃，日平均气温为23℃。前期试验研究得出，在这个温度条件下，传统自然发酵脱胶果胶全部降解需要46 h，添加0.01%的生物酶脱胶需要12 h。2种脱胶方式每隔12 h取样1次。生物酶脱胶12 h完成脱后将咖啡豆取出清洗，发酵液继续放置发酵桶里与传统自然发酵脱胶样品同时取样测定相关指标。

(2)污水中色度的测定

参照国标GB 11903-1989水质色度的测定，稀释倍数法。

(3)污水pH值测定

用雷磁PHS-3C酸度测定仪器测定。

(4)污水中悬浮物(SS)测定[12]

参照国标GB18918-2002城镇污水排放标准中的悬浮物测定法 “重量法”测定。悬浮物系指污水中的固体物质。测定的方法是将污水水样通过滤纸过滤后，并于103～105℃烘至恒重，将所称重量减去滤纸重量，即为悬浮固体。

按式(1)计算污水悬浮物。

式中：A，滤纸重(g)；B，悬浮固体＋滤纸重(g)；V，水样体积(mL)。

(5)污水中化学需氧量(COD)测定[13]

采用重铬酸钾法测定。

(6)污水总氮的测量

参照国标HJ 636-2012水质总氮的测定——碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。

1.2.2 数据处理

采集数据用Excel 2010处理，采用DPS 6.55进行分析。

2 结果与分析

2.1 2种脱胶方式脱胶速度与清洗用水量比较

在整个发酵过程中每隔1 h观察一次物理变化，并以用手搓来判断脱胶程度，以咖啡豆不粘手、不会从手中滑落为标准，确定为完成发酵。使用0.01%的生物脱胶剂完成脱胶时间及清洗用水量见表1。

表1 生物酶脱胶速度与清洗用水量比较

由表1可见，传统自然发酵果胶全部降解需要46 h，添加生物酶制剂酶解以后，果胶降解速度比未添加生物酶制剂的自然发酵降解速度快3.5倍。采用生物酶制剂脱胶清洗咖啡豆的用水量比传统自然发酵用水量减少33%。

2.2 色度检测

通过检测，由表2可知，在咖啡脱胶过程中，随着发酵程度的加深，发酵液的颜色由浅黄色逐渐变成深褐色，传统自然发酵至46 h完成发酵，颜色比较深，为深褐色，色度值为150，生物酶脱胶发酵至12 h，发酵液颜色呈深黄色，色度值为79。

表2 2种脱胶方式发酵液色度值测定

2.3 pH检测结果

生物酶制剂脱胶与传统自然发酵脱胶咖啡发酵液的pH值比较见表3。

由表1可见，无论是传统自然发酵脱胶还是生物酶制剂脱胶，随着发酵时间的延长，pH值会持续下降。采用生物酶制剂脱胶剂后，12 h完成脱胶时pH为6.1，酸度处于中性范围，此时，及时处理排放废液可减少对周边环境及土壤的污染。传统自然发酵脱胶46 h完成脱胶时pH为4.9，偏酸性。

表3 2种脱胶方式发酵液pH的变化情况

2.4 废水悬浮物浓度测定

依据 “污水中悬浮物(SS)测定”方法，分别测定生物脱胶剂脱胶、传统自然发酵脱胶的悬浮物浓度，结果如表4所示。

表4 2种脱胶方式发酵液中悬浮物(mg·L-1)测定

由表4所知，随着发酵时间的延长，悬浮物含量越来越高，传统自然发酵结束时发酵液的悬浮物值为515 mg/L，生物酶制剂脱胶发酵结束时发酵液悬浮物值为366 mg/L，前者是后者的1.4倍。

2.5 废液中化学需氧量检测

经检测，2种脱胶方式废液的化学需氧量(CODcr)值都随着发酵时间的延长而增大，传统自然发酵脱胶的增速比生物脱胶的要快，46 h时的化学需氧量为2 113.22 mg/L，浓度很高，生物脱胶结束时化学需氧量值为812.73 mg/L，生物脱废液中的化学需氧值比传统自然发酵降低了61.5%。见表5。

2.6 废液总氮测定

采用1.2.1(6)的方法测定咖啡加工废水的总氮含量，测传统自然发酵脱胶与生物脱胶的总氮含量分别为 1.48%、0.91%，生物脱胶废液中的总氮值比传统自然发酵降低了38.5%，见表6。

表5 2种脱胶方式发酵废液化学需氧量(mg·L-1)测定

表6 2种脱胶方式发酵废液总氮(%)测定

3 结论

咖啡加工污水主要来自脱皮和脱胶环节。本研究中，传统自然发酵液中pH值随着发酵时间的延长而减小，逐渐呈酸性，悬浮物、色度值、化学需氧量、总氮随着发酵时间的延长而增加，直接排放对环境造成污染比较大。这与匡钰等[14]研究结果[咖啡初加工排放的废水呈酸性，pH值普遍在4.0～4.5范围内，废水样品中的化学需氧量、氨氮、总磷指标都较高，达不到 《综合污水排放标准》(二级标准；GB8978/1996)排放要求] 相吻合。本研究通过采用Pectinex Ultra SP-L果胶酶进行脱胶后，脱胶时间缩短，用来清洗咖啡豆的用水量减少，从这个角度来讲，可以减少脱胶废水排放量，减少污染。同时，采用生物酶脱胶后，提前完成脱胶，脱胶废液的pH处于中性范围，废液中的悬浮物、色度值、化学需氧量、总氮含量都还比较低，及时采用简单的中转池沉淀处理后排放，能大幅度减少对环境的污染，也可降低废液处理的成本，生物酶脱胶适合在生产中推广应用。

本研究不足之处是未对生物酶制剂在不同温度梯度条件下的活性做系统测试分析，因为生物酶制剂是一种具有生物催化能力的蛋白质，在适宜的条件下具有活性。其活性会受到温度的影响，温度过低会降低生物菌的活性，温度较高，则会杀死生物菌，使生物菌彻底失去发挥作用的机会[15]，所以本研究所得试验结论有一定的局限性。为了使生物酶制剂更好的在咖啡加工污水处理中推广应用，下一步将从生物酶制剂优化筛选、不同温度梯度及pH条件下生物酶的活性、咖啡加工污水使用生物酶制剂处理后的无害化处理工艺等方面进行深入研究。