咖啡初加工废水处理工艺及设计

咖啡初加工废水处理工艺及设计

 

咖啡加工过程中产生的废水具有高浓度有机物、酸性强、色度深等特点，属于较难处理的食品工业废水之一。这类废水主要来源于咖啡豆清洗、浸泡、发酵、脱胶等工序，含有大量果胶、蛋白质、糖类及咖啡因等有机物质。

其COD浓度通常在5000-15000mg/L之间，BOD/COD比值较高（约0.35~0.43），可生化性良好，但直接排放会对水体造成严重污染。

一、初加工废水水质特征 

（1）咖啡清洗废水，约占比2/5，颜色灰黑色，水中含有大量灰尘、腐叶等，SS较大，有机污染物来源于腐烂、破损的咖啡豆，COD等污染物含量与循环使用次数有关，通常小于1 000mg/L；

（2）咖啡湿式脱壳、浸泡发酵废水，约占比2/5，由于大量果汁、果肉、果胶存在，加之成熟咖啡鲜果中果胶多为可溶性果胶等高分子化合物，废水成分复杂，悬浮物、果胶、COD、BOD5、氨氮较高，其可生化性差，难以生化处理，为重点处理对象；

（3）脱胶废水（废液），颜色变化同脱壳废水，来源于咖啡脱壳后咖啡果胶混合物的分离，废水量约占比1/5，主要为果胶水混合物。

三者综合混合废水依然具有较大的污染指标，属于典型的有机污染废水，污染物为咖啡果上脱落的果皮、果肉及汁水等组成，成分主要为植物纤维、植物蛋白、果糖、植物油脂、维生素及果胶等有机物和沙土等，主要污染指标为色度、pH、SS、COD、BOD5、总氮、氨氮、总磷、总大肠菌群等。

二、工艺选择及分析

前述分析可知，咖啡废水属于酸性高浓度有机污染废水，其BOD5/COD为0.35~0.43，属于可生化范畴，适宜采用以生化工艺为主体净化，而COD浓度大于10000mg/L，选择厌氧消化和好氧降解相结合较为适宜。但由于废水酸化pH下降较快，此酸度（pH=3~5）范围将严重抑制产甲烷菌繁殖；其次，废水中含有大量果壳、果肉碎屑、果胶胶体以及不溶性果胶等物质，很难脱水，微生物分解的效果也不理想。因此，有必要先经过物化预处理实现SS、pH、果胶的去除。

（1）预处理。咖啡果壳含量较大，使用格栅除渣负荷较大，应考虑实现果壳分离及挤压脱水，宜采用斜筛、螺旋输送压缩脱水或干湿分离设备；SS易沉淀，果胶混合物易漂浮，应采用初次沉淀浮渣刮渣一体化构筑物；酸度低影响厌氧消化产气，应预先提供碱度，采取石灰、碱液、消化出水回流中和等方式调节pH。另一方面，脱胶水浆较浓，呈粘稠状，脱胶液混合其他废水将导致污染负荷增大，可在中和池和调温池之间加入钙盐或聚氯化铝（PAC），盐析出果胶混合物，而后用聚丙烯酰胺（PAM）调理，经叠螺式脱水机压滤去除果胶渣，最后再与其他类废水混合可有效降低后续处理负荷。

（2）厌氧消化。经对比而言，厌氧生物法是比较经济和有效的，推荐作为主要工艺。但厌氧生化反应器的类型多样，选用何种类型的厌氧生化反应器对废水处理十分关键，可以根据建设单位经济、用地条件，选择目前运行较好的UASB、IC、ABR等厌氧反应器，其中ABR反应器在高负荷情况下，具有高效截留活性微生物、运行费用低、剩余污泥少等优点，适用于处理高浓度有机废水。

（3）好氧处理。当咖啡废水经过预处理及厌氧成功消化处理后，其工艺的选择是比较宽泛的，无特殊要求，但应注意，厌氧出水COD浓度对于好氧环节依然较高，应采用多级处理方式。同时由于该废水碳氮比约25~20∶1，一般无需特别考虑脱氮除磷，利用微生物增殖及同步硝化反硝化即可实现氮素达标。

（4）三级处理。废水经过预处理、厌氧好氧结合处理后，基本可以实现达标（GB 8978-1996）排放。三级处理工艺的选择主要取决于废水的回用用途，若回用于咖啡初加工，应进一步降低残留SS、细菌含量，可以选择高效混凝沉淀、纤维滤布过滤、过滤砂缸等方法。消毒灭菌达标排放可选较为简单次氯酸钠消毒，回用则根据用水工段的卫生及洁净标准选择二氧化氯、臭氧和紫外消毒等方式。

三、废水处理流程

云南某咖啡加工企业采用湿法加工，废水产量为100m?/d，设计进水水质为表1混合废水水质指标。根据建设方及受纳受体水功能要求，经处理后外排废水应执行国家标准《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）中第二时段的一级标准，结合废水的水质特征及上述工艺选择分析，该厂工程案例采用斜筛筛分去壳-混凝沉淀-中和-调温-厌氧消化产气-二段生物接触氧化-高效混凝沉淀-次氯酸钠消毒组合工艺，工艺流程见图2。

 

该工艺特点如下：

①采用斜筛与气浮相结合，筛分去除大量果壳，混凝设置排泥泵及浮渣刮渣设备去除悬浮颗粒及上浮果胶，控制ABR进水SS≤500mg/L，以免对污泥颗粒化造成不利影响或减少反应区的有效容积。同时辅助于调节池预曝气，均化水质并防止进一步酸化。

②石灰乳-碳酸氢钠-ABR回流水三合一中和原水调节pH（6.5～7.5）并提供碱度，防止腐蚀换热设备，保障厌氧消化快速进入产甲烷阶段。

③废水厌氧消化协同生物质燃料调温有效降低废水处理成本，经中温（30~35℃）ABR厌氧消化转化有机污染物为甲烷和CO2，可稳定控制实现80%~90%的COD去除率，保障进入好氧工段的COD小于2 000mg/L。

④设中间沉淀池为二段生物接触氧化池，一段处于高负荷运行，二段设计低负荷运行，可有效缓冲污水有机污染物高负荷进水冲击，保障出水指标的稳定。

四、成本及技术优势

咖啡原水处理运行费用约4.68元/m?，包括电费1.22元/m?（总装机容量22 kW），石灰、絮凝剂等药剂费1.14元/m?，调温生物质燃料费2.0元/m?，人工0.3元/m?。

经过上述处理工艺流程后，该咖啡机制造废水处理工程取得了显著的效果：

1、出水水质达标：处理后的废水水质稳定达到国家和地方规定的排放标准，各项污染物指标均符合相关要求。

2、环境效益显著：有效减少了废水对环境的污染，保护了周边水体和生态系统的安全。同时，该工程的实施也提升了企业的环保形象和社会责任感。

3、经济效益提升：通过废水回用和减少排污费用，降低了企业的生产成本。此外，该工程还为企业带来了潜在的经济效益，如通过出售副产品（如沉淀物、沼气等）增加收入。