Xử lý nước thải cà phê

I.   ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghiệp chế biến cà phê chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế nước ta. Cùng với sự phát triển

của các ngành công nghiệp và dịch vụ khác, nhu cầu về các sản phẩm cà phê ngày càng tăng. Cà phê dần

trở thành mặt hàng nông sản chế biến xuất khẩu quan trọng của Việt Nam, kim ngạch xuất khẩu những

năm gần đây dao động từ 400 đến 600 triệu USD/năm, tạo ra từ 6% đến 10% thu nhập từ xuất khẩu quốc

gia. Việt Nam đã trở thành nước xuất khẩu cà phê đứng thứ hai trên thế giới sau Brazil. Chính vì vậy,

ngành công nghiệp này không thể thiếu được trong đời sống của người dân.

Có thể nói, cà phê tạo nguồn lợi hết sức to lớn về kinh tế: tạo ra các sản phẩm ngày càng đa dạng để phục

vụ trong nước, xuất khẩu khối lượng lớn nhân cà phê để thu nhiều ngoại tệ cho đất nước và tạo ra công ăn

việc làm cho người lao động.

Các tác nhân gây ô nhiễm là đường sinh từ nhớt hoặc phần ngoài của quả cà phê. Trong quá trình lên men,

đường bị phân huy thành rượu và khí các-bô-níc. Sau đó,rượu được biến thành axít axêtíc, và vì thế mà độ

pH của nước bị giảm. Độ pH của nước thải cà phê thường ở khoảng 3.8.

Phần nhớt là phần chất nhầy bọc quanh hạt cà phê. Thành phần chủ yếu của nó là prôtêin, đường và

pectin. Phần nhớt rất khó bị phân huy. Trong nước thải cà phê phần nhớt này thường kết tủa thành một lớp

đen trên bề mặt.

Nước thải cà phê nếu không có biện pháp xử lý hợp lý, quản lý chặt chẽ thì không chỉ ảnh hưởng tới mỹ

quan môi trường trong vùng mà hệ sinh thái, sức khỏe cộng đồng cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Một bài

học được rút ra từ Costa Rica vào những năm 80, hai phần ba tông lượng BOD của các con sông là do

nước thải cà phê thải ra, biến thành những con sông chết.

II. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÀ PHÊ VIỆT NAM.

1.  Các đặc điểm chung của cà phê Việt Nam

Việt Nam được chia thành hai vùng khí hậu phù hợp cho chế biến cà phê:

-    Vùng Tây Nguyên và tỉnh Đồng Nai: chủ yếu trồng cà phê vối;

-    Các tỉnh miền Bắc: chủ yếu trồng cà phê chè;

Trong đó, diện tích cà phê vối chiếm hơn 95% tông diện tích gieo trồng.

Ty trọng diện tích 6 vùng trồng cà phê: Đông Bắc và duyên hải Nam Trung Bộ 0%, Tây Bắc 1%, Bắc Trung

Bộ 2 %, Đông Nam Bộ 8%, Tây Nguyên 89%.

2.  Chế biến và xuất khẩu cà phê của Việt Nam

•    Chế biến

 

 

 

•    Xuất khẩu

Nhận xet: Năm 2007 là đỉnh cao của xuất khẩu cà phê, kim ngạch đạt 1,8 ty USD tăng 219% và gần 1 ty

USD so với kế hoạch. Nếu so với năm 2000 thì kim ngạch xuất khẩu đã tăng tới 3,6 lần. Đây là một bước

tăng rất đáng kể, hầu như không nông sản nào có thể đạt được. Cùng với sự phục hồi của đơn giá, xuất

khẩu cà phê Việt Nam đã đứng thứ nhì thế giới sau Brazil.

III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN CÀ PHÊ TRONG NƯỚC VÀ THẾ GIỚI

Có hai phương pháp chế biến cà phê sống:

-    Phương pháp khô (tự nhiên);

-    Phương pháp ướt (phương pháp rửa);

1.  Phương pháp khô: là phương pháp cô điển.

Trái cà phê được phơi khô dưới ánh nắng mặt trời, chúng sẽ được cào vài lần trong một ngày và được che

kín để tránh sương vào ban đêm;

Sau một vài tuần, trái sẽ khô và sẵn sàng để bóc vỏ. Một số người Ethiopia và hầu hết người Brazil dùng

phương pháp khô. Tại Việt Nam, phương pháp này cũng được sử dụng khá rộng rãi tại các hộ dân trồng cà

phê.

Đối với phương pháp khô, điều kiện chế biến đơn giản nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, thời gian

chế biến keo dài, sản phẩm tạo ra có chất lượng không cao.

2.    Phương pháp ướt:

Vỏ sẽ được lấy ra bằng máy để lại một chất dính như keo bao quanh hạt. Ở thời điểm này, sự tách rời bằng

máy móc có thể làm tôn thương hạt cà phê.

Sau đó hạt cà phê sẽ được bỏ vào những cái chum ủ men lớn để cho tan đi những vỏ cà phê còn dính lại

trên hạt.

Sau cùng, hạt cà phê sẽ được rửa cho hết sạch vỏ và được phơi khô dưới ánh nắng mặt trời hoặc là máy

sấy.

Với phương pháp ướt, việc sản xuất chủ động hơn nhưng tốn nhiều thiết bị, nước và năng lượng. Tuy

nhiên, sản xuất theo phương pháp này rút ngắn được thời gian chế biến và cho sản phẩm có chất lượng

cao hơn.

Dựa trên ưu và nhược điểm của cả hai phương pháp, thông thường người ta chế biến kết hợp cả hai

phương pháp. Dưới đây là sơ đồ công nghệ sản xuất cà phê nhân bằng phương pháp kết hợp:

IV.    QUY TRÌNH CHẾ BIẾN CÀ PHÊ

quy trình chế biến cà phê

 

a/     Quy trình chế biến nhân cà phê từ hạt khô

Cà phê khô sau khi thu mua được đưa đến công đoạn xay hạt, nhằm loại bỏ lớp vỏ bên ngoài hạt. Hạt tiếp

tục được chuyển qua để đánh bóng, tạo độ bóng cần thiết trước khi phân phối.

Sau giai đoạn đánh bóng, muốn có hiệu quả kinh tế cao cho sản phẩm chế biến, nhà máy phải có hệ thống

phân loại hạt. Hạt có chất lượng tốt được xuất khẩu, hạt có chất lượng không tốt phân phối ở trong nước.

b/    Quy trình chế biến nhân cà phê từ hạt tươi

Hạt cà phê tươi sau khi thu hoạch được công ty thu mua và vận chuyển về nhà máy. Tại đây, cà phê được

chuyển đến bãi tập trung để chuẩn bị cho giai đoạn chế biến.

Đầu tiên cà phê được đưa qua hệ thống sàn lọc nguyên liệu. Tại đây, quả được sàn để tách cành, lá, đất…

còn sót lại trong quá trình thu hoạch. Quá trình này được gọi là quá trình sàn lọc nguyên liệu, hay cò gọi

quá trình làm sạch khô. Sau khi sàn lọc nguyên liệu, hạt được chuyển đến giai đoạn rửa thô. Giai đoạn rửa

thô  được thực hiện với mục đích là sạch lớp vỏ bên ngoài của hạt, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình

xay.

Cà phê tiếp tục được đưa đến cối xay, đi vào công đoạn xay vỏ. Tại cối xay, quả được phân ra làm hai loại:

Quả chín được xay bỏ vỏ, quả xanh đưa thẳng đến công đoạn sấy. Mục đích của giai đoạn này là loại bỏ

lớp vỏ cứng bao bên ngoài quả, lấy hạt để tiếp tục cho công đoạn sau.

Tiếp đến, hạt theo hệ thống băng chuyền vào bồn chứa dung dịch enzim Pectinaza để loại bỏ thịt quả. Giai

đoạn này được gọi là giai đoạn đánh nhớt, hay còn gọi là giai đoạn ngâm enzim. Mục đích của quá trình

này là dùng enzim pectinaza phân huy Pectin có trong thịt quả, giúp nhân không có độ nhớt. Công đoạn

đánh nhớt diễn ra từ 5 – 6 giờ,  quyết đinh lớn đến chất lượng sản phẩm. Sau khi đánh nhớt, nhân được

rửa sạch, loại bỏ chất bẩn dính trên nhân. Giai đoạn này tốn khá nhiều nước trong toàn bộ quá trình chế

biến. Đây cũng là công đoạn gây ô nhiễm chính vì nước thải chứa một lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy.

Tại công đoạn làm ráo, cà phê được trải đều trên mặt sàn (cách đất 500mm), gió được cung cấp bởi các

cánh quay phía dưới. Giai đoạn này xảy ra với mục đích làm ráo nước bề mặt nhân cà phê, giảm thời gian

sấy khô bằng nhiệt. Sau giai đoạn làm ráo, cà phê được đưa đến các thùng quay nhiệt (các hạt cà phê xanh

được sấy tại một thùng quay riêng). Tại đây, cà phê được sấy khô hoàn toàn thành hạt nhân thành phẩm.

Trước khi phân phối, nhân cà phê được phân loại hạt để phân phối cho các nhà phân phối khác nhau.Riêng

hạt cà phê xanh tiếp tục được chế biến như quá trình khô.

V CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG CỦA NHÀ MÁY CHẾ BIẾN CÀ PHÊ

a/    Ô  nhiễm của nước thải

Trong quá trình hoạt động của công ty sẽ phát sinh ra một lượng nước thải tác động đến môi trường nước,

bao gồm các nguồn gốc chủ yếu sau:

-    Nước thải chế biến

Nguồn gốc nước thải chế biến cà phê nhân của công ty xuất phát từ các công đoạn sau:

+    Rửa thô: Đây là giai đoạn nước thải sinh ra có thành phần chủ yếu là chất rắn lơ lửng, các chất ô nhiễm

không cao. Nước thải trong giai đoạn này không đáng kể;

+    Xay vỏ: Trong giai đoạn này nước thải sinh ra ít nhưng có thành phần rất đậm đặc, có độ đục và lượng

cặn cao. Ngoài ra, giai đoạn này còn thải ra lượng vỏ lớn làm cho nước thải có lượng rác rất đáng kể;

+    Ngâm enzim: Đây là giai đoạn phát sinh nước thải đáng chú ý nhất của quy trình chế biến. Nước thải

phát sinh từ giai đoạn này có thành phần hữu cơ cao, ngoài ra còn có độ nhớt lớn;

+    Rửa sạch: Nước thải giai đoạn này có thành phần hữu cơ tương đối cao;

-    Nước thải vệ sinh: phát sinh từ công đoạn vệ sinh các thiết bị chế biến.

-    Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt thải khu vực văn phòng, từ các khu vệ sinh, v.v… có chứa các thành phần cặn bã

(TSS), các chất hữu cơ (BOD/COD), chất chất dinh dưỡng (N,P) và vi sinh gây bệnh.

b/   Ô  nhiễm do khí thải

-    Ô nhiễm do hoạt động của lò sấy, quá trình xay vỏ từ quá trình chế biến khô.

-    Ô  nhiễm từ tiếng ồn, rung động và nhiệt

c/   Chất thải rắn

-    Rác thải sinh hoạt.

Rác thải từ sinh hoạt của cán bộ, công nhân viên và công nhân vận hành thải ra mỗi ngày rác thải có hàm

lượng hữu cơ cao, dễ phân hủy như thức ăn thừa, các loại rác thải từ việc sinh hoạt khác như: bao nilông,

thùng carton.

Mỗi ngày lượng rác thải do CB CNV thải ra vào khoảng, khoảng 40 kg. Lượng rác này sẽ được thu gom

trong các thùng ra, sau đó giao cho đơn vị dịch vụ công cộng địa phương xử lý hoặc đốt bỏ.

-    Chất thải rắn từ hoạt động chế biến.

Chất thải rắn từ hoạt động chế biến chủ yếu là vỏ cà phê, bao bì chứa nguyên liệu, cành, que còn sót khi

thu hoạch.

VI  THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN CÀ PHÊ

Nước thải ở công đoạn rửa thô và xay cà phê: có nồng độ chất ô nhiễm rất cao, cụ thể COD = 32.894 mg/l,

BOD = 19.463 mg/l, SS = 1.720, pH ở mức thấp. COD vượt gấp 411 lần cho phep so với tiêu chuẩn cho

phep (TCVN 5945:2005, loại B), BOD vượt gấp 389 lần cho phep so với tiêu chuẩn cho phep, SS vượt gấp

17 lần cho phep so với tiêu chuẩn. Nồng độ ô nhiễm của nước thải cao là do nước thải chứa nhiều chất bẩn

bám dính hạt cà phê (cát, đất, bụi, …), các hạt cà phê xanh còn sót lại, xác vỏ cà phê, hạt cà phê bị nát

trong quá trình xay.

Nước thải ở công đoạn đánh nhớt, rửa sạch: có nồng độ chất ô nhiễm cung khá cao, cụ thể COD = 10.447

mg/l, BOD = 7.825 mg/l, SS = 2.753, pH ở mức thấp. COD vượt gấp 130 lần cho phep so với tiêu chuẩn

cho phep (TCVN 5945:2005, loại B), BOD vượt gấp 157 lần cho phep so với tiêu chuẩn cho phep, SS vượt

gấp 28 lần cho phep so với tiêu chuẩn. Nồng độ ô nhiễm của nước thải cao là do nước thải chứa nhiều thịt

quả cà phê bị tan rã từ quá trình ngâm enzym.

Như vậy có thể nói:

Nước thải chế biến của nhà máy có nồng độ ô nhiễm lớn rất nhiều so với nhà máy tương tự tại Brazil. Giải

thích cho điều này có những lý do sau:

-    Công nghệ chế biến không tốt:

Máy xay vỏ không tốt, không loại bỏ hết hạt xanh trong quá trình xay, hay làm nát hạt quá nhiều.

-    Nhà máy không có hệ thống tách vỏ quả trước khi vào hệ thống. Tất cả các loại chất thải phát sinh từ

quá trình chế biến cà phê được đưa thẳng ra hệ thống xử lý.

VI   ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN CÀ PHÊ

Nước thải này có hàm lượng BOD, COD, SS cao và pH thấp. Đối với SS cao, chủ yếu là do công đoạn tách

vỏ quả và hạt xanh không tốt, vì thế cần thiết phải có thiết bị tách rác dạng băng tải tự động trước khi nước

thải chảy vào hệ thống xử lý.

Nước thải sau khi điều hòa có ty lệ BOD/COD = 12480/19426 = 0.64 > 0.6: thích hợp cho quá trình xử lý

bằng phương pháp sinh học. Tuy nhiên, độ màu cũng là một yếu tố quan trọng để chọn lựa phương án xử

lý.

Quá trình xử lý sinh học được đề xuất để giải quyết COD, BOD rất cao trong nước thải. Cần phải kết hợp

cả phương pháp xử lý sinh học kị khí và sinh học hiếu khí. Căn cứ vào thành phần tính chất của nước thải

để quyết định phương án xử lý cũng như công trình xử lý.

 

VII.    THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ĐÃ LỰA CHỌN

Nước thải sinh ra từ các khâu chế biến của nhà máy được tách rác bằng thiết bị tách rác băng tải. Sau khi

loại bỏ rác, nước thải chảy đến bể gom kết hợp quá trình lắng sơ bộ. Tại đây, nước thải được lưu lại với

thời gian 1 (một) giờ nhằm loại bỏ sơ bộ lượng cặn trong nước.

Nước thải được bơm đến bể điều hoà. Bể điều hòa có chức năng điều hòa lưu lượng, thành phần tính chất

nước thải và nhiệt độ nước thải, tránh tình trạng quá tải vào các giờ cao điểm. Do đó giúp cho hệ thống xử

lý làm việc ôn định đồng thời giảm kích thước các công trình đơn vị phía sau. Trong bể điều hòa có bố trí hệ

thống phân phối khí nhằm mục đích xáo trộn và giảm một phần các chất hữu cơ có trong nước thải.

Nước thải tiếp tục được bơm đến bể sinh học kỵ khí vật liệu đệm (UAF) 2 (hai) cấp nhờ vào hai bơm chìm

đặt tại bể điều hoà. Bể sinh học kỵ khí có vật liệu đệm cố định, các vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi

sinh kị khí sống bám trên bề mặt. Giá thể là vật liệu sợi xơ dừa, có độ bền cao trong nước thải. Tỉ lệ riêng

diện tích bề mặt/thể tích của vật liệu thông thường dao động trong khoảng 100-220m2/m3. Trong bể sinh

học tiếp xúc áp dụng quá trình sinh trưởng sinh học bám dính (Attached Growth). Bể sinh học kỵ khí vật liệu

tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Nước thải được phân bố đều hướng từ dưới lên. Quần thể vi

sinh sống bám trên giá thể tạo nên màng nhầy sinh học có khả năng hấp phụ và phân hủy chất hữu cơ

trong nước thải. Quần thể vi sinh này có thể bao gồm vi khuẩn hiếu khí, kị khí và tùy tiện, nấm, tảo và các

động vật nguyên sinh. Ngoài ra còn có giun, ấu trùng côn trùng, ốc,…Vi khuẩn tùy tiện chiếm đa số. Phần

bên ngoài lớp màng nhầy (khoảng 0.1-0.2mm), là loại vi sinh hiếu khí. Khi vi sinh phát triển, chiều dày càng

ngày càng dày hơn, vi sinh ở lớp ngoài tiêu thụ hết lượng oxy khuếch tán trước khi oxy thấm vào bên trong.

Vì vậy, gần sát bề mặt giá thể, môi trường kị khí hình thành. Nước thải sau khi qua bể sinh học kỵ khí vật

liệu đệm được dẫn sang bể sinh học hiếu khí bùn hoạt tính.

Trong bể hiếu khí bùn hoạt tính, các chất hữu cơ hòa tan và không hòa tan chuyển hóa thành bông bùn

sinh học – quần thể vi sinh vật hiếu khí – có khả năng lắng dưới tác dụng của trọng lực. Nước thải chảy liên

tục vào bể sinh học song song là khí được đưa vào cùng xáo trộn với bùn hoạt tính (oxy hòa tan

DO>2mg/l), cung cấp oxy cho vi sinh phân hủy chất hữu cơ. Dưới điều kiện này, vi sinh sinh trưởng tăng

sinh khối và kết thành bông bùn.

VSV + C5H7NO2 (chất hữu cơ) + 5O2 –> 5CO2 + 2H2O + NH3 + VSV mới  (1)

Bể này đòi hỏi chọn hình dạng bể, trang thiết bị sục khí thích hợp. Bể này có dạng chữ nhật, hàm lượng

bùn hoạt tính và nhu cầu oxy đồng nhất trong toàn bộ thể tích bể. Bể này có ưu điểm chịu được quá tải rất

tốt. METCALF and EDDY (1991) đưa ra tải trọng thiết kế khoảng 0.8-2.0 kgBOD5/m3.ngày với hàm lượng

bùn 2.500 – 4.000 mg/L, tỉ số F/M 0.2-0.6. Hỗn hợp bùn hoạt tính và nước thải gọi là dung dịch xáo trộn

(mixed liquor). Hỗn hợp này chảy đến bể lắng bùn sinh học.

Bể lắng bùn sinh học có nhiệm vụ lắng và tách bùn ra khỏi nước thải. Bùn sau khi lắng có hàm lượng SS =

8.000 – 10.000mg/L, một phần sẽ tuần hoàn trở lại bể sinh học (25-75% lưu lượng) để giữ ôn định mật độ

cao vi khuẩn tạo điều kiện phân hủy nhanh chất hữu cơ, đồng thời ôn định  nồng độ MLSS  = 3500 mg/l.

Các thiết bị trong bể lắng gồm ống trung tâm phân phối nước, hệ thống thanh gạt bùn – motour giảm tốc và

máng răng cưa thu nước. Độ ẩm bùn dao động trong khoảng 98.5 – 99.5%. Lưu lượng bùn dư Qw thải ra

mỗi ngày được bơm về sân phơi bùn.

Do tính chất của nước thải là có hàm lượng chất lơ lửng cao, sau quá trình xử lý sinh học sẽ không đạt tiêu

chuẩn nên sẽ được tiến hành keo tụ. Tại bể keo tụ, hóa chất keo tụ được bô sung vào liên tục để quá trình

keo tụ xảy ra hoàn toàn. Sau quá trình keo tụ, các bông cặn sẽ hình thành.kết bông lại và lắng khá nhanh

nhờ sự hỗ trợ của chất trợ keo tụ là polymer. Nước thải sau đó được dẫn sang bể lắng bùn hoá lý để tiến

hành tách pha. Phần bùn dễ lắng sẽ được lắng xuống đáy bể và được thu gom liên tục nhờ hệ thống gạt

gom bùn được lắp đặt trong bể. Phần nước trong sau lắng sẽ tràn qua máng thu nước răng cưa và tiếp tục

chảy vào bể khử trùng để diệt vi khuẩn trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.

Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại A – TCVN 5945 : 2005.