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コーヒー廃水はコーヒー廃液とも呼ばれ、コーヒー加工の副産物です。廃水は工業用水質汚染の一種であるため、その処理と処分はコーヒー加工にとって重要な環境配慮事項です。[1]
コーヒーチェリーとして知られる、コーヒーノキの収穫されていない果実は、消費できる状態になるまでに長い工程を経ます。この工程では、大量の水が使用され、かなりの量の固形廃棄物と液体廃棄物が発生します。廃棄物の種類は、コーヒーチェリーが経る工程の種類によって決まります。チェリーからオロ[注 1]またはグリーンビーン（輸出可能な乾燥したコーヒー豆）への変換は、乾燥、半洗浄、または完全洗浄のいずれかの工程で行われます。
処理
ドライ
コーヒーチェリーは、収穫後すぐに天日乾燥、ソーラー乾燥、人工乾燥で乾燥されます。天日乾燥では、コーヒーチェリーを清潔な床に置いて、屋外で乾燥させます。ソーラー乾燥では、チェリーは湿気を逃がすための通気孔のある密閉されたキャビネットに入れられます。人工乾燥は主に雨季に使用されます。雨季は日光が少ないため、天日乾燥に時間がかかり、チェリーにカビが生えやすくなります。乾燥後、チェリーの殻が取り除かれます。このプロセスでは、チェリーの乾燥した外層、つまり果皮が機械的に除去されます。
セミウォッシュ
セミウォッシュド処理では、チェリーの果肉を取り除いて果皮を取り除きます。その後、豆を覆う粘液層を取り除きます。これは、豆を円筒形の装置に送り込み、上方に運ぶことで機械的に行われます。この処理によって豆に加わる摩擦と圧力は、粘液の大部分を除去するのに十分ですが、豆の中央部分には粘液が少量残ります。この技術は、長い発酵プロセスと徹底的な洗浄による水の消費量を減らすために、コロンビアとメキシコで使用されています。
ベコルサブ
コーヒー果実の湿式処理によって生じる汚染を減らすため、セニカカフェの科学者たちは、必要のないときには水の使用を避け、必要なときには適切な水を使用する技術を開発した。Becolsub （副産物処理を伴う環境に優しい湿式コーヒー処理のスペイン語の頭文字：B eneficio Ecol ogicos Sub -productos [2]）と呼ばれるこの技術は、先行技術によって生じる汚染の90％以上を制御できる。この方法で処理されたコーヒーの品質は、自然発酵で処理されたコーヒーと同じである。
Becolsub の技術は、水を使わないパルプ化、機械による脱粘液化、およびスクリュー コンベアでの副産物 (果物の外皮と粘液) の混合で構成されています。この技術には、浮遊果物や軽い不純物、重くて硬い物体を除去するための油圧機械装置、およびパルプ化機で皮が分離されなかった果物を除去する円筒形のスクリーンも含まれています。Cenicafé の科学者は、粘液を含むコーヒー果実 (未熟果実と乾燥果実には粘液がありません) には、従来のパルプ化機で水を使わずに皮と種子を分離するのに十分な水分が含まれていること、液体は搬送手段としてのみ必要であること、水を使わないパルプ化によって潜在的な汚染の 72% を回避できることを発見しました。
粘液の除去は発酵プロセスによって行われ、粘液が分解されて水で簡単に除去できるようになるまで 14 ～ 18 時間かかります。発酵した粘液を洗浄するには、最良の場合でも 5.0 L/kg の DPC が必要です。Cenicafé の科学者は、コーヒーの種子を覆っている粘液を除去する機械を開発しました。Deslim (スペイン語の demucilager、機械式洗浄機とクリーナーの頭文字) と呼ばれるこの機械は、豆に圧力をかけ、衝突を発生させることで、わずか 0.7 L/kg の DPC を使用して、全粘液の 98% 以上 (適切に行われた発酵と同じ) を除去します。結果として得られる水、粘液、不純物の高濃度混合物は粘性があり、スクリュー コンベアで分離された果皮に追加されます。スクリュー コンベアでは保持率が 60% を超え、潜在的な汚染をさらに 20% 制御できることを意味します。
これら 2 つの副産物は、天然肥料を生産するためのミミズの基質として広く使用されています。しかし、脱粘液剤から得られる粘液は高濃度であるため、副産物を工業化する機会が生まれます。
完全に洗浄済み
このプロセスは主にアラビカコーヒー豆の加工に使用されます。[3]果肉を取り除いた後、豆は発酵タンクに集められ、12〜36時間かけて細菌による粘液の除去が行われます。[4]発酵段階はコーヒーの風味の発達に重要であり、部分的には発生する微生物学的プロセスによるものです。酸性水中の酵母やカビの発生は、酸っぱいコーヒーやタマネギのような風味などの異臭につながる可能性があります。しかし、少量の異臭がコーヒーに独特の味と「ボディ」を与えるため、ウェットプロセスは他のプロセスよりも高品質のコーヒーを生み出すと考えられています。[5]
発酵が完了すると、豆は徹底的に洗浄され、発酵残留物と残った粘液が除去されます。これらが除去されないと、パーチメントの色が変わり、豆が酵母の影響を受けやすくなります。洗浄後、豆は乾燥されます。乾燥プロセスが十分に速くないと、リオの風味のような土っぽくカビ臭い汚れが出てきます。[6]
水の使用量
加工に使用される水の量は、加工の種類によって大きく異なります。コーヒーチェリーのウェットフルウォッシュ加工には最も多くの淡水が必要で、ドライ加工には最も少なくて済みます。情報源によると、水の使用量には幅広い範囲があります。 [要出典]果肉除去工程で水をリサイクルすると、必要な量を大幅に減らすことができます。再利用と洗浄技術の向上により、新鮮なコーヒーチェリー1トンあたり最大1～6 m 3の水が達成可能であり、再利用しない場合は1トンあたり最大20 m 3の消費が可能です。
一般的な
コーヒーの加工に使用された水は、高レベルの汚染物質をコーヒー加工ユニットから排出します。主な成分は、果肉除去と粘液除去から生じる有機物です。 [15]廃水中の有機物の大部分は耐性が非常に高く、 COD値（強力な酸化剤を使用して有機物を安定化するために必要な酸素の量）は、汚染負荷の80％を占め、50 g/Lにも達します。[16] [17]標準化された温度と培養時間で好気性条件下で有機物を生物学的に分解するために必要な酸素の量であるBOD [18] は、生分解性有機物 から20 g/Lの値に達することがあります。
パルプを（粗く）ふるいにかけて除去すると、CODとBODの値は大幅に低下します。CODは3～5 g/L、BOD 5は1.5～3 g/Lの範囲の値が得られました[注2] 。 [11]記録された値は、CODが2.5 g/L、BOD 5が1.5 g/Lです。[19] [20]
有機物の大部分であるペクチンは粘液状の固形物として沈殿し、水から除去することができます。[16]これらの固形物が除去されないと、pH値が上昇し、CODの増加が観察されます。
廃水の嫌気性処理を最適化するには、pH 値を、一般的に使用されている酸性度の高い pH=4 ではなく、6.5 ～ 7.5 にする必要があります。これは、廃水に水酸化カルシウム(CaOH 2 ) を加えることで実現します。これにより、ペクチンの溶解度が回復し、COD が平均 3.7 g/L から平均 12.7 g/L に上昇しました。
さらに、この水は、チェリーの皮に由来するフラボノイド化合物の存在によって特徴付けられる。フラボノイド化合物は、pH=7以上で水を暗くするが、廃水のBODまたはCODレベルを増加させず、環境に大きな影響を与えない。しかし、透明度が低いと、光合成プロセスや、（特に）根のある水生植物の成長と栄養素の変換に悪影響を与える可能性がある。オリーブおよびワイン加工業界では、比較的大きな研究資金を用いて、この問題の解決策を見つけるための多くの取り組みが行われてきた。カルバートは、圧縮空気を使用した通気を伴う液中溶液中の木材分解菌類（担子菌類）によるポリフェノールおよびフラボノイド化合物の除去に関する研究について言及している。 [21]これらの複雑なプロセスは色素化合物を除去できるようですが、他の種類の菌類（ジオトリクム、ペニシリウム、アスペルギルスなど）を使用する単純化された安価な技術は、高度に希釈された廃水でのみ繁殖しました。
コーヒー廃水は、均一な汚染物質を含む一定の水の流れではありません。コーヒーチェリーの加工はバッチ処理であり、水の流れに関しては、果肉除去と発酵/洗浄の 2 つのプロセスが決定されます。
パルプ除去
チェリーの果肉を取り除くのに使われる水は、パルピング水と呼ばれます。この水は、この工程で使用される水の半分強を占めます。フォン・エンデンとカルバートによると、「パルピング水は、果肉と粘液の両方の成分から急速に発酵する糖で構成されています。果肉と粘液は、主にタンパク質、糖、特にペクチン、つまり多糖類炭水化物の粘液で構成されています。[15]これらの糖は、チェリーのバクテリアの酵素を使用して発酵します。パルピング水に含まれる他の成分は、酸と、ポリフェノール（タンニン）やアルカロイド（カフェイン）などの有毒化学物質です。」
パルプ製造用水は、1 日分の収穫物のパルプ除去中に再利用できます。これにより、有機物が増加し、pH が低下します。ニカラグアでの調査では、ほとんどのパルプが除去された状態で COD 平均値が 5,400 mg/L から 8,400 mg/L まで上昇しました。[14] pH の低下は、パルプ製造用水の発酵開始によるものと考えられます。この低下は、発酵が終了し、pH レベルが約 4 に達するまで続きます。最大の汚染を反映すると考えられる最大 COD 負荷時のパルプ製造用水の栄養分含有量が、この調査中に測定されました。サンプル中の全窒素 (TN) 濃度は 50 ～ 110 mg/L で、全サンプルの平均は 90 mg/L でした。サンプル中の全リン (TP) 濃度は 8.9 ～ 15.2 mg/L で、全サンプルの平均は 12.4 mg/L でした。
洗浄
発酵した豆を洗浄すると、主に粘液由来のペクチン、タンパク質、糖分を含む廃水が発生します。糖分（二糖類炭水化物）がエタノールと二酸化炭素に発酵すると、洗浄水中の酸性状態になります。エタノールは酸素と反応して酢酸に変換され、pH が約4のレベルまで低下します。酸性度が高いと、嫌気性リアクターや人工湿地などのコーヒー廃水を処理する処理施設の処理効率に悪影響を与える可能性があり、表層水に直接排出されると水生生物に有害であると考えられています。
ニカラグアでの調査では、洗浄プロセス中に廃水の汚染が明らかに減少したことが示されています。[14] COD 値は平均 7,200 mg/L から 50 mg/L 未満に低下します。ニカラグアでは、COD 値が 200 mg/L 未満の廃水は自然水路に排出することが許可されていますが、すべての廃水を処理システムにリダイレクトすることをお勧めします。これは、洗浄プロセス中に COD レベルを現場で測定できず、廃水の表層水への排出は目視検査に基づいているためです。水が「透明」であれば十分にきれいであると考えられますが、調査中に測定された COD 値では、一般的に排出が早すぎるため、許容値を超える COD レベルの廃水が発生していることが示されています。廃水を処理システムにリダイレクトすることのもう 1 つのプラス効果は、廃水の希釈です。これにより、pH 値が好ましくなり、嫌気性細菌による処理が改善され、アンモニウム濃度が低下するため後処理が改善されます。
洗浄から生じた廃水サンプル中のTN濃度は40～150 mg/Lの範囲で、全サンプルの平均は110 mg/Lでした。サンプル中のTP濃度は7.8～15.8 mg/Lの範囲で、全サンプルの平均は10.7 mg/Lでした。
参照
注記
- ^ 乾燥した豆の色から、スペイン語で金を意味する言葉に由来する。
- ^ 5日後のBOD値
参考文献
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