STT Thành phần Tỷ trọng (% khối lƣợng) 1 Cacbonhydrat 82 2 Protein 13,6 3 Nitơ 2,3 4 Cafein 0,4 5 Tannin 0,02 6 Axit clorogenic 11,45 (Nguồn: [16])
Loại chất thải thứ hai của quá trình chế biến cà phê là vỏ lụa sau quá trình sấy và xát cà phê, loại chất thải này chiếm từ 1 – 2% khối lƣợng quả cà phê tƣơi. Mặc dù vỏ lụa chỉ chiếm một phần nhỏ trong nhƣng nó có hàm lƣợng chất xơ cao, hoạt tính chống oxy hoá và các hợp chất phenolic [27].
Tác động do chất thải rắn trong hoạt động chế biến cà phê
Nhiều nghiên cứu trên thế giới chỉ ra rằng, các hợp chất nhƣ caffein, axit chlorogenic và tannin từ chất thải cà phê nếu thải vào môi trƣờng có thể gây tác động
trầm trọng đến hệ sinh thái [17]. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự rửa trôi của caffeine vào môi trƣờng có những ảnh hƣởng bất lợi đối với các sinh vật khác. Các xét nghiệm độc tính chuẩn hóa trên các sinh vật thủy sinh cho thấy EC50 của nƣớc rỉ cà phê là 6.02% trên vi khuẩn phẩy fischeri, thấp hơn đối với Daphnia similis ở EC50 1,5% và thấp hơn đối với Ceriodaphnia dubia với EC50 là 0.12%. Giá trị EC50 có sự giảm rõ rệt giữa vi khuẩn và bọ chét có thể là kết quả của việc tiếp xúc nhiều hơn do ăn phải.
Cafein độc đối với sinh vật thủy sinh và động vật có vú, làm giảm khả năng sinh sản, đây là mối quan tâm lớn đối với môi trƣờng. Cafein cũng có tác động tiêu cực đến cây trồng, nấm và sự phát triển của vi khuẩn [34].
Thành phần gây ô nhiễm nữa có trong chất thải cà phê là Tannin. Tannin ảnh hƣởng đến sự phát triển của vi sinh vật thủy sinh. Tannin cũng đƣợc biết đến vì khả năng phân huỷ sinh học thấp [22], do đó chất này có thể tồn tại trong môi trƣờng trong thời gian dài và tích tụ sinh học dọc theo chuỗi thức ăn. Do những mối quan ngại về sức khoẻ, đã có nhiều công trình nghiên cứu về độc tính của Tanin, từ nuôi trồng thuỷ sản đến các hệ sinh thái thủy sinh. Một số nƣớc thải công nghiệp đƣợc nghiên cứu có nồng độ tanin trên 100 mg/L [22].
Nhƣ vậy, có thể thấy, trong chất thải rắn trong quá trình chế biến cà phê chứa nhiều thành phần có khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng nếu không có biện pháp quản lý và xử lý phù hợp. Đặc biệt khi nƣớc rỉ từ loại chất thải này bị rửa trôi hoặc ngấm xuống nƣớc ngầm.
1.2.3. Khí thải
Nguồn gốc, thành phần và tính chất
Khí thải phát sinh trong hoạt động chế biến cà phê chủ yếu từ hoạt động của lò sấy (sử dụng than hoặc củi để đốt lấy nhiệt), quá trình xay vỏ từ quá trình chế biến khô, mùi từ khu chứa chất thải rắn và nƣớc thải cà phê; ngoài ra môi trƣờng không khí còn ô nhiễm từ tiếng ồn, rung động và nhiệt.
Trong phạm vi nghiên cứu và theo hiểu biết của tác giả, hiện nay chƣa có công trình nghiên cứu nào về khí thải phát sinh trong hoạt động chế biến cà phê. Do vậy, tác giả đã tham khảo các nghiên cứu trong lĩnh vực khác cũng sử dụng than hoặc củi làm chất đốt để đánh giá thành phần khí thải và ảnh hƣởng của loại khí thải này đến môi trƣờng.
Lò hơi sử dụng củi đốt rất tiết kiệm chi phí nhƣng nhiệt lƣợng không cao bằng nhiên liệu hóa thạch. Thành phần của khói thải bao gồm các sản phẩm cháy của củi, chủ yếu là các khí CO2, CO, N2, kèm theo một ít các chất bốc trong củi không kịp cháy hết, oxy dƣ và tro bụi bay theo dòng khí. Khi đốt 1 kg củi sẽ sinh ra 4,23 m3 khí thải ở nhiệt độ 200oC. Lƣợng bụi tro có trong khói thải chính là một phần của lƣợng không cháy hết và lƣợng tạp chất không cháy có trong củi, lƣợng tạp chất này thƣờng chiếm tỷ lệ 1% trọng lƣợng củi khô. Bụi trong khói thải lò hơi đốt củi có kích thƣớc hạt từ 500μm tới 0,1μm, nồng độ dao động trong khoảng từ 200-500 mg/m3 [14].
Lò hơi đốt than có khí thải chủ yếu mang theo bụi, CO2, CO, SO2 , SO3 và Nox,… do thành phần hoá chất có trong than kết hợp với ôxy trong quá trình cháy tạo nên. Hàm lƣợng lƣu huỳnh trong than ≈ 0,5% nên trong khí thải có SO2 với nồng độ khoảng 1.333 mg/m3. Lƣợng khí thải phụ thuộc vào mỗi loại than, với than An-tra-xít Quảng Ninh lƣợng khí thải khi đốt 1 kg than là V020 ≈ 7,5 m3/kg [14].
Tác động do khí thải
– CO: Là sản phẩm của quá trình cháy trong điều kiện thiếu O2, CO gây ức chế sự hô hấp của động vật và tế bào thực vật. Khi hít phải, CO sẽ đi vào máu, chúng phản ứng với Hemoglobin (có trong hồng cầu) thành một cấu trúc bền vững nhƣng không có khả năng tải ôxy, khiến cho cơ thể bị ngạt. Nếu lƣợng CO hít phải lớn, sẽ có cảm giác đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi. Nếu CO nhiều, có thể bất tỉnh hoặc chết ngạt rất nhanh. Khi bị ôxy hoá, CO biến thành khí cacbonic (CO2). Khí CO2 cũng gây ngạt nhƣng không độc bằng CO;
– NOx: Bao gồm NO, NO2…. Là những chất ô nhiễm do quá trình đốt cháy nhiên liệu phát thải vào bầu khí quyển, trong đó ở gần ngọn lửa khí NO chiếm 90 – 95% và phần còn lại là NO2. Oxit nitơ có nhiều dạng, do nitơ có 5 hoá trị từ 1 đến 5. Do ôxy hoá không hoàn toàn nên nhiều dạng oxit nitơ có hoá trị khác nhau hay đi cùng nhau, đƣợc gọi chung là NOx. Có độc tính cao nhất là NO2, khi chỉ tiếp xúc trong vài phút với nồng độ NO2 trong không khí 5 phần triệu đã có thể gây ảnh hƣởng xấu đến phổi, tiếp xúc vài giờ với không khí có nồng độ NO2 khoảng 15-20 phần triệu có thể gây nguy hiểm cho phổi, tim, gan; nồng độ NO2 trong không khí 1% có thể gây tử vong trong vài phút.
NOx bị ôxy hoá dƣới ánh sáng mặt trời có thể tạo khí Ôzôn gây chảy nƣớc mắt và mẩn ngứa da, NOx cũng góp phần gây bệnh hen, thậm chí ung thƣ phổi, làm hỏng khí quản.
– SOx: Hầu hết các loại nhiên liệu lỏng đều có chứa lƣu huỳnh trong dầu đốt khi cháy thành phần lƣu huỳnh trong nhiên liệu phản ứng với oxy tạo thành khí oxit lƣu huỳnh, trong đó khoảng 99% là khí sunfua đioxit SO2. Khí SO2 xâm nhập vào cơ thể qua đƣờng hô hấp hoặc hoà tan với nƣớc bọt, từ đó qua đƣờng tiêu hoá để ngấm vào máu. SO2 có thể kết hợp với các hạt nƣớc nhỏ hoặc bụi ẩm để tạo thành các hạt axít H2SO4 nhỏ li ti, xâm nhập qua phổi vào hệ thống bạch huyết. Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hoá học để làm giảm dự trữ kiềm trong máu gây rối loạn chuyển hoá đƣờng và protêin, gây thiếu vitamin B và C, tạo ra methemoglobine để chuyển Fe2+ (hoà tan) thành Fe3+ (kết tủa) gây tắc nghẽn mạch máu cũng nhƣ làm giảm khả năng vận chuyển ôxy của hồng cầu, gây co hẹp dây thanh quản, khó thở.
– Bụi: Trong sản phẩm cháy của các nguyên liệu lỏng, rắn hầu hết đều có mang theo bụi. Nhiên liệu khi cháy sinh ra một hàm lƣợng bụi lớn nhƣng nhất thiết cần đƣợc xử lý để tránh bụi phát tán ra môi trƣờng gây ra các bệnh liên quan đến đƣờng hô hấp và làm mất vệ sinh môi trƣờng xung quanh nguồn thải.
1.3. Các biện pháp quản lý môi trƣờng từ hoạt động chế biến cà phê
1.3.1. Một số phương pháp xử lý nước thải cà phê
1.3.1.1. Phương pháp xử lý truyền thống
Nhiều báo cáo khảo sát không chỉ ở Việt Nam mà rất nhiều nƣớc trên thế giới, tình trạng nƣớc thải từ các xƣởng chế biến cà phê không qua xử lý xả thẳng ra môi trƣờng đang diễn biến rất phức tạp vì đây là phƣơng pháp dễ thực hiện nhất.
Phƣơng pháp khác, ngƣời ta đổ nƣớc thải vào một bể chứa lớn để nƣớc thải có thể lắng đọng và xử lý bằng vôi để đạt đƣợc độ pH mong muốn, sau đó tái sử dụng nƣớc vào việc tƣới tiêu. Tuy nhiên, vấn đề chính ở đây là trong mùa cà phê, số lƣợng nƣớc thải ra quá lớn đối với kích thƣớc của bể và việc tái chế đòi hỏi phải có kỹ năng vì nhiệt độ, độ pH và vi khuẩn của nƣớc thải cần đƣợc theo dõi và giữ ở mức tối ƣu [29].
1.3.1.2. Một số phương pháp xử lý áp dụng công nghệ hoàn chỉnh
Nƣớc thải cà phê và các sản phẩm phụ của nó tạo thành một nguồn ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng. Đã có nhiều nỗ lực của các nhà nghiên cứu để phát triển các
phƣơng pháp xử lý nƣớc thải nhƣ phƣơng pháp xử lý sinh học thu hồi khí gas, phƣơng pháp oxi hóa tăng cƣờng, …
a. Phương pháp xử lý sinh học thu hồi khí gas
Trong một nghiên cứu do Narasimha và cộng sự tiến hành năm 2004, họ đã phát triển một lộ trình xử lý nƣớc thải biogas bioreactor - biogas không chỉ cung cấp giải pháp xử lý chất thải mà còn là nhiên liệu thay thế cho phát điện. Họ đã xây dựng hệ thống xử lý nƣớc thải bao gồm bể trung hoà pH của nƣớc thải, sau đó nƣớc thải trải qua quá phân huỷ kị khí. Dƣới tác động của các vi sinh vật kị khí, khí gas đƣợc sản sinh và thu gom để sử dụng làm nguồn nhiên liệu kép để sản xuất điện hoặc chất đốt [29]. Sơ đồ quy trình xử lý cho quá trình đƣợc mô tả nhƣ sau:
Hình 1.7. Sơ đồ dòng chảy để tạo ra khí sinh học từ nước thải cà phê
Toàn bộ nƣớc thải từ quá trình chế biến cà phê đƣợc thu gom và đƣa vào bể điều hòa, từ đây nƣớc thải đƣợc nâng pH lên khoảng 6,5 – 7 nhằm tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động hiệu quả. Sau đó, nƣớc thải đƣợc bơm vào bể sinh học kị khí; tại đây các vi sinh vật kị khí hoạt động trong điều kiện không có oxi và sản sinh ra khí biogas. Khí sinh ra đƣợc thu gom vào túi khí để tái sử dụng làm nhiên liệu đốt hoặc phát điện. Nƣớc sau xử lý đƣợc đƣa sang bể tái chế để tiếp tục xử lý BOD và COD bằng cách bơm tuần hoàn trở lại bể kị khí. Nƣớc thải sau khi xử lý sinh học đƣợc tiếp tục xử lý bằng phƣơng pháp hóa lý. Nƣớc thải đƣợc dẫn qua cụm hệ thống bể keo tụ
đƣa vào để tạo bông với tốc độ khuấy trộn trong bể tạo bông là 15 vòng/ phút, đảm bảo các bông cặn không bị vỡ ra mà kết thành khối lớn. Nƣớc thải tiếp tục chảy qua bể lắng hóa lý, tại đây các bông cặn hoặc rắn lơ lửng lắng xuống đáy và đƣợc máy gạt bùn gom xuống hố thu và bơm sang bể nén bùn.
Sau khi qua bể lắng, nƣớc thải qua bể khử trùng trƣớc khi ra nguồn tiếp nhận nhằm mục đích tiêu diệt các vi khuẩn, đảm bảo chất lƣợng nƣớc đầu ra đạt tiêu chuẩn xả thải. Trong bể khử trùng có xây các vách ngăn nhằm tạo sự tiếp xúc tốt giữa nƣớc và chất khử trùng, nâng cao hiệu quả xử lý của bể [29].
Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc thu hồi khí sinh học từ hoạt động chế biến 8 tấn cà phê mỗi ngày, tổng lƣợng khí có thể đạt đƣợc trong mùa 5 tháng là khoảng 12.000 m3; khí biogas đã đƣợc chứng minh là có thể thay thế 77% lƣợng dầu cần thiết cho việc tạo ra điện. Việc thay thế dầu diesel bằng khí sinh học, để tạo ra điện, tăng ở mức 77% với mức sử dụng trung bình là 0,381 l/kWh.
Tƣơng tự, Selvamurugan và cộng sự (năm 2009) đã phát triển một lò phản ứng kị khí upflow (UAHR) để xử lý nƣớc thải chế biến cà phê. Hệ thống lò phản ứng UAHR có tấm acrylic dày 4 mm với thể tích 19,25 L và đƣợc cài đặt để tách chất khí - lỏng-rắn. Sau đó, cả vỏ cà phê và nƣớc thải cà phê đều đƣợc thêm vào hệ thống. Để khởi động ,ban đầu lò phản ứng đƣợc cấp nƣớc thải cà phê và lƣu giữ trong 24 giờ liên tục và sau đó đƣợc vận hành ở các khoảng thời gian khác nhau nhƣ 24 giờ, 18 giờ, 12 giờ và 6 giờ và đánh giá khả năng xử lý của lò phản ứng về việc giảm BOD và COD, khả năng sinh khí mê-tan và tổng lƣợng khí sản xuất. pH của nƣớc thải đƣợc điều chỉnh từ 3,88 đến 4,21 vì sự có mặt của các axit hữu cơ trong vỏ quả cà phê.
Bảng 1.2. Hiệu quả xử lý của quá trình xử lý nước thải cà phê với thời gian lưu giữ chất thải và tỉ lệ hàm lượng các chất hữu cơ
Thời gian COD (kg/ m3/ngày) Lƣợng COD giảm (%) Lƣợng BOD giảm (%) Lƣợng TSS giảm (%) Khí Biogas (l/kg tính theo COD) Khí Biogas (l/kg tính theo BOD) Khí Biogas (l/kg tính theo TSS) 24 h 7,01 70 71 64 280 490 535 18 h 9,55 61 66 58 430 775 840 12 h 14,23 52 59 49 390 620 690 6 h 28,41 46 54 42 264 400 440 (Nguồn: [35])
Kết quả nghiên cứu cho thấy, các lò phản ứng HRT hoạt động tốt hơn ở thời điểm 18 giờ với một khoảng thời gian ngắn. Thời gian lƣu giữ 18 giờ, giảm nhu cầu oxy hoá học, nhu cầu oxy sinh hóa và tổng chất rắn là 61%, 66% và 58%, với tỷ lệ chất hữu cơ là 9,55 kg/m3/ngày. Khối lƣợng tối đa của biogas là 840,775 và 430 l/kg của chất rắn (TS), loại bỏ BOD và COD; với hàm lƣợng mêtan 60,7% ở HRT trong 18 giờ, nghiên cứu này cho thấy hiệu quả trong việc xử lý nƣớc thải chế biến cà phê theo HRT khác nhau và tỷ lệ tải hữu cơ [35].
b. Sử dụng Ozon/H2O2/UV xử lý nước thải
Các công nghệ oxy hóa hóa học hoặc quá trình oxy hóa tiên tiến dựa trên việc sử dụng bức xạ UV và các chất oxy hóa nhƣ hydrogen peroxide (H2O2) và ozone (O3) đã đƣợc sử dụng thành công trong việc khắc phục nƣớc bị ô nhiễm với một loạt các chất. Các quá trình này dựa vào sự hình thành của các phản ứng oxi hóa làm suy giảm hàm lƣợng hữu cơ của dòng nƣớc thải. Hiệu quả xử lý có thể đƣợc tăng lên bằng cách kết hợp các quá trình UV/H2O2, O3/H2O2, O3/UV và UV/H2O2/O3. Sự kết hợp của các quá trình này có tác dụng tăng cƣờng do có sự hình thành các gốc hydroxyl phản ứng rất mạnh. Các gốc tự do hydroxyl tấn công các chất ô nhiễm hữu cơ và bắt đầu một loạt các phản ứng oxy hóa mà cuối cùng dẫn đến tổng khoáng hóa các chất ô nhiễm trong nƣớc thải [23].
Quá trình oxy hóa và khoáng hoá các chất ô nhiễm hữu cơ đƣợc mô tả nhƣ sau: các gốc *OH đƣợc sinh ra qua phản ứng giữa H2O2 và O3 nhƣ trong phƣơng trình (1) và tạo ra một cơ cấu chuỗi, nhƣ đƣợc biểu diễn trong phƣơng trình từ (2) đến (9) [12].
O3 + H2O2 *OH + O2 + HO2* (rất chậm) (1) H2O2 HO2- + H+ (2) HO2* O2*- + H+ (3) HO2 + O3 O3- + HO2* (4) O2- + O3 O3- + O2 (5) O3- + H+ HO3 (6) HO3 *OH + O2 (7) O3 + *OH O2 + HO2* (8) O3 + HO2* 2O2 + *OH (9)
Zayas và các cộng sự (năm 2007) đã tiến hành nghiên cứu “Nhu cầu oxy hóa học trong nƣớc thải cà phê thông qua sự kết hợp hóa học và quá trình oxy hóa tăng cƣờng”. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thực hiện các thực nghiệm nhằm tìm hiểu hiệu quả của việc loại bỏ các chất hữu cơ tự nhiên bằng cách sử dụng flocculant thƣơng mại và các quá trình UV/H2O2, UV/O3 và UV/H2O2/O3 trong điều kiện môi trƣờng axit [37].
Kết quả nghiên cứu cho thấy, hàm lƣợng COD giảm xuống 67% khi nƣớc thải cà phê đƣợc xử lý keo tụ với vôi và chất kết tụ T-1. Khi nƣớc thải cà phê đƣợc xử lý keo tụ kết hợp với UV/H2O2, đã giảm đƣợc 86% COD, mặc dù hiệu quả rõ rệt chỉ sau