CC BY
75
Основные способы исправления качества воды
Е. В. Ильина, И. Л. Славская, С. Ю. Макаров
Московский государственный университет технологий и управления
Исходная питьевая вода редко отвечает требованиям к воде для приготовления напитков, поэтому ее необходимо подготовлять (исправлять), т.е. проводить водоподготовку '. Вместе с тем водопод-готовка в бродильной промышленности обладает рядом отраслевых особенностей:
источником водоснабжения, как правило, служат городские сети, вода в которых уже доведена до качества питьевой, поэтому большая часть грубых дефектов (запахи, содержание вредных веществ, патогенной микрофлоры) уже устранена;
крайне нежелательно введение при очистке в обрабатываемую воду химических реагентов, следы которых остаются в готовом продукте (хлор, фтор, сода и пр.) и впоследствии могут сказаться на стойкости изделия (особенно цветного) или его органолептических свойствах (последнее требование особенно важно при выпуске напитков на экспорт);
ограниченные площади заводов, как правило, расположенных в городской черте, не позволяют применять методы, требующие больших производственных помещений;
на большинстве заводов отсутствуют собственные очистные сооружения (используются городские канализационные сети), поэтому нежелательны методы
очистки, в результате которых образуются значительные объемы неочищенных стоков;
полная очистка воды от растворенных веществ и примесей лишает напиток полноты вкуса;
высокая конкурентность на рынке различных напитков диктует ограничения по стоимости водоподготовки, напрямую определяющей стоимость напитков.
В наибольшей степени таким требованиям отвечает дистилляция, при которой все примеси воды удаляются в результате перегонки. Метод позволяет получать стабильный состав, независимый от исходного качества воды, в одну стадию при минимальном наборе несложного оборудования. Однако дистиллированная вода имеет характерные вкус и запах, поскольку все летучие примеси исходной воды переходят в конечный дистиллят. Поэтому ее называют «мертвой», лишенной вкусовых компонентов, и в отечественной бродильной промышленности не применяют.
В зависимости от качества исходной воды подготовка может включать ряд стадий (индивидуально или в комплексе): очистка воды от взвешенных частиц; обезжелезивание; удаление органических соединений (осветление, дезодорация); умягчение; обессоливание; удаление биологических загрязнений
(обеззараживание); коррекция состава воды (щелочности, содержания Са, М£, С1, № и т.п.).
Наиболее рациональные способы во-доподготовки, рекомендуемые «Нормами технологического проектирования предприятий» для заводов, выпускающих различные виды напитков в зависимости от состава исходной воды, приведены в табл. 1.
Коагуляция относится к осадитель-ным методам водоподготовки, которые характеризуются образованием твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные и растворенные соединения.
Достоинства осадительных методов: низкая стоимость, использование широко распространенного оборудования, доступные реагенты. Недостатки: невысокая степень очистки, образование вторичных отходов, невозможность удаления солей жесткости, увеличение общего солесодержания.
Различают следующие разновидности осадительных способов: коагуляция 2, флокуляция 3 (процесс агрегации частиц, при котором молекулы высокомолекулярного вещества — флокулянта адсорбционно удерживают частицы загрязнений) и химическое осаждение (образование в результате взаимодействия химических реагентов с загрязнениями осадка). Последние два способа в водо-подготовке для бродильной промышленности в настоящее время не применяются из-за высокой стоимости и металлоемкости.
Коагуляция — это образование и осаждение в жидкой фазе гидроксидов железа или алюминия с одновременной адсорбцией на образующемся осадке коллоидов загрязнений.
Некоторые воды, особенно речные в период паводка, загрязнены минеральными и органическими примесями в коллоидно-дисперсном состоянии, которые не задерживаются песчаными фильтрами на городских водоочистительных станциях. Наиболее типичные из этих примесей — кремниевая кислота, ее соли и гуминовые вещества. Поэтому при подготовке воды для технологических целей ее сначала осветляют коагуляцией и фильтруют через фильтры, затем умягчают (снижают жесткость).
Устойчивость коллоидных частиц обусловливается, главным образом, элек-
1 Исправленная вода по определению ГОСТ Р 52190-2003 — вода, с определенным содержанием минеральных и органических веществ, приготовляемая способом умягчения, обессоли-вания, обезжелезивания или фильтрования питьевой воды.
2 Коагуляция — от лат. Coagulatio — свертывание, сгущение.
3 Флокуляция — от лат. ПоссиИ — клочья, хлопья.
Таблица 1
Показатель качества воды
Способ обработки Сухой Окисляемость, мг О2/дм3 Щелочность, см3 Содержание, мг/дм3
воды остаток, мг/дм3 0,1 моль/дм3 HCl на 100 см3 Si4+ PO43-
Коагулирование Менее 100 Более 6,0 Более 1,0 Более 0,15 Более 3,0 Более 0,1
Фильтрация на песочных фильтрах То же Менее 6,0 Менее 1,0 Менее 0,15 Менее 3,0 Менее 0,1
№-Катионирование Менее 500 То же Менее 4,0 То же Менее 7,0 То же
Удаление
органических веществ То же Более 6,0 То же Более 0,15 Более 7,0 Более 0,1
и №-катионирование
Обезжелезивание и №-катионирование » Менее 6,0 » То же То же Менее 0,1
№-Катионирование и подкисление кислотой » То же Более 4,0 Менее 0,15 Менее 7,0 То же
Деминерализация
ионитами
Обратный осмос До 3000 »
трокинетическим потенциалом, препятствующим при броуновском движении их столкновению и слиянию вследствие сил взаимного притяжения в более крупные агрегаты (хлопья). Чтобы произошла коагуляция,электрокинетический потенциал частиц должен быть снят или снижен до критического.
Коагуляции подвергается вода, имеющая стабильную муть или опалесценцию, не удаленные фильтрацией на песочных фильтрах. В качестве коагулянтов используют глинозем А12^04)^18Н20 или железный купорос FeSO4•7H2O. В настоящее время поставщиками предлагается большое количество и других коагулянтов, в основном содержащих алюминий: оксихлорид алюминия, гидроксихлорид алюминия (А12(0Н)5С1-6Н20), полиги-дроксихлорид и др.
Ориентировочно на 1 м3 воды расходуется 80 г глинозема или около 50 г железного купороса.
Процесс коагуляции протекает только в слабощелочной среде (оптимальное значение рН раствора для глинозема 7,5-7,8, для железного купороса — 8,2), для чего следует добавлять кальцинированную соду или известь.
Для коагуляции решающее значение имеют рН воды и доза коагулянта. Как правило, их подбирают на специальном стенде. На нем же регулярно проводят контрольную коагуляцию для уточнения режима работы при возможных изменениях состава исходной воды.
Обычно коагуляцию и отстаивание совмещают в одном резервуаре, оборудованном мешалкой. Коагуляция примесей и осаждение продолжаются 2-3 ч. Воду после коагуляция нужно обязательно фильтровать через песочные фильтры.
Существует несколько видов аппаратурного оформления коагулирования: непрерывное, контактное, двойное, раздельное.
Непрерывное коагулирование —
довольно длительный способ, требующий больших производственных площадей. Кроме того, в результате коагуляции в осветляемой воде увеличивается содержание анионов С1-1 или SО4-2 в зависимости от применяемого коагулянта. Однако именно его рекомендуют в качестве основного в нормативных документах. Принципиальная схема такой установки изображена на рис. 1.
Водный раствор коагулянта концентрацией 4-6 % приготавливают в двух попеременно работающих сборниках с мешалками 2. Загруженный коагулянт и воду тщательно перемешивают в течение 4-6 ч и оставляют для отстаивания. Отстоявшийся раствор с помощью насоса 3 передают по трубе, расположенной на 15 см выше дна сборника, в напорный бак 4, откуда через дозатор 5 с поплавковым регулятором уровня и воронку 6
4 5
В канализацию
Рис. 1. Схема коагуляции примесей: 1 — фильтр; 2 — сборники с мешалками;
3 — насос; 4 — напорный бак; 5 — дозатор; 6 — воронка; 7 — сборник воды; 8 — регулирующий кран; 9 — сливное устройство; 10,11 — коллекторы
раствор коагулянта самотеком поступает в трубу, отходящую от сборника 7 водопроводной воды. Сборник водопроводной воды снабжен также поплавковым регулятором уровня и паровым змеевиком для подогрева воды.
С помощью регулирующего крана 8, расположенного на трубе, в комплекте с датчиком уровня и балансным реле поддерживается определенный уровень в сборнике 7.
Вода поступает в верхнюю часть фильтра 1, который представляет собой стальной цилиндрический бак высотой 4,6 м, диаметром 2,2 м. Фильтр покрыт изнутри кислотоупорным лаком.
В нижней его части расположен дренажный коллектор 11, состоящий из крестообразно соединенных нержавеющих труб. Фильтр заполнен гравием и песком трех фракций в следующем порядке, начиная снизу: слой высотой 20 см с размером песчинок 2-4 мм, затем слой высотой 60 см с размером песчинок 1,2-2 мм и слой высотой 1,2 м с размером песчинок 1,2-0,8 мм.
Фильтр работает без промывки в течение 24-30 ч. Перед промывкой перекрывают подачу осветляемой воды и раствора коагулянта и в течение 35-45 мин подают воду с большой скоростью через тот же дренажный коллектор с помощью насоса снизу вверх. При этом слой песка взрыхляется, фильтрующая пленка разрушается и удаляется в канализацию вместе с промывной водой через сливное устройство 9. При необходимости в фильтр подают воздух через коллектор 10.
При переключении фильтра на работу по осветлению воды вначале раствор коагулянта подают в количестве на 50 %
больше расчетного, чтобы ускорить образование фильтрующей пленки. Температуру вода поддерживают в пределах 18...25 °С.
Двойное коагулирование — это когда сульфат алюминия [А12^О4)3х х18Н2О] применяется вместе с небольшим количеством алюмината натрия (№АЮ2). Вначале добавляют №АЮ2 в виде 0,2%-ного раствора, который образует хлопья. Это повышает эффект коагуляции хлопьев, появляющихся при последующем введении сульфата алюминия, а также способствует поддержанию в процессе коагулирования оптимального значения рН исходной воды. Двойное коагулирование позволяет получить более прочные хлопья и значительно ускоряет их осаждение.
Контактная коагуляция — способ осветления, когда к воде добавляют все расчетное количество коагулянта и смесь сразу же фильтруют через зернистую среду, например через слои песка. При этом мелкие частички загрязнений прилипают к песчинкам и полное осветление достигается за 5-10 с, в то время как при обычной коагуляции затрачивается 20-40 мин.
Раздельное коагулирование — процесс осветления осуществляется введением всей дозы коагулянта в часть объема воды, чаще всего в половину ее объема. При этом в обработанной воде образуются крупные хлопья. Затем обработанную воду смешивают с необработанной, создавая условия прилипания мелких частиц взвеси к сформировавшимся хлопьям. При этом достигается экономия времени обработки и расхода коагулянта.
4 • 2008
6
7
3
73
Фильтрование 1 через зернистые загрузки применяется как самостоятельный способ водоочистки в качестве предфильтрации, удаления крупных взвесей и пр., так и в дополнение к другим способам (очистка после коагуляции, угольной фильтрации и т.д.).
Фильтрование — гидродинамический процесс, скорость которого прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной перегородки (движущая сила процесса), и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при ее движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка.
Разность давлений по обеим сторонам фильтровальной перегородки создают при помощи компрессоров, вакуум-насосов и жидкостных насосов, например поршневых и центробежных, а также используя гидростатическое давление самой разделяемой суспензии.
Механический засыпной напорный фильтр представляет собой (рис. 2) вертикальный корпус из металла или пластика 3 с дренажно-распределительными системами 2, 5, 7, заполненный гранулированной загрузкой 4, как правило, это кварцевый песок, гидроантрацит и т.п. Для улучшения распределения раствора по сечению и уменьшения забивания отверстий нижнего дренажного устройства оно помещается в слой гравия 6.
Исходная вода
Фильтрат
Рис. 2. Фильтр механической очистки с гранулированной загрузкой периодического действия: 1, 8 — патрубки;
2 — распределитель жидкости;
3 — корпус; 4 — загрузка;
5 — центральный коллектор;
6 — гравий;
7 — перфорированные лучи
Применяют разнообразные по своим свойствам фильтровальные перегородки: зернистые слои песка, диатомита, угля; волокнистые слои из асбестовых и хлопчатобумажных волокон; хлопчатобумажные и шерстяные ткани, а также ткани из синтетических волокон; сетки из волосяных или металлических нитей; пористые перегородки из кварца, шамота, спекшегося стеклянного или металлического порошка, а также из твердой резины (эбонита).
Средний размер пор тем больше, чем крупнее указанные элементы, а форма тем единообразнее, чем правильнее форма этих элементов. Так, в зернистых слоях размер пор увеличивается с возрастанием размера зерен, а форма пор в слое из шарообразных частиц песка одинакового размера единообразнее, чем в слоях из одинаковых по размеру частиц диатомита или угля, имеющих неправильную форму. Этим объясняется то, что в промышленной практике предпочтение отда-
2-5 м/ч для безнапорных и 8-12 м/ч для напорных фильтров, превышение скорости приводит к ухудшению качества очистки.
Работа осветлительных фильтров подразделяется на три периода: полезная работа фильтра по осветлению воды; взрыхляющая промывка фильтрующего материала; спуск первого фильтрата.
Регенерация зернистой загрузки (взрыхление) заключается в ее отмывке либо исходным раствором, либо осветленной водой из буферной емкости снизу вверх с такой скоростью, при которой происходит псевдоожижение загрузки и ее расширение на 30-50 %. В таком режиме частицы как бы кипят; из межпорового пространства удаляются задержанные взвеси, а при соударении частиц с их поверхности удаляются налипшие загрязнения.
После окончания взрыхления слою загрузки дают осесть, и затем начинается фильтрация. Первые объемы отфильтрованной воды, содержащие избыточное
Таблица 2
Тип фильтра Диаметр, мм Производительность, м3/ч Давление рабочее, МПа, не более Высота, мм, не более Масса, кг, не более
Ф0В-1,0-0,6 1000 9 0,6 2750 700
Ф0В-1,4-0,6 1400 16 0,6 2900 1250
Ф0В-1,5-0,6 1500 18 0,6 2950 1250
Ф0В-2,0-0,6 2000 35 0,6 3430 2000
Ф0В-2,6-0,6 2600 60 0,6 3850 4100
Ф0В-3,0-0,6 3000 80 0,6 4250 4450
ют фильтровальному слою из кварцевого песка, особенно мелкозернистого.
Фильтрация загрязненной воды производится сверху вниз. При этом крупные частицы задерживаются в порах между гранулами загрузки, а мелкие загрязнения за счет различных эффектов, прежде всего электростатического, прилипают к частицам загрузки. Чем больше загрязнений задержано слоем загрузки, тем уже остаются проходы для жидкости и тем выше глубина очистки воды. Основная масса загрязнений собирается в верхней части слоя загрузки.
Правильно сконструированный фильтр при верно подобранных гранулометрическом составе загрузки и скорости подачи жидкости работает практически всем объемом загрузки. Фронт загрязнений постепенно опускается вниз по слою загрузки. При слишком высокой скорости воды резко снижается эффективность фильтрации, а при слишком малой скорости загрязнения собираются только в верхнем слое загрузки.
Скорость фильтрации в механических фильтрах незначительно зависит от применяемого материала. Для разных материалов с оптимальным гранулометрическим составом эта скорость составляет
1 Фильтр — от лат. Filtrum — войлок.
количество загрязнений, сбрасывают в канализацию, этот процесс называют «санитарной промывкой».
Серийные отечественные осветли-тельные фильтры серии ФОВ производятся Таганрогским котельным заводом «Красный котельщик» (ТКЗ) и Бийским котельным заводом (БиКЗ) много десятилетий. Типичная конструкция такого фильтра представлена на рис. 3, основные параметры показаны в табл. 2.
В современном варианте фильтр имеет корпус из оцинкованной, гуммированной или нержавеющей стали или же из пластика. Внутри корпуса располагаются нижняя и верхняя дренажно-рас-пределительные системы низкого сопротивления, выполненные из пластмассы (АБС, полипропилен, ПВХ) (рис. 4). Для улучшения распределения раствора по сечению и уменьшения забивания отверстий дренажа нижнее дренажное устройство засыпается слоем специально подобранного окатанного гравия с заданным гранулометрическим составом.
Основные производители корпусов фильтров за рубежом: из пластика — фирмы Structural, Purk и Pevasa, из оцинкованной стали — Lorivan.
Современные фильтры снабжаются блоком автоматического управления, который представляет собой электронный
г
3
4
5
8
Вода на фильтрацию
Фильтрат
Рис. 3. Стандартный осветлительный
фильтр Ф0В-2,6-06 производства Таганрогского котельного завода «Красный котельщик» с лучевым дренажем производительностью 60 м3/ч
или механический таймер, включающий через определенное время (1 раз в сутки или через заданное число суток) программу регенерации. Блоки управления фильтров с производительностью до 10-15 м3/ч
выполняются в виде моноблока, устанавливаемого непосредственно на фильтр или сбоку от него.
Традиционные загрузки механических фильтров — кварцевый песок и дробленый
антрацит. В последние годы отечественная промышленность обеспечила выпуск таких традиционных загрузок, но значительно более высокого качества, например кварцевый песок (Гора Хрустальная), керамзитовый гравий различных фракций, и новых видов — гидроантрацит, фильтрантрацит, стеклощебень, горелые породы, цеолиты.
Большинство производителей корпусов изначально предполагают их универсальность, т.е. в зависимости от потребности они могут быть заполнены как кварцевым песком, так и другими наполнителями: активированным углем, ионитами, веществами для удаления железа, марганца, сероводорода и пр. Доработке подвергается только программы работы фильтров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. — М.: ДеЛи принт, 2004.
2. Федоренко В. И., Сидоренко В. М. Мембранные фильтрэлементы для современных систем во-доподготовки//Ликероводочное производство и виноделие. 2000. № 9. С. 1-3.
3. Парилова О. Ф. Принцип подбора водоподгото-вительных установок обратного осмоса//Про-изводство спирта и ликероводочных изделий. 2002. № 7. С. 3-5.
4. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды. СанПиН 2.1.4.1074-01. — М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора, 2002. — 103 с.
Продолжение следует
XIV Международная научная конференция «Стратегия подготовки кадров для малого и среднего бизнеса пищевой промышленности»
состоится 12 октября 2008г. в Москве в «Экспоцентре» на Красной Пресне
Московский государственный университет технологий и управления совместно с Федеральным агентством по образованию и Минсельхозом России 13 октября 2008 г. проводит очередную XIV Международную научную конференцию, посвященную 55-летнему юбилею МГУТУ, «Стратегия подготовки кадров для малого и среднего бизнеса в пищевой промышленности» при поддержке Комитета по аграрно-продовольственной политике Совета Федерации и Госдумы Федерального Собрания Российской Федерации.
Актуальность рассматриваемого вопроса бесспорна, особенно в свете реализации национальных приоритетных программ, призванных значительно улучшать качество жизни населения России.
В конференции примут участие федеральные органы исполнительной и законодательной власти, РАСХН, РАЕН, Минобрнауки России, отраслевые союзы и ассоциации АПК России, НИИ, РАН, руководители образовательных структур и агробизнеса, предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности, представители иностранных компаний, СМИ, зарубежные гости.
Стремительное развитие рынка пищевой и перерабатывающей промышленности за последнее время привело к проблеме нехватки высококвалифицированных специалистов, поэтому на данном мероприятии будут рассмотрены и предложены более рациональные пути решения наболевших проблем.
Информационный партнер Издательство «Пищевая промышленность».
Условия участия и дополнительную информацию по данной конференции можно получить
в оргкомитете конференции: Тел.: 915-54-44, факс: 915-06-96
4 • 2008
ПИ]
НАПИТКИ
75
