Научная статья на тему 'Основные способы исправления качества воды'

Основные способы исправления качества воды Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
607
72
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Пиво и напитки
ВАК

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Ильина Е. В., Славская И. Л., Макаров С. Ю.

Рассмотрены способы исправления качества воды такие, как коагуляция и фильтрование через зернистые загрузки. Представлены схемы оборудования осветлительных фильтров.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Ильина Е. В., Славская И. Л., Макаров С. Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Основные способы исправления качества воды»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.