CC BY
71
Основные способы исправления качества воды
Е. В. Ильина, И. Л. Славская, С. Ю. Макаров
Московский государственный университет технологий и управления
*
Обезжелезивание воды. При содержании железа в технологической воде для производства напитков более 0,15 мг/дм3 и использовании №-кати-онитового способа исправления воды рекомендуется обезжелезенная вода.
Железо присутствует в воде в нескольких формах: двухвалентное Fe2+ в ионной форме; трехвалентное Fe3+ в основном в виде взвеси или осадка Fe(OH)3,• органическое железо в виде комплексов с природными органическими кислотами (гуматами), как правило, в виде коллоидов; бактериальное железо — продукты жизнедеятельности железобактерий — содержится в их оболочках.
Если в воде присутствует только трехвалентное железо, то для очистки достаточно простого отстаивания в водонапорной башне или фильтрации через песочный фильтр.
Для очистки от двухвалентного железа его необходимо предварительно перевести в трехвалентное (малорастворимое) состояние, что достигается окислением кислородом воздуха, хлором, озоном, перманганатом калия:
2Fe2++ 02 + 2Н+ ^ 2Fe3+ + 20Н-, Fe3+ + ЗОН- ^ Fe(OH)3|.
Эту операцию обычно совмещают с механической фильтрацией на традиционных фильтрационных установках с зернистой загрузкой.
При содержании железа до 10 мг/дм3, в том числе трехвалентного не менее 50 %, окисляемости не более 6-7 мг О2/ дм3 и щелочности больше единицы модификация песка не является необходимой, достаточно простой фильтрации. Такой способ обезжелезивания называется безреагентным.
Если пробным обезжелезиванием определено, что безреагентный способ не дает необходимых результатов, то применяют дополнительную обработку кварцевого песка модифицирующими реагентами, сущность которой заключается в нанесении на поверхность кварцевого песка пленки из гидроокиси
* Продолжение. Начало см. № 4, 2008 г.
железа и двуокиси железа или двуокиси марганца, катализирующей процесс окисления железа из двухвалентной в трехвалентную форму. Используют также специальные сорта кварцевого песка с природновысоким содержанием марганца и некоторые другие минералы. В ликероводочном производстве традиционно применяют метод модификации кварцевого песка 0,71 %-ным раствором сернокислого железа и 0,5%-ным раствором калия перманганатом, которые совмещают с регенерацией (обратной отмывкой) фильтра.
Поступающий на завод кварцевый песок кроме сортировки по величине зерен тщательно промывают водопроводной водой и обрабатывают 2-3%-ным раствором соляной кислоты, после чего снова промывают водопроводной водой до полного удаления следов кислоты.
На рис. 1 показаны современные установки для обезжелезивания воды фирм В^т (содержание двух- или трехвалентного железа до 10 мг/дм3) и Greensand (содержание двух- или трехвалентного железа до 20 мг/дм3), а в таблице — основные технические характеристики стеклопластиковых фильтров производства ООО «Экофил».
В установке объемной аэрации (см. рис. 1, а) наружный воздух подсасывает-
ся эжектором-распылителем, что и обеспечивает окисление железа с его последующим отделением на песочном фильтре. Обязательный элемент конструкции — клапан-воздухоотделитель.
В установке, изображенной на рис. 1, б, обработка кварцевого песка перманга-натом производится при регенерации загрузки с обязательной отмывкой чистой водой до исчезновения следов реактива перед запуском установки в режим обе-зжелезивания.
Значительно сложнее удалить железо органического и биологического происхождения. В этих случаях обычно рекомендуют проводить коагуляцию коллоидов солями железа или алюминия, ультрафильтрацией или сорбцией на активном угле.
Кондиционирование щелочности
Снижение щелочности технологической воды. Щелочность технологической воды, используемой для приготовления напитков, не должна быть выше 4 см3 0,1 моль/дм3 раствора соляной кислоты на 100 см3 воды. Для напитков, особенно на плодово-ягодных полуфабрикатах, щелочность должна быть доведена до 0,1 см3 0,1 моль / дм3 HCl на 100 см3 воды или лучше до нейтральной реакции во избежание взаимодействия с естественными органическими кислотами, содержащимися в полуфабрикате.
Наиболее простой способ корректировки щелочности — введение в воду необходимого количества кислоты, допущенной для применения в пищевых продуктах (обычно соляной или уксусной). Поскольку доступных приборов для оперативного определения щелочности в настоящее время нет, в непрерывных схемах обработки используют дозирование по рН. При этом следует помнить, что пропорциональность рН
Фильтрат
Исходная вода
Эжектор-распылитель
Обратный клапан Повысительный насос а
Блок управления _ Исходная вода
Дозирующий насос
Фильтрат
ЖФ
Рис. 1. Современные установки для обезжелезивания воды: а — фирмы Birm объемной аэрации (содержание двух- или трехвалентного железа до 10 мг/дм3); б — фирмы Greensand дозирование перманганата (содержание двух- или трехвалентного железа до 20 мг/дм3)
б
5•2008
66
Тип насыпного фильтра Объем загрузки, дм3 Производительность, м3/ч Габаритные размеры, мм
номинальная максимальная диаметр высота
ФЖ-0,2-618Д 5 0,2 0,3 165 475
ФЖ-0,4-835Д 19 0,4 0,5 213 899
ФЖ-0,4-844Д 25 0,4 0,5 213 1113
ФЖ-0,5-1035/1 28 0,5 0,8 259 902
ФЖ-0,5-1047/1 38 0,5 0,8 259 1207
ФЖ-0,5-1054/1 44 0,5 0,8 259 1382
ФЖ-0,8-1252Д 66 0,8 1,2 325 1334
ФЖ-0,9-1354/1 71 0,9 1,3 333 1392
ФЖ-1,0-1465/1 100 1,0 1,5 356 1633
ФЖ-1,3-1665/1 131 1,3 2,0 409 1643
ФЖ-2,0-2062/1 193 2,0 3,0 508 1669
ФЖ-2,4-2260/1 215 2,4 3,6 554 1610
ФЖ-3,1-2471/1 314 3,1 4,6 625 1943
ФЖ-4,8-3072Д 507 4,8 7,3 785 2047
ФЖ-7,0-3672/1 745 7,0 10,4 942 2062
ФЖ-8,7-4272/1 922 8,7 13,1 1054 2184
8-
Рис. 2. Угольный фильтр «Ключ 4Т» (SL) производительностью 600 дм3/ч
и щелочности строго индивидуальна для каждого состава воды.
Расчет необходимого количества кислот или их растворов производится лабораторией завода (Производственный технологический регламент).
Пример 1. Щелочность составляет 7 см3 0,1 моль/дм3 HCl на 100 см3. Определить количество соляной кислоты, требующейся для доведения щелочности 1000 дал воды до 4 см3 0,1 моль/ дм3 HCl 100 см3 воды.
Для снижения щелочности воды с 7 до 4 см3, т.е. на 3 см3, требуется добавление 3 см3 0,1 моль/дм3 HCI на 100 см3 воды, что соответствует 300 дм3 0,1 моль/дм3 HCI на 1000 дал воды.
В 1 дм3 0,1 моль/дм3 раствора содержится 3,64 г соляной кислоты, а в 100 дм3 — 364 г. В концентрированной соляной кислоте с плотностью 1,19 кг/м3 содержится 39,11 % кислоты.
Следовательно, концентрированной соляной кислоты потребуется
364-3-100 / 39,11 = 2792 г
или
2792 / 1,19 = 2346 см3.
Пример 2. Щелочность воды составляет 7,5 см3 0,1 моль/дм3 HCI на 100 см3. Определить количество уксусной кислоты, требующееся для доведения щелочности 1000 дал воды до 4 дм3 0,1 моль/дм3 HCI на 100 см3.
Для снижения щелочности воды на 3,5 см3 (7,5-4,0) требуется добавле-
ние 3,5 см3 0,1 моль/дм3 раствора уксусной кислоты на 100 см3 воды, что соответствует 350 дм3 0,1 моль/ дм3 раствора уксусной кислоты на 1000 дал воды.
В 1 дм3 0,1 моль/ дм3 раствора уксусной кислоты содержится 6 г уксусной кислоты, а в 350 дм3 — 2100 г кислоты. При использовании 80%-ного раствора потребуется добавление раствора кислоты на 1000 дал воды:
2100 • 100 / (80 • 1,07) = 2,453 дм3.
Кондиционирование окисляемости
Снижение окисляемости (удаление органических веществ). Как уже отмечалось ранее, параметр окисляемости напрямую зависит от содержания в воде органических веществ, которые присутствуют в виде природных и техногенных соединений.
К природным относят гуминовые и фульвокислоты и их соединения, в том числе их комплексы с железом.
Техногенные образуются в результате действия человека. В их числе продукты, образующиеся при обработке воды активным хлором, включая наиболее токсичные и канцерогенные — диоксины.
Органические загрязнения могут быть удалены из воды тремя методами: разрушением (окислением) до СО2 и Н2О; извлечением; совместным действием окислителей и сорбентов.
Разрушение производится сильными окислителями, такими, как хлор, кисло-
род, озон, а также жестким ультрафиолетом.
Извлечение органических веществ может быть осуществлено сорбцией, коагуляцией и мембранными методами.
Наиболее современный способ удаления органики — ультрафильтрационный. Он позволяет одновременно дезинфицировать воду, удалить все взвеси и многие органические вещества (дезодорировать и обесцветить воду).
При пропускании воды через полупроницаемую мембрану на ней задерживаются органические вещества, имеющие молекулярную массу: при ультрафильтрации — более 10 000; при нанофиль-трации — более 200; при обратном осмосе — практически любую.
При сорбционном извлечении молекулы органических веществ сорбируются на поверхности специально подготовленного сорбента, в качестве которого обычно используют активные угли. Угольный фильтр устанавливают после механического или катионитного.
Современный угольный фильтр «Ключ 4Т» (SL) производительностью 600 дм3/ч показан на рис. 2. Предусмотрено заполнение колонки импрегниро-ванным серебром кокосовым активным углем, что позволяет при очистке воды увеличить ресурс работы угля и частично очистить воду от микроорганизмов (модификация ЭФС-РУ Ag).
Процесс очистки воды от органических соединений активным углем включает следующие стадии:
• обеззоливание активного угля промывкой 0,5-1 %-ным раствором HCl;
• приготовление 0,03-0,05%-ного раствора КМпО4;
• обработка исходной воды раствором КМпО4;
• умягчение обработанной КМпО4 воды на Na-катионитовой установке;
• доочистка умягченной воды активным углем;
• фильтрование очищенной воды через песочный фильтр;
• регенерация активного угля.
Рекомендуют применять следующие
марки углей: гранулированные 4Г-3, АР-3, АГ-5 и дробленый БАУ-А или отработанный уголь с водочных угольных контакторов производства водки, если не используется его регенерация. Поскольку уголь требует периодической замены, фильтры должны быть снабжены специальными люками для загрузки и выгрузки угля.
Для извлечения минеральных солей из угля (обеззоливание) применяют 0,5-1%-ный раствор HCl. Обработка угля осуществляется путем заливки его 0,5-1 %-ным раствором соляной кислоты, выдержки в течение 60 мин и последующим сбросом отработанного раствора кислоты в канализацию совместно с отходящими водами из бутылкомоечных машин.
5 • 2008
67
Обработка воды КМпО4 проводится с целью снижения окисляемости исходной воды, удаления ионов двухвалентного железа и снижения нагрузки с угольных фильтров.
Раствор 0,03-0,05% -ного марганцовокислого калия задается из дозатора. Время выдержки воды с КМпО4 должно быть не менее 20-30 мин, поэтому емкость напорного бака должна быть рассчитана не менее чем на часовую потребность очистного отделения по воде. Из напорного бака-реактора вода, обработанная КМпО4, самотеком или насосом подается на умягчение на Na-катио-нитовой установке.
После выхода из Na-катионитового фильтра умягченная вода поступает на угольную колонку, загруженную активным углем БАУ-А, а затем на вторую угольную колонку с углем АГ-3 или АГ-5 для глубокого удаления органических веществ активным углем, предварительно прошедшим обработку 0,5-1 %-ным раствором HCl.
Об эффективности действия угля судят по разности показателей окисля-емости воды исходной и обработанной активным углем, которая должна быть не менее 0,2-0,3 мг О2/дм3.
После обработки активным углем для улавливания его частиц вода направляется на песочный фильтр, а затем в сборник умягченной воды.
Регенерация активного угля проводится 8%-ным раствором хлорида натрия или 1 %-ным раствором NaOH с последующей отдувкой насыщенным паром.
Обесцвечивание воды
Окраска воды вызывается соединениями железа или гуминовыми веществами. Железо в виде карбоната закиси Fe (HCO3)2 под действием воздуха окисляется по уравнению
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O ^ ^ 4Fe(OH)3| + 8CO2t
Аэрацию воды осуществляют в открытых градирнях или закрытых деферриза-торах (цилиндрических резервуарах, в которые подается сжатый воздух). В обоих случаях осадок отделяют фильтрацией через слой песка.
Для удаления сернокислого железа (FeSO4) воду подвергают известкованию в специальных установках. Железо, содержащееся в виде гуматов, полностью удаляется при коагуляции коллоидных примесей.
Дезодорирование
Удаление неприятных запахов и привкусов, вызываемых малыми концентрациями примесей, преимущественно органи-
ческой природы, достигается окислением или их адсорбцией.
Окисление проводят хлором, двуокисью хлора, перманганатом калия, озоном. Введение химических реагентов может давать дополнительные привкусы, нежелательные для напитков, поэтому обычно используют адсорбцию в угольных фильтрах.
Дехлорирование
При заборе воды из городских сетей, особенно в весенне-осенний период, возможно заметное органолептическое присутствие хлора, способное повлиять на качество изделия. Содержание ионов хлора способно повредить мембраны в системах обратного осмоса, их должно быть не выше 0,1 мг/дм3 (Б. Е. Рябчиков).
Процесс удаления избыточного активного хлора называется дехлорированием.
Дехлорирование осуществляется при пропускании воды через активированный уголь. На загрузке происходит восстановление активного (растворенного) хлора до аниона С1-. Ресурс работы угля значительно выше, чем при сорбции органики, и может составлять несколько лет.
При очистке природной воды на активном угле происходит, кроме того, окисление Fe2+ до Fe3+, а также задерживаются взвеси и коллоидные частицы Fe3+. Регенерация фильтров при дехлорировании производится путем обратной промывки исходной водой.
Дехлорирование осуществляется либо в отдельном аппарате, либо совмещается с другими операциями (механической фильтрации, удаления органики).
Обеззараживание
Под обеззараживанием понимают мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. Обеззараживанию подвергается только вода, уже прошедшая предшествующие стадии обработки: коагулирование, осветление и отстаивание, фильтрование, так как после таких манипуляций в воде отсутствуют частицы, на поверхности или в порах которых могут находиться бактерии и вирусы, уничтожение которых затруднено.
По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяют:
на термические (стерилизация, пастеризация); химические или реагент-ные (обработка окислителями: хлором, озоном, перманганатом калия);
олигодинамия (обработка ионами благородных металлов, например серебром);
физические или безреагентные (облучение ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком и пр.);
комбинированные (одновременное применение химического и физического воздействия).
Перед обеззараживанием вода обычно подвергается очистке фильтрованием и (или) коагуляцией для удаления взвешенных вещества, яиц гельминтов и части микроорганизмов.
При химическом окислении эффективность зависит от природы окислителя, его концентрации, продолжительности контакта и от качества обеззараживаемой воды. Для определения эффективности выбранного окислителя обычно необходимо проведение предварительных опытов.
Наиболее распространенным химическим методом обеззараживания воды остается хлорирование. Это объясняется высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента — жидкого или газообразного хлора — и относительной простотой обслуживания.
Очень важное и ценное качество метода хлорирования — его последействие. Если количество хлора взято с некоторым расчетным избытком, так чтобы после прохождения очистных сооружений в воде содержалось 0,3-0,5 мг/дм3 остаточного хлора, то вторичного роста микроорганизмов в воде не происходит.
Одновременно с обеззараживанием воды протекают реакции окисления органических соединений, при которых в воде образуются хлорорганические соединения, обладающие высокой токсичностью, мутагенностью и канцеро-генностью. Последующая очистка воды на активном угле не всегда может удалить эти соединения.
Хлор — это сильнодействующее токсическое вещество, требующее соблюдения специальных мер по обеспечению безопасности при его транспортировке, хранении и использовании, а также мер по предупреждению катастрофических последствий в чрезвычайных аварийных ситуациях, вызывает коррозию оборудования. Хлор воздействует не на все патогенные микроорганизмы, поскольку существуют хлоррезистентные бактерии и вирусы, цисты простейших и яйца гельминтов. Вдобавок хлор сильно ядовит — в воде образуются хлороформ (сильнейший токсикант), хлорорганика (всего до 235 токсичных соединений). Хлор, соединяясь с некоторыми веществами (типа фенолов), даже в малых дозах может придавать воде стойкий неприятный хлорфенольный («аптечный») запах.
Метод озонирования технически сложен и наиболее дорогостоящ. Технологический процесс включает последовательные стадии очистки воздуха, его охлаждения и осушки, синтеза озона, смешения озоно-воздушной смеси с об-
5 • 2008
68
Выход воды
Кварцевый чехол УФ-лампа
Корпус излучателя
Рис. 3. Общий вид ультрафиолетовой
установки для обеззараживания воды производительностью 10 м3/ч
рабатываемой водой, отвода и деструкции остаточной озоно-воздушной смеси, вывода ее в атмосферу. Все это требует также дополнительного вспомогательного оборудования (озонаторы-компрессоры, установки осушки воздуха, холодильные агрегаты и т.д.), объемных строительно-монтажных работ.
Озон токсичен. Предельно допустимое содержание этого газа в воздухе производственных помещений составляет 0,1 г/м3. К тому же существует опасность взрыва озоно-воздушной смеси.
Применение благородных металлов (в первую очередь ионы серебра, иногда медь) для обеззараживания питьевой воды основано на использовании их бактерицидного действия в малых концентрациях. Эти металлы могут вводиться в виде растворов солей либо методом электрохимического растворения. ПДК ионов серебра и меди в питьевой воде достаточно жесткие. Иногда соли серебра вводятся в активный уголь или ионит не столько для обеззараживания, сколько для предотвращения развития колоний патогенных микроорганизмов и водорослей при остановках и простоях оборудования.
Из физических способов обеззараживания питьевой воды наибольшее распространение получило обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, бактерицидные свойства которых обусловлены действием на клеточный обмен и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий и не изменяют органолептических свойств воды. Поскольку при УФ-облучении не образуются токсичные продукты, то не существует верхнего порога дозы. Увеличением дозы УФ-излучения почти всегда можно добиться желаемого уровня обеззараживания.
В настоящее время проточные установки УФ-излучения выпускаются серийно с производительностью от 1 до 6000 м3/ч. На рис. 3 представлен общий вид ультрафиолетовой установки
«Фруктовые и овощные соки»
Авторский коллектив под рук. У. Шобингера (перевод с немецкого 3-го переработанного и дополненного издания под общей редакцией А. Ю. Колеснова, Н. Ф. Берестеня, А. В. Орещенко, 2004 г.)
для обеззараживания воды производи- Новая КНИГа тельностью 10 м3/ч.
В процессе работы бактерицидной (ультрафиолетовой) установки через каждые 1500-2000 ч горения надо менять дорогие бактерицидные лампы, что является серьезным недостатком метода.
Использование установок по ультрафиолетовому обеззараживанию воды дает очень интересный результат. В процессе облучения часть микроорганизмов затормаживаются в росте и получают эффект «замораживания». На выходе из установки результаты получаемой воды соответствуют требуемым. Однако если отобранную после облучения воду поместить в стерильную посуду, то на 3-5-е сутки отмечается активный рост микроорганизмов. Вновь полученные микроорганизмы в этой воде имеют мутированные свойства (видоизменение чувствительности). При необходимой для исходной воды 1 части дезинфек-тантов для полученной после опыта воды требуется увеличение концентрации де-зинфектантов до 10 частей.
В безалкогольной промышленности широкое распространение получило обеспложивающее фильтрование, т.е. применение микрофильтров с размерами пор менее 1 мкм, на котором микроорганизмы и споры удаляются механически.
Удаление нитратов
В воде поверхностных источников присутствуют соединения азота в виде нитратов и нитритов. Установленные нормы на содержание нитратов составляют NO3- < 45 мг/ дм3, нитритов — NO2- < < 3 мг/ дм3.
Специально для процессов извлечения нитратов всеми ведущими производителями ионитов разработаны аниони-ты, селективность которых к нитратам выше, чем к сульфатам, например анио-нит А-520Е фирмы Purolite, IMAK HP555 фирмы Rohm & Haas. Ряд селективности для таких анионитов выглядит следующим образом: НСО3 < С1 < SO4 < NO3.
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 водопод-готовительных установок обратного осмо-са^Производство 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. <ST
В уникальном научно-практическом справочном издании, подготовленном ведущими специалистами мировой соковой индустрии, представлены все аспекты производства фруктовых и овощных соков, нектаров и сокосо-держащих напитков — от переработки сырья до розлива.
Подробно представлены: производство соков прямого отжима и восстановленных, концентрированных соков; технологическое оборудование для переработки фруктов и овощей; технологии стабилизации и осветления соков; получение концентрированных ароматобразу-ющих веществ; технологии консервирования соков; подготовка и восстановление соков; изготовление нектаров и сокосодержащих напитков, а также их розлив, упаковка и этике-тирование.
Большое внимание уделено физико-химическому составу фруктов, овощей и соков из них; утилизации отходов производства, включая очистку сточных вод, а также микробиологическим свойствам соков. Отдельный раздел посвящен методам анализа соков, их идентификации, экспертной оценке и способам выявления фальсификаций. Приведен подробный обзор национальных и международных нормативных документов, в том числе международных стандартов Комиссии Codex Alimentarius, а также основного стандарта, применяемого в ВТО для регулирования производства и обращения соков на мировом рынке — Единого стандарта Codex Alimentarius на фруктовые соки и нектары (CODEX STAN 247-2005), и Директивы Европейского союза на фруктовые соки и однородные продукты для питания человека (Директива 2001/112/ ЕС).
Издание предназначено для специалистов предприятий по переработке фруктов и овощей, производству и розливу соков прямого отжима, розливу восстановленных и концентрированных соков, безалкогольных и слабоалкогольных напитков, для поставщиков сырья и оборудования индустрии напитков, для сотрудников органов контроля и надзора, научных организаций, органов по сертификации и стандартизации, также таможенной службы, научных специалистов, студентов высших учебных заведений.
Заявки присылайте по факсу: 8 (495) 607-20-87.
5 • 2008 пшо.шшитта
69
