CC BY
31
Первая ступень очистки воды
для пищевых производств
И.В. Пригун, М.С. Краснов
ООО «Экодар»
Для подавляющего большинства пищевых производств требуется очищенная вода, которая используется в технологическом цикле. Первый этап очистки заключается в удалении из нее механических примесей, окрашенных веществ и отдельных составляющих, в частности железа. Общие вопросы выбора оборудования для пищевых производств и общие требования к очищенной воде рассмотрены в предыдущих номерах журнала (№ 1, 2 за 2006 г.).
Основные проблемы, которые должны решать системы осветления и обез-железивания при подготовке воды пищевых производств, - снижение мутности и цветности воды. Мутность природных вод связана с присутствием тонкодисперсных примесей, которые не образуют истинных растворов. Цветность воды, как правило, определяют растворенные в ней органические и неорганические вещества. С этим отличием в первую очередь связаны способы удаления примесей из потребляемой воды. Взвешенные вещества, определяющие мутность воды, за исключением коллоидных частиц, могут быть
Характеристики высокоскоростных процессов водоподготовки
Частицы Размер, мм Время осаждения на глубину 1 м Способы удаления
Растворенные Менее 10-6 Сорбция; окисление + сорбция на засыпном фильтре; окисление и сорбция на каталитическом сорбенте
Коллоидные 2х10-4-1х10-6 4 года Окисление, коагуляция, флокуляция + сорбция на засыпном фильтре
Тонкая глина 1х10-3-5х10-4 0,5-2 мес Осаждение на засыпном фильтре; фильтрация через фильтр тонкой очистки
Глина 2х10-3-3х10-3 2 сут Осаждение на засыпном фильтре; фильтрация через фильтр тонкой очистки
Ил 5х10-2-2х10-3 10-30 мин Осаждение на засыпном фильтре; фильтрация через фильтр тонкой очистки
Мелкий песок 0,050,5 0,5-2,5 мин Осаждение на засыпном фильтре; фильтрация через фильтр механических примесей
Крупный песок 0,52,5 7-20 с Фильтрация через грубый механический фильтр
Другие Более 2,5 Менее 7с Фильтрация через грубый механический фильт
удалены фильтрованием на пористых механических фильтрах. Необходимо отметить, что фильтры механических примесей не снижают цветность исходной воды. Для удаления коллоидных и растворенных частиц можно обрабатывать воду на пористых, в том числе ионообменных материалах. Однако чаще проводится предварительная обработка воды различными реагентами для переведения растворенных веществ в нерастворимое состояние с последующим укрупнением коллоидных частиц и осаждением их на поверхности фильтрующих материалов. Характер частиц, их размеры, а также возможные способы удаления при проведении высокоскоростных процессов водоподготовки представлены в таблице.
При проектировании систем водо-подготовки пищевых производств необходимо помнить, что разовый отбор проб для определения показателей «мутность» и «цветность» не является представительным. Так, при использовании воды из поверхностных источников наибольшая мутность и цветность воды наблюдаются весной, во время паводка и в период летних дождей, а при применении артезианской воды -в начальный период эксплуатации скважины и при выработке горизонта. При использовании артезианской воды ее цветность также может увеличиваться в процессе интенсивной эксплуатации в результате просачивания воды из других горизонтов.
Примечательно то, что мутность и цветность не только отрицательно влияют на органолептические свойства воды, но и увеличивают защиту микроорганизмов, находящихся в воде, от обеззараживания. При обработке обеззараживающими реагентами (озон, активный хлор, перекись водорода) значительное количество этих веществ тратится на окисление органических примесей, железа, марганца, а не на обеззараживание воды. Мутность и цветность «экранируют» воздействие ультрафиолетового излучения и способствуют дальнейшему росту бактерий, что обусловливает особое внимание к проектированию систем осветления и обезжелезивания водоподготовки пищевых производств.
Ранее были достаточно широко распространены отстаивание и безнапор-
ная фильтрация воды через простейшие, например, песчаные фильтры. Коагулянты и окислители вводили непосредственно в контактную емкость или в трубопроводы перед ней. Это требовало значительных капитальных вложений и площадей, а также периодической чистки контактной емкости с применением значительного объема ручного труда.
Высокопроизводительные современные напорные осветлительно-сор-бционные фильтры позволяют проводить процесс водоочистки в автоматическом режиме, без значительных капитальных затрат на малых площадях. Замена фильтрующих материалов в напорных емкостях производится в зависимости от их функционального назначения и срока эксплуатации от года до 10 лет.
Как правило, потребность пищевых производств в воде составляет 2,5-100 м3/ч. Меньшую потребность можно обеспечить за счет установки бытовых или полупромышленных водоочистных систем. Для обеспечения производств системами водоподготовки производительностью более 200 м3/ч требуется монтаж установок, для размещения которых нужно строить отдельные помещения, подводить кабели электропитания большой мощности и прокладывать высокопроизводительные линии канализации. Для систем с производительностью более 200 м3/ч в настоящее время широко применяется безнапорное оборудование, занимающее большие площади [1].
Предварительная обработка воды на современных станциях водоподготов-ки производительностью до 200 м3/ч заключается, как правило, в удалении механических примесей с размером частиц более 100-300 мкм, что позволяет защитить высокотехнологичное оборудование от разрушения. Для задержания грубых включений и абразивных частиц наиболее часто используют сетчатые фильтры, которые требуют ручной промывки 1 раз в 7-30 дней (рис. 1). При значительном загрязнении исходной воды механическими примесями можно применять высокопроизводительные самопромывные фильтры. Для снижения мутности воды на 50-70 % можно использовать крупнозернистые напорные фильтры, в которых в качестве засыпки применяется гравий с размером частиц 2-5 мм и песок 0,8-2,0 мм. Наибольшую производительность при удалении механических примесей имеет гранулированная загрузка «Гарнет», которая обладает высоким коэффициентом однородности и небольшими геометрическими размерами - 0,42-0,6 мм при значительной насыпной массе (1,9-2,4 г/ см3). В отличие от фильтров с песком,
Рис. 1. Сетчатый грязевой фильтр
скорость потока воды в которых составляет 3,5-5,0 м/ч, скорость пропускания воды в режиме сервиса через фильтры с «Гарнетом» может достигать 12 м/ч. При использовании такой загрузки размеры фильтра могут быть уменьшены, что имеет большое значение при ограниченных размерах помещения. При отсутствии на входе фильтров грубой очистки и использовании в составе станции водоочистки фильтров, снабженных средствами гидроавтоматики, необходимо снабжать линию подачи воды в систему гидроавтоматики низкопроизводительным фильтром механических примесей (до 100 мкм).
Другая проблема, с которой наиболее часто сталкиваются потребители воды в пищевых производствах, - ее цветность. Снижение цветности воды (осветление) - достаточно сложная технологическая задача. Для ее решения широко применяют методы хлорирования, озонирования, аэрации и коагуляции с последующим осаждением загрязнений из воды на высокопроизводительных напорных осветлительно-сорбционных фильтрах [1, 2]. В отличие от традиционных методов введения реагентов в емкости высокоскоростная технология осветления предусматривает введение окислителей и коагулянтов с помощью инжектора в специальное устройство, установленное на трубопроводе, что в значительной степени способствует интенсификации процесса перемешивания.
В трубопроводы с очищаемой водой при хлорировании и проведении коагуляции реагенты вводят путем пропорционального дозирования с использованием высокоточных насосов-дозаторов. Аэрацию осуществляют нагнетанием воздуха в напорные (рис. 2) или безнапорные емкости, а также непосредственно в трубопроводы. Озонирование воды проводят на специальных установках, включающих генератор озона, контактную емкость и деструктор.
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Корпуса современных напорных ос-ветлительных фильтров, как правило, изготовляют из бесшовного композитного пластика, армированного стекловолокном. Внутри корпуса размещают дренажно-распределительную систему. Фильтры работают в автоматическом режиме, осуществление которого обеспечивают автоматические переключатели потоков воды из режима сервиса в режим промывки и автоматические блоки управления.
Воду осветляют осаждением или сорбцией примесей из воды на фильтрующем материале, находящемся внутри корпуса. Наиболее ответственная технологическая операция при разработке проекта системы осветления -подбор фильтрующего материала. Сорбцию трудноудаляемых органических примесей, как правило, проводят на активированном угле. В отдельных случаях, при высокой цветности воды, обусловленной присутствием гумино-вых солей и фульвокислот, для их удаления могут быть использованы анио-нообменные смолы - органопоглоти-тели. Однако наиболее распространены процессы сорбции частиц из воды, образовавшихся в ней в результате предварительного окисления и коагуляции. Метод контактной коагуляции заключается в задержании окисленных и агрегативно неустойчивых примесей на поверхности частиц контактной массы, находящейся в фильтре. Контактная коагуляция отличается не только высокой скоростью процесса, но и большой полнотой извлечения примесей из воды. Оптимальная доза коагулянта при таком процессе на 60-70 % меньше, чем при обычной конвективной коагуляции.
В качестве фильтрующего материала в этом случае используют инертные гранулированные материалы, например, гидроантрацит, сорбент АС, Filter AG, или при высокой концентрации
Рис. 2. Система аэрации
недоокисленного железа и марганца -каталитические материалы типа В1гт, вгеепБап^ МТМ.
В результате комплексной обработки на осветлительно-сорбционных фильтрах такого типа мутность воды снижается с 1500 до 1,5 мг/л, цветность - со 120 до 20 содержание железа - от 20 до 0,3 мг/л. При правильно подобранных предварительной обработке и фильтрующем материале вода после обработки должна удовлетворять требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» по упомянутым показателям.
Рис. 3. Станция водоподготовки для мини-пивзавода
Оборудование такого типа удаляет конкретные примеси с высокой скоростью процесса, большой полнотой извлечения в автоматическом режиме. Другое значительное преимущество этого технологического процесса - отсутствие промежуточных накопительных емкостей большого объема, что значительно снижает капитальные затраты. Регенерация фильтров осуществляется, как правило, без применения каких-либо химических веществ путем промывки слоя фильтрующего материала обратным током воды. При использовании каталитических сорбентов требуется дополнительный узел подготовки раствора, восстанавливающего каталитические свойства фильтрующего материала. Работа фильтров и дозирующих комплексов полностью автоматизирована и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала. Наличие программируемых электронных блоков управления, установленных как на фильтрах, так и на дозирующих насосах, позволяет осуществлять процессы в широком интервале изменяемых параметров.
В качестве примера реализации проекта с достаточно сложным узлом осветления и сорбции можно привести станцию водоподготовки производительностью 15 м3/ч для мини-пивзавода (рис. 3). Сложность при проектиро-
вании состояла в том, что исходная вода по многим показателям (мутность, цветность - в 7 раз, окисляе-мость, рН, жесткость, щелочность -последняя более чем в 2 раза, железо - в 10 раз, аммоний - более чем в 10 раз) не удовлетворяла требованиям ТИ 10-5031536-73-10. Разработанная и смонтированная схема водоподготов-ки включала последовательную механическую очистку на сетчатом фильтре, реагентную обработку воды, обезже-лезивание и осветление на напорных осветлительно-сорбционных фильтрах, сорбцию на активированном угле, частичное обессоливание на установке обратного осмоса, коррекцию водородного показателя, накопление воды в буферной емкости с повысительным насосом и УФ-обеззараживание.
Данная система водоподготовки была спроектирована с применением компьютерного моделирования, с помощью которого было установлено, что отсутствует необходимость пропускания всего потока воды через мембранную обратноосмотическую установку. Через нее пропускается 10 м3/ч воды, прошедшей осветление и обез-железивание, что позволило значительно снизить стоимость всей линии
водоподготовки. Моделирование также показало необходимость подкисле-ния обработанной воды.
В настоящее время достаточно часто возникают задачи модернизации существующих систем водоподготовки с целью увеличения их производительности и улучшения качества очищенной воды. Приведем один из наиболее ярких примеров реализации проекта модернизации системы водоподготовки. Существовавшая система водоподготовки производительностью 50 м3/ч включала подачу воды из скважины в безнапорную емкость, контактирование в ней воды с вносимым вручную твердым гипохлоритом кальция и подачу к потребителю. Исходная вода имела высокую исходную мутность, цветность и содержание железа (1,52,0 мг/л). По этим показателям вода после системы не соответствовала существующим нормативам. Кроме того, требовалась ручная периодическая очистка безнапорной емкости от накапливавшихся осадков. В модернизированной схеме водоподготовки существовавшая накопительная емкость была использована для аэрации и хлорирования воды, далее через насосную станцию и напорные осветлительно-
сорбционные фильтры очищенную воду подавали потребителю. Воздух и раствор гипохлорита вводятся в аэратор, расположенный на трубопроводе, идущем от скважины к безнапорной емкости, автоматически по сигналу, от электронного датчика потока. Процессы фильтрации воды и регенерации фильтров также полностью автоматизированы.
На этом объекте не требовалась дальнейшая обработка воды, поскольку по другим показателям, в том числе и «общей жесткости», вода удовлетворяла требованиям заказчика. Однако на большинстве пищевых производств требуется дальнейшая очистка воды. Процессы и аппаратура, которые позволяют проводить более глубокую очистку и кондиционирование воды, будут рассмотрены в дальнейшем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водопод-готовка: Учеб. пос. для вузов. - М.: Изд-во МГУ, 1996.
2. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике: Учеб. пос. для вузов. - М.: Изд-во МЭИ, 2003.
Тел.: /495/ 232-5262, 333-8033; Факс: /495/ 333-8256; www.ekodar.ru
эЬ
г
