CC BY
31
Выбор оборудования водоподготовки пищевых производств
И.В. Пригун, М.С. Краснов
ООО «Экодар»
Все большее число отечественных предприятий пищевой промышленности оснащается современными производственными линиями. Высокотехнологичное оборудование требует сырья, прошедшего тщательную предподго-товку. Один из видов сырья, которое в той или иной степени используется всеми пищевыми производствами, -специально подготовленная вода. Как было отмечено в предыдущей статье (№ 1, 2006 г., с. 82-83), разным пищевым производствам требуется вода, имеющая различный макро- и микроминеральный состав, что влечет за собой построение специфических схем водоподготовки. В свою очередь, выбор оборудования линии водоподготовки связан с множеством факторов, основные из которых:
• требуемое качество воды для технологического процесса;
• качество исходной воды;
• требуемая производительность установки водоподготовки и режим во-допотребления;
• наличие площадей для размещения оборудования;
• наличие и размеры подводящих, отводящих трубопроводов и канализации;
• наличие электропитания и его мощность;
• давление в водопроводной системе, имеющееся и требуемое;
• состояние действующего оборудования для водоподготовки.
При отсутствии данных по одному из этих пунктов или при наличии неполных, ошибочных данных выбор системы водоподготовки для конкретного технологического процесса производства представляет значительные трудности.
Для ряда пищевых производств существуют нормативные документы, регламентирующие содержание примесей в воде. Гигиенические требования и нормативы качества питьевых вод, расфасованных в емкости по первой и высшей категории качества,
представлены в СанПиН 2.1.4.1116-02 [1]. В этом же документе указаны дополнительные требования к расфасованной воде для детского питания (при искусственном вскармливании детей). Эта вода не должна содержать углекислого газа и серебра в качестве консерванта, содержание фторид-ионов -0,6-0,7 мг/л, йодид-ионов - 0,040,06 мг/л. Состав воды, используемой для производства пива и безалкогольных напитков, регламентируется ТИ 10-5031536-73-10 «Технологическая инструкция по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков» [2], утвержденной НПО напитков и минеральных вод. Показатели технологической воды для приготовления водок на экспорт представлены в ТИ 10-04-03-07-90, пределы допустимого содержания компонентов воды, используемой для приготовления водок - в ТР 10-04-03.09-88. Требования к воде для использования ее в других технологических процессах либо регламентируются производителями оборудования, либо совпадают с требованиями, предъявляемыми к питьевой воде (СанПиН 2.1.4.1074-01 «Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения»). Требования к системам водоснабжения и канализации представлены в СНиП 2.04.01-85, к сосудам, работающим под давлением, - в ПБ 03-576-03.
Вода из централизованных источников водоснабжения, обслуживающих населенные пункты, имеет достаточно высокую стоимость. Поэтому большинство производителей пищевой продукции ориентируются на артезианские скважины, расположенные на минимальном расстоянии от производства. Как правило, артезианская вода содержит ряд примесей, из-за которых ее невозможно использовать без предварительной подготовки. Ориентировочно, наличие компонентов природного происхождения в подземных водах различных регионов России, содержа-
ние которых может превышать ПДК, представлено в СанПиН 2.1.5.1059-01 «Гигиенические требования к охране подземных вод от загрязнения». Информацию о возможных загрязнениях перед бурением скважины на определенную глубину можно получить в местной СЭС.
Отсутствие предварительной информации и оценки возможных затрат при использовании различных схем водо-подготовки могут привести к существенному увеличению затрат на эксплуатацию системы. Приведем конкретный пример. Ряд артезианских скважин в радиусе 5 км в Подмосковье был пробурен на глубину 30 м. В воде из этих скважин содержалось до 10 ПДК железа при общей жесткости воды 3 мг^экв/л. Железо достаточно легко удалялось на осветлительно-сорбци-онных фильтрах с предварительной аэрацией. В той же местности была пробурена скважина на глубину 130 м. Содержание железа в ней было в норме, а жесткость, преимущественно карбонатная, составляла 10 мг^экв/л. При использовании этой скважины для снижения жесткости воды в 2 раза потребовалось увеличение эксплуатационных затрат в 10 (!) раз. Это в очередной раз подтверждает, что в каждом конкретном случае вопрос о возможности использования скважины в производстве должен решаться отдельно, с наличием максимально полной и подробной информации.
Обязательные показатели анализа воды, без которых невозможно с удовлетворительной точностью определить состав оборудования системы водоподготовки: рН (водородный показатель), железо общее, марганец, общая жесткость, общая щелочность, сухой остаток (солесодержание), перманга-натная окисляемость, мутность, цветность, запах. Каждый из этих показателей и их комбинации лежат в основе подбора необходимого оборудования и сорбентов для водоподготовки.
Не менее важные данные для разработки системы водоподготовки - производительность системы, необходимая для обеспечения технологических нужд, и режим водопотребления. В зависимости от предполагаемого устанавливаемого оборудования реальная производительность скважины должна быть выше на 20-50 %, чтобы обеспечить внутреннюю потребность системы водоподготовки. При использовании системы водоподготовки, которая не может обеспечить требуемого количества воды, возможно поступление неочищенной воды и снижение качества
получаемой продукции. Применение же системы с высокой производительностью для малого потребления нецелесообразно не только с позиции экономики. Недостаточный водоразбор может приводить к росту микроорганизмов на загрузке фильтров или отказу работы отдельных узлов системы водоподготовки. Так, на одном из предприятий система водоподготовки по производству бутилированных вод и безалкогольных напитков производительностью 20 м3/ч помимо других элементов включала озонатор. Предприятие-изготовитель озонатора гарантировало дозирование озона в воду в необходимых количествах при производительности системы водо-подготовки от 7 до 25 м3/ч. При снижении производительности системы менее 5 м3/ч в ночную смену озонатор автоматически отключался, что приводило к росту эксплуатационных затрат и, в отдельных случаях, к получению воды с неудовлетворительными показателями качества.
Точное определение требуемой производительности системы водоподготовки в значительной степени влияет на капитальные затраты по внедрению этой системы, что связано не только с производительностью самого оборудования водоподготовки, используемых сорбентов, но и со стоимостью трубопроводов, запорной, регулирующей аппаратуры, контрольно-измерительных приборов, которая может составлять, в зависимости от сложности системы, до 20 % от ее стоимости. Один из самых важных моментов при определении производительности системы - учет режима водопотребления. Различают четыре основных типа водопотребления: равномерный, равномерный с пиковым водопотреблением, периодический, периодический с пиковым водопотреблением.
На основании технологических регламентов производства и возможных других потребностей должны быть определены как тип водопотребления, так и конкретные данные по расходу воды в отдельные промежутки времени. Точное определение этих показателей может значительно снизить затраты на водоочистное оборудование. Так, несмотря на то, что среднее водо-потребление умягченной воды небольшим хлебозаводом составляет 2 м3/ч, пиковая производительность при орошении из форсунок составляет 15 л/с (54 м3/ч) в течение нескольких секунд. В этом случае требуется установка не более высокопроизводительного водоочистного оборудования, а допол-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Таблица 1
Минимальные размеры помещения (длина х ширина х высота), требуемые для размещения
оборудования, мм
Технологиче- Производительность, м3/ч
ский процесс 2,5 5 10 20 50 100
Осветление, сорбция 650х650х 2500 850х850х 2700 2000х2500х 2800 4500х2500х 2800 8000х2500х 2800 8000х5000х 2800
Умягчение 650х1350х 2500 850х1700х 2700 3000х2500х 2800 4500х3500х 2800 8000х3500х 2800 8000х7000х 2800
Обратный осмос 4000х2000х 1800 4000х2000х 1800 5000х2500х 2000 6500х3000х 2200 9000х3500х 2200 9000х7000х 2200
нительного гидроаккумуляторного оборудования, способного резко увеличить производительность системы на точечный период. С другой стороны, режим водопотребления может быть обусловлен сменной работой пищевого производства. В случае одно-, двухсменной работы возможна установка оборудования периодического действия, на котором регенерация агрегатов водоподготовки происходит в то время, когда водоразбор минимален или полностью отсутствует, что может более чем в 1,5 раза снизить капитальные затраты по сравнению с установкой системы непрерывного действия.
При проектировании системы водо-подготовки особое внимание необходимо уделить тому, что для размещения оборудования и проведения коммуникаций необходим достаточно большой объем помещения. Требуемые размеры могут быть определены фирмой-разработчиком систем водоочистки после того, как сделаны анализы воды и установлена необходимая производительность оборудования. Общие ограничения состоят в том, что для установок с производительностью свыше 10 м3/ч требуются помещения высотой не менее 2,5 м, а для установок с производительностью выше 20 м3/ч -не менее 2,8 м. Эти ограничения касаются осветлительно-сорбционных фильтров, систем умягчения и химического обессоливания воды. Высота об-ратноосмотических установок очистки воды с производительностью до 100 м3/ч, как правило, ограничена 2,2 м.
В табл. 1 указаны ориентировочные размеры помещения при отсутствии каких-либо дополнительных конструкционных элементов (опорных колонн, перегородок, дренажных приямков и т. п.) и агрегатов (распределительных шкафов, накопительных емкостей, насосных станций, аэраторов и т. д.). При отсутствии необходимых площадей в едином помещении допускается использовать и другие площади, но это значительно усложняет обслуживание системы водоподготовки.
Другая наиболее часто встречающаяся проблема, связанная с размещением оборудования, - это то, что неразборные части агрегатов (например, корпуса фильтров) имеют габариты, превышающие дверные и оконные проемы, а длина мембранных корпусов установок высокой производительности может превышать длину прямых участков внутренних помещений. Поэтому при ограниченных размерах помещений и проемов проблему завоза водоочистного оборудования предпочтительно решать до окончательной внутренней отделки помещения или на начальной стадии его реконструкции. Размеры наиболее объемных составляющих систем водоподготовки можно определить, обратившись в компанию, разрабатывающую системы водопод-готовки промышленных объектов.
Расчет трубопроводов, которые могут обеспечить необходимую производительность системы водоподготовки, представлен в СНиП 2.04.01-85. Упрощенный метод определения диаметров трубопроводов заключается в том, линейная скорость потока воды через трубопроводы системы должна составлять 1,5 - 2,5 м/с. Исходя из диаметров подводящих и отводящих трубопроводов, можно ориентировочно определить возможную производительность системы. Так, трубопроводы с условным диаметром 90 мм могут обеспечить производительность до 55 м3/ч. Для качественного проведения монтажа заказчик до начала выполнения работ должен определиться с диаметром и типом присоединений на входе и выходе из системы (фланцевое, резьбовое, приварное).
Отдельную проблему составляет канализация. Пропускная способность канализационных труб не должна быть меньше, чем водопотребление установки при обратной промывке (при использовании систем фильтрации) и объема потока концентрата (при применении обратноосмотических установок). Расстояние от элементов системы до общей канализации с условным ди-
Таблица 2
Периодичность замены фильтроэлементов
Фильтр
Показатель Механический (грязевой) Осветлительно-сорбционный Умягчитель (ионообменный)
Перепад давлений, бар 0,6-0,8 0,6-0,8 0,6-1,0
Период между регенерациями, сут 7-30 1-7 0,33-7
аметром, равным диаметрам трубопроводов на входе и выходе, не должно превышать 3 м. Если дренажный трубопровод от каждого фильтра имеет длину более 5 м или проложен выше фильтра на 1 м и более, отведение сточных вод необходимо осуществлять по трубопроводу с условным диаметром, большим, чем диаметр входного и выходного трубопроводов. Во избежание попадания в помещение водоподготовки газов из системы канализации сброс сточных вод предпочтительно осуществлять в общую канализацию с разрывом струи через гидрозатвор (канализационный трап).
Потребляемая мощность электропитания в значительной степени зависит от установленного водоочистного оборудования. Если не требуется повышения общего давления и установления насосов (станций), повышающих давление в системах осветления, сорбции, умягчения и дозирования, потребляемая мощность невелика и ориентировочно составляет от 20 до 60 Вт на один агрегат. В отличие от этих систем для обслуживания систем обессоливания на основе обратного осмоса или электродиализа требуется мощность от 2 до 15 кВт.
Система электропитания установок водоподготовки должна соответствовать основным требованиям, представленным в ГОСТ Р 51330.9-99. Розетки системы электропитания электронных блоков фильтров и дозирующих систем необходимо по возможности устанавливать выше трубопроводов, чтобы исключить попадание на них воды. В состав электрооборудования системы водоподготовки в последнее время все чаще включают систему «Аквастоп», которая позволяет полностью перекрыть подачу воды на входе при ее попадании на пол помещения и подать дублирующий сигнал оператору об аварии.
Для нормального функционирования систем осветления, сорбции и умягчения требуется поддержание давления во входной линии подачи воды от 2 до 6 атм (бар). Эти ограничения обусловлены тем, что при меньшем давлении резко повышается вероятность отказа в работе узлов гидроуп-
равления, а во время длительной работы при большем давлении увеличивается вероятность появления протечек в разборных соединениях системы. Как правило, все элементы таких систем водоподготовки рассчитаны на кратковременное воздействие (опрес-совку) при давлении 10 бар. Обратно-осмотические системы отличаются тем, что рабочее давление в них может достигать 16 бар. Для таких систем требуются специальные высоконапорные трубопроводы и аппаратура. Контрольную аппаратуру слежения за давлением в системе устанавливают, как правило, на входных, выходных трубопроводах из системы, а также после каждого фильтрующего или другого элемента.
Контроль за поддержанием необходимого давления в водоочистной системе осуществляют визуально (с помощью манометров), а также с помощью датчиков, показания от которых выводятся на пульт оператору или за счет автоматического регулирования давления в системе с насосной станцией. Превышение перепада давления на отдельных элементах системы говорит о необходимости промывки или замены фильтрующих материалов. Ориентировочное значение перепада давлений на входе и выходе из фильтроэлементов, при котором требуются промывка, регенерация или замена, а также периодичность проведения этих операций, представлены в табл. 2.
На предприятиях достаточно часто возникает необходимость модернизации существующей системы водоподготовки, что связано с расширением производства или изношенностью используемого оборудования. При наличии достаточного количества средств и площадей устанавливают новую линию водоподготовки, после чего проводят демонтаж или модернизацию существующего оборудования. Из напорного оборудования, установленного более 15 лет назад, с достаточной степенью вероятности после очистки могут быть использованы только нержавеющие емкости. Пластиковые емкости к этому моменту почти полностью выра-
батывают свой ресурс и имеют малую надежность, а емкости из оцинкованной стали имеют признаки глубинной коррозии. Возможность использования существующих подводящих, отводящих и дренажных трубопроводов в каждом случае рассматривается отдельно. При уменьшении внутреннего диаметра трубопроводов в 2 раза и более за счет отложений требуется предварительная очистка. В любом случае при использовании старых трубопроводов для подачи очищенной воды качество ее в первые 3-6 мес будет хуже, чем у воды, получаемой от станции во-доподготовки, вновь введенной в эксплуатацию, за счет постепенного растворения отложений в трубопроводах.
При необходимости увеличения производительности, улучшения качества очищаемой воды и наличии установленного оборудования в достаточно короткие сроки может быть проведена модернизация водоочистной системы. При этом, как правило, для увеличения интенсивности процессов во-доподготовки перезагружают напорные емкости и устанавливают автоматические управляющие электронные блоки.
В настоящее время отрасль водопод-готовки для промышленных предприятий интенсивно развивается, появляется достаточно много новых технологий, материалов и агрегатов, позволяющих снизить затраты и интенсифицировать процесс. В связи с этим обращаться к специалистам компаний, занимающихся разработкой и монтажом систем водоподготовки для пищевых производств, предпочтительнее на первом этапе проектирования таких систем.
В последующих статьях будут рассмотрены наиболее часто используемые в пищевой промышленности способы водоподготовки и соответствующее аппаратурное оформление.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вода. Санитарные правила, нормы и методы безопасного водопользования населения. Сборник документов. 2-е изд., перераб. и доп./Соста-вители: Ю.А. Рахманин, З.И. Жолдако-ва, Г.Н. Красовский. - М.: ИнтерСЭН, 2004.
2. Сборник основных правил, технологических инструкций и нормативных материалов по производству безалкогольной продукции/Под ред. Н.Г. Саришвили. - М.: Пищепромиз-дат, 2000.
