Первая ступень очистки воды для пищевых производств

И.В.Пригун, М.С.Краснов

Для подавляющего большинства пищевых производств требуется очищенная вода, которая используется в технологическом цикле. Первый этап очистки заключается в удалении из неё механических примесей при помощи аэратора а так же 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 2006 г.

Основные проблемы, которые должны решать системы осветления и обезжелезивания 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 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 используется 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.

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 месяца

Осаждение на засыпном фильтре, Фильтрация через фильтр тонкой очистки

Глина

2х10-3 – 3х10-3

2 суток

Осаждение на засыпном фильтре, Фильтрация через фильтр тонкой очистки

Ил

5х10-2 – 2х10-3

10 – 30 минут

Осаждение на засыпном фильтре, Фильтрация через фильтр тонкой очистки

Мелкий песок

0,05 – 0,5

0,5 – 2,5 минуты

Осаждение на засыпном фильтре, Фильтрация через фильтр механических примесей

Крупный песок

0,5 – 2,5

7 – 20 секунд

Фильтрация через грубый механический фильтр

Другие

Более 2,5

Менее 7 секунд

Фильтрация через грубый механический фильтр

При проектировании систем водоподготовки 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 использовании артезианской воды – в начальный период эксплуатации скважины и при выработке горизонта. При использовании артезианской воды её 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. Это обуславливает особое внимание к проектированию систем осветления и обезжелезивания водоподготовки пищевых производств.

Ранее было достаточно широко распространено отстаивание и безнапорная фильтрация воды через простейшие, например, песчаные фильтры глубокой очистки. Введение коагулянтов и окислителей проводили непосредственно в контактную ёмкость или в трубопроводы перед ней. Это обуславливало необходимость значительных капитальных вложений и площадей. Требовалась также периодическая чистка контактной ёмкости с применением значительного объема ручного труда.

Высокопроизводительные современные напорные осветлительно-сорбционные фильтры позволяют проводить процесс водоочистки в автоматическом режиме, без значительных капитальных затрат на малых площадях. Замена фильтрующих материалов в напорных ёмкостях производится, в зависимости от их функционального назначения и срока эксплуатации от года до 10 лет. Сорбент является одним из самых эффективных фильтрующих компонентов, поэтому одна из основных областей его применения являются фильтрующие материалы

Как правило, потребность пищевых производств в воде составляет 2,5 – 100 м 3/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 необходимо строительство отдельных помещений, подведение кабелей электропитания большой мощности и прокладка высокопроизводительных линий канализации. Для систем с производительностью более 200 м3/ч и в настоящее время широко используется безнапорное оборудование, занимающее большие площади [ 1 ].

Предварительная обработка воды на современных станциях водоподготовки производительностью до 200 м3/ч заключается, как правило, в удалении механических примесей с размером частиц более 100-300 мкм. Это позволяет защитить высокотехнологичное оборудование от разрушения. Для задержания грубых включений и абразивных частиц наиболее часто используются сетчатые фильтры, которые требуют промывки вручную 1 раз в 7 – 30 дней (рис.1). При значительном загрязнении исходной воды механическими примесями могут быть использованы высокопроизводительные самопромывные фильтры. Для снижения мутности воды на 50 – 70% можно использовать крупнозернистые напорные фильтры, в которых в качестве засыпки используется гравий с размером частиц 2 – 5 мм и песок 0,8 – 2,0 мм. Наибольшей производительностью при удалении механических примесей имеет гранулированная загрузка "Гарнет", имеющая высокий коэффициент однородности и небольшие геометрические размеры – 0,42 – 0,6 мм при значительной насыпной массе (1,9 – 2,4 г/см3). В отличие от фильтров глубокой очистки с песком, 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. Этот вопрос встает наиболее остро 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).

Другой проблемой, с которой наиболее часто сталкиваются потребители воды в пищевых производствах – её цветность. Снижение цветности воды (осветление) – остаточно сложная технологическая задача. Для её решения широко используются 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 ёмкости, в 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.

Введение реагентов в трубопроводы с очищаемой водой при хлорировании и проведении коагуляции осуществляется путем пропорционального дозирования с использованием высокоточных насосов-дозаторов. Аэрация проводится путем нагнетания воздуха в напорные (рис 2) или безнапорные емкости, а также непосредственно в трубопроводы. Озонирование воды осуществляют на специальных установках, включающих в себя генератор озона, контактную емкость и деструктор.

Корпуса современных напорных осветлительных фильтров на основе сорбента, как правило, изготавливают 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.

Осветление воды осуществляется путем осаждения или сорбции примесей из воды на фильтрующем материале, находящимся внутри корпуса. Наиболее ответственной технологической операцией при разработке проекта системы осветления является подбор фильтрующего материала на основе сорбента. Сорбцию трудноудаляемых органических примесей, как правило, осуществляют на активированном угле. В отдельных случаях, при высокой цветности воды, обусловленной присутствием солей гуминовых и фульвокислот, для их удаления могут быть использованы анионообменные смолы – органопоглотители. Однако наиболее распространены процессы сорбции частиц из воды, которые образовались 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 недоокисленного железа и марганца - каталитические материалы типа Birm, GreenSand, MTM.

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 град, 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.

Оборудование такого типа осуществляет удаление конкретных примесей с высокой скоростью процесса, большой полнотой извлечения в автоматическом режиме. Другим значительным преимуществом этой технологического процесса является отсутствие промежуточных накопительных ёмкостей большого объёма, что значительно снижает капитальные затраты. Регенерация фильтров осуществляется, как правило, без применения каких-либо химических веществ путем промывки слоя фильтрующего материала на основе сорбента обратным потоком воды. При использовании каталитических сорбентов требуется дополнительный узел подготовки раствора, восстанавливающего каталитические свойства фильтрующего материала на основе сорбента. 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/час для минипивзавода (рис.4). Сложность при проектировании состояла в том, что исходная вода по многим показателям (мутность, цветность (в 7раз), окисляемость, рН, жесткость, щелочность (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 водоподготовки включала последовательную механическую очистку на сетчатом фильтре, реагентную обработку воды, обезжелезивание и осветление на напорных осветлительно-сорбционных фильтрах, сорбцию на активированном угле, частичное обессоливание на установке обратного осмоса, коррекцию водородного показателя, накопление воды в буферной ёмкости с повысительным насосом, аэратором и УФ-обеззараживание.

Проектирование этой системы водоподготовки было сделано с использованием компьютерного моделирования, с помощью которого было установлено, что необходимость пропускания всего потока воды через мембранную обратноосмотическую установку и аэратор. Через них пропускается 10 м3/час воды, прошедшей осветление и обезжелезивание. Это позволило значительно снизило стоимость всей линии водоподготовки. Моделирование также показало необходимость подкисления обработанной воды.

Достаточно часто в настоящее время 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, модернизированная система представлена на рисунке 3. Существовавшая система водоподготовки производительностью 50 м3/час включала подачу воды из скважины в безнапорную ёмкость, контактирование в ней воды с вносимым вручную твердым гипохлоритом кальция и подачу к потребителю. Исходная вода имела высокую исходную мутность, цветность и содержания железа (1,5 – 2,0 мг/л). По этим показателям вода после системы не соответствовала существующим нормативам. Кроме этого, требовалась периодическая очистка безнапорной ёмкости вручную от накапливавшихся осадков. В модернизированной схеме водоподготовки существовавшая накопительная ёмкость была использована для аэрации и хлорирования воды, далее через насосную станцию и напорные осветлительно-сорбционные фильтры очищенная вода подавалась потребителю. Ввод воздуха и раствора гипохлорита осуществляется в аэратор, расположенный на трубопроводе, идущем от скважины к безнапорной емкости. Введение этих реагентов производилось автоматически по сигналу от электронного датчика потока. Процесс фильтрации воды и регенерации фильтров также полностью автоматизирован.

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 в том числе используя аэратор и кондиционирование воды будут рассмотрены в дальнейшем.

  1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учебн. Пособие для вузов. М. Издательство МГУ, 1996, 680 с., 178 ил.
  2. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике: Учебное пособие для вузов.- М.: Издательство МЭИ, 2003. – 310 с. : ил.



Дата публикации: 15.07.2011