Выбор оборудования водоподготовки пищевых производств

Журнал «Пищевая промышленность», №2 2006 г.

И.В.Пригун, к.т.н. М.С.Краснов
ООО "Экодар"

Всё большее число отечественных предприятий пищевой промышленности оснащается современными производственными линиями. Высокотехнологичное оборудование требует сырья, прошедшего тщательную предподготовку. Одним из видов сырья, которое используется в той или иной степени всеми пищевыми производствами, является специально подготовленная вода. Как было отмечено в предыдущей статье (№ 1, 2006 г.), разным пищевым производствам требуется вода, имеющая различный макро- и микроминеральный состав, что влечет за собой построение специфических схем промышленной водоподготовки. В свою очередь, выбор оборудования системы водоподготовки связан с множеством факторов, основными из которых являются:

  • требуемое качество воды для технологического процесса
  • качество исходной воды
  • требуемая производительность установки водоподготовки и режим водопотребления
  • 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, которые регламентируют содержание примесей в воде. Гигиенические требования и нормативы качества питьевых вод, расфасованных в ёмкости по первой и высшей категории качества представлены в СанПиН 2.1.4.1116-02 [ 1 ]. В этом же документе представлены 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 – 0,04-0,06 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 её 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, которые обслуживают 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 её невозможно использовать без предварительной водоподготовки. Ориентировочно, наличие компонентов природного происхождения в подземных водах различных регионов России, содержание 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 промышленной водоподготовки могут значительно вырасти затраты 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-сорбционных 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 очередной раз подчеркивает, что в каждом конкретном случае вопрос о возможности использования скважины в производстве должен решаться отдельно, с наличием максимально полной и подробной информации.

Обязательными показателями анализа воды, без которых невозможно с удовлетворительной точностью определить состав оборудования системы водоподготовки являются: рН (водородный показатель), железо общее, марганец, общая жесткость, общая щелочность, сухой остаток (солесодержание), перманганатная окисляемость, мутность, цветность, запах. Каждый из этих показателей и их комбинации лежат в основе подбора необходимого оборудования и сорбентов для водоподготовки.

Не менее важными данными для разработки системы водоподготовки является определение производительности системы, необходимой для обеспечения технологических нужд и режим водопотребления. Реальная производительность скважины, в зависимости от предполагаемого устанавливаемого оборудования 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. Использование 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, например на одном из предприятий система водоподготовки по производству бутылированных вод и безалкогольных напитков производительностью 20 м3/час, помимо других элементов включала озонатор. Предприятие-изготовитель озонатора гарантировало дозирование озона в воду в необходимых количествах при производительности системы водоподготовки от 7 до 25 м3/ч. При снижении производительности системы менее 5 м3/ч в ночную смену озонатор автоматически отключался, что приводило 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. Это 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 её стоимости. Одним из самых важных моментом при определении производительности системы является 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, например, несмотря на то, что среднее водопотребление умягченной воды небольшим хлебзаводом 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 дополнительного гидроаккумуляторного оборудования, способного резко увеличить производительность системы на точечный период времени. С другой стороны, режим водопотребления может быть обусловлен сменной работой пищевого производства. В случае одно- двусменной работы возможна установка оборудования периодического действия, при 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.

Особое внимание при проектировании системы водоподготовки необходимо уделить внимание тому, что для размещения оборудования и проведения коммуникаций требуется 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 – высота не менее 2,8 м. Эти ограничения касаются осветлительно-сорбционных фильтров, систем умягчения и химического обессоливания воды. Высота обратноосмотических установок очистки воды с производительностью до 100 м3/ч, как правило, ограничена 2,2 м. Ориентировочно, требуемый объем помещения можно определить исходя из данных, представленных в таблице.

Таблица

Минимальные размеры помещения (длина х ширина х высота, мм), требуемые для размещения оборудования

Технологический процесс Производительность, м3/ч
2,5 5 10 20 50 100
Осветление, сорбция 650х650х
2500
850х850х
2700
2000х2500
х2800
4500х2500
х2800
8000х2500
х2800
8000х5000
х2800
Умягчение 650х1350
х2500
850х1700
х2700
3000х2500
х2800
4500х3500
х2800
8000х3500
х2800
8000х7000
х2800
Обратный осмос 4000х2000
х1800
4000х2000
х1800
5000х2500
х2000
6500х3000
х2200
9000х3500
2200
9000х7000
2200

В таблице указан ориентировочный объем помещения при отсутствии каких-либо дополнительных конструкционных элементов (опорных колонн, перегородок, дренажных приямков и т.п.) и агрегатов (распределительных шкафов, накопительных емкостей, канализационно-насосных станций, аэраторов и т.д.). Необходимо отметить, что 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 – 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 периода окончательной внутренней отделки помещения или на начальной стадии его реконструкции. Размеры наиболее объемных составляющих систем водоподготовки можно определить, обратившись в компанию, разрабатывающую системы водоподготовки промышленных объектов.

Расчет трубопроводов, которые могут обеспечить необходимую производительность системы водоподготовки, представлен в СНиП 2.04.01-85. Упрощенное 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 обеспечения качественного проведения монтажа до начала проведения работ Заказчик 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 использовании обратноосмотических установок). Расстояние от элементов системы до общей канализации с условным диаметром, равным диаметрам трубопроводов на входе и выходе не должна превышать 3 м. Если дренажный трубопровод от каждого фильтра имеет длину более 5 метров 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 предпочтительно осуществлять сброс
сточных вод 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 повысительных насосов (станций) в системах осветления, сорбции, умягчения и дозирования, потребляемая мощность невелика и составляет ориентировочно от 20 до 60 Вт на 1 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 должны по возможности устанавливаться выше трубопроводов, чтобы исключить возможность попадания на них воды. В состав электрооборудования системы водоподготовки в последнее время всё чаще включается система «Аквастоп», которая позволяет полностью перекрыть подачу воды на входе при попадании воды 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 гидроуправления, 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 (опрессовку) при давлении 10 бар. Обратноосмотические системы отличаются тем, что рабочее давление в них может достигать 16 бар. Для таких систем требуются специальные высоконапорные трубопроводы и аппаратура. Контрольная аппаратура слежения за давлением в системе устанавливается, как правило, на входных, выходных трубопроводах из системы, а также после каждого фильтрующего или другого элемента.

Контроль за поддержанием необходимого давления в водоочистной системе осуществляется 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 требуется промывка, регенерация или замена, а также периодичность проведения этих операций представлены в таблице 2.

 
Фильтр
Механический (грязевой) Осветлительно-сорбционный Умягчитель (ионообменный)
Перепад давлений, бар 0,6 – 0,8 0,6-0,8 0,6-1,0
Временной период между регенерациями, сутки 7-30 1 - 7 0,33 - 7

Таблица 2

Достаточно часто встречается задача модернизации существующей системы водоподготовки на предприятиях. Это связано с расширением производства или изношенностью используемого оборудования. При наличии достаточного количества средств и площадей целесообразна установка новой линии водоподготовки, после чего производится демонтаж или модернизация существующего оборудования. Из напорного оборудования, установленного более 15 лет назад, с достаточной степенью вероятности после очистки могут быть использованы только нержавеющие ёмкости. Пластиковые ёмкости к этому моменту почти полностью вырабатывают 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, как показывает опыт, при использовании для подачи очищенной воды старых трубопроводов, качество воды у потребителя будет в первые 3-6 месяцев будет хуже, чем сразу после станции водоподготовки вновь введенной в эксплуатацию за счет постепенного растворения отложений из трубопроводов.

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, проводится перезагрузка напорных емкостей для увеличения интенсивности процессов водоподготовки и установка автоматических управляющих электронных блоков.

Отрасль водоподготовки для промышленных предприятий в настоящее время интенсивно развивается, появляется достаточно много новых технологий, материалов и агрегатов, которые позволяют снизить затраты и интенсифицировать процесс. В связи с этим, обращение к специалистам компаний, занимающихся разработкой и монтажом систем водоподготовки для пищевых производств предпочтительно осуществлять на первом этапе проектирования таких систем.
В последующих материалах будут рассмотрены наиболее часто используемые в пищевой промышленности способы водоподготовки и соответствующее аппаратурное оформление.

Литература

Вода. Санитарные правила, нормы и методы безопасного водопользования населения. Сборник документов. 2-е издание, переработанное и дополненное. /Составители: Ю.А.Рахманин, З.И.Жолдакова, Г.Н.Красовский. – М.: "ИнтерСЭН", 2004. – 768 с.
Сборник основных правил, технологических инструкций и нормативных материалов по производству безалкогольной продукции. (под ред. Н.Г. Саришвили), М.: Пищепромиздат, 2000 г.




Дата публикации: 17.08.2011