1饮料用水及水处理

第一章饮料用水及水处理本章主要内容：饮料用水的水质要求饮料用水的处理学习目标：1、了解天然水源的类型及特点。2、了解水质对饮料品质的影响，掌握饮料用水的水质要求。3、掌握饮料用水处理的基本原理、方法与步骤。第一节饮料用水的水质要求在大部分饮料产品中，水占85%~95%。水：主要原料+原料的溶剂水质的好坏将直接影响到饮料产品的质量。一、饮料用水的来源来自于：地下水、地表水、自来水。地下水：经过地层的渗透、过滤，进入地层并存积在地层中的天然水，主要包括深井水、泉水和自流井水。地表水：地球表面所存积的天然水，包括江水、河水、湖水、水库水、池塘水等。自来水：地表水经过适当的水处理工艺，水质达到一定要求并储存在水塔中的水。二、水中杂质对饮料生产的影响1、天然水源中的杂质悬浮物，＞200nm，浑浊胶体物质，1~200nm，光照下浑浊溶解物，＜1nm，透明（1）悬浮物悬浮物主要为：泥土、沙粒等无机物质，及浮游生物（藻类）和微生物等。对饮料品质的影响：沉淀，生成瓶底积垢或絮状沉淀的蓬松性微粒。碳酸饮料灌装时使CO2迅速消耗，造成瓶内灌装高度不一致。有害微生物会影响风味、引起产品变质。（2）胶体物质特性：光线照射上去，被散射而呈浑浊的丁达尔现象。因吸附水中大量离子而不能自行下沉，具有胶体稳定性。包括：无机胶体和有机胶体物质无机胶体物质：如黏土、硅酸胶体，造成水质浑浊。有机胶体物质：高分子物质，如腐殖酸、腐殖质等，使水质带色。（3）溶解物主要是：溶解气体、溶解盐类、其他有机物。溶解气体：主要是O2、CO2，还有H2S、Cl2等。影响CO2的溶解，产生异味，影响产品的风味和色泽。溶解盐类：主要是Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-等。构成水的硬度和碱度。2、饮料用水的硬度和碱度（1）水的硬度分类：暂时硬度：碳酸盐硬度Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2OMg(HCO3)2→Mg(OH)2↓+2CO2↑永久硬度：非碳酸盐硬度Ca2+、Mg2+的氯化物、硫酸盐、硝酸盐等盐类（2）水硬度的计算与单位水的总硬度：暂时硬度+永久硬度计算公式1-1，P7单位：mmol/L，德国度（°d）1mmol/L：1L水中含有相当于100mg的CaCO3。1德国度（°d）：1L水中含有相当于10mg的CaO。1mmol/L=2.804德国度（°d）水硬度的分类：表1-3饮料用水：硬度＜8.5°d（3.03mmol/L）水硬度过大时，对饮料品质的影响：易使设备、金属容器产生水垢，玻璃瓶透明度降低，饮料产生浑浊和沉淀；降低碳酸化程度、降低饮料的酸度，改变饮料的风味，并易变质；Fe2+、Mn2+接触空气易被氧化而沉淀，造成饮料浑浊、变色、风味变差等；非碳酸盐硬度过高时，出现盐味。（3）水的碱度水的碱度：水中能与H+结合的OH-、CO32-、HCO3-含量，mmol/L。OH-：氢氧化物碱度CO32-：碳酸盐碱度HCO3-：重碳酸盐碱度碱度过大时对饮料的影响：与金属离子反应，形成水垢，产生不良气味；与有机酸反应，改变饮料的糖酸比和风味；影响CO2溶解量；造成饮料酸度降低，利于微生物生长；与果汁的某些成分反应，产生沉淀。（4）水的硬度与碱度的关系H总＞A总H总＝A总H总＜A总天然水的总碱度一般与其暂时硬度相当。三、饮料用水的水质要求符合GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》第二节饮料用水的处理采用一定技术手段对不符合饮料用水要求的水质进行改良的过程称为水的处理。水处理的实质是：除去水中的固体物质，降低水的硬度和含盐量，杀灭微生物以及除去异味。水源的水质分析→了解水中杂质种类、状态→选择水处理的工艺和设备水处理的一般程序：混凝→过滤→软化@→消毒一、混凝混凝：指在水中加入某些溶解盐类，使水中的细小悬浮物或胶体微粒互相吸附结合而成较大颗粒，从水中沉淀的过程。溶解盐类→混凝剂混凝的一般顺序：原水→加氯→加膨润土→加混凝剂→加pH调节剂→加助凝剂1、混凝原理胶体物质的特性：不易沉降，稳定。同一种胶体，带有同性电荷，同性相斥，相互间不能黏结，不能形成大的聚团。在水中加入相反电荷的混凝剂，与胶体电性中和，破坏胶体稳定性，胶体之间聚集形成絮状物，同时，将悬浮物裹入其中，小颗粒→大颗粒，沉降，水澄清。2、混凝剂主要有：铝盐、铁盐铝盐：明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等。铁盐：硫酸亚铁、硫酸铁、氯化铁。作用机理：自身先溶解形成胶体，再与水中杂质作用，以中和或吸附的形式将杂质凝聚成大颗粒而沉降。3、助凝剂助凝剂：为了提高混凝效果，加速沉降，而加入的辅助物质。常用助凝剂：活性硅酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)；高分子物质：聚丙烯胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯等；pH调节剂：酸、碱、石灰等；黏土：增加水的浑浊度，以加速混凝。二、过滤过滤是净化水的一项重要工艺过程。过滤不仅能够除去水中的悬浮物、胶体物质等杂质，还能除去水中的异味、色泽、铁、锰及微生物。1、过滤原理原理：原水通过粒状滤料层时，其中一些悬浮物和胶体物质等被截留在孔隙中或介质表面，从而将水中的不溶性杂质分离。过滤过程包括：阻力截留：大颗粒杂质被截留在滤料孔隙间，使孔隙越来越小，以截留更多的杂质。重力沉降：杂质因重力作用沉降到滤料颗粒表面。接触凝聚：过滤介质与杂质颗粒之间产生吸附作用。2、过滤工艺过程包括：过滤、冲洗两个过程。过滤：原水除去杂质生产清水的过程。冲洗：从滤料表面冲洗掉污物，使之恢复过滤能力的过程。过滤与冲洗的水流方向相反，冲洗→反冲，反洗。3、过滤方式池式过滤（罐式过滤）砂滤棒过滤超滤活性炭过滤（1）池式过滤将过滤介质（滤料）填于池（罐）中，进行过滤。滤料：砂、石英砂、石头、无烟煤、磁铁矿、石榴石等。滤料层结构：图1-2垫层：设置于滤料层与配水系统之间，防止滤料进入配水系统，并使冲洗时能均匀布水。一般采用天然卵石或碎石。（2）砂滤棒过滤砂滤棒：又名砂芯，细微颗粒的硅藻土和骨灰等可燃性物质成型后高温焙烧而成。孔隙0.002~0.004mm。适用于水中只含有机物、细菌及其他杂质时的处理。一般作精滤用，滤出的水可达到基本无菌。砂滤棒使用前应进行消毒处理：75%酒精，或0.25%新洁尔灭，或10%漂白粉，浸泡30min。（3）超滤采用孔径为0.0001~0.1μm或更小的超滤膜过滤水，将其中的大分子或微细粒子分离。超滤属于膜分离技术，目前广泛应用于水处理、果汁澄清处理以及物质的分离浓缩等领域。超滤装置的核心是：超滤膜，由一层具有对大分子、微粒截留筛分作用的表面活性层和一层高强度多孔性支持膜复合而成。（4）活性炭过滤活性炭：多孔性物质，吸附力很强，可将水中的有机物除去90%以上。过滤器底部为0.2~0.3m卵石及石英砂，上层为1.0~1.5m活性炭。活性炭具腐蚀作用，采用铁制容器应涂抹防腐材料。定期进行反冲洗和通蒸汽处理，以除渣、灭菌并还原失效的活性炭。活性炭过滤常与砂滤棒过滤串联使用。三、硬水软化饮料生产中用水：洗瓶用水、锅炉用水、配制饮料用水、清洗用水等均对水的硬度有较高要求。在使用前须进行软化处理，降低水中Ca2+、Mg2+含量。软化方法：石灰软化法离子交换法电渗析法反渗透法1、石灰软化法在水中加入石灰等化学试剂，在不加热条件下除去Ca2+、Mg2+，降低水的硬度。特点：成本低廉，操作简易；能除去水中的CO2和绝大部分碳酸盐硬度；能除去水中的部分铁、硅化合物；但是，不能除去水中的非碳酸盐硬度。本法一般用作水的初步处理。（1）原理生石灰配制成石灰乳：CaO+H2O→Ca(OH)2石灰乳加入水中，除去Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2、CO2：Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2OCa(OH)2+Ca(HCO3)2→2CaCO3↓+2H2O2Ca(OH)2+Mg(HCO3)2→Mg(OH)2↓+2CaCO3↓+2H2OCa(OH)2+MgCO3→CaCO3↓+Mg(OH)2↓（2）石灰添加量计算法P17，公式1-2经验法每降低1m3水的暂时硬度1od，添加纯CaO10g；每降低1m3水中CO2浓度1mg/L，加纯CaO1.27g。（3）石灰软化设备间歇法设备：圆柱形锥底容器涡流反应器：外形类似锥体的涡流反应池连续法处理：加速澄清池2、离子交换法利用离子交换树脂交换离子的能力，将原水中不需要的离子通过交换除去，使水软化。离子交换树脂：有机分子单体聚合而成，高分子化合物，多孔的网络结构。类别：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂阳离子交换树脂：吸附水中的Ca2+、Mg2+等阳离子；阴离子交换树脂：吸附水中的Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-等阴离子。含盐量降至5~10mg/L以下，硬度接近0，pH近中性。（1）离子交换树脂的处理、转型新树脂使用前，须进行交换以除去混入的杂质。阳离子交换树脂：多为Na+型，使用前用酸处理。阴离子交换树脂：多为Cl-型，使用前用碱处理。（2）离子交换树脂的再生具有一定的交换容量，处理一定水量后，交换能力下降，柱子产生黑圈→“老化”离子交换树脂的再生→恢复树脂的交换能力：冲洗：洗至柱中无结块→去除树脂上杂质与气泡。再生：添加再生液使树脂转变为H+、OH-型。•阳离子交换树脂：2~3倍5%~7%HCl溶液，8~10h。•阴离子交换树脂：2~3倍5%~8%NaOH溶液，8~10h。调节pH：去离子水洗至pH3~4（阳）；8~9（阴）。（3）离子交换水处理装置固定床离子交换圆筒钢罐，图1-19水处理在同一装置中进行，离子交换树脂不移动。操作简单、所需设备少、水质稳定。装置组合方式：单床、多床、复床、混合床、双层床。连续床离子交换移动床式：图1-11流动床式：图1-12树脂用量多，水处理不连续。3、反渗透法RO，一种膜分离技术。原理：以半透膜为介质，对被处理水的一侧施压，使水穿过半透膜，进行水的纯化。纯水盐水半透膜（a）反渗透纯水盐水h渗透压（b）渗透（1）反渗透膜的性能常用RO膜：醋酸纤维素（CA）膜、芳香聚酰胺纤维素（PA）膜。膜的主要参数：透水率：脱盐率：抗压实性：膜的压力系数m（2）反渗透装置及其流程反渗透装置：膜组件+泵反渗透膜组件类型：管式、中空纤维等。反渗透的基本流程：一级流程一级多段流程二级流程多级流程（3）反渗透的特点与注意事项特点：透水量大、脱盐率高，能够除去胶体物质，水的利用率高。注意事项：对原水的水质有要求，应进行预处理；定期进行反渗透器的清洗。4、电渗析法电荷同性相吸、异性相斥。原理：在具有良好选择透过性和导电性的离子交换膜外通直流电，使水中的阴、阳离子定向移动，分别通过阴、阳离子交换膜而除去，从而使水净化。（1）电渗析器对原水的水质要求浑浊度：＜2mg/L化学耗氧量：≤3mg/L游离余氯：≤0.3mg/LFe≤0.3mg/L；Mn≤0.1mg/L；非电解杂质少；4℃~40℃。（2）电渗析器使用的注意事项使用前应进行预处理（新膜、电渗析系统）；使用中随时控制极限电流和工作电流；定期清除水垢；停止运行时，应采取有效措施保护离子交换膜。（3）电渗析的特点优点：水处理连续化、自动化；除盐率高，＞90%；水质软化过程中不需要任何化学试剂；特别适合于含盐量高的水质软化；缺点：耗电量大；设备投入和运行费用高；水的利用率低，一般在50%左右；不能制备高纯水。四、水的消毒国内常用消毒方法：氯消毒；紫外线消毒；臭氧消毒等。1、氯消毒广泛应用于：生活水处理、无自来水为水源的饮料厂的水处理。特点：操作简单，费用低，杀菌能力强，处理量大，无需使用设备；存在残留余氯，使水有异味；过量的氯会与饮料中的色素和香料发生氧化反应。（1）氯消