第2章軟飲料用水及水處理

1、2.軟飲料用水及其處理我國(guó)水資源的狀況天然水的種類及特點(diǎn)天然水中的雜質(zhì)及特征軟飲料用水標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的檢測(cè)和測(cè)定水處理-水的混凝、過(guò)濾、軟化和消毒2.1 水資源的狀況 水是生命之源，地球雖然有70.8的面積為水所覆蓋，但其中97.5的水是咸水，無(wú)法飲用。在余下的2.5的淡水中，有87是人類難以利用的兩極冰蓋、高山冰川和永凍地帶的冰雪。人類真正能夠利用的水僅占地球總水量的0.26。 目前（2002）世界上有80個(gè)國(guó)家約15億人口面臨淡水不足，其中29個(gè)國(guó)家的4.5億多人口完全生活在缺水狀態(tài)中。此外，全世界每年排放的污水達(dá)4000多億噸，從而造成萬(wàn)多億噸水體被污染，致使地球上每年有700多萬(wàn)人因飲水不凈

2、引起的疾病而死亡。世界各國(guó)地區(qū)按水資源量大小排隊(duì)，前幾名依次是：巴西、俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、印度尼西亞、孟加拉國(guó)、印度。若按人口平均，中國(guó)人均水資源量只相當(dāng)于世界人均量的14。巴西并不缺水，擁有的淡水資源約占世界淡水總量的138。但巴西仍呼吁人們舉手之勞去節(jié)水，如縮短沖澡時(shí)間，隨手?jǐn)Q緊水龍頭等。德國(guó)也不缺水，但許多德國(guó)家庭往往將煮面水省下刷油碗，洗衣服的水拿來(lái)再拖地。2001年3月22日，錢(qián)正英、張光斗等近300位專家在舉行的中國(guó)可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究報(bào)告集首發(fā)式上警告說(shuō)，如果未來(lái)不解決洪水、缺水和水污染三大問(wèn)題，水資源將成為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大“瓶頸”之一。 專家們預(yù)測(cè)到2030年

3、人口增至16億時(shí)，人均水資源量將降到1760立方米。按照國(guó)際上一般承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，人均水資源量少于1700立方米為用水緊張的國(guó)家。我國(guó)未來(lái)水資源的形勢(shì)是嚴(yán)峻的。防洪減災(zāi)、農(nóng)業(yè)用水、城市和工業(yè)用水、防污減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、水資源的供需平衡、北方的水資源問(wèn)題、西部地區(qū)的水資源問(wèn)題等八個(gè)方面實(shí)行戰(zhàn)略性的轉(zhuǎn)變。解決辦法節(jié)水：主要是農(nóng)業(yè)節(jié)水： 這樣一組數(shù)據(jù)，可以證明農(nóng)業(yè)節(jié)水才是節(jié)水的關(guān)鍵：美國(guó)年取水量不足5000億立方米，國(guó)民生產(chǎn)總值超過(guò)8萬(wàn)億美元，而我國(guó)年取水量在6000億立方米以上，國(guó)民生產(chǎn)總值卻不到2萬(wàn)億美元。我國(guó)用水總量中，70屬農(nóng)業(yè)用水，北方還高達(dá)80，農(nóng)業(yè)用水的90是灌溉用水，這90的灌溉用水，

4、利用率僅45左右，利用系數(shù)不到0.45，不足世界上最缺水國(guó)家以色列的50。防止水污染提高水的利用率節(jié)水1t花費(fèi)6元，開(kāi)源1t花費(fèi)8元，制污1t花費(fèi)10元防洪：洪水災(zāi)害損失日趨嚴(yán)重。1993年1998年全國(guó)洪災(zāi)的直接經(jīng)濟(jì)損失為9000億元，相當(dāng)于同期財(cái)政收入的1/5；1998年洪災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失2551億元。圖1 閘口阻斷洪湖和長(zhǎng)江的聯(lián)系，也切斷了湖泊的生命線圖2 圍欄養(yǎng)殖削弱了水體自凈能力，藻化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重圖3 從空中俯瞰，示范區(qū)植被恢復(fù)良好，其他區(qū)域是過(guò)度養(yǎng)殖后留下的一片白水茫茫，對(duì)比鮮明 水是軟飲料生產(chǎn)中重要的原料之一，直接影響到成品的質(zhì)量。因 此全面了解水的性質(zhì)具有重要意義。 2.2 水源

5、分類及其特點(diǎn)地表水： 來(lái)源：包括江水、河水、降水、湖水、水庫(kù)水等， 特點(diǎn)：常含有粘土、砂、腐殖質(zhì)、鈣鎂鹽類、其他鹽類及細(xì)菌，另外易受工業(yè)廢水污染。地下水：井水、泉水和自流井等。 特點(diǎn)：硬度較大、鹽含量較大。一般鹽含量100-5000mg/l,硬度2-10mg當(dāng)量/升。城市自來(lái)水：是指地表水經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)乃幚砉に?，水質(zhì)達(dá)到一定要求并儲(chǔ)存在水塔中的水。特點(diǎn)：水質(zhì)好、穩(wěn)定，符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)；水處理設(shè)備簡(jiǎn)單，容易處理，一次性投資??；但水價(jià)高，使用時(shí)要注意控制氯、鐵離子含量及堿度、微生物量。2.3 天然水中的雜質(zhì) （1）懸浮物質(zhì) d0.2 微 米， 主 要 有 細(xì) 菌- 有 致 病 的 和 對(duì) 人 體

6、健 康 無(wú) 妨 的； 藻 類 及 原 生 動(dòng) 物- 嗅 、 為 、 色、 混 濁； 泥 沙 粘 土- 混 濁。 對(duì)飲料的影響：出現(xiàn)沉淀、影響二氧化碳的溶解、微生物的存在影響產(chǎn)品的風(fēng)味甚至敗壞。 （2） 膠 體 物 質(zhì) 在0.0010.20 微 米， 包 括 溶 膠- 如 硅 酸 膠 體（無(wú)機(jī)）；引起水渾濁， 高 分 子 化 合 物- 腐 殖 質(zhì)、腐殖酸膠 體（有機(jī)），造成水質(zhì)帶色。 co 2.3 天然水中的雜質(zhì)（3） 溶 解 物 質(zhì) 鹽 類- 鈣 鎂 鹽 、 鈉 鹽 、 鐵 鹽 及 錳 鹽硬度h（總硬度、暫時(shí)硬度、永久硬度）、堿度a及其關(guān)系； a總 h總， 水中存在oh-、碳酸根，屬于堿水；a

7、總 h總，水中存在鈣鎂離子的氯化物，基本沒(méi)有oh-、碳酸根，屬非堿性水；a總= h總，水中只含有鈣鎂的碳酸氫鹽。h總過(guò)大，飲料出現(xiàn)沉淀、鹽味、增加洗滌劑的用量成本增加；a總過(guò)大，出現(xiàn)水垢、改變果汁糖酸比、影響二 氧 化 碳的溶解、有利于微生物的繁殖、沉淀、氣 體- 氧、二 氧 化 碳 、 硫 化 氫 、 氮 氣 。它們影響碳酸飲料中二 氧 化 碳的溶解度、其它飲料的風(fēng)味和色澤。2.4 飲 料 用 水 的 標(biāo) 準(zhǔn) 生 產(chǎn) 高 質(zhì) 量 的 飲 料 就 必 須 有 高 質(zhì) 量 的 飲 料 用 水。 而 飲 料 用 水 必 須 符 合 我 國(guó) 生 活 飲 用 水 標(biāo) 準(zhǔn)gb5749 -85。 除 此

8、以 外 還 得 滿 足 軟 飲 料 用 水 的 標(biāo) 準(zhǔn) ，二者的差別見(jiàn) 表1。指標(biāo)飲用水飲料用水濁度/度32色度/度155溶解性總固體/mg/l1000500總硬度/以caco3計(jì)mg/l450100鐵/mg/l0.30.1高錳酸鉀消耗量/mg/l-10總堿度/mg/l-50游離氯/mg/l0.30.1致病菌-不得檢出項(xiàng)目名稱 指標(biāo) 項(xiàng)目名稱 指標(biāo) 濁度 色度 總固形物 總硬度 鐵 錳 kmno4 2 5 500 100 0.1 0.1 10 味及臭氣 總堿度 游離氯 細(xì)菌總數(shù) 大腸桿菌 致病菌 無(wú)味無(wú)臭 50 0. 1 100 3 不得檢出 2.5 飲料用水的水質(zhì)要求色度、濁度嗅和味堿度：硬

9、度：水中離子沉淀肥皂的能力。美國(guó)1度1mg/l碳酸鈣，德國(guó)1度10mg/l氧化鈣，法國(guó)1度10mg/l碳酸鈣，英國(guó)1度14.28mg/l碳酸鈣，毒理學(xué)指標(biāo)：鉛、汞等細(xì)菌學(xué)指標(biāo)放射性指標(biāo)2.6 水的處理2.6.1混凝沉淀1.混凝是指在水中加入某些溶解鹽類，使水中的細(xì)小懸浮物或膠體微?；ハ辔浇Y(jié)合而成較大的顆粒，從水中沉淀下來(lái)的過(guò)程。2.混凝劑：明礬、硫酸鋁、硫酸亞鐵和堿式氯化鋁。（1）明礬：一般用量0.0010.02%注意使用的條件-ph值，一般要求被處理的水ph值6.5-7.5，太高或太低都會(huì)使氫氧化鋁溶解，另外，換會(huì)影響它的帶電性， ph值5帶正電荷。-溫度，水溫要求2535度， 50度失去

10、混凝作用。-攪拌，有利于混凝。2.6 水的處理2.6.1混凝沉淀2.混凝劑：明礬、硫酸鋁、硫酸亞鐵和堿式氯化鋁。（2）硫酸鋁：水溶液偏酸，使用時(shí)應(yīng)調(diào)ph值6.5-7.5，是生成的氫氧化鋁最多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定使用量。（3）硫酸亞鐵：對(duì)于富含有機(jī)質(zhì)的水不合適，因?yàn)楫?dāng)水的ph值8，所以，用綠礬處理水時(shí)，須用調(diào)ph。（4）堿式氯化鋁：一般用量0.0050.01%， ph值6-8，溫度2030度。2.6 水的處理2.6.1混凝沉淀3.助濾劑：能提高混凝效果，加速沉淀的輔助藥劑。主要有活性的硅酸、海藻酸鈉、cmc、聚丙烯胺、pma、聚丙烯等 混凝劑一般采用精制或粗制硫酸鋁、明礬或三氯化鐵等。用量為5-10毫

11、克升。如水中出現(xiàn)藻類藻類，則可投加硫酸銅硫酸銅，用量為1-5毫克升。為提高水中污物凝聚效果，應(yīng)適當(dāng)?shù)叵虺刂型都右欢康募儔A(naoh)或堿性鹽(na2co3，)以維持水的ph值在7.2-7.6左右。用量為510毫克升 （泳池的水處理）2.6 水的處理2.6.2 過(guò)濾：1.原理：阻力截流、重力沉降、接觸凝聚。2.池式過(guò)濾：濾料選擇原則，化學(xué)穩(wěn)定、不溶于水、無(wú)有害物、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、適宜的級(jí)配和足夠的空隙率。級(jí)配濾料的粒徑范圍及在此范圍內(nèi)各種粒徑的數(shù)量比例，空隙率濾料的空隙體積和整個(gè)濾層體積的比例。3.砂濾棒過(guò)濾：用細(xì)微顆粒的硅藻土和骨灰等可燃性物質(zhì)，成型后在高溫下焙燒而成-砂芯（孔徑0.002-

12、0.004微米）。4.活性碳過(guò)濾等：主要去處水中的余氯（吸附、催化）?；钚蕴加懈g性，存放時(shí)注意。2.6 水的處理2.6.2 過(guò)濾鋼制重力式無(wú)閥過(guò)濾器鋼制重力式無(wú)閥過(guò)濾器（池式過(guò)濾）（池式過(guò)濾） 廣泛應(yīng)用于地表水凈化、地下水除鐵除錳、循環(huán)水旁流過(guò)濾、生產(chǎn)廢水除懸浮雜質(zhì)、有機(jī)污水經(jīng)生化處理和二次沉淀池處理之后的后續(xù)過(guò)濾以及室內(nèi)游泳池水的過(guò)濾，是一種理想的水處理設(shè)備。 原水由進(jìn)水管送入濾池，經(jīng)過(guò)濾層自上而下地過(guò)濾，清水即從連通管注入存水箱內(nèi)貯存，水箱充滿后，水通過(guò)出水管入清水池，濾層不斷截留懸浮物，造成濾層阻力的逐漸增加，因而促使虹吸管內(nèi)的水位不斷升高。當(dāng)水位達(dá)到虹吸輔助管管口時(shí)，水自該管中落下，

13、通過(guò)抽氣管借以帶走虹吸下降管中的空氣，當(dāng)真空度達(dá)到一定值時(shí)，便發(fā)生虹吸作用。這時(shí)水管中的水自下而上地通過(guò)濾層，對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗。當(dāng)沖洗水箱水面下降至虹吸破壞管時(shí)，空氣進(jìn)入虹吸管，破壞虹吸作用。濾池反沖洗結(jié)束，進(jìn)入下一周期工作，應(yīng)而無(wú)需象其它過(guò)濾器那樣，必須設(shè)置反沖洗水泵和反沖洗水塔。2.6 水的處理2.6.3 軟化（intenerate）：為什么？產(chǎn)品出現(xiàn)沉淀、洗滌液增多，噴嘴堵塞、玻璃瓶發(fā)暗、鍋爐爆炸。 1.石灰軟化法（石灰軟化法、石灰-純堿軟化法、石灰-純堿-磷酸三鈉軟化法三種）軟化方法：間歇法、渦流反應(yīng)器、連續(xù)法 2.離子交換(ion excgange)：選擇原則，外觀、膨脹度、交聯(lián)度、

14、顆粒度、交換容量；常見(jiàn)的裝置，固體床（單床、多床、復(fù)床、混合床、雙層床）和連續(xù)床（移動(dòng)床、流動(dòng)床） 3.反滲透（reverse osmosis）：反滲透脫鹽的機(jī)理（氫鍵理論、優(yōu)先吸附理論）分離溶劑（水）。 4.電滲析法(electro dialysis)：依靠電勢(shì)，把離子交換樹(shù)脂制成薄膜，阻斷溶質(zhì)，分離溶質(zhì)，缺點(diǎn)：水利用率低50%，出現(xiàn)極水和濃鹽水。有機(jī)玻璃離子交換裝置時(shí)間型自動(dòng)軟化器小型全自動(dòng)復(fù)床純水系統(tǒng)水力驅(qū)動(dòng)全自動(dòng)軟化器離子交換裝置及全自動(dòng)軟化器大型自動(dòng)軟化器 圖1 海水淡化圖2 硬水軟化反滲透膜超濾上海正光和40t/h二級(jí)反滲透鈉濾2.6 水的處理2.6.3 軟化5.膜分離技術(shù)及其特征

15、 膜分離法：用天然或人工合成的高分子膜，以外界壓力或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的溶液進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集的方法。常用來(lái)進(jìn)行水處理和純凈水的生產(chǎn)。常用的膜有4種：（1）微濾膜（microfilteration,mf）：孔徑0.1-10m ，主要去除微粒、細(xì)微物質(zhì)，能有效的去除細(xì)菌，對(duì)稱膜(孔徑大小相等)，操作壓力0.01-0.2mpa，靜態(tài)過(guò)濾.與一般深層過(guò)濾介質(zhì)相比具有的特征：-孔徑均勻，過(guò)濾精度高，一般作為反滲透的保安過(guò)濾。-空隙率高，流速快，微孔濾膜上有千百萬(wàn)個(gè)微孔，微孔體積占膜總體積的7080%。-膜?。ê穸?.10.15mm），吸附少-無(wú)介質(zhì)脫落，但易堵塞。2.6 水的處

16、理2.6.3 軟化5.膜分離技術(shù)及其特征（2）超濾膜(ultrafilteration,uf) :孔徑0.001-0.1m ，主要去除分子量大于500 的大分子和膠體，能去除全部的病毒和高分子物質(zhì)，非對(duì)稱膜（孔徑大小不等），操作壓力0.1-0.5mpa，動(dòng)態(tài)過(guò)濾。 理想的超濾篩分，應(yīng)盡量避免溶質(zhì)在膜的表面和膜孔壁上的吸附與阻塞，應(yīng)選擇與被分離溶質(zhì)之間相互作用弱的超濾膜。（3）反滲透膜(reverser osmosis,ro) ：孔徑0.0001-0.001m ，主要去除鹽分，對(duì)氯化鈉去除95%以上，操作壓力1-10mpa脫鹽的機(jī)理：氫鍵理論(1953,usa,ried) 、優(yōu)先吸附理論(20世

17、紀(jì)60年代，canada,sourirajan)2.6 水的處理2.6.3 軟化5.膜分離技術(shù)及其特征（4）鈉濾膜(nanofilteration,nf)：是由反滲透膜發(fā)展起而來(lái)的一種超低壓膜，分離范圍介于反滲透膜和超濾膜之間，操作壓力0.5-2.0mpa，對(duì)氯化鈉去除率5070%，對(duì)鈣的去除率4060%，對(duì)有機(jī)物的去除率在90%以上，高度脫除水中總有機(jī)碳（toc）類有毒有害雜質(zhì)。主要是去除低分子有機(jī)物和鹽類。 是脫除地表水和地下水中的有機(jī)物并進(jìn)行部分軟化的理想膜元件，滿足維持口感和輸送管網(wǎng)所需的最低硬度。納濾膜（nf）可在很低的操作壓力下有效地脫除有毒有害物質(zhì)，又能有效地保留部分營(yíng)養(yǎng)離子。nf/ro就是將納濾與反滲透的性能優(yōu)勢(shì)結(jié)合