К.т.н. Берегова О.М., к.т.н. Ляпина О.В., Подолян Р.А.

Одесская национальная академия пищевых технологий, Украина

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ И СТОЧНЫХ ВОД ПОСЛЕ ОЧИСТКИ РАЗНЫМИ МЕТОДАМИ

Вода в качестве основного или вспомогательного сырья используется в подавляющем большинстве технологических процессов получения пищевых продуктов. Практически все пищевые производства связаны с потреблением воды из конкретного источника. Основные возникающие при этом проблемы связаны с тем, что исходная вода не имеет необходимого качества и требует дополнительной очистки. В ряде производств, качество используемой для технологических целей воды может оказывать значительное влияние на качество конечного продукта.

Поскольку особых стандартов на воду, используемую для производства пищевых продуктов, не существует, как правило, в качестве нормативного документа, регламентирующего качество воды, используют ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством» и СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем. Контроль качества. Правила и нормативы».

Проблема получения воды требуемого качества может быть решена при использовании локальных систем водоподготовки предприятия. Используемые при этом методы очистки определяются расходом воды и, конечно же, её составом.

Основные методы очистки на локальных системах водоподготовки предприятий пищевой промышленности – это:

· Фильтрование для удаления из воды загрязнений, ухудшающих органолептические свойства воды, железо, марганец.

· Ионный обмен, посредством которого удаляются из воды ионы растворённых веществ, например, соли жесткости, нитраты, гидрокарбонаты.

· Баромембранные процессы (обратный осмос и нанофильтрация) для снижения общего солесодержания. Обратный осмос – единственный способ снижения избыточных концентраций фтора, бора, брома, ионов натрия и хлора. Нанофильтрация отличается от обратного осмоса селективностью мембран и чаще всего используется для безреагентного умягчения воды.

· Ультрафиолетовое обеззараживание. Установки, реализованные на основе этого метода, просты в эксплуатации и требуют минимального обслуживания. В некоторых случаях при достаточно разветвлённой заводской водопроводной сети для предотвращения повторного заражения воды в поток дополнительно вводятся обеззараживающие химические реагенты.

Способов, которыми можно очистить воду, несколько. Какие же из них нужно использовать для того, чтобы эффективно очистить воду для питьевых целей? Чтобы дать правильный ответ на этот вопрос, необходимо в каждом конкретном случае знать, от чего воду придется чистить. Это можно узнать с помощью химического и бактериологического анализов. Рассмотрим наиболее распространенные способы очистки воды.

Надо отметить, что в большинстве случаев доочистка воды фильтром осуществляется не одним способом, а их сочетанием. Именно такой комплексный подход дает наилучшие результаты.

Механическая фильтрация

Самый простой способ очистки воды. Механическая очистка воды обеспечивается улавливанием частиц нерастворенных веществ за счет разницы размеров самих частиц и каналов фильтра, по которым протекает очищаемая вода. Проще говоря, вода проходит через своеобразное "сито".

Размер частиц, задержанных фильтром, определяется диаметром каналов в материале водоочистителя, по которым протекает вода (то есть размерами отверстий в "сите").

Например, колонки, заполненные гранулированным активированным углем с диаметром гранул 0,1…1 мм (100…1000 микрон), способны эффективно задерживать частицы примерно такого же размера. Большая часть нерастворенных в воде частиц имеет гораздо меньший – 0,1…20 микрон – размер. Правда, микроорганизмы не задерживаются при механической фильтрации, так как их размер – 0,4…3 микрона.

Механическая фильтрация широко применяется на муниципальных станциях водоочистки. Этот вид очистки особенно актуален при заборе воды из открытых источников: рек, озер, водохранилищ.

Ионный обмен

Ионный обмен – это специфический случай сорбции заряженных частиц (ионов), когда поглощение одного иона сопровождается выходом в раствор другого иона, входящего в состав сорбента. При этом ион, присутствие которого в воде нежелательно, фиксируется на сорбенте. Таким образом, происходит "замещение" одних ионов (назовем их "вредными") на другие (назовем их "безвредными").

Сорбенты, работающие по такому механизму, называются ионообменными материалами или ионитами. Иониты способны извлекать из воды одни растворенные соли, замещая их другими солями (например, соли кальция и магния могут заменяться на соли натрия).

Чаще всего в процессе водоочистки ионный обмен используется для удаления из воды катионов тяжелых металлов (например, свинца), представляющих опасность для здоровья человека, а также для избавления от нитратов.

Еще одно из применений ионитов – умягчение жесткой воды, то есть удаление из воды избыточного содержания ионов кальция и магния.

Существенной характеристикой ионообменных смол является их обменная емкость, то есть способность "заместить" определенное количество "вредных" ионов. Одно из главных свойств ионообменных смол - это их способность к регенерации после исчерпания "ресурса".

Мембранные методы. Обратный осмос

Обратный осмос – это очистка воды при помощи обратноосмотической мембраны. Вода при таком способе очистки пропускается через мембрану (своеобразное "сито"), поры которой пропускают воду, но не пропускают растворенные в ней примеси (правда, установка не пропускает никакие примеси – ни вредные, ни полезные).

Система обратного осмоса позволяет получать воду очень высокой степени очистки (близкую к дистиллированной). Обратным осмосом можно удалять из воды даже одновалентные ионы, например, ионы натрия и хлора.

Обратноосмотические установки обязательно должны содержать активированный уголь, так как сама мембрана не задерживает низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа) и бактерии. Качество воды, профильтрованной такой установкой, стабильно.

Классификация мембранных процессов

Характеристика	Микрофильтрация	Ультрафильтрация	Нанофильтрация	Обратный осмос
Материал	полиамид, полипропилен, полисульфон, керамика	целлюлоза, полисульфон, керамика	целлюлоза, тонкопленочные, композитные, материалы	целлюлоза, тонкопленочные, композитные, материалы, полисульфон
Размер пор (микрон)	0,01 - 1	0,001 - 0,01	0,0001 - 0,001	< 0,0001
Размер удаляемых молекул (дальтон)	> 100 000	2 000 - 100 000	300 - 1 000	100 - 300
Рабочее давление (бар)	< 2	1,5 - 7	3,5 - 20	15 - 70
Удаление взвешенных частиц	да (очень мелкие частицы, крупные коллоиды, эмульсии)	да (коллоиды)	да	да
Удаление растворенных органических веществ	нет	да	да	да
Удаление растворенных неорганических веществ	нет	нет	20-85%	95-99%
Удаление микроорганизмов	цисты простейших, большие бактерии, водоросли	цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы	все микроорганизмы	все микроорганизмы
Эффект осмотического давления	нет	небольшой	умеренный	высокий
Способность к концентрации отложений	высокая	высокая	умеренная	умеренная
Качество фильтрата (пермеата)	высокое	(взвеси 0,5 мг/л, мутность 0,2 мг/л)	умеренно-высокое	высокое (ОС=1 - 10 мг/л)
Химический состав воды	не изменяется	не изменяется	изменяется	изменяется
Энергопотребление	низкое (0,1 - 0,2 кВтч/м3)	низкое (0,1 - 0,2кВтч/м3)	низко-умеренное	умеренное (0,9 - 3,7 кВтч/м3)
Стойкость мембраны	высокая	высокая	умеренная	умеренная

Мембранная технология получила широкое распространение как в промышленном, так и в бытовом использовании благодаря ряду неоспоримых преимуществ:

· Стабильно высокое качество очищенной воды;

· Мембрана в отличие от накопительных водоочистных систем (активированный уголь, ионообменные смолы и др.) не накапливает внутри себя примеси, что исключает вероятность их попадания в очищенную воду;

· Низкие эксплуатационные затраты;

· Экологическая безопасность – отсутствие химических сбросов и реагентов;

· Компактность.

Однако этот способ имеет ряд минусов:

· обратноосмотические установки очень дороги;

· вода перед обратноосмотической мембраной должна обязательно пройти тщательную механическую фильтрацию;

· вода после такой обработки становится "слишком чистой" и не содержит необходимых организму микроэлементов, что требует их добавления в воду после фильтрации.

Электрохимическая очистка

Основана на сложных окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят в воде при воздействии на нее сильного электрического тока и приводят к образованию так называемой "живой" и "мертвой" воды.

Этот способ экономичен, так как позволяет достигнуть высокой производительности при небольших затратах.

Электрохимическая очистка распространена в России, но не применяется в быту на Западе (используется только для промышленной очистки, но не для очистки питьевой воды).

Электрохимическая очистка действительно позволяет очистить воду от всех микроорганизмов. Но при этом разрушается также часть органических веществ. Кроме того, поскольку точный состав исходной воды неизвестен, никто не знает, как при воздействии на эту воду сильного электрического тока содержащиеся в ней вещества прореагируют между собой. В результате этих реакций могут получиться совсем "несъедобные" соединения.

Дистилляция

Менее распространенный вид очистки воды. В дистилляционных системах вода сначала испаряется, а затем конденсируется.

То есть, дистилляция – процесс очистки жидкостей, заключающийся в испарении жидкости с последующей конденсацией пара. При этом происходит разделение жидких многокомпонентных смесей на отличающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и конденсации образующихся паров.

Методом дистилляции можно отделить жидкость от растворенных в ней твердых веществ или жидкостей с сильно отличающимися температурами кипения. Дистиллированная вода относительно чистая, но процесс дистилляции достаточно дорог.

Дистилляционные системы также должны обязательно содержать активированный уголь, так как нет другого способа убрать низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа).

Сорбция. Сорбенты. Сорбционные фильтры

Сорбцией называют поглощение примесей из газа или жидкости твердыми телами, которые называют сорбентами.

Процесс сорбционной очистки состоит в пропускании газа или жидкости через сосуд, заполненный сорбентом – сорбционный фильтр. Если режим фильтрации и сорбент выбраны правильно, то достигается желаемый результат – удаление из газа или жидкости вредных примесей. Именно так работают противогазы и фильтры для воды. Сорбционные фильтры – это в первую очередь угольные фильтры. Активированные угли – наиболее широко используемые сорбенты, производимые миллионами тонн в год. Это универсальные сорбенты, применяемые для удаления примесей самой различной химической природы. Активация позволяет получить сорбент с площадью пор около 1000…1500 квадратных метров на 1 грамм угля. Эти чрезвычайно высокие величины и объясняют необычайно высокую эффективность активированных углей.

Очистка сточных вод – обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения – сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях – электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод большую роль играет биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

Выводы: Выбор метода очистки воды зависит от требований, которые предъявляются к воде и ее назначения. Для получения воды требуемого качества целесообразно применять комбинирование методов очистки.

Литература

1. Запольський А.К. Водопостачання, водовідведення та якість води: Підручник.-К.: Вища шк., 2005. – 671 с.

2 Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004. – 301 с.

3. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия, 1983. – 295 с.

4. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. – Киев: Наукова думка, 1989. – 288 с.

5. Вихрев В.Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. – 416 с.

6. Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды. Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод. Киев: Вища школа, 1983. – 240 с.