饮料用水的处理-水的处理

1.2饮料用水的水处理

主要解决两个问题：（1）饮料生产用水为什么要处理？

（2）饮料生产用水怎样处理？

饮料用水的水质要求饮料用水除符合我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006外，还应符合下表所列指标。指标饮用水饮料用水浊度/度色度/度溶解性总固体/mg/L总硬度（以CaCO3计）/mg/L铁（以Fe计）/mg/L高锰酸钾消耗量/mg/L总碱度（以CaCO3计）/mg/L游离氯/mg/L致病菌＜3

＜15＜1000＜450＜0.3——≥0.3—＜2＜5＜500＜100＜0.1＜10＜50＜0.1不得检出饮用水和饮料用水在指标上的差异●

处理对象：

悬浮物（包括微生物）胶体溶解物质

●

由于软饮料用水要求极为严格，因此必须不符合软饮料用水要求的水质进行改良，这个过程称为水处理。

●目的：除去水中的固体物质；降低硬度和碱度；杀灭微生物；排除所含气体。

●

处理方法：一、混凝沉淀二、水的过滤三、硬水软化四、水的消毒

●

注意：在水处理之前，先对水质进行精密分析，了解水源中杂质种类、状态，并确定用水量，以便决定水处理的工艺、设备。

根据水源及水质情况而定，一般有：

若是地表水：地表水→混凝沉淀→过滤→软化→杀菌→处理水

若是地下水：地下水→过滤→软化→杀菌→处理水自然沉淀水的沉淀加药物（混凝）沉淀除去水中较大的不溶性悬浮性杂质溶解性或悬浮于水中的细小粒子(胶体)

胶体物质之所以能在水中能保持稳定，其原因是同一种胶体的颗粒带有相同电性的电荷，彼此间在在着电性斥力，使颗粒之间相互排斥。使得它们不可能互相接近并结合成大的团粒，因而不易沉降。添加混凝剂后，胶体颗粒表面电荷被中和，破坏了胶体稳定性，促使小颗粒变成大颗粒而下降，从而达到澄清的目的。①原水的性质。②混凝剂的种类。③混凝剂的添加量。④混凝时的pH。⑤搅拌的时间。⑥搅拌的强度。⑦水温。影响混凝反应的因素有：常用的有铝盐和铁盐作用机理自身先溶解形成胶体，在与水中杂质作用，以中和或吸附的形式使杂质凝聚成大颗粒而沉淀。铝盐：明矾、硫酸铝、碱式氯化铝。铁盐：硫酸亚铁、硫酸铁、三氯化铁。（1）明矾

［KAl2(SO4)2]·12H2O一种复盐，在水中Al2(SO4)3发生水解作用生成氢氧化铝。

Al2(SO4)3→2Al3++3SO42-Al3++H2O→Al(OH)2++H+Al(OH)2++H2O→Al(OH)2++H+Al(OH)2++H2O→Al(OH)3↓

+H+

明矾的加入量一般为0.001％-0.02％，为了加速混凝，加入前需把明矾块弄碎，并在加入后用木棒搅1-2min。（2）硫酸铝加入水中的反应原理同明矾；硫酸铝是强酸弱碱盐，水解时使水的酸度增加，会导致Al（OH）3溶解；因此硫酸铝往往和石灰、氢氧化钠或酸一起用，以调节水的pH最佳为6.5-7.5。

一般每投入1mg/L的硫酸铝需加入0.5mg/L的石灰以调整水的pH值。（3）碱式氯化铝

碱式氯化铝（PAC）或聚合氯化铝，

[Al2(OH)nCl6-n]m

其中：n=1-5，ｍ≤10碱式氯化铝是一种新型的混凝剂。碱式氯化铝优点一般用量0.005-0.01%；pH值范围为5-9；水温低时，仍能保持良好的混凝效果；当过量投入时也不会造成水浑浊的反效果。（4）铁盐

常用的是硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)，氯化铁(FeCl3·6H2O)和硫酸铁。国内用于水处理的是前两种，铁盐在水中发生水解产生了Fe(OH)3胶体，Fe(OH)3作用过程与铝盐相似。优点：在碱性水中较稳定；同体积下，Fe(OH)3比Al(OH)3重1.5倍；温度对Fe(OH)3胶体影响较小。缺点：pH大于8时，才生成Fe(OH)3，pH大于6时，与腐植酸生成不沉淀的有色物质。

为了提高混凝的效果，经常需要加入一些辅助药剂，称助凝剂。常用的助凝剂有活性硅酸、海藻酸钠、CMC-Na；还有用来调节pH值的碱、酸、石灰等；有机合成的助凝剂聚丙烯胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯等。有时水中的混浊度不稳定，为加快混凝，加入粘土以加快粒子间的碰撞机会。

混凝条件的确定即原水的状况，包括水温、pH及其他物理性质、化学性质；混凝剂的性状及添加量；助滤剂的性状及添加量；混凝沉淀的装置；混凝沉淀的工艺（包括混凝剂、助滤剂等的添加顺序、搅拌强度及时间）。总之，水处理时，应先小试，以确定最佳的混凝沉淀条件。在过滤过程中，当过滤材料不同，过滤结果也不一样，如细砂、无烟煤常在结合混凝、石灰软化和水消毒的综合水处理中作为初级过滤材料，而对原水水质基本满足软饮料用水要求的，可采用砂棒过滤器，为除去水中的色和味，可采用活性炭过滤器等，还有精滤、超滤和反渗透等。1、过滤原理当原水通过粒状滤料层时，其中一些悬浮物质和胶体物质被截留在孔隙中或介质表面上，这种通过粒状介质层分离不溶性杂质的方法称为过滤，过滤过程包括阻力截留（筛滤）、重力沉降和接触凝聚等过程。（１）阻力截留：单层滤料层中粒状滤料的级配特点是上细下粗，也就是，上层孔隙小，下层孔隙大，当原水由上而下流过滤料层时，直径较大的悬浮杂质首先被截留在滤料层的孔隙间，从而使表面的滤料的孔隙越来越小，拦截住后来的颗粒，在滤层表面逐渐形成一层主要由截留的颗粒组成的薄膜，起到过滤作用。（２）重力沉降：当原水通过滤层时，众多的滤料颗粒提供了大量的沉降面积，当原水经过滤料层时，只要速度适宜，其中的悬浮物就会向这些沉淀面沉淀。（３）接触凝聚：表面积巨大的滤料砂粒，由于与悬浮物的微小颗粒之间的吸附作用，因此使得砂粒在水中带负电荷，能吸附带正电的微粒（如铁、铝的胶体微粒及硅酸），形成带正电荷的薄膜，因而能使带负电荷的胶体（粘土及其它有机物）凝聚在砂粒上。上述阻力截留主要发生在滤料表层的过滤，而接触凝聚和重力沉淀则是发生在滤料深层的过滤。过滤过程过滤冲洗生产清水滤料再生方法反冲2、过滤介质良好的过滤介质应具备的条件：

（1）有足够的机械强度；（2）具有足够的化学稳定性，不溶于水，不产生有害和有毒的物质；（3）适宜的级配和足够的孔隙率，颗粒外形接近球形，表面比较粗糙最好有棱角；（4）价廉物美。3、过滤的形式

池式过滤、砂滤棒过滤器、活性炭过滤、微孔过滤等。3.1、池式过滤（1）定义：是指过滤介质（滤料）填于池中的过滤形式。（2）过滤介质有：砂、石英砂（人工破碎）、活性炭等。正确的滤料层结构应具有以下特点：①含污能力大（kg/m3表示）；②产水能力（生产能力）高（m3/h）。（3）滤料层的结构：达到上述要求，滤料层应有：适宜的级配和足够的孔隙率。级配：指滤料粒径范围及在此范围内各种粒径的数量比例。通常以不均匀系数K控制。

K=d80/d10

式中K——不均匀系数

d80——通过滤料质量的80%的筛孔直径

d10——通过滤料质量的l0%的筛孔直径一般普通快滤池K=2~2.2。

孔隙率：指滤料的孔隙体积和整个滤层体积的比例。

理想的滤料层结构：粒径沿水流方向逐渐减小（上粗下细）。

具有孔隙上大下小特征的两种或多种滤料的滤料层特征：例，双层滤池：无烟煤滤层—砂滤层，无烟煤：比重1.4~1.7，粒径0.8~1.8mm，厚0.3~0.4m；石英砂：比重2.55~2.65，粒径0.5~1.2mm，厚：0.4~0.5m。（4）垫层

为了防止过滤时滤料进入配水系统，以及冲洗时能均匀布水，在滤料层和配水系统之间设置垫层（承托层）。垫层必须满足下列要求：

在高速水流反冲洗的情况下应保持不被冲动；要形成均匀的孔隙以保证冲洗水的均匀分布；材料坚固，不溶于水。过滤：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→冲洗。冲洗效果取决于冲洗强度，冲洗强度应适中。双层快滤池多采用13~16L/m2.s的冲洗强度。冲洗时根据情况可以采取辅助措施：逆流水力冲洗、压缩空气冲洗、机械或超声波扰动等。

砂滤棒是用细微颗粒的硅藻土及骨灰等可燃性物质，成型之后在高温下烧结而成，其滤孔直径一般为.002-0.004mm。

主要是利用多孔陶瓷滤棒(砂滤芯)的作用，除去已处理水中残存微细杂质及大多数微生物。砂滤棒使用时注意的问题：①因为是加压过滤，使用时不能超过正常操作压力。②长时间连续过滤后，杂质吸附过度会使过滤速度下降，应进行冲洗。③砂滤棒在使用前均需消毒处理，一般用75％的酒精或0.25％的新洁尔灭或10％的漂白粉液。活性炭过滤：活性炭具有多孔性，可以吸附异味，去除各种杂质。在用氯破坏水中的有机物、杀灭微生物时，以活性炭作为余氯的吸附剂是最适宜的。活性炭的表面积：500—1000m

2/g，一般可将水中的有机物除去90%以上。实际生产中常把活性炭过滤与砂滤棒过滤器串联使用。另外活性炭具有腐蚀性，用铁制容器装活性炭时要涂上防腐蚀涂料。3.4微孔过滤微孔膜过滤器外壳为一立式不锈钢圆筒，内置一只或多只滤芯，滤芯为高分子材料的滤膜。滤膜的材料结构决定了过滤效果。

3.5其他过滤①钛棒过滤器②化学纤维蜂房式过滤器③大孔离子吸附树脂过滤器1.2饮料用水的水处理溶解性杂质六种含量大的离子：Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、SO42-、Cl-

两种含量小的离子：Fe2+SiO32-

两种气体：O2CO2

Ca2+、Mg2+含量的总和叫水的硬度；Ca2+、Mg2+、Na+、HCO3-、SO42-、Cl-等阴阳离子的总含量叫含盐量。

饮料工业用水处理包含两个内容：第一：只降低水中Ca2+和Mg2+含量的处理，叫水的软化；第二：降低全部阴、阳离子含量的处理，叫水的除盐。根据化合物在不同温度条件下，在水中溶解度不同而进行的软化方法。

一般用加热法除去碳酸盐硬度。

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H2O+CO2↑Mg(HCO3)2→MgCO3↓+H2O+CO2↑MgCO3+H2O→Mg(OH)2↓+CO2↑

石灰软化法、石灰-纯碱软化法及石灰-纯碱-磷酸三钠软化法

1.石灰软化法

此法适合于碳酸盐硬度较高、非碳酸盐硬度较低，而且对水质不要求高度软化的水的处理。原理在原水总硬度中碳酸盐硬度较高的情况下，在水中加入生石灰CaO，可降低碳酸盐硬度和碱度，相关反应为：将生石灰CaO配制成石灰乳：

CaO+H2O→Ca(OH)2

用石灰乳除去水中重碳酸钙Ca(HCO3)2

、重碳酸镁Mg(HCO3)2和CO2。CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O(a)

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+2H2O(b)

Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓(c)MgCO3+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓(d)2NaHCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O(e)

反应（a）先去除水中的CO2，CO2去除后才完成（b）→（d）软化反应，否则水中CO2会和CaCO3、Mg(OH)2这些沉淀物重新化合，会再产生碳酸盐硬度，反应如下：

Ca(CO3)2+H2O+CO2→Ca(HCO3)2

Mg(OH)2+CO2→MgCO3+H2OMg(CO3)2+H2O+CO2→Mg(HCO3)2反应式(e)是当水中的碱度大于硬度时才出现的。如果化合物NaHCO3中的HCO3－没有被除去，这部分HCO3－仍然会和Ca2+和Mg2+生成碳酸盐硬度,反应（b）~（d）仍然不能完成。

与以上反应同时还生产下述反应：Fe(HCO3)2+8Ca(OH)2+O2→4Fe(OH)3↓+8CaCO3+6H2OFe2(SO4)3+3Ca(OH)2→2Fe(OH)3↓

+3CaSO4

H2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3+2H2O

mH2SiO3+nMg(OH)2→nMg(OH)2.mH2SiO3

因此，通过石灰处理可以除去水中部分铁和硅的化合物。石灰添加量

软化时石灰添加量按下式计算：

G=56×D(HCa+HMg+CO2+0.175)(kg/h)

103×Ｋ

式中：

Ｇ―石灰消耗量，kg/h

D―软化水量，t/h

HCa―原水的钙硬度；mol／L

HMg―原水的镁硬度；mol／L

CO2―原水中游离的CO2量，mol／L0.175―石灰过剩量

Ｋ―工业用石灰纯度，一般为60-80%

56―CaO的摩尔质量

根据经验每降低1m3水中暂时硬度１度，需加纯CaO10g，每降低1m3水中CO2的浓度为1mg/L时，需加纯CaO1.27g。

同时除去水中的碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度，处理后的水残留硬度一般降为0.25-0.35毫克当量/升。CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4

CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaClMgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4

MgCl2+Na2CO3→MgCO3+NaCl

生成的碳酸镁可与熟石灰作用而被除去，反应如下：

MgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓

目前此法不常用，原因：反应产物为很多可溶性物质，如Na2SO4、NaCl；特别当原水中永久硬度较高时，纯碱就不能降低原水中的溶解固体含量。纯碱消耗量G(g/h)计算法：

Ｇ＝106

D(H永＋a)

E

式中

Ｄ―软化水量（t/h）

106―Na2CO3的摩尔质量

Ｈ永―原水的永久硬度（mol／l）

a―纯碱过剩量（mol／l）

E―工业用纯碱的纯度（％）以石灰-纯碱作为基本软化剂，以少量磷酸三钠作为辅助软化剂。反应原理：石灰-纯碱除去大部分Ca2+和Mg2+；残存的Ca2+和Mg2+与Na3PO4反应生成磷酸盐沉淀去除。1.工作原理利用离子在电场下定向迁移现象和离子交换膜的选择透过性达到除盐的效果。在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一部分水中的大部分离子迁移到另一部分中，从而达到除盐的目的。通电后，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。因为膜的透过选择性，产生了交替排列的淡水室和浓水室。处理过程连续化；无外加任何化学试剂；不需再生剂和任何再生过程；只需倒换电极；不能除去胶体物质；不能彻底除盐；水的利用率低，仅40%左右，有大量浓盐水排放。进水水质必须符合：浊度﹤3mg/L；含铁总量﹤0.3mg/L；含锰总量﹤0.1mg/L；色度﹤15°；耗氧量﹤3mg/L（KMnO4）；水温5-40℃；污染指数﹤7。工作压力≤3Kg/cm2；在停止运行前倒换电极一次，通电冲洗10分钟，再停机。预处理倒换电极定期清洗停运保护

利用半透膜只能透过溶剂的性质，对溶液侧施加压力以克服渗透压，使溶剂通过半透膜而从溶液中分离出来的过程。

1.膜的种类反渗透能否得到实际应用，关键是半透膜。目前常用的反渗透膜有：（１）醋酸纤维素膜（简称CA膜）

CA膜是以高氯酸镁Mg(ClO4)2和水为溶胀剂（又称发孔剂），加到以丙酮为溶剂的醋酸纤维素溶液中，将制得的铸膜液在玻璃上刮成膜。（２）芳香聚酰胺纤维膜

主要原料为芳香聚酰胺，芳香聚酰胺－酰肼以及其它一些含氮芳香聚合物。它具有良好的透水性能，较高的脱盐率，优越的机械强度和化学稳定性，耐压实，能在pH值8~10范围内使用。2.膜质量的评价参数

（1）透水率：单位时间内通过单位膜面积的水的体积流量。对于特定的膜而言，水量大小取决于膜的物理特性（厚度、化学成分、孔隙度）和系统特性（温度、膜两侧压力差、溶液浓度及料液平行通过膜表面速率）。

（2）脱盐率（截留率）

表示溶质的截留百分率，与此对应的是“透盐率”，即盐通过膜的速率。（3）抗压实性

由于操作压力和温度等原因而引起膜的压实作用，从而导致透水率不断下降。因此要求膜压实系数小，抗压实性强。反渗透器的构造型式主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。反渗透器的工艺流程通常采用一级、一级多段、二级、多级等反渗透。

离子交换法—利用离子交换剂把原水中人们所不需要的离子暂占有，然后再将它释放到再生液中使水得到软化的方法。

离子交换的反应过程，以用H型阳离子交换树脂HR和水中Na+交换反应过程为例：

HR+Na+→NaR+H+水中的阳离子（如Na+）被转移到树脂上，而离子交换树脂上的一个可交换的H+转入水中。

Na+从水中转移到树脂上的过程是离子的置换过程；树脂上的H+交换到水中的过程称游离过程。

离子交换树脂在水中解离：

RSO3H→RSO3-+H+R4NOH→R4N++OH-水中阳、阴离子分别与H+、OH-交换：

RSO3-+H++Na+→RSO3Na+H+R4N++OH-+Cl-→R4NCl+OH-

凡是能够进行离子交换的物质都称为离子交换剂。

天然：海绿砂无机质类人造：合成沸石碳质：磺化煤有机质阳离子型：强酸性树脂、弱酸性树脂合成树脂类阴离子型：强碱性（季胺型）和弱碱性树脂（伯、肿、叔胺型）锅炉用水、冷却水及