第一章 水处理及瓶装水的生产

第一章水处理及瓶装水的生产本章内容一、水源与水质二、水的预处理三、瓶装水的生产本章重点和难点1、水处理的基本原理2、矿泉水理化特征的表示方法3、纯净水生产中的膜分离技术及其特性第一节水源与水质一、水的分类1、地表水2、地下水3、城市自来水溶解的矿物质较少，硬度约为1.0～8.0mmol/L，但常含有粘土、砂、水草，腐植质，Ca，Mg盐类和其它盐类及细菌。硬度较高，水质较清，很少含有泥沙，悬浮物和细菌二、天然水中的杂质第一节水源与水质主要成分是钙和镁的碳酸氢盐，其次是钙、镁的碳酸盐，这些盐类经煮沸后分解成溶解度很小的碳酸盐，硬度大部分可除去。暂时硬度三、水的硬度水中离子沉淀肥皂的能力，一般指水中Ca2+、Mg2+盐类的含量第一节水源与水质为钙、镁的氯化物，硫酸盐、硝酸盐等，这些盐类经煮沸不会沉淀，硬度不会变化。永久硬度第一节水源与水质总硬度:总硬度mmol/L暂时硬度永久硬度+1德国度：1升水中含有10毫克氧化钙1mmol/L=2.804德国度生产企业德国度0~4°为最软的水，4~8°为软水，8~16°为中等硬度的水，16~30°为硬水，30°以上为很硬的水。饮料用水水质要求硬度小于8.5度,否则会产生碳酸钙沉淀和有机酸钙盐沉淀,影响产品口味及质量。第一节水源与水质天然水中能与H+结合的OH－，CO22-和HCO-3的含量，用mmol/L表示。天然水中通常仅存在HCO-3四、水的碱度第一节水源与水质天然水中碱度和硬度的关系H负:表示水的负硬度,主要含有NaHCO3、KHCO3、Na2CO3、K2CO3分析结果硬度（mmol/L）H非碳H碳H负H总＞A总H总=A总H总＜A总H总－A总00A总H总＝A总H总00A总－H总第二节水的预处理一、水中悬浮杂质的去除（一）混凝与沉降混凝1、常用的混凝剂铝盐——明矾、硫酸铝、碱性氯化铝铁盐——硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁在水中加入某些盐类，使水中细小悬浮或胶体物质互相吸附，从水中沉淀下来的过程。第二节水的预处理明矾及硫酸铝：原理：在水中Al2(SO4)3水解成Al(OH)3，可与水中带负电的自然胶体起电性中和作用，同时又可吸附水中的自然胶体和悬浮物。第二节水的预处理明矾：0.001～0.2%用量:Al2(SO4)3：0.2～1.0毫摩尔/升。使用时,要加入石灰调整pH值,一般1毫克/升的Al2(SO4)3需加0.5毫克/升的石灰。水温：25~35℃。注意搅拌。第二节水的预处理碱式氯化铝（PAC）：羟基氯化铝或聚合氯化铝分子式：[Al2(OH)nCl6—n]m,n=1～5；m≤10。用量：0.005～0.01%pH值范围：6～8。水温：20~30℃。第二节水的预处理铁盐：常用硫酸亚铁。特点：混凝速度快，水温的影响不大不适用于有机物含量较高的水质处理2、助凝剂如用来调节pH的碱、酸、石灰等；有机助凝剂如丙烯酸的化合物第二节水的预处理（二）过滤1、砂石过滤阻力截留重力沉降接触凝聚过滤原理工艺过程过滤冲洗第二节水的预处理滤料的选择足够的化学稳定性，过滤时不溶于水，不产生有害有毒物质足够的机械强度适宜的级配和足够的孔隙率K=1080DD通过滤料重量80%的筛孔径不均匀系数通过滤料重量10%的筛孔径过滤系统第二节水的预处理滤料层的结构垫层采用天然卵石层或碎石2、活性碳过滤氧化有机物→→→→→→吸附反应Cl2+H2O→→→2HCl+[O]→→→→→→CO2与C反应单层滤池双层滤池第二节水的预处理3、砂滤棒过滤用于水质较好时砂滤棒使用一定时间后，要停机，卸出砂芯进行处理。砂滤棒消毒处理75%的酒精0.25%的新洁尔灭10%的漂白粉过滤原理被处理的水在外压作用下，通过微小的孔隙，水中存在的少量有机物及微生物被微孔吸附截留在砂滤棒表面，滤出的水基本可达到无菌使用时应注意的问题第二节水的预处理钛棒过滤器其它过滤装置化学纤维蜂房式过滤器大孔离子吸附树脂过滤器第二节水的预处理二、水中溶解杂质的去除软化只降低水中Ca2+，Mg2+的含量除盐降低全部阳离子和阴离子的含量1、石灰软化适用于碳酸盐硬度较高、非碳酸盐硬度较低的水；不要求高度软化的水。第二节水的预处理石灰的消化：CaO+H2O→→→→Ca(OH)2↓用石灰除去水中的Ca2+,Mg2+,CO2CO2+Ca(OH)2→→→CaCO3↓+H2O(a)Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→→→2CaCO3↓+2H2O(b)Mg(HCO3)2+Ca(OH)2→→→Mg(OH)2↓+CaCO3↓(c)MgCO3+Ca(OH)2→→→CaCO3↓+Mg(OH)2↓(d)2NaHCO3+Ca(OH)2→→→CaCO3↓+NaCO3+2H2O(e)CaCO3+H2O+CO2→→→Ca(HCO3)2Mg(OH)2+CO2→→→MgCO3+H2OMgCO3+H2O+CO2→→→Mg(HCO3)2有关化学反应第二节水的预处理可通过计算确定。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CaO1.75g。石灰的添加量第二节水的预处理暂时硬度大部分被除掉，残余暂时硬度↓至0.2～0.4毫摩尔/升,残余碱度↓至0.4～0.6毫摩尔/升,有机物除去25%,硅酸化合物↓30～35%,原水中铁残留量0.1毫克/升。石灰软化后的水质第二节水的预处理2、石灰---纯碱软化处理适用于总硬度大于总碱度的水。MgSO4+Ca(OH)2→→→Mg(OH)2↓+CaSO4MgCl2+Ca(OH)2→→→Mg(OH)2↓+CaCl2CaSO4+Na2CO3→→→CaCO3↓+Na2SO4CaCl2+Na2CO3→→→CaCO3↓+2NaCl2永久硬度和暂时硬度被除去，但产生很多可溶性物质反应原理特点第二节水的预处理3、离子交换法分类:离子交换树脂矿物质离子交换剂碳质离子交换剂有机合成离子交换树脂阳离子阴离子离子交换树脂的特性强碱性、弱碱性强酸性、弱酸性第二节水的预处理RSO3-.H++Na+→RSO3Na+H+R≡N+OH-+Cl-→R≡NCl+OH-离子交换树脂软化水的机理第二节水的预处理选择大容量、高强度树脂:同类型树脂中，弱型比强型的交换容量大，但机械强度差根据原水中需除去离子的种类选择吸附性较强的离子（Ca2+、Mg2+）吸附性较弱的离子(K+、Na+、HCO3-、HSiO3-)，弱酸性或弱碱性树脂强酸性或强碱性树脂离子交换树脂的选择原则单级离子交换器（单床）多级（多床）固定床复合（复床）混合（混合床）双层（双层床）移动床流动床连续床第二节水的预处理离子交换水处理装置第二节水的预处理树脂的处理各种床式的组合时阳离子树脂应排在首位。使用前用自来水对树脂浸泡1～2天。树脂的处理、转型与再生第二节水的预处理树脂转型阳树脂：7%HCl泡1h→冲洗→沥干→8%NaOH泡1小时→冲洗→沥干→3～5倍7%HCl浸泡2个小时阴树脂：8%NaOH浸泡1小时→冲洗→沥干→7%HCl浸泡1小时→冲洗→沥干→用3～5倍8%NaOH浸泡2小时第二节水的预处理树脂的再生方法阳树脂：反冲→2～3倍7%HCl浸泡→去离子水（复床处理）冲洗→pH值达到3～4之间阴树脂：反冲→3～5倍8%NaOH浸泡→去离子水（复床处理）冲洗→pH值达8～9之间。再生液适当加温（≯50℃）效果更好第二节水的预处理通过具有选择通透性和良好导电性的离子交换膜，在外加直流电场的作用下，根据异性相吸，同性相斥的原理，使水中的阴阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜而达到净化作用原理4、电渗析法第二节水的预处理原水水质：浊度＜2mg/l，色度＜20度含Fe、Mn总量＜0.3mg/l有机物耗氧量2～3mg/l对原水的要求倒换电极3～8h定期酸洗浓度1%～2%的HCl，2～3h→pH3～4碱洗有机杂质污染阴膜0.1molNaOH第二节水的预处理结垢与去垢方法第二节水的预处理5、反渗透法反渗透（RO）、超滤（UF）和微滤（MF）都是以压力差为推动力的膜分离过程，它们没有本质区别，只是不同的渗透膜截留物质的相对分子量不同。原理反渗透与超滤第二节水的预处理三、水的消毒（一）氯消毒1、原理氯在水中反应：Cl2+H2O→→HOCl+HClHOCl→→H++OCl-HOCl是一个中性分子，可以扩散到带负电的细菌的表面，并穿过细菌的细胞膜进入细菌内部。HOCl进入细菌内部后，由于氯原子的氧化作用，破坏了细菌的某些酶系统，导致细菌死亡，而OCl-由于本身带负电，不能靠近带负电的细菌，所以其消毒作用也远弱于次氯酸第二节水的预处理3、加氯量：总投氯量为0.5~2.0mg/l。2、消毒方法滤前加氯滤后加氯用于原水质量较差，有机物含量多的情况原水经沉淀和过滤后加氯，加氯量少，且消毒效果好氯胺是水中的氯和氨化合生成的，其反应如下：生成一氯胺：NH3+HOCl→→NH2Cl+H2O生成二氯胺：NH3+2HOCl→→NHCl2+2H2ONH2Cl+HOCl→→NHCl2+H2O生成氯胺：NH3+3HOCl→→NCl3+3H2O或NH2Cl+2HOCl→→NCl3+2H2O4、几种常用的方法氯胺2CaOCl2+2H2O→→2Ca(OH)+2HOCl+CaCl2漂白粉第二节水的预处理高压放电或紫外线臭氧的发生：3O2→2O3-148kJ/mol臭氧的杀菌作用比氯快15～30倍。利用臭氧分解产生的原子氧（强氧化剂）与水中的细菌及其他微生物或有机物作用，使其失活（二）臭氧消毒第二节水的预处理原理：微生物受紫外光照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外光谱能量，导致蛋白质变性，引起微生物死亡，紫外线对清洁透明的水有一定穿透能力，所以能使水消毒。（三）紫外线消毒影响紫外线杀菌效果的因素灯管周围介质的温度。处理水量影响。照射半径、时间的影响。第三节瓶装水的生产一、天然矿泉水和纯净水的定义和分类1、定义水中含有天然无机盐在1000mg/L以上，或者含游离CO2在250mg/L以上者对人体生理上具有有益健康的特性矿泉水的微生物特征，应符合于世界卫生组织饮用水的国际标准是从地下水源矿脉的若干天然露头开发出来的水天然矿泉水的定义第三节瓶装水的生产以符合生活饮用水卫生标准的水为原料通过适当的加工方法制得密封于容器中不含任何添加物可直接饮用纯净水的定义按化学成分分2、天然矿泉水分类前苏联分类体系日本、德国分类体系按温度分类单纯温泉、碳酸泉、重碳酸土类泉、重碳酸钠泉、食盐泉、硫酸盐泉、铁泉、明矾泉、硫磺泉、硫化氢泉、酸性泉、碘泉、砷泉、放射能泉冷泉：＜20℃，低温泉：20～37℃温泉：37～42℃，热泉：＞42℃碳酸氢盐型，氯化物型，硫酸盐型，成分复杂的矿泉，含有生物离子的矿泉，含气体的矿泉水按泉涌形式分类按pH值分类自喷泉；脉博泉；火山泉强酸性泉：pH＞2酸性泉：pH2～4弱酸性泉：pH4～6中性泉：pH6～7.5弱碱性泉：pH7.5～9碱性泉：pH≥9第三节瓶装水的生产第三节瓶装水的生产三、矿泉水理化特征的表示方法库尔洛夫数学分式：QTpHMSP按含量多少从左向右排阳离子按含量多少从左向右排阴离子为所含气体或微量元素：g/L为总矿化度：g/L酸碱度泉温℃泉水涌出量:L/s或t/天第三节瓶装水的生产四、饮用天然矿泉水的生产工艺矿泉水→引水→沉淀→粗滤→精滤→充气→灌装→封盖↑CO2→净化→压缩不含碳酸气天然矿泉水的生产工艺第三节瓶装水的生产矿泉水→引水→气水分离→水→粗滤→精滤↓↓CO2灭菌↓↓净化→压缩精滤↓↓→→→→→充气↓灌装↓封盖含碳酸气的天然矿泉水的生产工艺第三节瓶装水的生产五、天然矿泉水的生产工艺要点1、引水2、曝气使矿泉水与经过净化了的空气充分接触，使其脱去其中的CO2和H2S等气体，并发生氧化作用。自然曝气强制曝气法曝气工艺矿泉水经过曝气喷洒时，以鼓风机的强大风流强制曝气，提高曝气效率将矿泉水通过一条或多条装在支管上的喷嘴进行喷洒，增加水与空气的接触面第三节瓶装水的生产3、过滤除去水中的不溶性杂质和微生物。4、灭菌臭氧杀菌、紫外线灭菌第三节瓶装水的生产变色沉淀微生物六