Способи водопідготовки для виробництва алкогольних та безалкогольних напоїв
СОДЕРЖАНИЕ: Характеристика природної води та її домішок, органолептичні та хімічні показники якості. Аналіз вимог до води за органолептичними, фізико-хімічними та токсичними показниками, методи її очистки для безалкогольного та лікеро-горілчаного виробництва.МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
КАФЕДРА ПРОДУКТІВ БІОТЕХНОЛОГІЇ
КУРСОВА РОБОТА
Способи водопідготовки для виробництва алкогольних та безалкогольних напоїв
Виконала:
студент технологічного факультету
V курсу групи Б
Гордієнко О. Н.
Науковий керівник
доцент кафедри Варейко М. В.
Київ – 2004
Вступ
Традиційно на підприємствах лікеро-горілчаної та безалкогольної промисловості України використовують помякшену водопровідну чи артезіанську воду, вміст домішок у якій не завжди відповідає необхідним вимогам. Необхідно відмітити, що вода, яку використовують підприємства, дуже різноманітна за складом, який залежить від географічного розташування заводу, геологічного складу ґрунтів, забрудненості стічними водами, а також способів водоочистки, які функціонують на заводі.
1. Природна вода та її домішки
Джерела промислового водокористування розділяють на води підземних родовищ та відкритих водойм. До перших відносяться артезіанські та ґрунтові води, до других – води річок, озер та штучних водоймищ.
Артезіанські води в надрах землі знаходяться на значній глибині. Як правило, такі води не зазнають безпосередньої дії зовнішнього середовища, атмосферних опадів і різних промислових стоків. Тому вони мають більш стабільний склад солей і газів, та майже не містять органічних речовин. Такі води збагачені мінеральними солями головним чином за рахунок вилужування з порід: вапняків, доломітів, гіпсу, камяної солі і т.д. Ці води майже завжди безбарвні, прозорі, мають приємний стійкий смак та не мають запаху. Загальна мінералізація артезіанських вод, тобто вміст в них мінеральних солей, достатньо значна, у середньому вона коливається від 50 до 1500 мг/дм3 і більше; вміст органічних домішок в артезіанських водах не перевищує 4 мг О2 /дм3 .
Ґрунтові води залягають неглибоко, над першим від поверхні землі водонепроникним шаром землі. Вони утворюються головним чином від інфільтраційних вод: атмосферних осадів, паводкових вод і вод відкритих водойм. Сольовий і газовий склад таких вод у порівнянні з артезіанськими водами менш постійний та стійкий. Мінералізація ґрунтових вод коливається в межах 100 - 200 мг/дм3 , а вміст органічних домішок досягає 8 мг О2 /дм3 .
Води відкритих водойм – найбільш поширені джерела промислового водопостачання. Сольовий склад цих вод і характер домішок, як правило, не постійний і протягом року змінюється в залежності від атмосферних осадів, паводкових води і змішування їх з поверхневими стоками. Ці води менш мінералізовані, ніж підземні. Вміст солей в більшості річкових вод коливається в межах 40 – 500 мг/дм3 . Окремі річки та озера характеризуються високою мінералізацією води.
Вміст органічних домішок у водах відкритих водойм значний і коливається в межах 2-100 мг/дм3 . Близько промислових центрів і в паводкові періоди року вміст органічних речовин в річкових водах значно збільшується.
1.1 Характеристика органолептичних показників якості води
Якість води при використанні її на приготування напоїв визначається органолептичними показниками, хімічним складом та ступенем бактеріальної чистоти.
1.1.1 Забарвленість води
Чиста вода, яку взято в малому обємі, безбарвна. В товстому шарі вона має блакисно-зелений відтінок. Інші відтінки свідчать про наявність в ній різних розчинних та зважених домішок.
Зміну забарвлення води в основному обумовлюють органічні сполуки. Які в природних водах дуже різноманітні. Деякі з них входять в склад мікроорганізмів, або є продуктами їх життєдіяльності або розкладу. В природній воді встановлена присутність гумусових та дубильних речовин, білково- та вуглеводоподібних сполук, жирів, органічних кислот. Іноді джерелом забарвлених органічних сполук в водоймах слугують промислові та побутові стічні води. Колоїдні залізисті сполуки надають воді відтінки від жовтуватих до зелених.
При цвітінні водойм в залежності від виду мікроорганізмів вода набуває світло-зеленого, зеленувато-бурого забарвлення. Забарвленість природних вод відкритих водойм обумовлений гумусовими речовинами, які забарвлюють воду в різні відтінки жовтого та бурого забарвлення. Гумусові речовини утворюються в результаті розкладу нестійких органічних речовин до більш простих хімічних сполук та наступного синтезу нових, стійких сполук. В природних водах гумусові сполуки представлені фульво- та гуміновими кислотами, а також їх солями.
Присутність органічних речовин в воді обумовлює не тільки прозорість, але впливає на її прозорість, запах и смак, показник заломлення світла, поверхневий натяг, біохімічну потребу в кисні та його розчинність. Іноді домішки, які знаходяться у воді і складені з органічних і неорганічних речовин. Хімічно або адсорбційно повязані між собою. Так, відомі стійкі сполуки гумусу з глиною, комплексні органо-мінеральні сполуки з алюмінієм, фосфором, кремнієм, залізом и т.д.
Стійкість гумусових речовин до дії окислювачів та адсорбентів зростає в ряду: гумінові кислоти - колоїдно-розчинні фульвокислоти - істинно розчинні фульвокислоти. Тому при очистці води поряд з забарвленістю обовязково повинен бути врахований фракційний склад, обумовлюючих її гумусових речовин. Забарвленість води виражається в градусах та визначається фотометрично - шляхом порівняння проб досліджуваної рідини з розчинами, які імітують забарвленість природної води.
1.1.2 Смак та запах води
Присмаки та запахи, характерні для води природних джерел, зявляються внаслідок природного або зовнішнього забруднення. Розрізняють чотири види смаку природної води: солоний, гіркий, солодкий та кислий. Найбільш розповсюджений солоний смак води, який обумовлений розчиненим хлоридом натрію, гіркий – сульфатом магнію, кислий смак мають води, що містять надлишкову кількість розчиненої вуглекислоти.
Всі інші види смакових відчуттів називають присмаками. Так, солі заліза (ІІ) та марганцю надають воді чорнильного або залізистого присмаку, лужний присмак – сода, поташ і луги; сульфат кальцію - вяжучий. Інтенсивність смаку та присмаку визначається органолептично за температури 20о С і оцінюється за пяти бальною шкалою.
Запахи води бувають натурального або штучного походження. Причиною виникнення запахів натурального походження може бути хімічний склад води, специфічні сполуки, що виділяються мікроорганізмами, рослинними залишками. До цих запахів відносять: ароматичний, гнильний, деревний, землистий, запах плісняви, рибний, травяний, невизначений, а також запах сірководню, часто обумовлений присутністю останнього у воді.
Сполуки, які обумовлюють запахи натурального походження, є складними сумішами ароматичних вуглеводнів та кисневмісних сполук (спирти, альдегіди, кетони, складні ефіри). Вони леткі, руйнуються сильними окислювачами та добре поглинаються активованим вугіллям. Запахи штучного походження, викликаються домішками промислових стічних вод називають по відповідним речовинам: фенольний, хлорфенольний, нафтовий і т.д.
Характер та інтенсивність запаху води визначають органолептично при температурі 20 та 60 о С (при дегустації холодної та підігрітої води запах підсилюється) та оцінюється за пятибальною системою.
1.2 Характеристика хімічних показників якості води
Хімічний аналіз природної води має велике значення в практиці водопідготовки. На основі порівняння результатів аналізу природної води з вимогами, які предявляються споживачем, можна судити про те, яким процесам очистки необхідно піддати цю воду для покращення тих або інших показників її якості.
Активна реакція води - ступінь її кислотності або лужності. Визначається концентрацією водневих іонів, їх активністю. Визначення величини рН в практиці водопідготовки дозволяє встановити форму присутності солей вугільної та кремнієвої кислот. А також сполук сірководню, слугує для контролю деяких аналітичних визначень, відіграє велику роль при проведенні ряду процесів обробки води, наприклад при реагентному помякшенні, знезалізненні, видаленні марганцю і т.д. Для більшості природних вод величина рН коливається в межах 6,5 - 8,5. Ця реакція більш або менш постійна завдяки впливу буферних сумішей; вона найбільш сприятлива для хімічних та біохімічних процесів виробництва напоїв. Відхилення значення рН від цих меж свідчить про збільшення у воді різних домішок, крім того на значення рН води впливає підвищена концентрація гумусових кислот та забруднення стічними водами.
Окислюваність води і органічні речовини
Наявність в природних водах органічних (у вигляді гумінових речовин, продуктів розкладу білків) і деяких легкоокислюючих неорганічних домішок (сірководню, сульфідів, нітратів, заліза (ІІ) та інш.) обумовлює окислюваність води. Ступінь окислюваності визначається кількістю кисню в міліграмах, що витрачається на окиснення органічних домішок в 1 дм3 води.
Азотовмісні речовини. Сполуки азоту в природних водах представлені крім аміаку, присутнього у вигляді іону NH4 + , нітритами і нітратами, які є продуктами його окислення під впливом фізико-хімічних і біохімічних факторів. Азотовмісні речовини (іони NH4 + , NO2 - , NO3 - ) утворюються у воді головним чином в результаті розкладу сечовини та білків, які в воду попадають з стічними водами. Білкові речовини під дією мікроорганізмів зазнають розпаду, кінцевий продукт якого - аміак. Наявність останнього свідчить про забруднення води стічними водами
Сухий залишок Про кількість солей, які містяться у воді, судять по величині сухого залишку і втраті маси при прожарюванні. Сухий залишок, який утворюється при випарюванні означеного обєму води, попередньо профільтрованої крізь паперовий фільтр, складається з мінеральних солей і нелетких сполук. Органічна частина сухого залишку води визначається втратою його при прожарюванні.
Визначення втрати при прожарюванні використовується для контролю вмісту органічних сполук, хоча достовірні результати отримують для води з малим вмістом солей. Для вод з підвищеною кількістю солей отримані дані звичайно перевищують істинний вміст органічних речовин в наслідок часткового розкладу та звітрювання при прожарюванні мінеральних солей деяких азотовмісних сполук, карбонатів, а також кристалізаційної води.
Хлориди і сульфати володіють високою розчинністю і присутні у водах більшості джерел водопостачання. Розчинність у воді хлориду натрію складає 360 г/дм3 , хлориду магнію - 545 г/дм3 . Значна кількість хлоридів може попадати в воду в наслідок вимивання хлористих сполук з ґрунту, а також при попаданні в воду промислових та побутових стічних вод
Крім хлорид-іонів СІ- в природних водах часто зустрічаються іони SO4 2- . Звичайно в мало- та помірномінералізованих водах сульфатні іони домінують над хлорид-іонами. У морській воді та воді солоних озер концентрація хлорид-іонів значно вище концентрації сульфат-іонів. У воді річок та прісних озер вміст сульфат-іонів, як правило не перевищує 100 мг/дм3 ; в підземних водах концентрації може бути дещо вище, але на великій глибині із-за протікання там відновлювальних процесів вони часто зовсім відсутні. В місцях, де породи збагачені гіпсами, вміст сульфатних іонів в поверхневих і підземних водах може досягати(і іноді і перевищувати) 1000 мг/дм3 . Сульфат-іони попадають в воду в основному при розчиненні осадових порід, в склад яких входить гіпс. Іноді іони SO4 2- утворюються у воді в результаті окислення сульфідів та самородної сірки, а також внаслідок забруднення води промисловими та побутовими стічними водами. При відсутності кисню іони SO4 2- під дією сульфатредукуючих бактерій відновлюються до Н2 S.
Наявність у воді сульфатів кальцію та магнію підвищують некарбонатну твердість води.
Сульфати та хлориди в певних концентраціях є причиною корозійної активності води. Сульфатна корозійна активність виникає при наявності у воді іонів сульфату в кількості більше 300 мг/дм3 .
Лужність води .Під загальною лужністю води розуміють суму гідроксильних іонів (ОН- ) та аніонів слабких кислот, наприклад вугільної (іонів НСО3 - , СО3 2- ), які містяться у воді. Так як у більшості природних вод переважають вуглекислі сполуки, розрізняють гідрокарбонатну та карбонатну лужність. При деяких прийомах обробки води та при рН її вище 8,5 виникає гідратна лужність.
Лужні метали. З іонів лужних металів в природних, особливо у морських, водах розповсюджені такі метали як натрій Na+ та калій К+ . За розповсюдженістю в природних водах натрій займає перше місце, складаючи більш половини усіх катіонів, які містяться в ній. Кількість калію звичайно складає 4-10% числа присутніх у воді іонів натрію (в маломінералізованих водах – більший процент). В прісних водах концентрація натрію і калію звичайно не перевищує декількох міліграмів на літр; зі збільшенням мінералізації вміст натрію різко збільшується.
Надходження іонів натрію і калію в природні води обумовлено вилужуванням їх при вивітрюванні корінних порід, які містять алюмосилікати натрію, і кислих порід вулканічного походження, які містять калій. Іони натрію зявляються і в наслідок розчинення кухонної солі, присутньої в осадових породах у вигляді покладів.
Твердість води. Твердість природної води обумовлюється наявністю в них солей кальцію та магнію.
Загальна твердість води це сума карбонатної (тимчасової) та некарбонатної (постійної) твердості.
Карбонатна твердість, повязана з присутністю у воді в основному гідрокарбонатів кальцію або магнію, майже повністю видаляється при кипятінні води. Гідрокарбонати при цьому розкладаються з утворенням вуглекисоти, в осад випадають карбонати кальцію та гідроксид магнію.
Некарбонатна твердість обумовлена присутністю кальцієвих та магнієвих солей сірчаної, соляної та азотної кислот і кипятінням не усувається.
Іон магнію за своїм вмістом у воді займає друге місце серед катіонів, поступаючись першим іону натрію. Однак мало зустрічається вод, де домінуючим катіоном є іон магнію: в маломінералізованих водах перше місце належить іону кальцію, в сильномінералізованих – іону натрію.
Залізо і марганець . Залізо в природних водах може знаходитись у вигляді іонів Fе2+ і Fе3+ , неорганічних (Fе(ОН)3 , Fе(ОН)2 , FеS) і органічних колоїдів, комплексних сполук (головним чином органічних комплексних сполук заліза) і тонко дисперсної зависі (Fе(ОН)3 , Fе(ОН)2 , FеS). В поверхневих водах залізо міститься у вигляді органічних комплексних сполук, колоїдів або дрібнодисперсної зависі. В підземних водах при відсутності розчинного кисню залізо може находиться у вигляді солей заліза (ІІ). Форма, в який присутні у природних водах залізо і марганець, залежить від значення рН и вмісту кисню.
Вміст заліза і марганцю у воді не перевищує декілька десятків міліграм в 1 дм3 . Вода з високим вмістом цих іонів для питних і промислових цілей непридатна, так як має неприємний чорнильний або залізистий присмак. Наявність у воді заліза і марганцю може призводити до розвитку у трубах залізистих і марганцевих бактерій, що використовують в процесі своєї життєдіяльності енергію, що виділяється при окисленні сполук з низькою в сполуки з вищою валентністю.
Солі заліза як у вигляді двовуглекислого закису, так і у вигляді сірчанокислих і хлористих солей дуже несприятливо діють на воду та напої.
Сполуки кремнію . Кремній присутній у природних водах у вигляді мінеральних і органічних сполук. Вилуження силікатних порід збагачує природні води кремнієвою кислотою та її солями.
При рН7 у воді находиться тільки недисоційована кремнієва кислота. Частина кремнію може бути присутня у воді в колоїдному стані у вигляді SiO2 .H2 O або у вигляді полі кремнієвої кислоти хSiO2 . уH2 O. Найбільша кількість кремнію знаходиться у підземних водах.
Сполуки фосфору Сполуки фосфору представлені в природній воді речовинами мінерального (мінеральний фосфор) і органічного (органічний фосфор) походження; вони можуть бути в розчиненому стані або у вигляді зважених часток. Мінеральний фосфор, який знаходиться в розчиненому стані, представлений в основному іонами ортофосфорної кислоти: Н2 РО4 - , НРО4 2- і РО4 3- або органічного комплексу, а також у вигляді завислих часток органічного та мінерального походження.
Концентрація їх залежить від рН середовища і значень констант трьох ступеней дисоціації кислоти.
Розчинні у воді гази З розчинних газів найбільш важливими для оцінки її якості є вуглекислота, кисень, сірководень, азот. Вуглекислота, кисень і сірководень при означених умовах надають воді корозійні властивості по відношенню до металів та бетону.
Кисень може знаходитись в природних водах в різних концентраціях (0014,6 мг/дм3 ), що визначається інтенсивністю протилежно направлених процесів, які впливають на вміст кисню у воді. Збагачення води киснем проходить за рахунок розчинення його з повітря (у відповідності з парціальним тиском кисню і температурою води) та виділення водною рослинністю в процесі фотосинтезу. Окиснення деяких домішок води, гниття органічних залишків, зародження, дихання мікроорганізмів зменшують вміст кисню у воді. Різке зменшення вмісту кисню у воді в порівнянні з нормальним свідчить про її забруднення.
Сірководень утворюється в природних водах в результаті протікання в джерелі водопостачання біологічних процесів, гниття органічних залишків (сірководень органічного походження) або з деякими мінеральними солями (відновлюються, розкладаються і виділяють сірководень - сірководень неорганічного походження). Наявність у воді сірководню органічного походження свідчить про забруднення вододжерела. У поверхневих джерелах присутність сірководню малоймовірна, так як він легко окислюється. Іноді сірководень зустрічається в придонних шарах поверхневих джерел.
Азот попадає в природні води при поглинанні його з повітря, відновленні сполук азоту денітрифікуючими бактеріями, а також в наслідок розкладу органічних залишків.
2 Класифікація домішок і забруднень води
Речовини, що розчинені у природних водах, умовно можна розділити на п’ять груп:
1 - головні іони, що містяться у невеликій кількості ( CL- , СО3 2- , НСО3 - , SO4 2- , Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ та інш.);
2 - розчинені гази ( кисень, азот, діоксид вуглецю, сірководень та інш.);
3 - біогенні гази (сполуки азоту, фосфору та кремнію);
4 - мікроелементи - сполуки всіх інших хімічних елементів;
5- органічні речовини.
Природні води характеризуються наступними критеріями якості:
· фізико-хімічними - мінералізація, твердість, кислотність, лужність, сухий залишок, вміст завислих речовин, температура, водневий показник (рН), густина, електропровідність, оптична густина, поверхневий натяг, радіоактивність;
· санітарно-гігієнічними - розчинний кисень, біохімічне витрачання кисню (БВК), окислюваність перманганатна та біхроматна, азот аміаку, нітритів та нітратів;
· органолептичними забарвленість, запах, смак та прозорість;
· бактеріальними - мікробне число, колі-індекс, наявність вірусів;
· біологічними - присутність водоростей і т.д.
При різноманітті присутніх у воді домішок і забруднень першорядне значення для розробки економічних способів очищення води має обґрунтована класифікація, яка дозволяє обєднати їх за ознакою загальних властивостей в окремі групи.
Для характеристики природних вод по вмісту розчинених речовин застосовується декілька класифікацій запропонованих гідрохіміками.
За походженням розрізняють:
- атмосферні води (осадові);
- підземні води (ключові и колодязні);
- поверхневі (річкові, озерні, морські, болотні).
За кількістю і характером домішок води розділяють на прісні, солоні, мякі, тверді, прозорі, безбарвні, опалесцентні, мутні, забарвлені, духмяні і ін.
За принципом використання води поділяють на питні, господарські, технічні, охолоджуючі, лікувальні і т.д.
Система С.А. Щукарева включає 49 класів вод і передбачає використання в якості класифікаційного признака наявність в них іонів з концентраціями вище 12,5% їх загального вмісту (наприклад: хлоридно-натрієві, карбонатно-сульфатно-кальцієві і т.д.).
Класифікація природних вод за загальною мінералізацією наведена в таблиці 1.
Таблиця 1 - Класифікація природних вод за загальною мінералізацією
| Вода | Характеристика | Загальна мінералізація, мг/дм3 |
| Ультрапрісна | Звичайна гідрокарбонатна | Менше 200 |
| Прісна | Звичайна гідрокарбонатна | 200 – 500 |
| З підвищеною мінералізацією | Гідрокарбонатно-сульфатна | 500 – 1000 |
| Солонувата та солона | Сульфатно-хлоридна | 300 – 10000 |
| З підвищеною солоністю | Переважно хлоридна | 10000 – 35000 |
| Перехідна до розсолу | Хлоридна | 35000 – 50000 |
| Розсоли | Хлоридна | 50000 – 400000 |
Класифікація природних вод за твердістю наведена в таблиці 2.
Таблиця 2 - Класифікація природних вод за твердістю
| Вода | Твердість, ммоль/дм3 |
| Дуже мяка | Менше 1,5 |
| Мяка | 1,5 – 4,0 |
| Середньої твердості | 4-8 |
| Тверда | 8-12 |
| Дуже тверда | Більше 12 |
Класифікація вод запропонована О.А. Альокіним сполучає принцип розподілу за переважаючим аніоном та катіоном з підрозділом за кількісним відношенням поміж ними. За переважаючим аніоном природні води підрозділяються на три групи: гідрокарбонатні та карбонатні, а також сульфатні та хлоридні. Кожна група в залежності від переважаючого катіона ділиться на три групи: кальцієву, магнієву і натрієву. Кожна група має чотири типи вод в залежності від еквівалентного співвідношення іонів:
- НСО3 - Са2+ + Мg2+ ;
- НСО3 - Са2+ + Мg2+ НСО3 - + SO4 2- ;
- НСО3 - + SO4 2- Са2+ + Мg2+ або СІ- Na+ ;
- НСО3 - = 0 (для кислих вод).
Класифікація домішок води Л.А.Кульського основана на фізико-хімічних характеристиках: фазовому стані і дисперсності. За цією класифікацією домішки води за їх відношенню до дисперсного середовища розділені на 4 групи. Домішки перших двох груп (крім високомолекулярних сполук) утворюють термодинамічно нестійкі гетерогенні системи, а двох інших - термодинамічно рівноважні і зворотні гомогенні системи. Перша група речовин являє собою нерозчинні домішки, які утворюють з водою суспензії, емульсії та піни. Ці домішки обумовлюють мутність води та в деяких випадках можуть надавати їй забарвленості. Друга група речовин обєднує гідрофільні і гідрофобні колоїдні домішки, а також високомолекулярні сполуки, які здатні утворювати з водою стійкі колоїдні системи. Третя група речовин включає розчинні у воді гази та органічні сполуки як біологічного, так і антропогенного походження. Четверта група обєднує речовини, які утворюють з водою розчини електролітів.
Аналіз інформації про хімічний склад природних вод з різних джерел показує, що ступінь мінералізації природних вод може суттєво відрізнятися в залежності від географічного положення, кліматичної зони, геологічного походження джерела т ін. Існуючі типи класифікацій природних вод не відображають всієї різноманітності хімічного складу вод, що визначаються колом завдань, що вирішуються на основі введеної класифікації.
Необхідно відмітити, що запропоновані вище класифікації іонного складу природних вод малопридатні для характеристики промислових вод, що використовуються для приготування напоїв.
На підприємствах лікеро-горілчаної промисловості України в основному використовують помякшену водопровідну або артезіанську воду, вміст домішок в якій не завжди відповідає наведеним нижче критеріям оцінки якості. Технологічна підготовлена вода дуже різноманітна за складом, який залежить від географічного розташування підприємства, геологічного складу ґрунту, забруднення стічними водами, а також від застосовуваних способів водоочистки.
УкрНДІспиртбіопрод розроблено моніторингову систему якості води, що використовується для приготування горілки підприємствами-виробниками лікеро-горілчаної продукції, яка складається зі:
- спостереження за станом джерел водопостачання заводів-виробників, аналізу якості проб вихідної та води після установок водопідготовки;
- обліку та систематизації інформації про стан якості води;
- розробка рішень за класифікацією у відповідності з якістю води, що використовується для приготування алкогольних напоїв.
3 Аналіз вимог до води за органолептичними, фізико-хімічними та токсичними показниками
На сьогодні нормуванню якості води приділяється підвищена увага. Це обумовлено постійним виявленням в джерелах водопостачання нових токсичних речовин, а також отриманням від медичних працівників нових факторів про звязок захворювань людини з присутністю у воді різних сполук, нормативи допустимого вмісту яких не визначені.
Вимоги до якості питної води Всесвітньої організації охорони здоровя
Максимально допустимі концентрації забруднень у питній воді, воді технічного призначення та стоках регулюються національними стандартами. Враховуючи особливу важливість для здоровя населення якості питної води, спеціалісти Всесвітньої організації охорони здоровя (ВОЗ) розробляють базові нормативи якості води, що публікуються на сторінках “Руководства по контролю качества питьевой воды”. Вимоги до якості питної води Всесвітньої організації охорони здоровя опубліковані в Керівному документі за 1997.
Вимоги до якості питної води в Європейському Союзі (ЄС)
Перша Директива по питній воді ЄС була прийнята в 1980 році. Остання Директива Ради ЄС 98/83/ЕС від 3 листопада 1998 року по якості питної води передбачає нові основні параметри, які мають велике значення для якості води і здоровя людей. Наприклад, у порівнянні зі старою Директивою норматив для свинцю знижений з 50 до 10 мкг/л, введені нормативи для трихлорметану, бромату, акриламіду.
В таблиці 3 наведено нормативи для питної води за мікробіологічними показниками для країн ЄС.
Таблиця 3 – Нормативи для питної води за мікробіологічними показниками в Європейському Союзі (ЄС)
| Мікроорганізми | Норматив, од/100 см3 | Примітка |
| Питна вода | ||
| Термотолерантні та інші коліформи | Не повинні виявлятися в кожний пробі обємом 100 см3 | - |
| Вода в розподільній системі після обробки | ||
| Термотолерантні та інші коліформи | Не повинні виявлятися в кожний пробі обємом 100 см3 | В системах водопостачання при постійному контролі не повинні виявлятися в 95% зразків протягом року. |
В таблиці 4 наведено порівняльні дані нормативів для води питної за окремими показниками ВОЗ, країн ЄС, США, Росії та України.
Таблиця 4 – Нормативи для питної води за окремими показниками
| Показник | Норматив, мг/дм3 , не більше | Примітка | ||||
| ВОЗ | США | ЄС | Росія | Україна | ||
| Забарвленість | 15 | 15 | 15 | 20 | 20 | Зовнішній вигляд |
| РН | 6,5-8,5 | 6,5-8,5 | 6,5-8,5 | 6,0-9,0 | 6,0-9,0 | Низький рН збільшує корозійність, високий рН викликає мильний присмак |
| Окислюваність | - | - | 5,0 | - | - | - |
| Алюміній | 1,5 | 0,05-0,2 | 0,05-0,2 | 0,5 | 0,5 | Осад (завись) та зміна кольору |
| Амоній | 1,5 | - | 0,5 | - | - | Запах та присмак |
| Залізо | 0,3 | 0,3 | 0,2 | 0,3 | 0,3 | Запах, присмак, забарвленість, осад |
| Марганець | 0,1 | 0,05 | 0,05 | 0,1 | 0,1 | Запах, присмак, забарвленість, осад |
| Нітрати | 50 | 10 | 50 | 45 | 45 | Присмак |
| Нітрити | 3 | 1 | 0,5 | - | 2 | Присмак |
| Натрій | 200 | - | 200 | - | - | Присмак |
| Сульфати | 250 | 250 | 250 | 500 | 500 | Присмак |
| Сірководень | 0,05 | - | - | - | - | Запах та присмак |
| Свинець | 0,01 | 0,015 | 0,025 | 0,3 | 0,03 | |
| Хлориди | 250 | 250 | 250 | 350 | 350 | присмак, викликає корозію |
| Фтор | 1,5 | 2,0 | 2,0 | 1,5 | 1,5 | |
| Ртуть | 0,001 | 0,002 | 0,0005 | 0,0005 | ||
Патентно-інформаційний пошук показав, що в ряді країн, наприклад Англії, США, Польщі та інших, для приготування горілок і горілок особливих використовують знесолену воду або навіть дистильовану. Однак напої за дегустаційними показниками мають порожній смак і поступаються перед напоями, приготованими на воді з деякою кількістю солей.
При виробництві лікеро-горілчаних, слабо- та безалкогольних напоїв вода є одним з основних компонентів. Від якості води в значній мірі залежить якість напоїв та їх стійкість при зберіганні. В залежності від походження вода містить різні розчинені речовини, головним чином кисень, двоокис вуглецю, мінеральні солі, органічні та неорганічні сполуки. Мінеральні речовини впливають на процес інверсії сахарози при приготуванні цукрового сиропу, беруть участь в створенні смаку, крім того, вони обумовлюють розчинність двоокису вуглецю на стадії розливу напоїв та створенні колоїдної системи. Від лужності технологічної води залежить витрата лимонної кислоти. Наявність домішок заліза та марганцю в воді сприяє зміні забарвлення слабоградусних напоїв, а при їх взаємодії з дубильними речовинами плодово-ягідних соків спостерігається випадання осадів. Значна кількість органічних сполук негативно впливає на смакові якості і сприяє випаданню осаду колоїдного характеру при зберіганні напоїв.
Для виробництва напоїв використовують в основному помякшену водопровідну або артезіанську воду згідно з вимогами Технологічної інструкції по виробництву безалкогольних напоїв та ГОСТ 2874 Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством. Спирт етиловий ректифікований, двоокис вуглецю, вода та інші компоненти слабоградусних напоїв при взаємодії специфічно впливають на фізико-хімічні та біохімічні процеси, які проходять при купажуванні та розливі напоїв.
Вимоги до води для виробництва напоїв в нашій країні змінювалась зі зміною вимог до горілок. Так, в вітчизняному лікеро-горілчаному виробництві в 1960 році регламентувалися три показники якості води: твердість, лужність та органолептичні показники, а вже в 1985 році цих показників стало п’ятнадцять.
На сьогодні немає вимог до води, використання якої при приготуванні слабоградусних напоїв забезпечує їх якість і стійкість.
В таблиці 5 наведено порівняльну характеристику вимог до якості води підготовленої для виробництва горілок, горілок-особливих і лікеро-горілчаних напоїв: Производственный технологический регламент на производство водок и ликеро-водочных изделий, Россия ТР 10-04-03-09-88, 10-2292-99, ТР 10-04-03-07-87, Технологічного регламенту на приготування горілок і лікеро-горілчаних напоїв ТР 18 Україна 4180-93, фірм виробників горілок “Абсолют” та “Фінляндія”.
Таблиця 5 - Порівняльна характеристика вимог до якості води підготовленої для виробництва горілок, горілок-особливих і лікеро-горілчаних напоїв
Найменування показника |
Нормативне значення показника для виготовлення горілок і лікеро-горілчаних напоїв | ||||||||||||||
| згідно ТР 10-04-03-09-88 | ПТР 10-2292-99 |
ТР 18 Україна 4180-93 | ТР 10-04-03-07-87 | “Абсолют” ** |
“Фін-ляндія” ** |
||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |||||||||
| ОРГАНОЛЕПТИЧНІ ПОКАЗНИКИ | |||||||||||||||
| Запах при 20о С і при нагріванні води до 60о С, бал | 0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|||||||||
| Смак та присмак при 20о С, бал | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |||||||||
| Забарвленість, градуси | не регламент-тується | не регла-мент. | не регла-мент. | не регла-мент. | не регла-мент. | не регла-мент. | |||||||||
| Мутність, D(l-400 нм, S-50,0 мм) | не регламент. | не регла-мент | 0,02 | не регла-мент | 0,005 | 0,005 | |||||||||
| ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПОКАЗНИКИ | |||||||||||||||
| Твердість, мг.екв/дм3 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,1 | |||||||||
| Лужність, мг.екв/дм3 | |||||||||||||||
| · загальна | 4,0 | 4,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | |||||||||
| · вільна | не регламент. | не регла-мент. | не регла-мент | не регла-мент | *не допус-кається | *не допус-кається | |||||||||
| Окислюваність, мгО2 /дм3 | 6,0 | 4,0 | 2,0 | 6,0 | 2,0 | 2,0 | |||||||||
| Сухий залишок, мг/дм3 | 500 | 500 | 250 | 250 | - | - | |||||||||
| Водневий показник, рН | 7,8 | 7,8 | 6,5-7,5 | 6,5-7,5 | 6,0-8,0 | 6,0-8,0 | |||||||||
| ВМІСТ ІОНІВ, мг/дм3 : | |||||||||||||||
| · кальцію | 1,3 | 1,3 | 1,0 | 1,0 | - | - | |||||||||
| · магнію | 1,3 | 1,3 | 1,0 | 1,0 | - | - | |||||||||
| · заліза | 0,15 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,05 | 0,05 | |||||||||
| · натрію+калію | не більше 100 | не регла-мент. | не регла-мент | не регла-мент | - | - | |||||||||
| · марганцю | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,05 | |||||||||
| · сульфатів | 100,0 | 100,0 | 25,0 | 50,0 | 50,0 | 25,0 | |||||||||
| · хлоридів | 80,0 | 80,0 | 30,0 | 30,0 | 10-80 | 10-50 | |||||||||
| · карбонатів | не регламент. | не регла-мент. | не регла-мент. | не регла-мент. | *не допус-кається | *не допус-кається | |||||||||
| · гідрокарбонатів | 244,0 | 244,0 | 122,0 | 122,0 | 122,0 | 122,0 | |||||||||
| · силікатів | 7,0 | 7,0 | 5,0 | 5,0 | 2,5 | 2,5 | |||||||||
| · ортофосфатів | не регламент | не регла-мент | не регла-мент | не регла-мент | 0,05 | 0,05 | |||||||||
| · поліфосфатів | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,05 | |||||||||
| · нітратів | 45,0 | 45,0 | не регла-мент | не регла-мент | 5,0 | 5,0 | |||||||||
| · нітритів | не регламент. | не регла-мент. | не регла-мент | не регла-мент | 0,5 | 0,5 | |||||||||
| · азоту аміаку | не регламент | не регла-мент. | не регла-мент | не регла-мент | *не допус-кається | *не допус-кається | |||||||||
*)Результат випробувань в межах чутливості даного методу
**) Вимоги за результатами лабораторних досліджень
4 Аналіз методів очистки води для безалкогольного та лікеро-горілчаного виробництва
Водопідготовка – початкова стадія процесу одержання горілки. В основному задачею водопідготовки є помякшення води, видалення з її механічних включень, колоїдних речовин, що впливають на стійкість і органолептичні показники готового продукту. У залежності від складу вихідної води застосовують способи водопідготовки: термічний, іонообмінний, зворотноосмотичний, електродіаліз, нейтралізацію бікарбонатів, відстоювання і коагуляцію, фільтрування, а також вапняно-содовий спосіб.
Існує проблема порівняння устаткування водоподготовки по продуктивності і якості очищеної води. Це обумовлено різноманітністю складу вихідної води і відсутністю єдиних показників якості очищеної води для різних типів устаткування. Продуктивність роботи помякшувачів води і демінералізаторів визначається робочою швидкістю потоку води через катионит, а якість вихідної води – швидкістю потоку через фільтруючий матеріал, так концентрацією і витратою регенеранту.
Фільтрування води. Наявність у воді механічних забруднень вимагає установки фільтра механічного очищення. Як завантаження такого фільтра використовують кварцовий пісок.
На підприємствах застосовують фільтрування води через керамічні фільтруючі патрони з пористої кераміки з порами розміром не більш 1,57 мкм, фільтри тонкого фільтрування з порогом затримки часток від 0,2 до 100 мкм.
Видалення заліза і марганцю
Установки знезалізнення досить різноманітні. Видалення заліза з води проводять безреагентними способами (аеруванням і фільтруванням на каркасних фільтрах) і реагентными (аэруванням-окисненням-фільтруванням як з наступним коагулюванням-флокулюванням-відстоюванням-фільтруванням, так і без них, а також вапнуванням-відстоюванням-фільтруванням). Використання в напірних фільтрах знезалізнення каталізаторів дозволяє досягти більш високих швидкостей обробки води. Як фільтруючі матеріали використовуються Manganese Greensand, Birm, Aqua Mandix).
Способи зниження вмісту органічних речовин у воді. Усунення неприємних запахів і присмаків, органічних забруднень, активного хлору досягається окислюванням і сорбцією. Органічні домішки води добре сорбуються активним вугіллям і руйнуються сильними окислювачами. Окислювання проводять хлором, діоксидом хлору, перманганатом калію, озоном. Застосування хлору і його сполук небажано, тому що вони додають воді властиві їм неприємні запах і присмак. Озонування коштує дорого. Діоксид хлору практично не реагує з органічними речовинами у воді і не утворює шкідливі для здоровя людини хлорорганические сполуки, а також виявляє сильно виявлений дезинфікуючий ефект у широкому діапазоні рН.
Дезодорація адсорбентами, зокрема активним вугіллям, є дешевим способом і знаходить широке застосування. Використовують як порошкоподібне, так і гранульоване активне вугілля. Враховують, що пропускна здатність вугільних фільтрів для видалення органічних сполук з води в 2 рази нижче, ніж їх пропускна здатність при видаленні хлору.
При обробці води активним вугіллям підвищується дегустаційна оцінка напоїв, приготовлених на такій воді, що є наслідком зниження вмісту домішок органічних речовин і підвищення ефективності дії активного вугілля при обробці сортировок у горілчаному виробництві.
Показано можливість використання відновленого активного вугілля марки БАУ-А і БАУ-МФ. Якщо ефективність очищення води новим активним вугіллям цих марок досягає 95-97%, то відновленим 85-88%. Можливість використання відновленого вугілля після очищення сортування для обробки води порозумівається тим, що адсорбційна активність вугілля стосовно домішок знижується у водно-спиртовому розчині в порівнянні з водою. Для збільшення ступеня очищення води від органічних домішок її пропускають через вугільне завантаження марки АГ-3 (АГ-5) чи ДАК.
Для очищення води з неприємним запахом, підвищеним вмістом хлору і кольоровістю використовують установки з гранульованим активним вугіллям КАС.
Для забезпечення зниження концентрації вільного хлору в підготовленій воді до рівня не більш 0,02 мг/дм3 і видалення більшої частини розчинених органічних сполук застосовується вугілля активний марки GAC-A 8009 зі шкарлупи кокосових горіхів, спеціальних твердих порід. Вугілля має високу пористість і низький коефіцієнт стирання.
Адсорбційне очищення води є однієї з найбільш ефективних для видалення органічних і деяких неорганічних зєднань. До переваг адсорбційного методу відносяться: можливість видалення забруднень практично до мінімальної залишкової концентрації незалежно від їхньої хімічної стійкості, відсутність вторинних забруднень.
Зараз на підприємствах використовують як адсорбенти активне вугілля марок БАУ-А, АГ-3, АГ-5, КАД. Однак, активне вугілля даних марок має низьку механічну міцність, невеликий обсяг сорбційного простору, вимагає частої заміни, після регенерації не цілком відновлює свою адсорбційну активність. Після обробки води активним вугіллям даних марок поліпшуються її органолептичні властивості, але майже не зменшується масова концентрація заліза, марганцю, нітратів, нітритів, сірководню, аміаку.
Для очищення води також застосовують активне вугілля марок Filtrasorb F-300, Filtrasorb F-500, Filtrasorb F-600 виробництва фірми “Chemviron Carbon”.
Помякшення води.
Установка помякшення води слугує для видалення солей твердості (в основному кальцію і магнію). Сучасні установки помякшення гарантують зниження змісту солей фактично до 0,05 моль/м3 . У вітчизняній практиці в якості ионообменных матеріалів застосовують сульфовугілля та іонообмінні смоли. Закордонні установки помякшення води обладнані механізмами автоматичної регенерації іонообмінної смоли.
Зменшення лужності води
Для зменшення лужності води використовують три методи, засновані на вапнуванні, використанні іонообмінних смол і установок зворотного осмосу. Застосування того чи іншого методу залежить від показників вихідної води і конкретних вимог до вихідної води. При виборі конкретного методу зменшення лужності керуються: показниками вихідної води, ПДК і рН води, а також наявною технологією водопідготовки на підприємстві.
Висока лужність води, тобто зміст у ній бікарбонатів, може бути скоректована шляхом введення соляної або оцтової кислот. Після установки помякшення води додатково встановлюють блок дозування кислоти. Кількість соляної кислоти, що додається, не повинна перевищувати 80 мг/дм3 , крім того, рН води не повинний бути менш 6,0 (при приготуванні горілок і лікеро-горілчаних напоїв). Відповідно знизити лужність таким способом можна не більше ніж на 2 одиниці.
Вапнування води – процес одночасного зменшення лужності і помякшення води заснований на хімічній реакції вапна Са(ОН)2 з бікарбонатами й осадженні СаСО3 . Для покрашання процесу осідання у воду додають коагулянт і видержують у відстійних освітлювачах, а потім пропускають через пісочний фільтр. Рівень лужності обробленої води складає від 0,04 до 0,08 ммоль/дм3 . Цей метод відносно дешевий, але не допускає високих робочих швидкостей потоку і тому вимагає устаткування великих габаритів.
Застосування іонообмінних смол передбачає декілька методів зменшення лужності води. Перед застосуванням цих методів необхідно попередньо видалити з вихідної води вільний хлор.
Зменшення лужності катіонітом у водневій формі. Метод включає помякшення води в катіонітовому фільтрі і видалення вуглекислого газу в дегазаторі. Віддаляється карбонатна твердість і знижується лужність на 80-90% (залишкова лужність складає 0,5-1,0 ммоль/дм3 ). Вихідна вода має знижене значення рН, тому в разі потреби підвищення рН за допомогою дозування в неї лугу. Недолік методу полягає в тім, що для регенерації фільтра використовується розчин сірчаної або соляної кислоти, що вимагає корозійностійкого устаткування. Для видалення вуглекислоти, що утворилася, у буферних ємкостях бажано встановлювати розпушувачі або голівки ежектори-декарбонізатори.
Зменшення лужності катіонітом у натрієвій формі. Метод включає помякшення води в катіонітовому фільтрі, дозуванням у помякшену воду кислот (соляний чи оцтовий) і видалення вуглекислого газу в дегазаторі. Недолік методу полягає в тому, що підготовлена вода має підвищений зміст хлоридів на величину, еквівалентну зменшенню лужності.
Зменшення лужності аніонітом у ОН-формі. Метод полягає у видаленні аніонів кислот, у тому числі і вуглекислоти за допомогою фільтра, що містить аніонітну смолу в ОН-формі. Видаляється лужність до рівня 0,05 ммоль/дм3 .
Зменшення лужності за схемою паралельного Н-Nа-катіонування. Схема включає паралельно працюючі фільтри з катіонітом у водневій або натрієвій формі і дегазатор. Вихідну воду подають на катіонітові фільтри, де розділяють на два потоки. В обох фільтрах вода помякшується, але на виході фільтра з катіонітом у водневій формі вода має кислу реакцію. Потім після обробки катіонітами помякшену воду змішують і подають на дегазатор, де віддаляють вуглекислий газ. Технологія поділу води по катіонітам у відповідній пропорції з наступному їх змішуванням дозволяє одержувати помякшену воду з різним рівнем лужності. Ця схема зменшення лужності застосовується при великому вмісті у вихідній воді бікарбонату натрію. Недолік цього методу полягає в тому, що потрібно три види установок (два види фільтрів і дегазатор), а також обмеження по складу вихідної води.
Зменшення лужності води за схемою послідовного Na-CI-іонування. Схема включає послідовно працюючі фільтри з катіонітом у натрієвій формі та аніонітом у CI-формі. Така схема дозволяє одержати помякшену воду зі зменшеним рівнем лужності, і при цьому в обох фільтрах для регенерації витрачається один реагент – хлорид натрію, що не вимагає антикорозійного захисту устаткування. Недолік схеми в тому, що підготовлена вода має підвищений вміст хлоридів на величину, еквівалентну зниженню лужності.
Описані технологічні прийоми дозволяють одержати воду заданої і високої якості з вихідної, що має різний склад і солевміст не більш 500 мг/дм3 . У випадках, коли солевміст більш 500 мг/дм3 застосовують метод демінералізації на установках зворотного осмосу і значно рідше – іонного обміну. В перших схемах відсутня необхідність використовувати великі кількості кислоти і лугу, а других є менші вимоги до попередньої підготовки води, менша вартість, а також краща якість води підготовленої.
Застосування установок зворотного осмосу.
У деяких країнах для приготування горілки використовують цілком знесолену воду. Домогтися високих смакових якостей таких напоїв складно, тому що хімічно чиста вода несмачна. Тому для лікеро-горілчаного виробництва рекомендують частково знесолювати воду або додавати солі після її повного знесолення для надання бажаного смаку технологічній воді.
Змінювати солевміст води можна іонообмінним, вапняно-содовим чи зворотноосмотичним методами.
Деякі вітчизняні фірми роблять установки зворотного осмосу (продуктивність до 500 м3 /ч) з використанням в основному закордонних мембран і устаткування. Установки здатні забезпечити солевміст до 10 - 15 мг/дм3 і лужність до 0,5 ммоль/дм3 . У багатьох схемах для одержання води заданого солевмісту і визначених органолептичних властивостей у пермеат додають змякшену воду. Вода, подавана на установку зворотного осмосу, вимагає перед підготовки. Необхідно видалити суспензії, активний хлор, залізо і, бажано, солі твердості. Тому установку зворотного осмосу розташовують після описаних вище установок. Воду знесолюють на мембранному апараті з плоскокамерними чи трубчастими (рулонними) фільтруючими елементами і з мембранами у виді порожніх волокон. В зворотноосмотичній установці застосовують спеціальні напівпроникні мембрани, що володіють здатністю пропускати іони розчинника і затримувати іони розчиненої речовини. В зворотноосмотичних установках у найбільш розповсюдженій конструкції вихідну воду подають над мембраною по каналу малої висоти (менше 1 мм), така конструкція в сполученні з деякими особливостями матеріалу мембран і специфікою зворотноосмотичного поділу розчинів призводить до визначених вимог по якості поданої на установку води.
Особливе значення для стабільної експлуатації зворотноосмотних установок має технологічний вузол по запобіганню кристалізації солей твердості. У залежності від вихідних умов використовують установки помякшення (видаляються катіони малорозчинних солей), дозування кислоти (збільшує розчинність карбонату кальцію – основного накипутворюючого елементу), дозування інгібітору (запобігає кристалізації малорозчинних солей з розчину). Кращий спосіб – іонообмінне помякшення. Однак ця технологія вимагає використання реагентів (хлориду натрію) і капітальних витрат. Дозування кислоти приводить до зменшення рН як вихідної, так і пермеату зворотноосмотичної установки. У залежності від складу води кількість кислоти, що витрачається, може змінюватися від 5 до 200 мг/дм3 .
Дозування інгібітору вимагає меншої кількості реагентів (4-10 мг/дм3 ). Однак вітчизняні постачальники інгібіторів не дають рекомендацій з їх використанню, а імпортні реагенти дуже дорогі. Використання інгібітору не вирішить усі проблеми з попереднім очищенням води, тому що вони мають обмежену область застосування по концентраціях малорозчинних солей. Зі збільшенням концентрації малорозчинних солей необхідно підвищувати дозу інгібітору, що економічно недоцільно.
У сьогодення використовують три типи мембран в залежності від їх селективності: ацетатцелюлозні, поліамідні або тонкоплівчасті і полісульфонові. Тип мембран вибирають відповідно до складу вихідної води і вимог до якості підготовленої води.
Ефективність процесу обробки води визначається якістю мембран, що повинні задовольняти наступним вимогам: мати високу селективність і проникність, хімічну стійкість до дії оброблюваної води і механічну міцність.
В даний час на лікеро-горілчаних підприємствах використовують мембранні установки виробництва фірми «ROCHEM» (Німеччина), баромембранні установки «Аква» (Україна), установки рулонного типу Тамбовського заводу хімічного машинобудування, фільтрелементи «Hydronautics, «Film Tec», «Osmonics», «ИСВ».