Общие способы исправления поверхностных вод [1977 Главачек Ф., Лхотский А.

Поверхностные воды и некоторые родниковые воды поверхностного характера нельзя использовать в пивоварении без соответствующей обработки. Они бывают загрязненными и не совсем бесцветными, а иногда имеют слабый запах и почти всегда бактериально загрязнены. Их обработка заключается в устранении грубых и коллоидных суспензий фильтрацией, если нельзя использовать естественную фильтрацию, например, организацией так называемых прибрежных колодцев, и в стерилизации путем хлорирования, обычно с последующим дехлорированием. При такой обработке вода одновременно обесцвечивается и освобождается от запахов. В широком смысле к общей обработке воды относится удаление железа и марганца и раскисление.

Осветление и фильтрация

Обычно поверхностные речные и озерные воды осветляются путем добавки химических реактивов, в результате реакции которых с компонентами временной жесткости воды образуются крупные хлопьеобразные осадки. Эти осадки при седиментации захватывают образующие муть вещества. Метод использует трехвалентные ионы Al²⁺, Fe³⁺, которые по закону Шульца обладают характерной особенностью осаждаться на коллоидных частицах.

В качестве коагулянта используется сульфат алюминия, хлорид или сульфат железа, иногда сернокислое закисное железо и окисляющий реагент. Реакция сульфата алюминия с бикарбонатом кальция протекает следующим образом:

В качестве коагулянта используется также гидроокись алюминия (или железа), которая действует не только механически, но одновременно адсорбирует частицы с противоположным электрическим зарядом.

Полное осаждение обусловлено хорошим перемешиванием обрабатываемой воды с коагулянтом и поддержанием оптимального pH. Гидроокись алюминия образует осадок в виде грубых хлопьев при pH от 4 до 6. При pH ниже 4 - осадок из тонких хлопьев; если pH превышает 8, то вместо гидроокиси образуется алюминат. Гидроокись железа хорошо осаждается при pH от 6 до 8; зависимость от pH не такая четкая, как у гидроокиси алюминия. У воды с очень низкой временной жесткостью коагуляцию следует поддерживать путем добавки извести. При осаждении сульфатом алюминия необходимо, чтобы снижение pH, вызванное добавкой коагулянта, не было в отношении оптимума слишком большим. При осаждении солями железа добавкой извести удерживается относительно высокий оптимальный pH. Низкая температура воды замедляет коагуляцию.

Из химических уравнений реакций осаждения вытекает, что при осветлении химикалиями часть временной жесткости воды переходит в постоянную жесткость. Такая декарбонизация технологически выгодна.

Правильную дозировку коагулянтов необходимо установить лабораторным путем. В практике на 1 м³ воды дозируется от 10 до 120 г сульфата алюминия или железа, или от 10 до 60 г хлорида железа. Добавка окисляющих реагентов (хлора, манганита калия, кислорода воздуха) улучшает вкус и цвет воды, устраняет запах и часть органических веществ.

Установка для обработки воды (рис. 1) состоит из смесителя, в котором поступающая на обработку вода перемешивается с коагулянтом, хлопьеобразователя (флокулатора), в котором образовавшаяся в смесителе муть собирается в большие хлопья, и специального осветлителя, обеспечивающего осаждение грубых хлопьевидных осадков с загрязнениями при пониженной скорости истечения. В современных вертикальных осветлителях работают с так называемым иловым облаком, которое при прохождении воды снизу захватывает увлекаемый осадок и тем самым ускоряет осветление.

Рис. 1. Схема водоочистительной станции: 1 - сборник; 2 - насосы для неочищенной воды; 3 - скоростное перемешивание неочищенной воды с химическими реагентами; 4 - осветлитель; 5 - открытый песочный фильтр; 6 - резервуар для чистой воды; 7 - насос для чистой воды; 8 - напорный дехлоратор с активированным углем; 9 - хлорирование неочищенной воды; 10 - дозировка сульфата алюминия; 11 - дозировка извести; 12 - хлорирование очищенной воды

Вместе с коагулянтами при современной обработке воды в смеситель подают манганит калия, а также хлор для частичного окисления органических веществ и стерилизации.

Установки для обработки поверхностных вод имеют автоматические дозаторы химических реактивов различных конструкций, в частности, регулирующие или диафрагмовые насосы, диафрагмовые опрокидывающиеся весовые дозаторы для сухих веществ, мерники для осаждающих растворов и соответствующие сатураторы.

Осветленная вода для промышленных целей фильтруется в закрытых скоростных песочных фильтрах, дехлорируется и освобождается от запахов (дезодорируется) путем фильтрации через активированный уголь и собирается в резервуары.

Снижение кислотности

Большинство вод из природных источников и все воды, обработанные для осветления химическими реагентами, содержат наряду с равновесной углекислотой и другие свободные фракции, т. е. агрессивные угольные кислоты. Чтобы предотвратить коррозию водопроводных коммуникаций и резервуаров, воду следует очистить от агрессивной части угольной кислоты.

Мягкие воды для пивоваренных целей лучше всего раскислять химическим методом, а именно фильтрацией через мраморные фильтры или известкованием.

В мраморном фильтре свободная угольная кислота связывается в карбонат кальция. Этот метод наиболее подходит для вод с временной жесткостью от 2,5 до 75°Н. На каждые 10 мг Саг/л, т. е. 10 г CO₂/м³, жесткость повышается на 1,27°Н. Расход мрамора приблизительно 25 г на каждые 10 г CO₂. За работой хорошо рассчитанного мраморного фильтра не нужен специальный контроль, поскольку карбонат кальция может растворяться только в количестве, эквивалентном присутствующей свободной углекислоте.

Магниевые фильтры менее пригодны для раскисления воды, расходуемой на пивоваренные цели, их наполнительный материал содержит MgO, так что при раскислении у воды кроме временной кальциевой жесткости повышается магниевая жесткость.

Временную жесткость воды повышают известкованием, а именно на каждые 10 мг CO₂/л на 0,64°Н; следовательно, расходуется 6,4 г (100%-ного) CaO, т. е. 8 г 80%-ного или 12,8 г 50%-ного на каждые 10 г CO₂/м³. Известь добавляют в виде прозрачной известковой воды. Известковое молоко и известковую пыль можно использовать только тогда, когда за раскислением следует фильтрация воды.

Удаление из воды железа и марганца

Если железо присутствует в воде в виде бикарбонатов, его можно легко перевести в нерастворимый гидроксид железа путем простой аэрации. Кислород для окисления железистой соли в железную можно добавить вместе с окислителем, например манганитом калия, хлора и т. п.

Гидроокись железа в этом случае выделяется довольно легко, если вода имеет высокую временную жесткость и щелочную реакцию (pH 7). Выделение гидроокиси катализирует соприкосновение с гидроокисью железа, которая находится на материалах с шероховатой поверхностью и острыми гранями (кокс, разные керамические материалы и т. п.).

И, наоборот, выделение гидроксида железа довольно затруднительно у вод с высоким содержанием органических веществ (гуминовых) в присутствии щелочных бикарбонатов, если вода имеет низкую карбонатную жесткость или высокое содержание свободного углекислого газа, а также если железо связано как сульфат. Поэтому у некоторых вод необходимо сначала устранить органические вещества осветлением с помощью коагулятов или энергичным окислением манганитом калия и хлором. Железо, связанное как сульфат, выделяется после окисления только в щелочной среде (добавка извести).

Точно также довольно легко устраняется марганец, связанный как бикарбонат; если он присутствует в виде сульфата, то устраняется с трудом. В первом случае следует связывать свободный углекислый газ добавкой извести и изменить реакцию воды на pH от 7,5 до 8,0. Марганец, связанный в серной кислоте или даже в органической кислоте, препятствует окислению и его можно удалять только обезмарганцивающим фильтром с пиролюзитной прокладкой или с наполнением марганцевым пермутитом (реагирует с манганитом калия).

Для удаления железа и марганца из воды используются оросительные вентиляционные установки, или чаще закрытые вакуумные устройства. Это, как правило, песочные скоростные фильтры. К подводящему воду трубопроводу присоединен смеситель для воздуха, поступающего от компрессора. В случае, если вода имеет низкий pH, имеется подвод известковой воды или известкового молока. Для устранения трудно осаждаемых форм марганца устанавливается специальный обезмарганцивающий фильтр.

Стерилизация воды

Санитарная безвредность воды обеспечивается стерилизацией. Технически подходящий метод стерилизации воды должен обеспечивать лучшие результаты стерилизации, должен быть надежным и экономичным в части первоначальных и эксплуатационных расходов. Вода, которая выходит из стерилизатора, должна как можно дольше сохранять бактерицидные свойства.

Лучше всего всем этим требованиям отвечает хлорирование воды, которое в настоящее время в ЧССР является основным методом стерилизации воды для пивоваренных целей. Стерилизованная вода должна дехлорироваться, так как остаточный хлор придает пиву типичный привкус и кроме того его бактерицидное действие препятствует использованию воды при промывке ею технических культур пивоваренных дрожжей водой, а также хранению их под водой.

Кроме очень неприятного вкусового влияния хлора недостатком является также его ограниченное по времени действие, которое еще больше сокращается в результате дехлорирования. В то же время преимущество его в том, что хлор действует быстро, оборудование хлорирующего устройства простое, и первоначальные и эксплуатационные расходы довольно низкие.

Бактерицидное действие хлора преимущественно косвенное, хлор образует с водой сначала хлорную кислоту, диссоциированную в незначительной степени, которая легко отщепляет высокоактивный кислород, бактерицидно эффективный:

Одновременно образующаяся соляная кислота (HCl) нейтрализует компоненты временной жесткости воды; тем самым возрастает постоянная жесткость.

В качестве сильного окислителя хлор также окисляет органические вещества до воды и углекислого газа. Тем самым несколько улучшается вкус и запах воды. Поэтому в практике следует добавлять столько хлора, чтобы его концентрации хватило для надежной стерилизации воды с учетом потребности на окисление органических веществ. Это особенно важно в тех случаях, когда хлор дозируют прямо в поступающую воду, как это имеет место на водоочистных станциях при обработке поверхностных вод.

Если вода не содержит большого количества органических или других веществ, способных к окислению, то добавляют обычно от 0,2 до 0,3 г Cl/м³. Если результат стерилизации надежный, то предпочитают главным образом при неустойчивом загрязнении воды слабое перехлорирование. При избытке хлора от 0,5 до 0,7 мг/л вода приобретает неприятный запах хлора. Если в сырой воде присутствуют следы фенолов, то при хлорировании возникает неприятный хлорфенольный запах.

Для хлорирования воды в ЧССР используют исключительно газообразный хлор, который дозируется автоматическим прибором (хлоратором). Если расход хлора не превышает 1 кг за 24 ч, то для водоочистной станции пивоваренного завода достаточно двух приборов обычного типа, из них один резервный.

Для дехлорирования стерилизованной воды на пивоваренных заводах используются дехлорирующие скоростные фильтры с активированным углем различной зернистости. Собственно дехлорирование - это химический процесс, который выражается уравнением

Углерод окисляется хлором в углекислый газ (агрессивный) при одновременном образовании соляной кислоты.

Одновременно с дехлорированием проявляются также адсорбционные свойства активированного угля, выражающиеся в устранении запаха (дезодорация) и улучшение цвета и вкуса воды.

Из специальных видов активированных углей для дехлорирования в ЧССР используется Norit R II голландского производства и Hydraffin германского производства. Современный чехословацкий активированный уголь - это Desorex SH2.

Содержание остаточного хлора в дехлорированной воде колеблется от 0,02 до 0,05 мг/л. Однако, если вода содержит следы фенолов или их производных, то остаточный хлор должен устраняться полностью, иначе вода приобретает хлорфенольный запах [9].

В ЧССР кроме газообразного хлора другие химические средства или физические методы (УФ-излучение, ультразвук), а также контактная катадинация и электрокатадинация не применяются. Только в исключительных случаях (например, после стихийных бедствий) непродолжительное время применяются олигодинамические препараты.

Известный за рубежом [10] способ стерилизации воды озонированием из-за высоких первоначальных расходов рентабелен только для крупных предприятий. В то же время эксплуатационные расходы при этом способе очень низки, установки относительно небольшие и требуется минимальное количество обслуживающего персонала. Согласно последним данным, в Научно-исследовательском институте электротехники в Беховицах сконструирован экономичный озонатор, который можно использовать 86 и на пивоваренных заводах. Действие озона мгновенно, однако сохранение эффекта стерилизации ограничено временем. Вкусовое влияние благоприятное.

При УФ-облучении также требуются большие первоначальные расходы, этот способ сложен в обслуживании и ремонте. Стерилизация хотя и совершенна, однако ее результат зависит от колебаний скорости протекания воды и от осадка солей на стенках. Повреждения выражаются главным образом в выходе из строя источника УФ-излучения.

Стерилизация воды под олигодинамическим действием ионов серебра и тяжелых металлов целесообразна при соблюдении рекомендуемого времени реакции, не влияет на вкус, вода сохраняет бактерицидные свойства вплоть до ее использования. У фильтровальных способов (контактная катадинация) повышаются первоначальные расходы из-за высоких цен на фильтровальный материал. Установка простая и работает без повреждений и без контроля. У электролитических способов (электрокатадинация) первоначальные расходы гораздо ниже.

В ЧССР некоторое время использовали олигодинамические препараты. Из препаратов отечественного производства применяли Movidyn, который был эффективен при разбавлении от 1:50 000 до 1:200 000. Отмечается [9], что этот препарат, основой которого является коллоидное серебро, быстро стареет при хранении. Известное олигодинамическое средство Sagen по сути дела является комплексным натриевосеребряным хлоридом. В практике водоснабжения обычно достаточно [9] дозы 100 мг на 1 г воды, т е. наименьшей товарной упаковки (10 г) с содержанием 10 мг Ag на 1 м³ воды.