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臭氧在礦泉水、純凈水及飲料用水生產中的應用

一、概述

    目前,在我國瓶裝飲用水市場上,主要有礦泉水和純凈水兩種飲用水。在飲料市場上,各種飲料的主要成分均為水,稱為飲料用水。在此,就礦泉水和純凈水兩種飲用水及飲料用水的消毒殺菌工藝做以概述。

    在水質處理過程中,大部分微生物已被去除,但即使是采用微濾、超濾等方法處理水時,水中的細菌物質也不能完全被去除。而一般的水質處理方法更不能除盡微生物,為確保產品在保質期內合格,保證消費者的健康,在制造飲料時,特別是制造碳酸飲料、礦泉水、純凈水以及包裝后不再進行二次滅菌的果汁飲料時,必須對水進行消毒處理,并要注意貯罐、管道、閥門等衛生狀態,防止對水產生二次污染。

    水消毒的目的是殺滅水中的致病菌,并使水中的細菌含量符合規定標準。常用的水消毒方法是氯消毒、紫外消毒和臭氧消毒。

二、消毒原理

    氯消毒包括液氯、漂白粉、次氯酸鈉、氯胺。其消毒原理是氯在水中會產生如下反應:

    Cl 2 + H 2 O → HCl + HOCl → 2H+ + Cl- + OCl-

    反應生成的次氯酸具有很強的穿透力,能迅速穿過微生物的細胞膜,進入微生物體內,破壞微生物體內的系統,使之失去的活力而致死。另一方面,次氯酸性質很不穩定,即容易放出新生態氧 [O] ,新生態氧與銨鹽、硫化氫、氧化亞鐵、亞硝酸鹽以及有機物腐敗后產生的物質相結合,對水中有機物和一些無機物等起氧化作用,從而抑制酸根殺菌力較弱,不具有次氯酸穿透微生物細胞膜的能力,因此其消毒作用遠低于次氯酸。

    紫外線消毒的原理是紫外線的光譜波長在 490nm -140nm 范圍內具有殺菌能力。微生物受到紫外線照射后,氣體內的核蛋白質會因吸收紫外線光譜能量而變性,引起新陳代謝障礙,從而喪失繁殖能力。當照射劑量增大一定量時,微生物細胞被破壞致死。紫外線對澄清透明的水有一定的穿透力,因此能使水消毒。

    臭氧消毒的原理是臭氧在水中發生氧化還原反應,產生氧化能力極強的單原子氧( O )和羥基( OH ),瞬間分解水中的有機物質、細菌和微生物。羥基( OH )是強氧化劑、催化劑,可使有機物發生連鎖反應,反應十分迅速。羥基( OH )對各種致病微生物有極強的殺滅作用。單原子氧( O )也具有強氧化能力,對頑強的微生物如病毒、芽胞等有強大的殺傷力。

三、比較

    自來水等飲用水在我國目前普遍使用氯劑消毒。而使用氯消毒方法有嚴重的二次污染問題存在。 1973 年起,荷蘭、加拿大、美國等國相繼發現用氯消毒后的自來水中會產生鹵代有機物(氯仿、氯胺等),經動物實驗證明有致癌危險,而且氯消毒易受溫度和 PH 值影響。氯消毒還會影響飲用水的口感(特別對飲料用水),氯消毒會使碳酸飲料等飲料制品產生氯的臭味,并使飲料中的 95 精、色素發生氧化,影響產品質量。

    采用紫外消毒時,不同的對象均致死所需的照射能量差異較大,另一方面原水水質對紫外殺菌效果也有影響,紫外線因在水中的穿透能力有限而難以達到理想效果。而且紫外消毒不能像氯消毒方法那樣維持消毒效果。

    臭氧具有比氯消毒方法更強的氧化消毒能力,不但可以較徹底地殺菌消毒,而且可以降解水中含有的有害成分和去除重金屬離子以及多種有機物等雜質,如鐵、錳、硫化物、苯、醛、有機磷、有機氯、氰化物等,還可以使水除臭脫色,從而達到凈化水的目的。臭氧適應能力強,受水溫、 PH 值影響較小。臭氧適應范圍廣,不受菌種限制,殺菌效果比氯消毒和紫外消毒效果好。與氯不同的是殘余臭氧可以自行分解為氧氣,不會產生二次污染。臭氧處理后的水無色無臭,口感好,能改善飲用水品質。

    故此,為了提高瓶裝飲用水的質量和延長保質期,國際瓶裝水協會( IBWA )建議采用臭氧處理。在臭氧處理前,瓶裝水一般用反滲透、納濾、超濾去除天然水中 99% 的有機物,降低臭氧的用量。

四、工藝流程

五、臭氧消毒系統的叁數選擇

    1. 消毒系統設計叁數的選擇

        臭氧投加量為 1-5mg / L , 接觸時間為 4-10min ,保持 0.1-1mg / L 剩余臭氧濃度。

    2. 主要設備的選擇

a .臭氧發生器

    臭氧發生器的產量應根據設計流量及臭氧投加量來確定。

    W = 0.001×Q×P

    W --- 臭氧發生器的產量( g / h )

    Q --- 設計水量( L / h )

    P --- 臭氧投加量,一般采用 1-5 mg / L

    0.001 --- 單位換算系數

b. 接觸氧化罐

    接觸氧化罐的尺寸應根據設計流量及流速來確定。

    S = Q / V

    S --- 罐體截面積( m2

    V --- 流速,一般采用 8-10m / h

    D =

    D --- 罐體直徑( m )

    罐體高度的確定:

    H = V×t + 0.2

    H--- 罐體高度( m )

    t --- 接觸時間,一般采用 4-10min

    0.2 --- 布水空間高度( m )

六、安裝運行

    臭氧發生器一般采用噴射投加方式,即全部或部分水流與臭氧通過噴射器混合后進入接觸反應罐。連接水路和氣路,保持臭氧發生器進氣口與大氣相通。開啟水泵,調節進水閥門,調氣量開關在大位置。調節水射器旁的水壓調節閥,使臭氧發生器進氣口與氣瓶連接,調節氣瓶減壓閥。接好電源線,按電源開關,調功率調節開關至 大。工作 20 分鐘后,用水中臭氧濃度檢測儀檢查出水口臭氧濃度,應約為 0.4mg/L 。

七、設計舉例

    某純凈水廠消毒工藝設計流量為 10m3 / h ,選擇臭氧發生器及接觸氧化罐。

    解:設臭氧投加量為 2mg / L ,則

    W = 0.001×Q×P

    = 0.001×10×1000×2 = 20g / h

    設罐內流速為 10m / h ,

    S = Q / V

    = 10 / 10 = 1m D = = = 1.13 (m)

    取罐體直徑為 1.15m 。

    H = V×t + 0.2

    = 10×10 / 60 + 0.2 = 1.87m

 

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