饮料用水处理是饮料加工中一个重要的组成部分,其主要目的是保持用水水质的稳定性和一致性;除去水中的悬浮物质和胶体物质;除去有机物、异臭、异味、脱色;将水的碱度降到标准以下;除去微生物,使微生物指标符合规定标准。此外,还要根据需要去除水中的铁、锰化合物和溶解于水中的气体。为达到水质要求,针对原水的水质,采取不同的水处理方法。

1.水的净化处理

一般来说,水的净化处理包括澄清和过滤。澄清主要用于一些水质较差水源的预处理(如河水、湖水),它们含有多量细小悬浮物和胶体物质,水质混浊。而对一些水质较好的水源,其浊度较低,用过滤即可达到目的。水的净化处理,是将水中的不溶性杂质除去。这些杂质包括悬浮物、有机物和胶体,如泥沙、黏土、微生物、原生动物、藻类等,主要是10μm以下的固体物质颗粒(其中1 nm~0.1μm的颗粒属于胶体粒),包括绝大多数的黏土颗粒(粒度上限为4μm)、大部分细菌(0.2~80μm)、病毒(10~300 nm)和蛋白质(1~50 nm)等。它们使水质混浊,产生异味和影响卫生,并极大地影响饮料质量。澄清净化的目的是去除水中的悬浮物、有机物和胶体,主要方法有澄清(凝聚沉淀)和过滤。

(1)澄清处理

凝聚沉淀是在原水中添加凝聚剂与助凝剂,水和水中胶体表面的电荷被破坏,胶体的稳定性丧失,使胶体颗粒发生凝聚并包裹悬浮颗粒而沉降,从而使水得以澄清的方法。水处理中大量使用的凝聚剂可分为铝盐和铁盐两类。铝盐凝聚剂有明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等。铁盐凝聚剂主要有硫酸亚铁、硫酸铁和三氯化铁。用于调整水的pH值,促进凝聚的助凝剂有消石灰、氢氧化钠、藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、氢氧化淀粉等。硬度高的水广泛使用硫酸铝或硫酸亚铁的凝聚沉淀法。它们的作用是自身先溶解形成胶体,再与水中杂质作用,以中和或吸附的形式使杂质凝聚成大颗粒而沉淀。

(2)过滤

过滤是一种净化水的有效而重要的处理工艺过程,即使已达到饮用水要求的自来水,在作饮料用水的处理中,过滤仍是一种必不可少的处理过程。因为当今的过滤不再是仅仅除去水中的悬浮杂质和胶体物质。采用最新的过滤技术,还能除去水中的异味、颜色、铁、锰及微生物等物质,从而获得品质优良的水。原水通过滤料层时,其中一些悬浮物和胶体物被截留在空隙中或介质表面上,这种通过粒状介质层分离不溶性杂质的方法称为过滤。过滤方法和过滤材料不同,过滤效果也不同。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初级过滤材料;原水水质基本满足软饮料用水要求时,可采用砂滤棒过滤器;为了除去水中的色和味,可用活性炭过滤器;要达到过滤效果,可以采用微孔滤膜过滤器。在过滤的概念中,甚至可以将近年来发展起来的超滤、电渗析和反渗透列入。

2.水的软化处理

硬度大的水(一般是地下水),未经处理不能作为饮料生产和冷却等的用水,不然会产生大量水垢,使清洁的玻璃瓶发暗,堵塞洗瓶机的喷嘴和降低换热器的传热效率等,因此使用前必须进行软化处理,使原水的硬度降低。水的软化常采用以下方法。

(1)石灰软化法

此法适应于碳酸盐硬度较高,非碳酸盐硬度较低,而且对水质要求不是很高的水处理。先将石灰(CaO)调成石灰乳,再用石灰乳先除去水中游离的二氧化碳,然后使反应顺利进行,产生大量的碳酸钙和氢氧化镁沉淀,从而达到软化的目的。

(2)离子交换软化法

离子交换软化法是利用离子交换树脂交换离子的能力,按水处理的要求将原水中所不需要的离子暂时占有,然后再将它释放到再生液中,使水得到软化的水处理方法。根据所能交换的离子的不同,将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类,前者在水中以氢离子与水中的金属离子或其他阳离子发生交换,后者在水中以氢氧根离子与水中的阴离子发生交换。

离子交换法软化水的机理,主要在于水中的离子和离子交换树脂中游离的同型离子间的交换过程,通过这一过程达到水质软化。阳离子交换树脂可吸附钙、镁等离子,阴离子树脂可吸附氯离子、碳酸氢根离子、硫酸根离子、碳酸根离子等。

(3)反渗透法(www.daowen.com)

反渗透技术是20世纪80年代发展起来的一项新型膜分离技术,它涉及流体力学、传质学、热学、高分子物理学、高分子材料等多门学科,膜分离技术包括电渗透、超过滤、反渗透、微孔过滤、自然渗透和热渗析等,以半透膜为介质,对被处理水的一侧施以压力,使水穿过半透膜,而达到除盐的目的。反渗透法可以通过实验加以说明。在容器中用一层半透膜把容器分成两部分,一边注入淡水,另一边注入盐水,并使两边液位相等,这时淡水会自然地透过半透膜至盐水一侧。盐水的液面达到某一高度后,产生一定压力,抑制了淡水进一步向盐水一侧渗透。此时的压力即为渗透压。如果在盐水一侧加上一个大于渗透压的压力,盐水中的水分就会从盐水一侧透过半透膜至淡水一侧,这一现象就称为反渗透。

(4)电渗析法

采用电渗析处理,可以脱除原水中的盐分和提高其纯度,从而降低水质硬度并可提高水的质量。电渗析技术常用于海水和成水的淡化,或用自来水制备初级纯水。电渗析是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、同性排斥的原理,使原水中阴、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的一项技术。

3.水的消毒处理

原水经过以上各项处理后,水中大多数微生物已经除去。但是仍有部分微生物留在水中,为了确保产品质量和消费者健康,对水要进行严格消毒。水的消毒方法很多,多采用氯气消毒、臭氧消毒和紫外线消毒3种,尤其紫外线消毒最适用于软饮料用水的消毒。

(1)加氯消毒

水的加氯消毒,是当前世界各国最普遍使用的用水消毒法。由于此法操作简单,费用低,无须专用设备,适宜处理大容量水,而且杀菌能力很强,因此在生产实际中得到广泛的应用。氯气和水反应可以生成次氯酸,而次氯酸(HClO)是一个中性分子,具有很强的穿透力,可以扩散到带负电荷的细菌表面,并迅速穿过细菌的细胞膜,进入细菌细胞内部,由于氯原子的氧化作用破坏了细菌体内的某些酶系统,使之失去酶的活力而致死。而次氯酸根离子(ClO-)虽然也包含一个氯原子,但它带负电,不能靠近带负电的细菌,因此不能穿过细菌的细胞膜进入细菌内部,所以一般认为次氯酸具有主要的灭菌作用,而反应中生成的次氯酸根杀菌力较弱。常用的氯消毒剂有液氯(钢瓶装)、漂白粉、次氯酸钠、漂白精、氯胺等。

我国生活饮用水水质标准规定,在自来水的管网末端自由性余氯应保持在0.1~0.3 mg/L,小于0.1 mg/L时不安全,大于0.3 mg/L时水含有明显的氯臭味。为了使管网最远点的水中能保持0.1 mg/L的余氯量,一般总投氯量为0.5~2.0 mg/L。

(2)紫外线消毒

紫外线杀菌不像化学杀菌法会带来二次污染,其设备简单、操作方便,用于净水效率高。微生物经紫外线照射后,微生物细胞内的蛋白质和核酸的结构发生改变而导致死亡。紫外线对水有一定的穿透能力,故能杀灭水中的微生物,从而使水得到消毒。

目前使用的紫外线杀菌设备主要是紫外线饮水消毒器,它主要是靠紫外线灯发出的紫外线,将流经灯管外围水层中的细菌杀死。这种紫外线消毒器可直接与砂滤棒过滤器的出水管道相连通,经过砂滤棒过滤器的水流经紫外线灯管即可达到消毒的目的。应该注意的是,紫外线消毒器处理水的能力须大于实际生产用水量,一般以超出实际用水量的2~3倍为宜。

(3)臭氧消毒

臭氧(O3)是一种很强的氧化剂,极不稳定,很容易离解出活泼的、氧化性极强的新生态原子氧,它对微生物细胞内的蛋白质和核酸分子有着很强的氧化破坏作用,可以最终导致微生物的死亡。由臭氧发生器通过高频高压电极放电产生臭氧,然后将臭氧按一定流量连续喷射入一定流量的水中,使臭氧与水充分接触,以达到消毒的目的。