项目二　软饮料用水及水处理

【必备知识】

水是饮料生产的主要原料，占85%～95%。水质的好坏直接影响着成品的质量，制约着饮料生产企业的生存和发展。因此，全面了解水的各种性质，对于软饮料用水的处理工作显得尤为重要。

一、软饮料用水的水质要求

（一）天然水的分类及其特点

1.地表水

地表水是指地球表面所存积的水，包括江水、河水、湖水、水库水、池塘水和浅井水等。其中含有各种有机物质及无机物质，污染严重，必须经过严格的水处理方能饮用。

2.地下水

地下水是指经过地层的渗透和过滤，进入地层并存积在地层中的天然水，主要是指井水、泉水和自流井水等，其中含有较多的矿物质，如铁、镁、钙等，硬度、碱度都比较高。

3.城市自来水

城市自来水主要是指地表水经过适当的处理工艺，水质达到一定要求并贮藏在水塔中的水。由于饮料厂多数设在城市，以自来水为水源，故在此也可作为水源来考虑。

（二）天然水中的杂质及其对水质的影响

天然水中含有许多杂质，按其微粒分散的程度，大致可分为三大类：悬浮物质、胶体物质、溶解物质，它们对水质有着严重的影响。

1.悬浮物质

天然水中凡是粒度大于0.2μm的杂质统称为悬浮物质，这类物质使水质呈浑浊状态，在静置时会自行沉降。悬浮物质主要包括泥土、沙粒之类的无机物质，也有浮游生物（如蓝藻类、绿藻类、硅藻类等）及微生物。

2.胶体物质

胶体物质的大小大致为0.001～0.2μm，它具有两个很重要的特性：①光线照上去，被散射而呈浑浊的丁达尔现象；②具有胶体稳定性。胶体可分为无机胶体和有机胶体两种。无机胶体如硅酸胶体和黏土，是由许多离子和分子聚集而成的，是造成水浑浊的主要原因。有机胶体主要是一类分子质量很大的高分子物质，一般是植物残骸经过腐蚀分解的腐殖酸、腐殖质等，是造成水质带色的主要原因。

3.溶解物质

这类杂质的微粒在0.001μm以下，以分子或离子状态存在于水中。溶解物质主要为溶解盐类、溶解气体和其他有机物。

（1）溶解气体　天然水源中溶解气体主要是氧气和二氧化碳，此外是硫化氢和氯气等.这些气体的存在会影响碳酸饮料中二氧化碳的溶解量并产生异味，还会影响其他饮料的风味和色泽。

（2）溶解盐类　主要是H+、Na+、N、K+以及Ca2+和Mg2+等的碳酸盐、硝酸盐、氯化物等，它们构成水的硬度和碱度，能中和饮料中的酸味剂，使饮料的酸碱比失调，影响质量。

①水的硬度　硬度是指水中存在的金属离子沉淀肥皂的能力。水硬度的大小，一般是指水中钙离子和镁离子盐类的总含量。硬度分为总硬度、碳酸盐硬度（暂时硬度）和非碳酸盐硬度（永久硬度）。碳酸盐硬度主要成分是钙、镁的重碳酸盐，其次是钙、镁的碳酸盐，它们在煮沸过程中会分解成为溶解度很小的碳酸盐沉淀，硬度大部分可除去，故又称暂时硬度。非碳酸盐硬度，包括钙、镁的硫酸盐（硫酸钙、硫酸镁）、硝酸盐（硝酸钙、硝酸镁）、氯化物（氯化钙、氯化镁）等盐类的含量，这些盐类经加热煮沸不会产生沉淀，硬度不变化，故又称永久硬度。水的总硬度是暂时硬度和永久硬度之和，决定于水中钙、镁离子盐类的总含量。水的硬度单位有mmol/L或mg/L，其通用单位是mmol/L，也可用德国度（°d）表示，即1L水中含有10mg CaO为硬度1°d。其换算关系为1mmol/L=2.804°d=50.045mg/L（以碳酸钙表示）。

饮料用水的水质，要求硬度小于3.03mmol/L（8.5°d）。硬度高会产生碳酸钙沉淀，影响产品口味及质量。

②碱度　水的碱度取决于天然水中能与H+结合的OH-、和的含量，称为重碳酸盐碱度。水中OH-、和的含量为水的总碱度。

（三）软饮料用水的水质要求

软饮料用水的水质要求见表2-1。

二、水处理的主要目的

水处理的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；去除有机物、异臭、异味、脱色；将水的碱度降到标准以下；去除微生物，使微生物指标符合规定标准。此外，根据需要，还要去除水中的铁、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。

（一）混凝和过滤

1.混凝

混凝是指在水中加入某些溶解盐类，使水中的细小悬浮物或胶体微粒互相吸附结合而成较大颗粒从水中沉淀下来的过程。这些溶解的盐类称为混凝剂。

水处理中可用的混凝剂主要有铝盐和铁盐。铝盐有明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等；铁盐包括硫酸亚铁、硫酸铁及三氯化铁3种。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

过滤是改进水质最简单的方法。通过过滤可以除去以自来水为原水中的悬浮物质、氢氧化铁、残留氯及部分微生物，还能除去水中的异味和颜色。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、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。

（二）水的软化

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

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，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。在一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

电渗析技术常用于海水和咸水的淡化，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。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提高水的质量。

【关键技能】

饮料用水的消毒

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，尤其以紫外线消毒最适于软饮料用水的消毒。

1.氯消毒

氯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0.1～0.3mg/L，小于0.1mg/L时不安全，大于0.3mg/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0.1mg/L的余氯量，一船总投氯量为0.5～2.0mg/L。

2.紫外线消毒

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。