饮料用水的处理

对水处理的目的是除去水中固体物质，降低硬度和含盐量；杀灭微生物及排除所含的空气，从而把生活饮用水处理成纯净水、超纯水、软化水、医药用纯水、蒸馏水、矿泉水等，应用于食品饮料、电子、医药、化工、电力、电镀、光学玻璃等。一般需要对水源来水进行净化、软化、除盐及消毒处理。但并不是对每一种水源（如井水、泉水、湖水、河水、自来水等）都需要进行这几种处理，对水质较差的水源，如湖水、河水的处理就较复杂，而对较洁净的自来水，处理就较简单。总之，应根据水源的具体情况，各饮料厂对所用的水质要求不同，来选择不同的处理流程和设备。

饮料用水的总体水处理工艺流程图一般如下：

1.2.1　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），它们内含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。

1）澄清处理

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1nm～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（10～300nm）和蛋白质（1～50nm）等。它们使水质混浊、产生异味和影响卫生，并将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。

水中胶体颗粒一般具有保持分散的稳定性。这些胶体颗粒可分为憎水和亲水两大类。水中黏土等无机物属于憎水性胶体，而有机物如蛋白质、淀粉和胶质等属于亲水胶体。胶体表面是带电的，其中黏土、细菌、病毒等均带负电，Al（OH）3、Fe（OH）3等的微晶体都是带正电的胶体。

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。碳酸盐硬度每降低1度大致需要的凝聚剂量如下：硫酸铝Al2（SO4）3用20.5g／m3；硫酸铁Fe2（SO4）3用23.7g／m3；三氯化铁FeC13用19.3g／m3。常见的凝聚沉淀原理如下：

（1）明矾法

明矾是无色晶体或白色结晶性粉末，易溶于水，略有涩味，有收敛性，学名为十二水合硫酸钾铝，分子式为KAl（SO4）2·12H2O。它是一种由两种不同金属离子和一种酸根离子组成的复盐。在水中Al2（SO4）3水解生成氢氧化铝，其水溶液呈酸性。氢氧化铝的溶解度小，聚合后以胶体状态从水中析出。氢氧化铝带正电荷，天然水中的胶体大都带负电荷，两者具有中和凝聚作用。与此同时，由于氢氧化铝胶体吸附能力很强，可以吸附水中的胶体和悬浮物，随之凝聚成粗大絮状物而沉降，使水澄清。因此，明矾作为一种较好的净水剂广泛使用。明矾用量一般为0.001%～0.02%。

（2）硫酸铝法

硫酸铝水溶液（pH值为4.0～5.0）在水中的反应原理与明矾相同。由于硫酸铝是强酸弱碱形成的盐，为了能从硫酸铝形成氢氧化铝的凝胶，原水必须具有一定的碱度。

反应生成氢氧化铝，形成凝胶，同时反应中消耗了碱度并降低了硬度。硫酸铝的有效添加量为20～100mg／L，同时添加的石灰（CaO）量一般为硫酸铝用量的一半。

此外，水的澄清还有硫酸亚铁法和石灰软化法。

2）水的过滤

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只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。

通过过滤可以除去以自来水为原水中的悬浮杂质、氢氧化铁、残留氯及部分微生物。自来水中的杂质，对采用敞开式配水的绝大多数自来水厂来说，这些杂质主要是来自大气环境、蓄水池，还有一些是人为的因素。过滤也可以除去以井水（或矿泉水、泉水）为原水中的悬浮杂质、铁、锰及部分细菌。

一般的地下水都是很清澈洁净的。但也有为数不多的杂质，是在取水或输水过程中所带入的。含铁量偏高的地下水，可以在过滤前采用曝气的方法，使空气氧化二价铁变成高价的氢氧化铁沉淀，然后通过过滤加以除去。当原水中含锰量达0.5mg／L时，水具有不良的味道，会影响饮料的口感，所以必须去除。除锰的方法很多：可以先用氯氧化，使锰以二氧化锰的形式沉淀；也可添加氧化剂（KMnO4或O3）使锰快速氧化，以二氧化锰形式沉淀。如果水中的含锰量不太高，可采用在滤料上面覆盖一层一定厚度的锰砂（即软锰矿砂）的处理方法，能获得很好的除锰效果。

1.2.2　水的软化

硬度大的水（一般是地下水），未经处理不能作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）离子交换法

当硬水通过离子交换剂层即可软化。离子交换剂有阳离子交换剂与阴离子交换剂两种，用来软化硬水的为阳离子交换剂。阳离子交换剂常用钠离子交换剂和氢离子交换剂。离子交换剂软化的原理，是软化剂中Na＋或H＋能与水中的Ca2＋、Mg2＋等离子进行交换，把水中的Ca2＋、Mg2＋交换出来，硬水就被软化了。

硬水中Ca2＋、Mg2＋被Na＋置换出来，残留在交换剂中，当钠离子交换剂中的Na＋全部被Ca2＋、Mg2＋代替后，交换剂层就失去了继续软化水的能力，这时就要用较浓的食盐溶液进行交换剂再生。食盐中的Na＋仅能将交换剂中的Ca2＋、Mg2＋交换出来，再用水将置换出来的钙盐和镁盐冲洗掉，离子交换剂又恢复了软化水的能力，可以继续使用。

2）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。

电渗析广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸、海水淡化、环境保护等领域；近年来更推广应用于氨基酸、蛋白质、血清等生物制品的提纯和研究。它在水的淡化除盐、海水浓缩制盐、精制乳制品、果汁脱酸精制提纯、锅炉给水的初级软化脱盐，食品、轻工等行业制取纯水，电子、医药等工业制取高纯水的前处理都得到应用。

电渗析水处理设备是利用离子交换膜和直流电场，使溶液中电介质的离子（带电溶质粒子，如离子、胶体粒子等）产生选择性的迁移，从而达到使溶液淡化、浓缩、纯化或精制的目的。工作时，阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻挡阴离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部分离子迁移到另一路离子水中去。

3）反渗透法

反渗透是采用膜分离的水处理技术，膜分离是利用膜的选择透过性进行分离和浓缩的方法，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，数十年来，随着膜分离的工业化和膜分离的发展，一批有效的膜分离装置在环境领域得到应用，并已逐步成为水源开发、城市和工业废水处理与回用的一种经济有效的技术手段。随着膜科学和制造技术的进步，反渗透水处理技术得到了迅速的发展。

反渗透设备的系统可从水中除去90%以上的溶解性盐类和99%以上的胶体、微生物、微粒和有机物等，除盐率常达98%～99%，这样的除盐率在大部分情况下是可以满足制水要求的，反渗透技术常用于纯水制备、废水处理、水的软化处理、饮料和化工产品的浓缩、回收工艺等多个领域。还用于海水、苦咸水的淡化，食品、医药工业、化学工业的提纯、浓缩、分离等方面。不仅在饮料工业中，在电子工业、超高压锅炉补给水、制药行业及对纯水要求更高的行业也普遍应用，它是高纯水制备中应用最广泛的一种脱盐技术，系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。

1.2.3　水的消毒

原水经以上各项处理后，水中绝大多数的微生物已被除去。但是仍有部分微生物留在水中（反渗透处理除外），为了保证产品质量和消费者的健康，对水要进行严格的消毒处理。水的消毒方法很多，其中以紫外线消毒最适用于饮料用水的消毒。因为，用紫外线消毒具有很多优点，它不会改变水的物理化学性质，无毒性，杀菌能力强，可连续处理，时间短，设备简单，操作方便等，因而得到饮料厂商广泛应用。

1）紫外线消毒

电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线都是电磁波，波长比可见光中最长的红光还长的是不可见红外光，而波长比可见光中最短的紫色光还短的就是不可见的紫外线，所以紫外线是指波长范围为100～400nm的电磁波。从太阳发出的电磁波到达地表时，其波长一般大于290nm，即地表的日光极少含有产生臭氧和杀菌作用强的紫外线，否则就会影响地球上生物的生存，所以近年来臭氧层被破坏（出现孔洞，杀菌力强、对人体有害的紫外线就会照射到地表），引起人们的普遍关注。

（1）紫外线杀菌原理及其作用

紫外线的波长不同，具有的作用也不一样。315～400nm的紫外线，有附着色素及光化学作用，称为化学线。波长为280～315nm的紫外线有促进维生素生成的作用，称为健康线（特别有促进维生素D生成作用）。波长为100～230nm的紫外线能使空气中的氧气氧化成臭氧，称为臭氧发生线。而波长为200～280nm的紫外线具有杀菌作用，称为杀菌线。杀菌线之所以具有杀菌效果，是因为在各种波长的电磁波中，微生物最易吸收的是紫外线，微生物吸收的紫外线可使维持生命的细胞内核蛋白质分子结构发生变化，产生蛋白质变性，结果会带来微生物新陈代谢的障碍，不能增殖并产生细胞破坏作用，特别是250～260nm的紫外线最易被微生物细胞内的核酸吸收，所以它也最具杀菌效果，被用于生产车间、实验室的空气清毒和饮用水的杀菌。

（2）紫外线杀菌特点

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，杀菌时对菌和病毒的选择性很小，几乎能杀死所有的菌和病毒。紫外线对水有一定的穿透能力，故能杀灭水中的微生物，使水得以消毒。紫外线的杀菌效果受水的色度、浊度以及微生物等因素的影响。因此，对原水的水质要求较高。原水必须无色，浊度在1.6度以下，微生物数很少，否则影响杀菌的效果。

在用15W紫外灯对敏感的革兰阴性无芽孢杆菌杀菌时，在空气中距离50cm，照射1min，或距离10cm，照射6s，可把大肠杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌全部杀死。而杀死革兰阳性球菌还需将照射量增大5～10倍。

紫外线还可用于对固体表面进行杀菌。在对液体杀菌时，由于穿透力弱，照射液体时会迅速衰减，穿透率低，所以液体过深时达不到良好的杀菌效果（液体中含脂肪或蛋白质较多，照射能量过大，有时会产生异臭味）。穿透率还随水中悬浮物质及铁离子等吸收紫外线物质的含量不同而不同，穿透率从高到低的液体依次是蒸馏水、饮料水、澄清的海水、工业用水、无色糖液、啤酒及牛奶等。

2）水的加氯消毒

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。此消毒法只适于某些没有采用自来水的饮料厂，用来处理自取的地下水为生产及生活用水的水消毒。经氯化消毒的水中会存在一定的残余氯，它会使水带有程度不同的氯味和其他异味，并且过量的氯还会与饮料中的色素和香料发生氯氧化作用，影响其质量。因此，氯化法不能用在直接配制饮料用的水消毒。水的加氯消毒常用的氯有液氯（钢瓶装）、次氯酸钠、漂白粉和高效漂白粉。水的加氯消毒时，最好在pH值7以下的环境中进行。

一般的地下水都比较洁净，所含的微生物也较少，这些地下水如硬度、含铁量、含锰量等均符合生活饮用水标准，可直接使用，不需进行水处理和水的消毒。如果细菌指标超标，必须对这些地下水进行严格的消毒处理。通常采用漂白粉的澄清液对水进行消毒。漂白粉的消毒作用仍然是由于在水中产生次氯酸的结果。加氯是将漂白粉澄清液通过塑料管滴入储水池进水口的水流中，使漂白粉液与水能充分混合，并保持较长的接触时间，从而取得好的杀菌效果。滴奎的量按余氯比色来定，以出水口的余氯控制在0.25mg／L为宜，小于0.1mg／L时不安全，大于0.3mg／L时则水含有明显的氯味。漂白粉澄清液的浓度为1%～2%，容器要加盖封严，避免分解挥发而失效。

3）臭氧消毒

臭氧分子由3个氧原子组成，是氧气的同素异形体，很不稳定，在水中易分解成氧气和一个活泼的氧原子。这一活泼的氧原子是一种很强的氧化剂，能与水中的微生物或有机物作用，使其失去活性。因此，臭氧是很强的杀菌剂。

臭氧消毒的方法是在水中直接加入臭氧，其作用主要是除臭、脱色、杀菌和去除有机物。原水的浊度对其消毒效果有显著影响。一般多用于浊度较小的水消毒。臭氧工作中不会产生二次污染，这正是人类环保所追求的，也是应用臭氧技术的最大优越性。由于臭氧是用空气通过臭氧器进行无声放电制成，耗电量大，价格较高，所以使用受到一定限制。

（1）臭氧水处理技术

原理臭氧水处理中臭氧处理单元包括碱催化臭氧氧化、光催化臭氧氧化、多相催化臭氧氧化3种形式。碱催化臭氧氧化是通过OH－催化，生成OH·自由基，然后氧化分解有机物。光催化臭氧氧化是以紫外线UV为能源、O3为氧化剂，利用臭氧在紫外线照射下分解产生的活泼的次生氧化剂氧化有机物。一般认为，利用光催化氧化法处理难降解有机废水时，部分难降解有机物在紫外线的照射下，提高了能级，处于激发状态，与OH·自由基发生羟基化或羧基化反应，从而改变这些物质的分子结构，生成易于生物降解的新物质。多相催化臭氧氧化是近年来发展起来的新技术，其金属催化的目的是促进O3分解，以产生活泼自由基，强化其氧化作用。

臭氧虽然能氧化水中许多难降解有机物，但它与有机物的反应选择性差，且不易将有机物彻底分解为CO2和H2O，其产物常常为羧酸类，易于生物降解有机物，如一元醛、二元醛、醛酸、一元羧酸、二元羧酸类有机小分子。因此，处理工业废水一般是采用臭氧与其他处理方法联合的工艺去除难以生物降解的有机物。

（2）臭氧处理饮用水的特点

在饮用水处理中，臭氧主要用于杀菌、除臭、除味、脱色、除铁、除锰、除微量有机物等。其他消毒剂，如氯气或次氯酸，虽然能有效地杀死水中细菌，但与原水中的有机污染物作用，会生成有机卤化物，这些物质有的是“三致”物质。臭氧具有很强的杀菌消毒作用，且不易引起二次污染，作为饮用水的消毒杀菌剂在许多欧洲国家得到了广泛应用。

臭氧溶于水后形成的臭氧水溶液具有很强的杀菌作用，可以去除水中的微污染物。臭氧在水中发生氧化还原反应的瞬间，能破坏和分解细菌的细胞壁，迅速地扩散入细胞里，氧化破坏细胞内酶，致死病原体。当其浓度达到2mg／L时，作用1min就可以把大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、细菌的芽孢、黑曲菌、酵母等微生物杀死，同时降低水的色度、浊度、悬浮固体，去除水中异味和臭味。

臭氧的杀菌效果主要取决于水中臭氧含量。当通入水中的臭氧气体浓度越高、水温越低、臭氧在水中的分散程度越高，臭氧与水的混合就越充分，其在水中的浓度就越高，杀菌消毒的效果也就越好。

臭氧的强氧化、杀菌消毒性能及无残余污染的特点，方便的发生和使用方法已经成为目前生活饮用水处理技术中不可替代的物质。随着国内外对臭氧反。应机理和相关工艺的深入研究，臭氧与其他方法的连用技术也正在大量实验中。

臭氧属强氧化剂，可将果蔬等食品中的残留农药氧化成二氧化碳、水和其他较简单的化合物，从而消除农药残留，确保人体健康。臭氧水是经“富来尔”臭氧水消毒杀菌器处理过的水，其原理为采用高频放电，电离空气产生臭氧，使用时将杀菌器与自来水龙头连接，使产生的臭氧溶于水中，即得臭氧水。据试验，经臭氧水冲淋5min，可杀灭99.9%以上的金黄色葡萄球菌；冲淋10min，可杀灭99.9%以上的大肠杆菌。