Лекція 13. Технологія мінеральних вод

План лекції

1. Хімічний і газовий склад мінеральних вод.

2. Видобуток мінеральних вод.Технологічні схеми розливу мінеральних вод.

3. Стадії обробки та розливу мінеральних вод.

4. Санітарні вимоги до МВ.

1. Води природних джерел (підземні води), які характеризуються підвищеним вмістом газів, хімічних елементів і сполук, радоактивністю називають мінеральними водами (МВ). Мінеральні води прозорі, без сторонніх включень, з незначним осадом природних солей, безколірні, або зі слабкими відтінками від жовтого до зеленого. Залежно вд умов походження та формування розрізняють три генетичних типи походження мінеральних вод: Води вилуження-атмосферного походження;Води морського походження;Води відродження, які знаходяться поблизу магматичних джерел, сильно нагрітих гірських порід.

Одним з найважливіших поазників МВ є мінералізація - сума всіх розчинених у воді речовин, іонів, біологічно-активних елементів (за вийнятком газів). Мінералізація виражається у грамах на 1 дм³ води. Розрізняють слабкомінералізовані води (1-2 г/ дм³), низької (2-5мг/ дм³), сереньої (5-15 г/ дм³), високої (15-30 г/ дм³) а ропи (150 г/ дм³ і вище).

Мінеральна води класифікують за хімічним складом, особливими властивостями та характером застосування та показниками лікувального застосування. При класифікації МВ за хімічним складом відмінною ознакою води кожної групи є наявність того чи іншого терапевтично активного аніону. Відома 31 група мінеральних вод, які об’єднані у 5 класів, назву яких визначає кількісний вміст аніону (більше 25 %): хлоридні, сульфатні, гідрокарбонатні, рідкі нітратні, води складного аніонного складу (у яких два або більше аніонів).

За катіонним складом МВ ділять на кальцієві, магнієві, натрієві, залізні і т.д.

За наявністю газів та специфічних елементів МВ розрізняють: вуглекислі, сульфідні (сірководневі), азотні, бромисті, йодисті, кремнієві, радіоактивні (радонові), з підвищеним вмістом заліза, миш'яку та ін.

За температурою МВ поділяються на холодні (до 20 ⁰С), теплі (20-37 ⁰С), гарячі або термальні (37-42 ⁰С), дуже гарячі, або високотермальні (від 42 ⁰С і вище).

Залежно від хімічного складу, загальної мінералізації, вмісту біологічно активних компонентів і специфічних властивостей мінеральні води мають фізіологічний вплив на організм людини і їх поділяють на природні столові, лікувально-столові і лікувальні.

Природні столові води, подідляють на природні мінеральні столові і природні столові води. До природних мінеральних столових належать води з мінералізацією 1-2 мг/дм³ або нижчою при наявності фармакологічно-ативних компонентів. До природних столових вод належать води з мінералізацією менше 1 г/дм³. Природні столові води використовуються як столовий освіжуючий напій.

До лікувально-столових вод належать води з загальною мінералізацією 2-8 г/дм³, а також води з меншою мінералізацією, але містять біологічно-активні компоненти у кількості не меншій від бальнеологічних норм, прийнятих для мінеральних вод. Лікувально-столові води використовуються як лікувальні за призначенням лікаря,а не систематично як столовий напій.

Води з загальною мінералізацією 8-12 г/дм³ належать до мінеральних лікувальних вод. В окремих випадках, як питні, лікувальні води використовують з більш високою мінералізацією до 21 г/дм³, а також води з мінералізацією менше 8 г/ дм³ при наявності в них підвищеного вмісту миш'яку, бору чи інших мікроелементів. Лікувальні води мають чітко виражену лікувальну дію на організм людини і вживаються лише за призначенням лікаря у строго дозованій кількості.

Хімічний склад мінеральної води представляють формулою у виді псевдо проби, де в чисельнику представлені аніони, а в знаменнику катіони, вміст яких у воді перевищує 20 %. Іони записують зліва направо у спадаючій послідовності. Зліва від псевдо проби вказують загальну мінералізацію води, кількість газів та мікроелементів, а зліва-температуру води.

Вода складу SO₄90

М4─────────────── 715

Mg45∙Ca40∙(Na+K)30

називається сульфатно-натрієво-кальцієво-магнієва.

Масова концентрація хімічних компонентів не повинна перевищувати: у мг/дм³: нітратів 50, нітритів 2, свинцю 0.1, фтору в лікувальних водах 15. Окиснимість мінгеральнгих вод не повинна перевищуати 0.5-5, цу рідких випадках до 10 мг О₂/дм³, масова частка СО₂ не менше 0.3 %.

2. Щоб вивести мінеральны води до місця її використання, поблизу свердловини або природнього виходу води на поверхню будують спеціальну споруду - каптаж. Це комплекс інженерно-технічних засобів, які забезпечують відкриття підземнних вод, вивід на поверхню землі і можливість їх експлуатації. Найпоширенішим типом каптажних споруд є одиночні або групові бурові свердлвини різної глибини. Бурові свердловини виводять МВ на поверхню, забезпечують їй надійну ізоляцію від інших підземних та грунтових вод. Залежно від геологічного залягання МВ вони бувають нахиленого і вертикального виконання. Каптажні споруди зводять безпосередньо над буровими свердловинами і оснащують їх надземними спорудами легкого типу. При неглибокому заляганні МВ будують шахтні криниці і горизонтальні штольні.

Каптажна споруда складається з насттупних елементів: водозабору, розподілювача, експлуатаційного відділення машин, приладів, пристроїв і збірних басейнів для нагромадження води. Водозабір каптажу складається з вертикального або горизонтального стовбура, який закінчується пристроєм для прийому води і фільтром. Водозабір з трубами систематично перевіряють і очищують від осаду солей (кремнезему, карбонату кальцію та ін.)

Стовбур каптажу призначений для захисту стінок від обвалів і проникнення у сверловину інших вод. Його монтують з обсадних труб, виготовлених з нержавіючої сталі, чавуну, цементу, та інш. У криницях шахтного типу та штольнях стовбур виконують у вигляді кам'яних, бетонних або дерев'яних кріплень.

У водозабору бурових свердловин розрізняють нижнюю (водозабір), робочу та устьову частини частини стовбура. Верхня надземна частина водозабору ("устя") і оголовок служать для спостереження за режимом МВ, захищають каптаж при наявності рихлих відкладень. Вона повинна завжди мати доступний вхід.

Механізований прохід забезпечує відкриття водоносних горизонтів і зон у досить складних гірсько-геологічних умовах на глибинахдо 2 км та більше. При цьому вдається надійно роз'єднати водоносні горизонти у свердловинах, запобігати обвалам стінок і проривам води по затрубному просторі, а також встановлювати насосне обладнання. Для спорудження таких свердловин використовують стальні труби. При експлуатації агресивних підземних вод (вуглекислих, сірководневих з низьким pH та ін.) використовують труби з антикорозійних матеріалів.

Перекачування, подача, підйом МВ здійснюються за допомогою насосів, газліфтів та ейрліфів. Ейрліфт здійснює підйом води за допомогою стисненого повітря - це дві труби (повітряна і для виводу продукту), з'єднані через змішувач. Стиснене повітря з компресора подається через повітряну трубу у змішувач, де утворюється водно-повітряна емульсія, яка має меншу масу, ніж вода і завдяки цьому піднімається по продуктовій трубі вгору. Газліфт працює за аналогічним принципом, лише він підіймає воду за допомогою стисненого СО₂, який нагнітається через трубу в змішувач, що міститься у нижній частині свердловини.

3. Мінеральні води, які розливають у пляшки, залежно від хімічного і газового складу, а також способу наливу поділяють на чотири технологічні групи:

· негазовані води;

· вуглекислі води;

· вуглекислі води, які містять залізо;

· гідросульфідні та гідросульфідно-сірководневі води.

До першої технологічної групи належать найбільш стійкі МВ, які не піддаються окисленню в процесі розливу і не змінюють хімічного складу. Технологія розливу таких вод наступна: мінеральна вода зі скважини під власним напором або за допомогою глибинного насосу 1 подається у герметично закритий збірник 4, встановлений у каптажній споруді 2. Із збірника мінеральну воду насосом 3 перекачують у збірник 5 для зберігання і за потребою подають на керамічні фільтри 6, звідти на теплообмінник 7, а потім у проміжний збірник 8. З цього збірника воду насосом подають в сатуратор 9, звідки з станції газифікації подається СО₂, який поступає у спеціалізованих цистернах. Насичена СО₂ мінеральна вода направляється через знезаражуючу установку 10 в резервуар розливної машини.

До другої технологічної групи належать вуглекислі води, хімічний склад яких змінюється з часом. Оскільки СО₂, який міститься у воді, є стабілізатором хімічного складу, розлив таких мінеральних вод у пляшки здійснюється в умовах незначного надлишкового тиску, який створюється СО₂, що зменшує можливість дегазації.

Технологічна схема розливу МВ даної групи аналогічна до наведеної вище, але всі технологічні операції, пов'язані з їх транспортуванням, зберіганням та розливом, виконують при незначному надлишковому тиску

До третьої технологічної групи належать вуглекислі води, які містять залізо у кількості від 5 до 70 мг/дм³. Для запобігання утворенню осаду у пляшці під час розливу цих МВ повинні забезпечуватися умови, які запобігають окисленню заліза і дегазації вод упроцесі розливу. З цією метою у МВ вводять розчин стабілізуючих кислот - аскорбінової або лимонної.

 

 

 

1 7

 

4

 

СО₂

 

2 10 8

3 9

 

Рис. Технологіча схема розливу мінеральних вод першої технологічної групи:

1 - глибинний насос; 2 - каптажна споруда; 3- насос 4 - герметичний збірник; 5 збірник для зберігання мінеральної води; 6 - керамічний фільтр; 7 - теплообмінник; 8 - проміжна ємність; 9 - сатуратор; 10 -установка для знезараження води.

До третьої технологічної групи належать вуглекислі води, які містять залізо у кількості від 5 до 70 мг/дм³. Для запобігання утворенню осаду у пляшці під час розливу цих МВ повинні забезпечуватися умови, які запобігають окисленню заліза і дегазації вод упроцесі розливу. З цією метою у МВ вводять розчин стабілізуючих кислот - аскорбінової або лимонної.

Мінеральні води, що містять залізо, належать до вод неглибокої циркуляції. Вони значною мірою піддаються бактеріальному забрудненню. Вторинне забруднення вод можливе при перекачуванні, зберіганні, обробці та розливі у пляшки. Органічні кислоти можуть слугувати джерелом живлення для нетоксичних мікроорганізмів, які зустрічаються в МВ, зокрема, у сульфатредукуючих. Тому, МВ, які містять залізо, знезаражують.

Масовий вміст СО₂ у готовій продукції повинен становити не менше 0,4 %. Розлив залізовмісних МВ здійснюють за наведеною вище технологічною схемою, але додатково сабілізують хімічний склад води. МВ із свердловини поступає у герметично закритий збірник, з якого насосом перекачується у збірник для зберігання. У трубопровід живлення збірника вносять розчин стабілізуючої кислоти, концентрований розчин якої знаходиться у спеціальному збірнику.

Робочий розчин кислоти готують у збірниках з мішалками; для запобігання окиснення заліза у них постійно підримують надлишковий тиск, який сворюється за допомогою СО₂. Витрата лимонної кислоти для стабілізації складу МВ становить 100 мг/дм³ а аскорбінової кислои - 80 мг/дм³. При транспоруванні МВ, які містять залізо, на відстань до 200 км використовують геметичні автоцистерни, з яких попередньо за допомогою СО₂ витісняють повітря. Стабілізуючий розчин при цьому вводять у цистерну або проміжну ємкість, також заповнену СО₂. Повноту витіснення СО₂ перевіряють за помутнінням впняної води, через яку барботуюь повітря, яке виходить з цистерни або проміжої ємкості.

До четвертої технологічної групи належать МВ із вмістом сірководню до 20 мг/дм³ і гідросульфідів до 30 мг/дм³. Оскільки, вищевказані сполуки сірки легко окислюються з утвореням колоїдної сірки, що зумовлює опалесценції води, і, окрім того, ні сірководень, ні гідросульфід-іони не є корисними компоентами води, то в схему розливу МВ четвертої групи включають технологічні операції спрямовані на виведення цих речовин з води.

Для цього передбачено додаткову обробку води СО₂ у скрубері. МВ з накопичувальної ємкості подають насосом у верхнню часину скрубера, заповеного кільцями Рашига. Одночасно з цим у нижню частину скрубера подають СО₂. Вода, яка стікає тонким шаром по поверхні кілець Рашига, інтенсивно контактує з СО₂, що зумовлює зсув рівноваги у бік утвореня сірководню, який виноситься з МВ потоком СО₂. Вода після десульфатування насосом спрямовується у збірник для зберігання, а СО₂, який виходить з скрубера, піддається очистці і використовується повторно.

4. Перед розливом мінеральні води обробляють для покращення прозорості, бактеріологічних показників і насичують діоксидом вуглецю. Обробка та розлив складаються з наступних стадій:транспортування води від джерела до заводу; фільтрування та охолодження МВ; знезараження МВ; насичення МВ діоксидом вуглецю; обробка тари, розлив, оформлення пляшок з готовою продукцією, вкладання пляшок з водою у ящики і транспортування їх на склад для.

Транспортування МВ від джерела до заводу здійснюється по трубопроводах, в автомобіільних або залізничних цистернах.

З метою максимального збереження хімічнного та іонного складу МВ, а такожвиключення їх мікробіологічного забруднення МВ подають по трубопроводах на відстань не більше 50 км, при мінімальному напорі з ламінарним витіканням і, при можливості, самовиливом. Введення води у резервуар роблять поблизу дна, щоб уникнути її розбризгування при заповненні резервуара. Транспортування МВ по трубах і їх зберігання здійснюють при надлишковому тиску, трубопроводи вигоовляють з корозійно-стійких матеріалів, вони повинні бути герметичними, без різких підйомів та спусків.

На заводи розливу МВ, які знаходяться на відстані від 50 до 200 км від джерела, МВ транспортують у однокамерних та двохкамерних автомобільних цистернах ємністю від 2 до 10 м³. Для попередження дегазації заповнення цистерн ведуть у герметичних умовах через нижні штуцери зі швидкістю 0.8 м/с при тиску 0.05 МПа. Якщо мінеральні води містять двохвалентне залізо, то з них видаляють повітря, витісняючи його діоксидом вуглецю зі швидкістю 300-360 дм³/год. Термальні води переважно охолоджують до 20 ⁰С

У залізничних цистернах МВ перевозять у тому випадку, коли їх джерела знаходяться на значній відстані за умови дозволу Міністерства охорони здоров'я. Транспортування МВ здійснюють в умовах, що забезпечують біологічну чистоту води, збереження її властивостей і якості.

Станцію наповнення будують на заводах розливу, або поряд з каптажною спорудою. Вона повина мати під'їздні залізничні шляхи і станцію для миття цистерн. Наповнення МВ піддається первинній обробці, на заводі розливу - вторинній.

Первинна обробка складається з охолодження, фільтрування, знезаражування сульфатом срібла або опроміненням УФ-промінням, часткового насичення води СО₂ до масової частки 0,05-0,1%.

Залізничні цистерни миють розчином лугу і питтєвою содою, заповнюють на 2/3 об'єму питною водою, через барботер подають газоподібний хлор і заливають цистерну питною водою до повного об'єму. Хлорну воду залишають у цистерні на 1год, після чого її зливають і відмиваютть питною водою до вилученняслідів хлору.

При дотриманні цих умов допускається транспортуванняводи у залізничних цистернах 15 днів, враховуючи день їх заповнення. Біологічна чистота води повинна зберігатися на протязі усього періоду транспортування і зливу її в заводські резервуари. Залізничні цистерни після їх заповнення МВбов'язково запломбовують, а на воду видається серифікат, який підтверджує її якість.

Доставлену до місця призначення МВ перекачують у мірні збірники, з яких за рахунок подачі СО₂ попередньо витісняють повітря. При наповненні мірних збірників водою СО₂, в свою чергу, витісняється у газгольдер, а при необхідності його компримують за допомогою комп-ресора і повертають у збірники мірники. У цеху розливу МВ піддають повній технологічній обробці.

При перевезенні МВ різних найменувань передбачають індивідуальні резервуари. На заводах МВ зберігають у резервуарах, виготовлених з залізобетону, облицьованих кислотостійкою плиткою або в таких, які не мають облицювання, а також виготовлених з нержавіючої сталі або зі сталі, покритої склоемаллю. Для зберігання води використовують вертикальні та горизонтальні резервуари.

Зберігати МВ, які не пройшли технологічну обробку, можна не довше 2 діб.

Для вилучення осаду солей, землі, піску та інших тонкодисперсних частинок мінеральні водиу фільтрують. Води з мінералізацією 7-8 г/дм³ фільтрують на фільтрах з мікропористої кераміки, а води більшої мінералізації – на рамних фільтрах через фільтр-картон марки Т.

Мінеральні води неглибокого залягання, у яких висока ймовірність мікробіологічного забруднення, рекомендовано фільтрувати на керамічних патронних фільтрах з розміром пор менше 1 мкм. Керамічні фільтри поряд з вилученням дрібнодисперсних домішок забезпечують часткове усунення бактерій.

Фільтрування води проводять під тиском, що дозволяє долати опір у трубопроводах та фільтруючих матеріалів і уникнути дегазації та окиснення води.

МВ перед розливом у пляшки насичують СО₂. Оскільки розчинність СО₂.зростає із зменшенням температури, перед насиченням воду охолоджують до температури 4-10 ⁰С в одну стадію. Граничну температуру охолодження підбирають з врахуванням можливого утворення осаду внаслідок зменшення розчинності солей.

Термальні води, які мають температуру вище 25 ⁰С охолоджують у дві стадії: до 20 ⁰С з використанням холодоагента природної води, а для кінцевого захолодження використовують потужніші холодоагенти. Охолоджують воду поблизу свердловини і перед знезараженням у протитечійних та пластинчатих холодильниках різних систем, які виключають контакт води з повітрям.

Окремі МВ, які залягають на невеликих глибинах бактеріально забруднені, а стерильні МВ у процесі їх технологічної обробки можуть бути засіяні мікрофлорою, отже в обидвох випадках підлягають знезараженню. Соli-титр для МВ, розлитої у пляшки, повинен становити не менше 300, а води, які надходять з каптажу з соli-титром > 500, у виробництві не використовуються.

Для знезараження МВ використовують реагентні та безреагентні способи.

Безреагентний спосіб оснований на опроміненні води ультрафіолетлввими променями, які подавляють різні, у тому числі і патогенні мікроорганізми.в: УФ-прмені діють на мікроорганізми, які знаходяться також і на поверхні домішок, через шар води, тому через мутність і колірність може змінюватись ефективність знезаражування. Даний метод неефективний для МВ з вмістом заліза більшим за 0.3 мг/дм³. Опромінення МВ УФ-променями дозволяє миттєво діяти на мікроорганізми і не порушувати органолептичних характеристик води. Для знезараження використовують бактерицидні напірні установки з зануреними джерелами випромінювання

Реагентні способи застосовуються для знезараження вод різного хімічного складу, а вибір способу залежить від технічного оснащення підприємства. Як реагенти, які додають до води, використовують сульфат срібла, доза якого 0.2 мг/дм³ упродовж 2-4 год дозволяє знищувати не тільки патогенні мікроорганізми, але й сапрофітну мікрофлору, що викликає сторонні запахи води, і гіпохлорит натрію, який додають до МВ, щомістять багато відновних сполук.

Усі мінеральні води, незалежно від газового складу перед розливом у пляшки насичуються СО₂, що значно покращує їх смакові якості і дозволяє підвищити стійкість МВ при зберіганні. МВ насичують СО₂ без попереднього вилучення повітря для запобігання порушення газової та сольової рівноваги. Умови, технологічні режими насичення МВ вуглекислотою та обладнання, що використовується, аналогічні до відповідних при насиченні СО₂ безалкогольних напоїв. Температура насичення 4-7 ⁰С при надлишковому тиску 0.2 МПа.

Вміст СО₂у лікувальних МВ становить 0,15-0,2%, у лікувально-столових не менше 0,3%, а у залізовмісних не менше 0,4% мас.. Термін зберігання МВ з дня розливу 4 міс. для залізовмісних вод та 1 рік для інших МВ.

5. Для випуску якісної продукції з точки зору мікробіологічної чистоти на заводах розливу МВ повинен проводитися санітарно-мікробіологічний конроль, а поблизу джерел МВ повинна бути організована зона санітарної охорони, яка є територією з особливим режимом, що виключає можливість забруднення джерела. У зоні охорони розрізняють три пояси: зону строгого режиму, зону обмеження та зону спостереження. Перший пояс охоплює ділянку залягання МВ; він обмежується радіусом 30-50 м. На його території всановлюють насосну станцію та збірник води. Другий пояс розташований довкола першого. Його радіус може становити від 50 до1000 м і залежить від характеру та потужності водоносного горизонту. Межі третього поясу співпадають з межами санітарної зони.