Các phương pháp xử lý nước

Các phương pháp xử lý nước

Phần I: NƯỚC VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỀ NƯỚC TRONG

CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

A Giới thiệu về các nguồn nước

Hiện nay chúng ta có ba nguồn nước dùng được để khai thác để sản xuất:

đang phát triển, nước bề mặt hiện nay bị ô nhiễm khá nặng chủ yếu là do sản xuất công nghiệp và các hoạt động sinh hoạt( trong pp sẽ chèn hình vô)

phố cung cấp đạt tiêu chuẩn nước dùng trong sinh hoạy hàng ngày nếu sử dụng nguồn nước này làm sản xuất với lượng lớn sẽ không kinh tế, và gặp nhìu bất cập

cung cấp chính cho các quá trình chế biến thực phẩm do nó có những đặc điểm sau:

o Nguồn nước ngầm ít chịu tác động của con người, chất lượng nước thường tốt hơn chất lượng nước bề mặt

hạt cặn lơ lửng

nhiễm nguồn nước)

Bảng -Những điểm khác giữa nước ngầm & nước bề mặt

Rất thấp trừ dưới đáy hồ Thường xuyên có

Khí CO2 hòa tan Rất hấp hoặc gần bằng

không

Xuất hiện ở nồng độ caoKhí O2 hòa tan Thường gần bão hòa Thường không tồn tạiKhí NH3 Xuất hiện ở nguồn nước

SiO2 Có ở nồng độ trung bình Thường có ở nồng độ caoNitrat Thường thấp Thường ở nồng độ cao do phân bón hóa chất

Các vi sinh vật Vi trùng (nhiều loại gây bệnh), virus các loại & tảo Các vi trùng do sắt gây ra thường xuất hiện

B Các chỉ tiêu về nước trong công nghệ sản xuất đồ uống

 Độ màu :của nước là do các hợp chất màu tan được trong nước tạo nên Và

để biết được độ màu của nước ta có thể dùng:

o Phương pháo cảm qua bằng mắt

o Sử dụng máy so màu

 Mùi:của nước do các hợp chất dễ bay hơi có trong nước tạo nên.Nước ở

20oC ít khi phát hiện là có mùi lại vì các chất ít bay hơi ở nhiệt độ này

 Thông thường để xác định xem nước có mùi lại không ta thường gia nhiệt mẫu nước lên 50-60oC

có vị tanh, mùi clo, mùi trứng thối H2S

 Nguồn gốc hữu cơ: dầu mỡ, phenol

 Nguồn gốc sinh hóa: hoạt động của vi khuẩn, rong tảo

Nước trong rửa nguyên liệu Nước trộn thực phẩm trong Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa

Mùi vị Không có mùi vị lạ Không có mùi vị lạ

Các chỉ tiêu cảm quan

2 Chỉ tiêu hóa lý

Chỉ tiêu hóa lý của nước liên quan đến thành phần các hợp chất hóa học có trong nước Hàm lượng của chúng được xác định bằng những phương pháp phân tích và công cụ Dưới đây là những chỉ tiêu hóa lý quan trọng của nước:

+ Độ cứng:độ cứng của nước do các muối calcium và magnesium hòa tan trong

nước tạo nên, Độ cứng được chua thành ba loại:tạm thời , vĩnh cửu và toàn phần

 Độ cứng tạm thời: do Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 qui định Khi đun nóng lên

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2

Mg(HCO3)2 = MgCO3 + H2O + CO2

→ tạo ra carbonat không tan và khí carbondioxide và nước.Như vậy độ cứng tạo thời của nước sẽ mất đi

 Độ cứng vĩnh cữu :chứa các muối CaSO4, CaCl2,MgSO4,

 Độ cứng toàn phần bao gồm cả hai loại độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu

Bảng phân loại nước theo độ cứng (theo Kalunhans và cộng sự, 1992)

Giá trị độ cứng (mg đương lượng /l) Phân loại

+Tổng chất khô : giá trị này do các hợp chất không bay hơi có tring nước tạo nên Giá trị này càng thấp thì chấy lượng mẫu nước càng cao

+ Độ oxy hóa:

Hàm lượng oxy hòa tan DO (Dissolued Oxygen)

Phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nguồn nước(vi sinh,hóa học, thuỷ sinh)

Oxy hòa tan không tác dụng với nước

Độ hoà tan tăng khi áp suất tăng, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng

Nhu cầu oxy hóa học COD(Chemical Oxygen Demand)

Là lượng oxy cần thiết dể oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước, tạo thành

CO2,H2O

Dùng đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước

Nhu cầu oxy sinh học BOD(Biologycal Oxygen Demand)

Là lượng oxy cần thiết để vi khuẩn phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí

Là chỉ tiêu dùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước

+ Độ dẫn điện: nước chứa nhiều cation và anion khác nhau nên có tính dẫn điện

Giá trị độ dẫn điện sẽ tỉ lệ thuận với tổng chất khô của nước

THÀNH PHẦN VÔ CƠ

Nước trong rửa nguyên liệu Nước trộn thực phẩm trong Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa

Vinyl chlorua 0,005 mg/l

Hydrocarbua Thơm:

Nước trong rửa nguyên liệu Nước trộn thực phẩm trong Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Giới hạn tối đa

Hàm lượng thuốc trừ sâu chlo hữu cơ 0,1 mg/l

Phenol và dẫn xuất của phenol 0,01 mg/l

Hàm lượng thuốc trừ sâu lân hữu cơ 0,01 mg/l

Acid nitrilotriacetic 0,2 mg/l

Di(2-ethylhexyl)adipate 0.08 mg/l

Di(2-ethylhexyl)phtalate 0.008 mg/l

 Việc xác định sự có mặt của vi trùng gây bệnh thường rất khó

 Người ta dựa vào sự tồn tại của E.Coli để xác định, do nó khả năng tồn tại cao hơn các loài vi khuẩn khác

b Các loại rong tảo

 Rong tảo phát triển trong nước làm nhiễm bẩn nguồn nước, làm nước

 Chỉ tiêu cần phải có: pH, oxy hoà tan (4 chỉ tiêu)

Bảng chỉ tiêu đối với nước của các nước EU, Mỹ, WHO, Việt Nam

µs/cm 200Cmg/l

mg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/lmg/l

_1.56.5-8.5_3002507550 0.2100050.13.0_2

_0.30.10.15.0

2046.5-8.540025025010050150120.21500500.10.515

_0.510000.20.050.010.01

1526.5-8.5_250250 453.3 _

_0.30.0515

155 250250 200_0.210005031.5

0.05_3000.30.523

_2205045200100210015650_

_1.50.7_100_37050120100510_

Tiêu chuẩn nước dùng trong công nghiệp thực phẩm

Tổng số vi sinh vật hiếu khí < 100con/ml

(1)chỉ số Coli: Số con vi khuẩn coli trong một lít nước, chuẩn số coli: lượng ml nước có 1 vi khuẩn coli

Yêu cầu chất lượng nước cho quá trình làm nguội

Các chỉ tiêu Làm nguội một lần Làm nguội nhiều lần

Yêu cầu chất lượng nước cấp nồi hơi

Các chỉ tiêu Áp suất nồi hơi, at

1 Lắng Tách một số tạp chất không tan có kích thước khá lớn.

theo đường kính mao quản của màng lọc

Tách các hợp chất keo, đại phân tử, virus

Làm mềm nước, tách một số muối hòa tan.Tách các ion

4 Điện thẩm tích Tách các chất tích điện

5 Nhiệt Giảm độ cứng tạm thời, bài khí, ức chế hoặc tiêu diệt một số loài vi sinh vật

6 Xử lý chân không Bài khí, khử mùi

7 Xử lý bằng tia UV Ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật

Phương pháp hóa học

10 Xử lý bằng acid, kiềm hoặc các hợp chất hóa học khác Chỉnh pH

11 Xử lý bằng các chất ức chế vi sinh vật Ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật.

Lắng là một phương pháp phân riêng dựa vào sự khác nhau về khối lượng riêng của các cấu tử trong hệ huyền phù Động lực của quá trình ly tâm có thể là trọng lực, lực ly tâm hay lực tĩnh điện

Các thiết bị lắng được sử dụng trong xử lý nước hiện nay chủ yếu gồm hai loại: hoạt động gián đoạn và hoạt động liên tục

Thiết bị lắng gián đoạn

Thiết bị lắng gián đoạn hoạt động theo chu kỳ Đầu tiên, người ta bơm nước cần xử lý vào thiết bị Sau đó, chờ một khoảng thời gian để các cấu tử không tan có khối lượng riêng lớn hơn nước lắng xuống đáy thiết bị Cuối cùng, người ta tiến hành tháo nước sạch ở phần trên của thiết bị rồi mở cửa đáy để tách bỏ phần cặn lắng

Để tách các cấu tử không tan ra khỏi nước, ngoài phương pháp lắng, chúng

ta có thể sử dụng phương pháp lọc Khi cho một huyền phù đi qua một màng lọc, các cấu tử rắn không tan sẽ bị giữ lại, pha liện tục sẽ chui qua màng lọc và tạo nên dịch lọc

Có hai phương pháp lọc, đó là lọc bề mặt và lọc bề sâu.

Trong phương pháp lọc bề mặt, các cấu tử rắn có kích thước lớn hơn đường

kính mao quản của màng lọc sẽ bị giữ lại trên màng và tạo nên lớp bã lọc Chiếu cao của lớp bã lọc sẽ tăng dần theo thời gian và làm cho trở lực của lớp bã lọc tăng theo

Ngược lại, trong phương pháp lọc bề sâu, các cấu tử không tan của huyền phù có kích thước nhỏ hơn đường kính mao quản của màng lọc Chúng sẽ khuếch tán vào bên trong các mao quản của màng lọc, bị giữ lại bên trong màng và “bã lọc” được hình thành trong các mao quản

Tùy theo chất lượng nguồn nước đầu vào mà ta có thể sử dụng phương pháp

lọc bề mặt hay bề sâu

Động lực của quá trình lọc là sự chênh lệch áp suất giữa hai bên màng lọc

Để quá trình lọc có thể diễn ra ta cần có: ∆P = P1- P2 > 0

Theo lý thuyết, để ∆P > 0, ta có 3 giải pháp sau:

 Sử dụng áp suất thủy tĩnh ( áp suất của cột chất lỏng phía trên màng lọc

ngang): giải pháp này giúp tiết kiệm chi phí vận hành nhưng thời gian lọc

kéo dài

 Sử dụng bơm để đưa huyền phù qua màng lọc, kho đó: P1 > P2 = 1 atm.

 Tạo áp lực chân không từ phía bên dưới màng lọc, khi đó: P1 = 1 atm > P2

Trong thực tế, hai giải pháp đầu được sử dụng phổ biến để xử lý nguồn nước

ngầm trong ngành công nghiệp thực phẩm

3 Phương pháp phân riêng bằng mambrane.

Phân riêng bằng membrane là một phương pháp triển vọng, nhiều nhà máy

thực phẩm đã sử dụng membrane để xử lý nước công nghiệp trước khi đưa vào sản

xuất Do membrane có kích thước rất nhỏ nên dễ bị tắc nghe4nm trong quá trình xử

lý, để khắc phục hiện tượng này, nguồn nước tại nhà máy cần phải được xử lý sơ bộ

bằng các phương pháp khác để tách bớt các tạp chất thô trước khi đưa qua xử lý

bằng membrane

a Vi lọc (Microfiltration)

Mục đích chủ yếu của phương pháp này là tách các tế bào vi sinh vật Đường

kính mao quản của membrane vi lọc dao động trong khoảng từ 0,1µm đến 5,0µm

Bã lọc

Màng lọc

Lọc bề m t ặ Lọc bề sâu

Với kích thước này, membrane vi lọc có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc trên bề mặt membrane, ngoại trừ các virus là có thể chui qua được membrane vi lọc Trong số các phương pháp khử trùng nước hiện nay, phương pháp

sử dụng chlorine được xem là ức chế vi sinh vật hiệu quả và ít tốn kém chi phí Tuy

nhiên, các loài vi sinh vật bền với chlorine như Giardia lamblia, Cryptosporidium

parvum,… sẽ không bị ảnh huo73ngtrong quá trình xử lý bằng chlorine Riêng

phương pháp vi lọc sẽ khắc phục được những tồn tại trên Nếu chúng ta so sánh với các phương pháp xử lý vi sinh khác thì phương pháp vi lọc sẽ tạo ra nguồn nước đạt chất lượng vi sinh rất tốt đảm bảo an toàn cho người sử dụng

Ngoài chức năng tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc có thể loại bớt một số tạp chất hữu cơ và làm giảm độ đục của nước Nước qua vi lọc sẽ có hàm lượng tổng carbon hữu cơ và carbon hữu cơ hòa tan giảm đi

Bảng: Kết quả xứ lý nước bằng phương pháp vi lọc (Morris và cộng sự, 1993)

Chỉ tiêu Đơn vị đo Trước khi qua vi lọc Sau khi qua vi lọc

Phương pháp này ảnh hưởng tốt đến một số chỉ tiêu hóa lý của nước

Để hạn chế hiện tượng tắc nghẽn mao quản membrane trong quá trình sử dụng, người ta dùng khí nén ( áp suất 90 ÷ 100 psi) để thổi ngược định kỳ, kết hợp với quá trình rửa ngược nhằm tách bỏ các cấu tử bám trên bề mặt membrane Ngoài

ra, sau 4 ÷ 6 tuần sử dụng, người ta dùng hóa chất để vệ sinh membrane, đồng thời

để ức chế vi sinh vật bám trên membrane

b Siêu lọc (Ultrafiltration)

Phương pháp siêu lọc sử dụng các membrane với kích thước mao quản xấp

xỉ 0,01µm hoặc thấp hơn Do đó, các vi sinh vật có kích thước nhỏ nhất như virus cũng bị loại bỏ Phương pháp này có thể tách một số đại phân tử ra khỏi nước, đáng chú ý là pyrogen – là hợp chất tiêm vào máu người sẽ gây sốt Hầu hết các pyrogen

là lipopolysaccharide có nguồn gốc từ tế bào vi khuẩn, chúng không bị biến đổi torng quá trình xử lý nhiệt

c Lọc nano (Nanofiltration)

Phương pháp lọc nano có thể loại bỏ được các muối hòa tan ra khỏi nước, do

đó sẽ làm giảm độ cứng của nguồn nước cần xử lý Theo Cardew và cộng sự (1998)

thì hàm lượng muối trong dòng permeate sẽ giảm đi 50 ÷ 70% so với nguyên liệu, riêng hàm lượng muối hóa trị II có thể giảm tới 95%.

Ngoài chức năng làm mềm ước, phương pháp lọc nano cũng làm giảm hàm lượng tổng carbon hữu cơ, độ kiềm và độ màu của nước (Cardew, 1998)

Hầu hết các nhà máy xử lý nước sử dụng thiết bị lọc nano với cấu hình dạng

sợi rỗng, kích thước mao quản có thể dao động từ 200 ÷ 300Da đến 400 ÷ 600Da.

d Thẩm thấu ngược

Phương pháp thẩm thấu ngược chỉ cho dung môi (nước đi) đi qua membrane

và tạo nên dòng permeate, toàn bộ các cấu tử tan và không tan sẽ bị giữ lại trên bề mặt membrane và tạo nên dòng retentate

Nếu hiệu quả phân riêng trong phương pháp thẩm thấu ngược là tuyệt đối thì sản phẩm thu được ở dòng permeate là nước không bị lẫn bất kì tạp chất hóa học nào khác (nước tinh khiết)

4 Phương pháp điện thẩm tích (Electrodialysis)

Phương pháp điện thẩm tích dùng để tách các hợp chất tích điện ra khỏi nước Trong phương pháp này, người ta thường sử dụng một cặp membrane – thường là memebrane siêu lọc

Thiết bị điện thẩm tích có dạng hình hộp chữ nhật và được chia thành 3 khoang nhờ hai membrane siêu lọc dạng tấm Nước cần xử lý sẽ được bơm vào khoang giữa, còn nước sạch sẽ được bơm vào hai khoang biên Người ta sẽ thiết lập một hệ thống catod và anod ở hai khoang biên Nhờ đó, trong quá trình hoạt động, các anion bị lẫn trong nước cần xử lý sẽ di chuyển qua membrane siêu lọc A về anod, ngược lại, các cation sẽ di chuyển qua membrane B để về catod Kết quản là tại cửa ra của khoang giũa chúng ta sẽ thu được phần ước đã được tách bớt các cation và anion Theo Kalunhans và cộng sự (1992) th2i độ kiềm của nước sau khi

xử lý sẽ giảm đi 2 ÷ 3 lần so với ban đầu; tương tự, độ cứng của nước giảm 2,5 ÷ 3 lần và giá trị pH giảm xuống từ 0,5 đến 1,5 đơn vị

Phương pháp điện thẩm tích chỉ cho phép loại bớt một phần các hợp chất tích điện ra khỏi nước Hiệu sất tách không thể đạt giá trị tuyệt đối 100%

5 Phương pháp nhiệt

a Giảm độ cứng tạm thời và bài khí

Nước có độ cứng tạm thời:do Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 qui định Khi đun nóng lên, tạo ra carbonat không tan và khí carbondioxide và nước.Như vậy độ cứng tạm thời của nước sẽ mất

 Đối với bicarbonate calcium

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2

 Quá trình đun nóng xảy ra ở nhiệt độ 60oC

 Muối carbonate calcium không hòa tan được trong nước lạnh nên kết tủa này ta có thể tách bỏ nhờ quá trình lắng hoặc lọc

 Phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn nếu khí carbon dioxide được tách liên tịc ra khỏi nước nên ta cần tiến hành song song phương pháp khuấy trộn và thổi không khí vào trong nước để quá trình tách khí cacbonic đạt hiệu quả cao nhất

 Đối với muối bicarbonate magnesium

Mg(HCO3)2 = MgCO3 + H2O + CO2

Phản ứng xảy ra chậm và không hoàn toàn

> Phương pháp nhiệt thích hợp áp dụng khi nguồn nước cần xử lý có hàm lượng muối bicarbonate calcium cao và hàm lượng muối bicarbonatc magnesium thấp vì khi đó thời gian xử lý nhiệt sẽ không kéo dài, đồng thời phản ứng phân hủy các muối carbonate có tring nước sẽ đạt hiệu suất cao

b Cải thiện chỉ tiêu vi sinh : một số loại vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt trong quá trình gia nhiệt

Phương pháp này ít được sử dụng vì cử lý nhệt tốn nhiều năng lượng

6 Phương pháp xử lý hóa chất - phương trình trao đổi

Làm giảm độ cứng của nước bằng cách chuyển các muối của calcium và magnesium từ dạng hòa tan trong nước sang dạng kết tủa Hóa chất được sử dụng là caxi hydroxit và natri carbonate

 Đối với nước ứng tạm thời :

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCO3 + CaCO3 + H2O

MgCO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + Mg(OH)2

 Đối với nước có độ cứng vĩnh cứng

+ Đối với muối Mg:

MgCl2 +Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2

MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaSO4

Khi các phản ứng trên xảy ra sẽ tách được Mg2+ ra khỏi nước tuy nhiên, nồng độ

Ca2+ trong nước sẽ gia tăng Để tách chúng ta cần sử dụng natri carbonate

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4

Trong thực tế quá trình làm giảm nồng độ của nước bằng phương pháp sử dụng hóa chất ( các hóa chất bổ sung vào thiết bị xử lý nước ở dạng dung dịch ) sẽ được chia thành hai giai đoạn:

 Xử lý với calcium hydroxyde

 Xử lý với natri carbonat