Видове водоизточници и методи за омекотяване на водата

Водата е задължителна съставка за всички живи организми и съставлява тяхната вътрешна течна среда, която позволява протичането на жизнените процеси. Тя има огромно значение за живота на земята.
За да се задоволят нарастващите потребности от вода на населението се налага експлоатирането на различни източници и водоеми. Необходимо е, обаче, провеждането на редица операции, чрез които се получава качествена питейна вода отговаряща на определени нормативни изисквания, основно по отношение на солевия състав и микробиологичната й чистота. За целта се разработват методи и технологии за пречистване и обеззаразяване на водата.
С подходяща допълнителна обработка на питейната вода в даден район може да се варира в минералното съдържание, общата твърдост, рН на водата, да се осигури допълнително обеззаразяване. Получената като продукт трапезна вода осигурява качествено и здравословно задоволяване на индивидуалните нужди на организмите от течности и минерали.
Обикновените питейни води се отличават значително по състав и свойства от физиологичните (естествени съставни части на растенията и животните) и минералните (със сравнително постоянен физикохимичен състав и свойства) води. Те представляват един сравнително сложен, макар и слабо концентриран разтвор, чийто състав зависи от местонахождението и състоянието на водоизточника.

Артезиански кладенци

Най-благоприятен и постоянен солев състав имат водите от най-дълбоките водоизточници - артезианските кладенци. Тези води имат добри органолептични и бактериологични показатели.

Подпочвени води

Те имат значително колебаещ се състав заради проникващите през почвата води, валежи и други. Бактериологичната им чистота зависи от дълбочината на източника и особеностите на района.

Открити водоеми

Това са най-разпространените водоизточници. Съставът на водата в тях се определя от валежите и реките. Това са най-слабо минерализираните води, не са бактериологично чисти и не могат да се използват директно без предварителна обработка.

Качества на водата

Водата е най-добрият разтворител, познат на човека. Тя притежава някои важни качества, които играят важна роля в природата, но създават неблагоприятни условия при производството на напитки.
Това е от основно значение за съществуването на всички форми на живот. Водата е единствената среда, в която много форми на живот, особено микроорганизми, могат да съществуват. Следователно не може да има абсолютно чиста вода в естествено състояние. Това, че е универсален разтворител е причина за твърдостта и минералното съдържание на водата. При валеж абсорбира атмосферни газове - СО₂ и се превръща в киселинна. Може да разтвори и други кисели или алкални вещества от повърхността на земята. Просмуквайки се през почвата и лежащите отдолу скали, водата разтваря лесно разтворимите минерали. Колкото по-дълбоко достига в почвата, толкова по-голямо ще бъде количеството на разтворените в нея вещества. Това са предимно калциеви и магнезиеви съединения.

Микробиологичен и растителен състав на водата

В някои големи открити водни басейни като езерата, водата не поема минерални примеси. В нея се развива активна биологична дейност, развиват се малки и големи представители на животинския свят. Изобилието на хранителен материал в тези води, заедно с атмосферния СО₂ и слънчевата светлина, създават условия за развитието на най-разнообразни форми на микробиологичния и растителния живот.

Относителна плътност

За разлика от други съединения, водата е най-тежка при температура по-висока от точката на замръзване (0°С) – има най-голяма плътност при 4°С.Това качество е причина за явлението "оборотност на водата" в откритите водни басейни.

Качества на водата предназначена за напитки

Независимо от особеностите, във водите попадат от почвата и атмосферата едни и същи химични вещества, с по-голяма или по-малка разтворимост, но в различни количества. Те оказват определено влияние при производството на газирани безалкохолни напитки и трапезни води - предизвикват мътилка и утайка, разложените растителни или други органични материи могат да оцветят водата. От микроорганизмите се срещат диатомеи, плесени, бактерии, водорасли, дрожди. Разтворимите соли на алкални метали водят до промяна във вкуса, а неорганичната киселинност може да създаде проблеми с корозионното си действие.
Властите третират водата, за да я направят питейна и безопасна за консумация от населението, но това не е достатъчно за целите на производството на напитки. Затова водата, предназначена за влагане в продуктите се подлага на определени обработки, с цел да не се допуснат изменения в състава на напитките по време на производството, съхранението и реализацията им.

Методи за омекотяване на водата

Методите за премахване или намаляване твърдостта на водата се делят на:

• Термични - със загряване на водата до 90-100°С

• Химични - варова и варо-содова обработка

• Физични - с йонообменни смоли, обратна осмоза – мембранни методи

Термични методи

При термичните методи загряването и задържането при висока температура води до разпадане на бикарбонатите:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ ↓ + СО₂ ↑ + Н₂О
Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃ ↓ + СО₂ ↑ + Н₂О

Калциевият карбонат се отделя като утайка, но количеството на магнезиевия карбонат не може да намалее съществено, защото има по-голяма разтворимост. Несигурното отстраняване на някои соли от водата и големият разход на топлина правят този метод неприложим.

Химични методи

За омекотяване на питейната вода може да се приложи химична обработка. Подходяща е за третиране на всякаква вода, независимо от източника й и естеството на примесите. Може да осигури вода с еднакво високо качество за приготвяне на напитки. При нарастващите нужди и потребление на вода, смяна на източниците и т.н., във водата често попадат замърсители или други химикали, които не могат да бъдат напълно отстранени по този метод. Тъй като използваната вода е питейна, т. е. достатъчно безопасна за консумация, допълнителната обработка на която ще я подложа ще има цел главно намаляване на общата твърдост. В случая химичното третиране е удачно.
Същността на тази обработка се състои в това, че се цели разтворимите соли във водата да бъдат доведени до трудно разтворими соли и да бъдат принудени де се утаят. Традиционен метод е варо-содовият. Използват се два реагента: разтвори на гасена вар (варно мляко) и калцинирана сода. При дозирането им във водата протичат последователно, реакциите с калциевия хидроокис Са(ОН)₂ , калцираната сода (Na₂CO₃) и смесени, които я омекотяват.

Всички реакции протичат веднага при 50°С. При по-ниски температури времето може да се удължи до 30 - 60 минути при обикновени условия.
Реакциите на Ca(OH)₂ водят до отделяне на бикарбонатната твърдост и въглената киселина. По-високата разтоворимост на MgCO₃ при тези условия води до запазване във водата на значително количество от него. За да бъде понижено съдържанието му е необходимо да се трансформира в по-трудно разтворимия магнезиев хидроокис. Това се постига чрез леко алкализиране на средата с излишък от Ca(OH)₂. При тези условия се осигурява най-пълно отделяне на временната твърдост на водата. Реакциите на Na₂СO₃ предизвикват отделяне на постоянната твърдост. В резултат на реакциите, които протичат при комбинираната обработка се отделят солите на временната и не-карбонатната твърдост на водата. Остатъчната твърдост може да се сведе до 0,5 – 1,0 mеq/dm³.
Варо-содовият метод може да се приложи частично, тоест обработка само с Ca(OH)₂. В този случаи се отстраняват само бикарбонатите и карбонатите на калция и магнезия и се прилага само за вода със сравнително ниска постоянна твърдост.
Обработката може да се проведе и само с Na₂СO₃ . Постига се отделяне само на сулфати и хлориди (соли на постоянната твърдост), но се получава завишаване на алкалността. Причината за това е заместването на калциевите и магнезиевите йони с тези на натрия, тоест във водата остават натриевите сулфати и хлориди. Затова този вид обработка не се прилага при производството на напитки.

Физични методи

Йоннообменни методи

Те се основават на способността на редица твърди (естествени и синтетични) материали, при контакт с водата да обменят йони с нейните соли. Тези материали се наричат йонити и в зависимост от обменящият йон биват: катионити (Na-катионит; Н-катионит) и анионити. Процесът на обмен на йони протича, когато водата се филтрира през пласт от катионити или анионити. В резултат на това солевият състав на водата се изменя, като Ca²⁺ и Mg²⁺ се заменят с Na⁺ или Н⁺ от йонитите, а последните приемат Ca²⁺ и Mg²⁺ от водата. При използване на система от катионит и анионит водата може напълно да се деминерализира. След изтощаване йоннобменните смоли се регенерират като се обработват с разтвори на натриев хлорид ( 10 ÷ 12% NaCl за Na-катионит), солна киселина (1 ÷ 3% НCl за Н-катионити), натриева основа (2 ÷ 3% NaOH за анионит).

Реалните процеси при експлоатацията на тези филтри се делят на четири цикъла:

1. Работен

2. Разрохкване

3. Регенериране

4. Промиване на смолата от регенериращия разтвор

За отстраняване на недостатъците на Na-катионити и Н-катионити при необходимост се прилага тяхното последователно или паралелно включване. Тези схеми позволяват да се компенсира съответно алкалността и киселинността на двата йонита. В някой случаи може да се приложи варо-содова обработка и последващо третиране със смоли. Обикновено йоннообменният метод се използва за получаване на води за технологични цели.

Обратна осмоза

Все по-често се използва обратна осмоза като мембранен метод за омекотяване на водата. Използва се налягане по-високо от осмотичното, под действие на което водата минава през полупропусклива мембрана. Съдържащите се във водата примеси се задържат върху мембраната, тоест има движение в посока към по- разредената среда - деминерализираната вода. Задължителна е предварителната обработка на водата за отстраняване на груби и колоидни примеси, които биха затруднили преминаването и през мембраната. Важно е водата да се подава тангенциално. За да се запази по-дълго ефективността на мембраната е необходимо да се спазват изискванията за работа, внимателно да се използва модула за обратна осмоза.