Бытовая система доочистки воды на основе обратного осмоса
Чистая питьевая вода в квартире или доме во многом определяет качество проживания. Система центрального питьевого водоснабжения не всегда обеспечивает поступление качественной питьевой воды в квартиры и дома. Хотя такая вода должна отвечать требованиям СанПиН «Питьевая вода», это происходит не всегда. Даже, когда вода отвечает требованиям правил, вкус ее остается посредственным.
Данные обстоятельства случаются в силу многих причин связанных с организацией системы централизованного питьевого водоснабжения. Прежде всего это изношенные трубопроводные сети. Поэтому если после станции водоподготовки вода соответствует всем нормам, то непосредственно у потребителя вода, пройдя по изношенным трубам, может получить вторичные загрязнения.
Данная проблема решается путем установки у потребителя системы доочистки питьевой воды. В настоящее время можно выделить две системы доочистки воды. Это системы, использующие фильтрование через различные зернистые материалы и системы, использующие обратноосмотические мембраны. В свою очередь, системы, использующие фильтрование через зернистые загрузки можно разделить на системы типа «кувшин» (без давления), и системы, использующие напорное фильтрование (под давлением водопроводной воды).
Основной недостаток фильтрования через зернистые загрузки заключается в необходимости обеспечить довольно низкую скорость фильтрации воды. Поэтому при небольших размерах бытовых фильтров производительность таких систем должна быть не более 0,5 литров/мин, что является крайне неудобным моментом в эксплуатации подобных систем. При обеспечении приемлемого расхода очищенной воды в 2 литра в минуту фильтры начинают работать крайне неэффективно, т.к. не обеспечивается необходимое время контакта воды и зернистой загрузки.
Для обычного фильтрования лучше использовать фильтр – кувшин.
Более подробно данный вопрос рассмотрен в [1].
Для получения действительно высококачественной питьевой воды рекомендуется использовать системы с обратноосмотическими мембранами. В процессе обратноосмотического обессоливания из воды удаляются до 90-95 % растворенных в ней солей, при этом органика и более крупные загрязнители удаляются полностью.
Слабым местом обратного осмоса является уязвимость мембраны перед исходной некачественной водой, а также неспособность мембраны задерживать газы. Если на мембрану обратного осмоса подавать «грязную» воду, то она быстро выйдет из строя. Поэтому перед стадией обратного осмоса требуется качественная предварительная обработка воды.
Также к недостатку работы обратноосмотической системы очистки воды можно отнести довольно низкую производительность по очищенной воде.
Исходная вода из системы питьевого водоснабжения поступает на бытовую систему очистки воды. Вначале вода проходит предочистку. Это позволит работать мембране в наиболее оптимальных условиях. Предочиста состоит из трех стадий. На первой стадии вода фильтруется через полипропиленовый картридж с рейтингом фильтрации 1….20 мкм. Вторая и третья стадии предочистки представляют из себя корпуса фильтров типоразмером 10 “, которые засыпаны активированным углем. При этом в фильтре активный уголь насыпной, а в фильтре прессованный.
Таким образом на стадии предочистки из воды удаляются механические и взвешенные вещества, железо, а также часть органических соединений и газы. Растворенные в воде газы загрязнители, такие как сероводород и аммиак не должны поступать на мембрану, т.к. легко через нее проходят и соответственно поступают в чистую воду. Поэтому необходимо обеспечить как можно более длительный контакт воды и активированного угля на стадии предочистки. Это позволит удалить из воды газы загрязнители. При этом солевой состав воды предочистка не меняет. Почти все соли, включая тяжелые металлы, будут удалены на стадии обратноосмотического обессоливания.
После данной предочистки мембрана обратного осмоса может забиться только солями жесткости. Здесь необходимо сказать, что соли СаСО3 будут откладываться не мембране в том случае, если углекислотный баланс воды будет смещен в сторону выпадения данной соли в осадок. Но вода из питьевого водопровода прошедшая процесс коагуляции на центральной станции водоподготовки имеет смещение углекислотного баланса в сторону растворения осадка, т.е. в обратную сторону от выпадения осадка. В этом случае увеличение концентрации бикарбоната кальция на поверхности мембраны в процессе обратноосмотического обессоливания воды будет постепенно смещать углекислотное равновесие в сторону выпадения осадка. Важно отрегулировать расход концентрата с мембраны таким образом, чтобы углекислотное равновесие находилось в балансе, при котором отсутствует осаждение солей, но и не наблюдается их растворения.
В результате после мембраны можно получить воды высокого качества, но с одним недостатком. У данной воды будет довольно низкое значение рН.
Почему так происходит?
В воде содержится углекислый газ СО2, который легко переходит через мембрану в чистую воду. Продуктом растворения СО2 в воде является бикарбонат ион (НСО3). Чем больше в воде бикарбоната, тем меньшее количество СО2 растворяется в воде. Бикарбонат на мембране задерживается на 90-95%, а СО2 проходит через мембрану полностью. В результате в чистой (частично обессоленной воде) после мембраны СО2 начинает резко растворятся в воде, т.к. сдерживающего ее бикарбоната в чистой воде практически нет.
В результате растворения СО2 в воде происходит образование угольной кислоты (Н2СО3) и значение рН воды падает. Более того, значение рН воды из питьевого водопровода может упасть ниже 6,0. При этом, в соответствии с СанПиНом «Питьевая вода», значение рН питьевой воды должно находиться в диапазоне от 6,0 до 9,0 ед. рН.
Для того, чтобы поднять значение рН чистой воды необходимо пропустить воду через минерализатор. Простейший минерализатор представляет из себя цилиндрический фильтр, загруженный кальцитом (СаСО3).
Кислая чистая вода после осмотической мембраны постепенно растворяет кальцит и насыщает воду бикарбонатом кальция. При этом на растворение кальцита расходуется углекислота воды. В результате концентрация углекислоты в воде падает и ее значение рН растет.
Пример.
Питьевая вода из городского трубопровода, поступающая в квартиру имеет следующий состав:
Бикарбонат ион (НСО3) – 2,0 мг-экв/л (2,0*61 = 122 мг/л)
СО2 – 0,4 мг-экв/л (0,4*44 = 17,6 мг/л)
Рассчитаем значение рН для исходной воды:
Значение рН =7,05, что соответствует требованиям правил.
После осмотической мембраны концентрация бикарбоната в воде составила – 0,12 мг-экв/л (0,12*61 = 7,32 мг/л), при том, что концентрация СО2 осталась такой же (СО2 = 0,4 мг-экв/л).
Рассчитаем значение рН для осмотической воды:
Данное значение рН не соответствует требованиям правил. Только, если концентрация бикарбоната в осмотической воде будет 0,2 мг-экв/л, значение рН такой воды будет 6,0.
В любом случае осмотическая вода будет обладать углекислотным балансом, значительно смещенным в сторону растворения осадка, т.е. она будет кислой. Для того чтобы углекислотный баланс осмотической воды стал нейтральным необходимо использовать минерализатор, установленный после обратноосмотической мембраны.
Возникает еще один важный вопрос. Где конкретно необходимо расположить минерализатор?
Из-за того, что производительность по чистой воде бытовых обратноосмотических мембран невелика, чистую воду направляют не сразу в кран чистой воды, а в бак накопитель. В баке накопителе поддерживается избыточное давление, и он позволяет получить расход чистой воды в кране около 2-х литров в минуту. Что является приемлемой величиной. При этом стандартная мембрана обеспечивает производительность около 0,15 — 0,2 л/мин. Поэтому эксплуатация бытовой системы очистки без накопительного бака крайне неудобна.
Минерализатор необходимо размещать перед накопительным баком. В таком случае расход воды через минерализатор составит 0,15-0,2 л/мин. Если разместить минерализатор после накопительного бака, то расход воды через минерализатор составит 2 л/мин (в 10 раз больше!). При большом расходе воды через минерализатор углекислота в воде практически не успевает прореагировать с кальцитом. В результате значение рН такой воды практически не изменяется. Установка минерализатора после накопительного бака практически бессмысленна.
В случае установки минерализатора до накопительного бака процесс удаления углекислоты и насыщения воды кальцитом идет довольно эффективно.
Для представленного выше примера, установка минерализатора после бака уменьшила концентрацию СО2 в осмотической воде с исходных 0,4 мг-экв/л до 0,35 мг-экв/л. После установки минерализатора до бака (Сразу после мембраны) концентрация СО2 упала до 0,05 мг-экв/л, и значение рН такой воды составило 6,73 ед. рН. В данном случае вода пришла в нейтральный углекислотный баланс, что соответствует стандартному состоянию поверхностной чистой природной воды.
На основании изложенных данных давайте соберем схему доочистки питьевой воды для бытовых нужд, при условии, что источником исходной воды является полноводный поверхностный источник (река) и вода проходит очистку коагуляцией на центральной водоподготовительной станции.
На рисунке 1 представлена схема бытовой доочистки воды из центральной системы питьевого водоснабжения. Исходная вода из питьевого водопровода под давлением поступает на стадию предочистки. Данная стадия состоит из трех картриджных фильтров, установленных последовательно. На первой стадии (1) осуществляется механическая фильтрация при помощи полипропиленового картриджа. Из воды удаляются механические примеси размеров до 1… 20 мкм.
Затем вода проходит картридж с насыпным (2) и с прессованным (3) активным углем. На данных стадиях из воды частично удаляется органика, нефтепродукты и агрессивные газы.
Важно! обеспечить расход воды через систему предочистки не более 0,5 л/мин. Дело в том, что активный уголь эффективно работает только при относительно низких линейных скоростях фильтрации. Т.е. необходимо обеспечить относительно длительный контакт воды и угля. Линейная скорость фильтрации для угля должна быть не более 10 м/час. Тогда расход воды (V) через картридж с углем составит:
V = 10*f = 10*0,0028=0,028 м3/час = 28 л/час = 28/60=0,47 л/мин.
Где,
f – площадь поперечного сечения картриджа, м2,
f = 0,06*0,06*0,785 = 0,0028 м2
где, 0,06 м – диаметр картриджа.
После предочистки вода поступает на стадию обратноосмотической очистки воды. На данной стадии вода при помощи полупроницаемой мембраны делится на 2 потока, чистый (фильтрат) и грязный (концентрат). Часть потока воды проходит через полупроницаемую мембрану, а оставшаяся часть воды, насыщенная солями и другими загрязнениями (концентрат), сбрасывается в канализацию.
Для того чтобы вода частично переходила через мембрану необходимо по линии концентрата создать сопротивление потоку воды. Если сопротивление потоку воды не создать, то вся вода с мембраны будет сбрасываться в канализацию. Поэтому на линии концентрата после мембраны и перед сбросом в канализацию устанавливают регулирующий вентиль.
При помощи регулирующего вентиля необходимо отрегулировать расход концентрата таким образом, чтобы расход воды в канализацию составлял примерно 60 % от общего расхода воды, поступающей на мембрану. Соответственно процент очищенной воды составит 40 %. Стандартные мембраны для обратного осмоса позволяют получить расход по очищенной воде 7-15 л/час при стандартном давлении в трубопроводе питьевой воды (3-5 бар). Соответственно, расход исходной воды на мембрану должен составлять,
12/0,4=30 л/час,
где – 12 л/час = 0,2 л/мин, расход очищенной воды с мембраны,
0,4 — доля очищенной воды.
Тогда расход концентрата должен быть,
30*0,6 = 18 л/час = 0,3 л/мин.
Необходимо используя секундомер и мерный стакан при помощи регулирующего вентиля установить расход концентрата примерно в 0,3 л/мин. При этом, при достаточном давлении исходной воды после мембраны можно получит чистую воду расходом примерно 0,2 л/мин.
В этих условиях не будет наблюдаться избыточного сброса воды по линии концентрата в канализацию и при этом не будет образовываться осадок карбоната кальция на мембране.
При использовании установки доочистки воды, состоящей только из первых трех стадий (1,2,3) расход воды через данные фильтра будет очень большой и полноценной очистки производиться не будет.
Важно перед сбросом концентрата в канализацию установить сифон. Для этого достаточно сделать петлю из гибкой проводки. Иначе загрязняющие газы из слива раковины (куда осуществляется сброс концентрата) будут попадать по концентратной линии в мембрану во время простоя установки очистки воды (тем более длительного простоя). Газы беспрепятственно проникнут через мембрану и растворятся в очищенной воде. В режиме простоя установки очистки, когда разбора чистой воды нет и бак накопитель заполнен, концентратная линия остается без воды за счет автоматического перекрытия запорного клапана. Поэтому загрязняющие газы могут проникнуть на мембрану и соответственно в чистую воду. Поэтому на линии концентрата необходима установка элементарного гидрозатвора.
После мембраны чистая вода поступает в минерализатор с расходом не более 0,2 л/мин. Данные условия позволяют значительно уменьшить концентрацию углекислоты и привести углекислотный баланс в нейтральное природное (исходное) состояние.
Затем полностью подготовленная вода поступает в бак накопитель и после бака расходом в 2 л/мин подается в кран чистой воды, который установлен на кухне в раковине.
Рисунок 1 Принципиальная схема бытовой системы доочистки на основе обратного осмоса
Данная система позволяет получать высококачественную воду, приятную на вкус. По моему субъективному мнению, 9 из 10 людей попробовавших подобную воду уже не захотят пить другую.
Необходимо дать несколько рекомендаций по первому запуску данной установки очистки воды и по запуску после замены фильтрующих материалов.
При первом запуске и после замены фильтрующих материалов в фильтрах 1, 2 ,3 их необходимо промыть. Для этого надо полностью открыть регулирующий вентиль по линии концентрата. Также сделать после замены мембраны. После промывки фильтров необходимо заново установить требуемый расход концентрата при помощи регулирующего вентиля.
При установке или после замены минерализатора его также требуется промыть. Промывать его расходом фильтрата после мембраны очень долго и неэффективно. Для промывки необходимо присоединить минерализатор после тройника отвода потока на бак накопитель (позиция 5” на рисунке 1). При этом предварительно полностью заполнив бак накопитель чистой водой. На входе бака есть запорный кран. Перекрыть данный кран, установить минерализатор после тройника и открыть кран на баке, затем открыть кран чистой воды. Промыть минерализатор чистой водой из бака накопителя. Затем установить минерализатор в стандартное рабочее положение, перед баком накопителем и запустить систему в работу.
Необходимо добавить, что в настоящее время на рынке существуют минерализаторы, в которые вместе с кальцитом засыпают активный уголь. Это позволяет убрать проскоки остаточных загрязнений (прежде всего газов загрязнителей) и обеспечить более стабильную и надежную работы всей системы водоподготовки. В данной системе рассматривается именно минерализатор с кальцитом и активным углём.
Следует учесть, что установка фильтра только с активным углем после накопительного бака также крайне спорное решение, т.к. небольшой фильтр будет работать в условиях относительно большого расхода воды по отношению к его размерам.
В заключении возьму на себя смелость сделать ориентировочный экономический расчет стоимости чистой воды полученной на данной установке для условий домашнего потребления.
Исходные данные для расчета (август 2025 г.):
Стоимость бытовой установки доочистки питьевой воды в соответствии с рис. 1 ориентировочно – 10 000 руб.
Стоимость замены фильтрующих элементов в фильтрах 1, 2, 3 ориентировочно – 200+200+250 = 650 рублей.
Стоимость минерализатора – 500 р.
Тарифы на питьевую воду и водоотведение для г. Саратова (с 01.07.2025 г.)
Питьевая вода – 37,8 руб/м3
Водоотведение – 20,74 руб/м3
Рассчитаем стоимость одного литра очищенной воды при условии, что в сутки установка доочистки будет производить 10 л воды.
Расчет:
Для наглядности сделаем расчет в горизонте 2 года, т.е. до замены мембраны. За это время фильтрующие элементы системы предочистки будут заменены 3 раза (1 раз в 6 месяцев) и 1 раз будет заменен минерализатор.
Затраты за 2 года в оборудование водоподготовки составят:
10 000 + 650*3+500=12 450 руб.
Затраты на питьевую воду и водоотведение составят:
Расход исходной воды для получения 1 литра чистой составит:
1/0,4=2,5 литра=0,0025 м3.
Тогда затраты на питьевую воду для получения 1 литра чистой воды составят,
0,0025*37,8=0,095 руб/литр.
Расход воды в канализацию для получения 1 литра чистой воды составит,
2,5-1=1,5 литра=0,0015 м3
Тогда затраты на водоотведение составят,
0,0015*20,74=0,03 руб/литр.
Рассчитаем общий объем воды произведенной установкой за 2 года,
10*365*2=7300 литров = 7,3 м3
Тогда стоимость одного литра очищенной воды будет равна,
(12 450 + 0,095*7300+0,03*7300)/7300= 1,83 руб/литр.
К примеру, если за 2 года произвести 10 000 литров чистой воды, то стоимость одного литра составит,
(12 450 +0,095*10000+0,03*10000)/10000 = 1,64 руб/литр.
Таким образом, стоимость пятилитровой канистры будет не более 10 рублей. При том, что цена высококачественной воды в пятилитровой канистре в магазине составляет более 75 рублей.
Выгода очевидна и при этом обеспечивается постоянное высокое качество очищенной воды.
В заключении хочу отметить, что получение качественной питьевой воды в домашних условиях в настоящий момент времени это относительно недорогой процесс, но который требует внимательного погружения в тему и тщательного рассмотрения всех аспектов связанных с доочисткой питьевой воды в домашних условиях. Иначе можно заплатить деньги и получить относительно низкое качество очищенной воды.
Список использованных источников
- Очистка воды для питьевых нужд. Тихонов И.А. — https://tiwater.info/water-treatment-for-drinking-purposes/
