Очистка воды для питьевых нужд

И.А. Тихонов

В статье рассмотрены основные способы очистки воды для питьевых и бытовых нужд. В качестве источника водоснабжения принимаются хоз-питьевые централизованные и децентрализованные сети водоснабжения.  Даны рекомендации по подбору водоочистного оборудования и материалов.

Ни для кого не секрет, что питьевая вода, которая поступает в наш дом не всегда является таковой. Даже если вода соответствует всем требованиям СанПиН, то это не значит, что она безопасна для употребления.

В данной статье рассмотрены общие вопросы очистки водопроводной воды и доведения ее качества до безопасной для питья.

В качестве источника водоснабжение рассмотрим подготовленную воду из поверхностного источника (как правило река) и артезианской скважины.

Итак, если ваш дом подключен к центральному городскому водопроводу. Водоканал производит забор воды из реки и ее очистку.

Здесь надо пояснить какие бывают виды загрязнений в воде и какие способы очистки применяются для их удаления. В таблице 1 представлены визы загрязнений свойственные для поверхностных и артезианских воды и способы их удаления.

Можно выделить 4 вида загрязнений в воде:

• Ионные
• Органические и коллоидно растворенные
• Грубодисперсные примеси
• Газы

Таблица 1

Ионные примеси воды определяют солесодержание воды. Если солесодержание воды более 1000 мг/л, то такая вода считается солоноватой и не является питьевой.  Вода из реки в подавляющем большинстве случаев имеет солесодержание менее 1000 мг/л и является пресной. Поэтому данная вода, как правило, не требует корректировки ионного состава или удаления ионов.

Жесткость воды также определяется ионами кальция и магния. Допускается жесткость питьевой воды до 10 мг-экв/л или около 800 мг/л. Как мы видим если в воде жесткость 10 мг-экв/л, то ее солесодержание уже равно 800 мг/л. А в воде еще присутствуют ионы натрия, сульфата и хлорида. И как правило их количество равно количеству ионов жесткости. Таким образом, если жесткость воды 10 мг-экв/л и больше, то такая вода автоматически считается солоноватой (не питьевой).

Внимание! Данную воду бесполезно умягчать. Т.к. после умягчения в воде будет вместо кальция и магния содержаться ионы натрия. В питьевой воде допускается не более 350 мг/л ионов натрия. Как мы видим в данном случае будет превышение по ионам натрия. Конечно такую воду можно использовать для технических целей, но пить ее не стоит.

В данном случае единственное решения для питьевых нужд — это использование обратного осмоса. В процессе обратноосмотического обессоливания воды происходит удаление большинства ионов из воды. Вода становится очень высокого качества.

Но в большинстве случаев вода из реки не требует корректировки ионного состава. Поэтому в таблице 1 запишем, что корректировка солесодержания и жесткости не требуется.

Также к ионным примесям необходимо отнести ионы железа, тяжелых металлов и кремния.

Сразу оговоримся, что кремний очень тяжело удалять из воды и будем надеяться, что для большинства поверхностных источников концентрация кремния составляет не более 10 мг/л по крайне мере для средней полосы европейской части России.

Железа в речной воде практически нет, т.к. вода имеет постоянный контакт с воздухом и железо окисляется и выпадает в осадок. Железо в поверхностной воде свойственно только для заболоченных мест. Но тем не менее железо может появиться в воде после ее очистки. Дело в том, что в результате коагуляции речной воды часть бикарбонатов переходит в углекислый газ и соответственно рН воды уменьшается. В результате нарушается углекислотный баланс, и вода становится коррозионно агрессивной. Если трубы водоснабжения из черного металла, то у потребителя в воде будет наблюдаться железо. Допустимая концентрация железа в питьевой воде 0,3 мг/л. Но лучше, что бы его вообще не было. Соответственно запишем в таблицу, что вода поверхностного источника будет требовать доочистку воды от железа. Тяжелые металлы также могут попадать в питьевую воду через дырявые трубы системы водоснабжения. От них так же будет требоваться доочистка.

Органические и коллоидно растворенные примеси это основные загрязнители поверхностной воды. По факту они представляют из себя органические кислоты (гумусовые, гуминовые), а также различные коллоидные взвеси в том числе образованные кремнийкислотой и (или) железом. Данные загрязнения фактически не отфильтровываются и не выпадают в осадок. Частично они подвержены адсорбции на активированном угле. Но основной способ очистки — это коагуляция. Т.е. укрупнение данных загрязнений с целью последующего их фильтрования или выпадения в осадок и удаления.

Грубодисперсные примеси – это не растворяющиеся в воде частицы с размером более 0,46 мкм. Эти частицы можно почти полностью удалить фильтрованием через специальные наполнители. Т.к. поверхностные воды имеют контакт с атмосферой эти частицы находятся в воде в избытке. На этапе очистки они удаляются из воды, но могут опять в нее попасть в системе водоснабжения, особенно если трубы дырявые.

В поверхностной воде практически не содержится таких газов как сероводород, аммиак и хлор. Т.к. в воздухе их практически нет, то исходя из равенства парциальных давлений в поверхностной воде крупных рек тоже не будет содержаться этих газов. Если только вода не загрязнена сточными водами или не является болотистой водой.

После очистки воду обеззараживают при помощи хлора. Остаточное содержание хлора в питьевой воде должно составлять не более 0,5 мг/л. Это делается для того, чтобы вода имела остаточный обеззараживающий эффект в системе трубопроводов водоснабжения, чтобы не получить вторичного бактериального загрязнения. Но то, что убивает бактерии вредит и человеку, поэтому обязательно такую воду необходимо очищать от остаточного хлора.

Необходимо отметить еще один очень важный момент. В поверхностной воде даже после коагуляции остается определенное количество органических соединений. Продукты диссоциации хлора в воде окисляют органику и становятся хлороганическими соединениями или так называемыми галогенсодержащими соединениями (ГСС). Эти соединения являются сильнейшими канцерогенами. В частности, говорится о возможности многократного увеличения риска развития злокачественных образований.

Учитывая вышесказанное в общем виде установка доочистки питьевой воды для квартиры с центральным водоснабжением из поверхностного источника может быть представлена в двух видах. С использованием обратного осмоса и без обратного осмоса.

Основной принцип подбора технологии водоочистки заключается в том, что из воды должны последовательно удаляться загрязняющие вещества от более больших к более маленьким. Т.е. сначала из воды должны быть удалены грубодисперсные примеси.

Для этого на первом этапе очистки необходимо поставить картриджный фильтр для механической очистки воды. В данном фильтре установлен фильтрующий картридж из полипропилена. Фильтрация воды происходит тупиковая, т.е. все загрязнения остаются на поверхности картриджа со стороны исходной воды. Самый маленький рейтинг фильтрации картриджа составляет 1 мкм. Т.е. частицы с размером более 1 мкм задерживаются картриджем.

Затем из воды необходимо удалить железо, тяжелые металлы и органику. Для удаления растворенного железа и тяжелых металлов необходимо использовать ионообменную смолу. Ионообменной смолы должно быть немного. Дело в том, что если весь картридж засыпать только смолой, то вначале пойдет полностью умягченная вода, что может быть причиной к примеру, горького чая и т.п. Т.к. при кипячении такой воды в ней будет образовываться едкий натр и соответственно будет увеличиваться рН. Тем более после 150-200 литров очищенной воды смола будет полностью истощена по ионам натрия и станет работать только на удаление тяжелых металлов. Но для удаления тяжелых металлов не требуется такого большого количества смолы. Поэтому смола будет только занимать ценное пространство корпуса фильтра. В данном случае лучше использовать комбинированную загрузку. Как основной вариант смола-активированный уголь в соотношении 30-70 %. В этом случае смолы будет достаточно для удаления ионов железа и тяжелых металлов и активированный уголь будет работать на удаление органики из воды, коллоидных примесей, а также хлора.

На третьем этапе необходимо установить фильтр финишной очистки или так называемый фильтр кондиционирования воды. Этот фильтр должен содержать только активированный уголь. Причем практика показывает, что на третьем этапе очистки картридж с активированным углем должен быть не насыпной, а прессованный.

В результате вода после очистки может содержать незначительное количество органики, а также галогенсодержащие соединения. Такая вода формально является питьевой. Но для полного удаления из воды органики и ГСС необходимо воду дополнительно пропускать через обратноосмотическую мембрану. В результате получаем воду очень высокого качества. Бытует мнение, что она является якобы мертвой. На самом деле это не так. Если рассуждать такими категориями, то наоборот, это как раз и есть самая живая вода.

Теперь разберем еще один очень важный вопрос. Производительность бытовой системы очистки.

Если посмотреть характеристики производителей подобных систем, то там утверждается, что производительность стандартной системы очистки со стандартными диаметрами картриджей (около 60 мм) равна 2,0-2,5 л/мин.

Давайте посмотрим на это утверждение с точки зрения химика технолога.

Итак, линейная скорость фильтрования воды через картридж изначально известна для каждого фильтрующего материала и определена на основании многолетних практических наблюдений. Так линейная скорость фильтрования для активированного угля составляет 6-10 м/час. Т.е. Через сечение определенной площади вода должна продвигаться со скоростью 6-10 м/час.

Если скорость фильтрования быстрее, то не происходит полноценного процесса адсорбции загрязняющих веществ углем.

В случае с картриджем диаметром 60 мм засыпанным углем получаем, что при пропускании через него расхода воды равного 2,5 л/мин (0,156 м³/час) линейная скорость фильтрования получается:

0,156/(0,06*0,06*0,785)=55,2 м/час

Где знаменатель это площадь круга диаметром 60 мм.

Линейная скорость фильтрования получается в 5! раз больше необходимой. Соответственно не происходит полноценной очистки воды.

На самом деле производительность подобных систем должна быть в пять раз меньше. Т.е. необходимо ограничивать расход очищенной воды после таких установок очистки на уровне не более 0,5 л/мин (максимум 1 л/мин).

В результате мы получаем слабый ручеек и чайник объемом полтора литра будет набираться три минуты.

В этой ситуации вполне возможно рассмотреть обыкновенный и дешевый фильтр кувшин. За счет конструкции он медленно и поэтому эффективно доочищает водопроводную воду. При этом время ожидания по очищенной воде будет лишь немногим больше, чем при использовании многоступенчатых фильтров.

А заманчивое желание увеличить расход воды через многоступенчатый фильтр всего лишь приведет к ухудшению качества очищенной воды.

Конечно картридж кувшинного фильтра необходимо менять каждый месяц, а большие картриджи многоступенчатых фильтров 1 раз в 3-6 месяцев. Но стоимость картриджа для кувшина и стоимость всех трех картриджей для многоступенчатого фильтра отличается на порядок.

Поэтому лично мое мнение если ставить многоступенчатую доочистку воды для дома, то только с обратным осмосом. Это хотя бы имеет реальный смысл в получении высококачественной воды. А если вам достаточно только удалить тяжелые металлы из воды и запах хлора с небольшим эффектом кондиционирования, то вполне достаточно обычного кувшинного фильтра.

Если источником водоснабжения является артезианская скважина, то возможно очень большое количество различных вариаций в очистке такой воды. Но основной тенденцией является то, что в артезианской воде как правило повышено солесодержание, но из-за отсутствия контакта с атмосферой в ней нет органики. Данная вода очень подходит для очистки обратным осмосом. При этом уменьшается солесодержание, и мембрана не забивается органикой.

Еще важно отметить, что в артезианской воде возможно образование сероводорода и аммиака. Как раз из-за отсутствия контакта с атмосферным воздухом. Здесь можно говорить об аэрировании воды или дозировании хлора, но в данном случае это должно решаться отдельно для каждого конкретного эпизода.