Ни для кого не секрет, что питьевая вода, которая поступает в наш дом, не всегда является таковой. Даже если она соответствует всем требованиям СанПиН, то это не значит, что вода безопасна для употребления. В данной статье рассмотрены общие вопросы очистки водопроводной воды и доведения её качества до уровня, безопасного для питья.
В качестве источника водоснабжения рассмотрим подготовленную воду из поверхностного источника (как правило, это река) и артезианской скважины. Итак, если дом подключён к центральному городскому водопроводу, водоканал производит забор воды из реки и её очистку.
Здесь надо прояснить, какие бывают виды загрязнений воды и какие способы очистки применяются для их удаления. В табл. 1 представлены виды загрязнений, свойственные для поверхностных и артезианских вод, и способы их удаления.
Можно выделить четыре вида загрязнений в воде: ионные, органические и коллоидно растворённые, грубодисперсные примеси, газы.
Ионные примеси воды определяют её солесодержание. Если этот параметр более 1000 мг/л, то такая вода считается солоноватой и, соответственно, не является питьевой. Вода из реки или другого поверхностного источника в подавляющем большинстве случаев имеет солесодержание менее 1000 мг/л и является пресной. Поэтому в данном случае, как правило, не требуется корректировки ионного состава или удаления ионов.
Жёсткость воды определяется ионами кальция и магния. Допускается жёсткость до 10 мг-экв/л или около 800 мг/л. Если жёсткость воды составляет 10 мг-экв/л, то солесодержание в воде уже равно 800 мг/л. При этом в жидкости ещё присутствуют ионы натрия, сульфата и хлорида, и, как правило, их количество равно количеству ионов жёсткости. Таким образом, если жёсткость 10 мг-экв/л и больше, то такая вода автоматически считается солоноватой (не питьевой).
Внимание! Такую воду бесполезно умягчать, так как после умягчения в воде вместо кальция и магния будут содержаться ионы натрия. В питьевой воде допускается наличие не более 350 мг/л ионов натрия, и в данном случае будет превышение по ним. Конечно, такую воду можно использовать для технических целей, но пить её категорически не стоит.
В данном случае единственное решение для питьевых нужд — это использование обратного осмоса. В процессе обратноосмотического обессоливания воды происходит удаление из неё большинства ионов, и вода приобретает очень высокое качество. Но в большинстве случаев вода из реки не требует корректировки ионного состава. Поэтому в табл. 1 запишем, что корректировка солесодержания и жёсткости не требуется.
Также к ионным примесям необходимо отнести ионы железа, тяжёлых металлов и кремния.
Сразу оговоримся, что кремний очень тяжело удалять из воды, и предположим, что для большинства поверхностных источников концентрация кремния составляет не более 10 мг/л, по крайней мере для средней полосы европейской части Российской Федерации.
Железа в речной воде практически нет, так как вода имеет постоянный контакт с воздухом, и железо окисляется и выпадает в осадок. Наличие данного элемента в поверхностной воде свойственно только для заболоченных мест. Но, тем не менее, железо может появиться в воде после её очистки. Дело в том, что в результате коагуляции речной воды часть бикарбонатов переходит в углекислый газ и, соответственно, водородный показатель рН воды уменьшается. В результате нарушается углекислотный баланс, и вода становится коррозионно-активной. Если трубы водоснабжения изготовлены из чёрного металла, то у потребителя в воде будет наблюдаться железо. Допустимая концентрация последнего в питьевой воде составляет 0,3 мг/л. Но лучше, чтобы его вообще не было. Соответственно, запишем в табл. 1, что вода поверхностного источника будет требовать доочистки от железа. Тяжёлые металлы также могут попадать в питьевую воду через изношенные трубы системы водоснабжения, и от них также будет требоваться доочистка.
Органические и коллоидно растворённые примеси — это основные загрязнители поверхностной воды. По факту они представляют собой органические кислоты (гумусовые, гуминовые), а также различные коллоидные взвеси, в том числе образованные (включающие в себя как соединитель) кремниевой кислотой 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, то есть 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 включения можно практически полностью удалить фильтрованием через специальные наполнители. Так как поверхностные воды имеют контакт с атмосферой, эти частицы находятся в воде в избытке. На этапе очистки они удаляются, но могут опять попасть в воду в системе водоснабжения, особенно если трубы водоснабжающей сети изношенные.
В поверхностной воде практически не содержится таких газов, как сероводород, аммиак и хлор. Так как в воздухе их практически нет, то исходя из стремления к равенству парциальных давлений, в поверхностной воде крупных рек эти газы также содержаться не будут (если только вода не загрязнена сточными водами или не является болотистой, застойной).
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 такую воду необходимо очищать от остаточного хлора.
Необходимо отметить ещё один очень важный момент. В поверхностной воде даже после коагуляции остаётся определённое количество органических соединений. Продукты диссоциации хлора в воде окисляют органику и становятся хлорорганическими соединениями или так называемыми «галогенсодержащими соединениями» (ГСС). Эти соединения являются сильнейшими канцерогенами. В частности, относительно ГСС врачи говорят 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 него.
Основной принцип подбора технологии водоочистки заключается в том, что из воды должны последовательно удаляться загрязняющие вещества, причём по принципу «от большего к меньшему». Поэтому сначала из очищаемой воды должны быть выведены (отфильтрованы) грубодисперсные примеси.
Для этого на первом этапе очистки необходимо поставить картриджный фильтр для механической очистки воды. В нём обычно установлен фильтрующий картридж из полипропилена. Фильтрация воды происходит тупиковая, то есть все загрязнения остаются на поверхности картриджа со стороны исходной воды. Самый маленький рейтинг фильтрации картриджа составляет 1 мкм, то есть все частицы с размером более 1 мкм задерживаются картриджем.
Затем из воды необходимо удалить железо, тяжёлые металлы и органику. Для удаления растворённого железа и тяжёлых металлов необходимо использовать ионообменную смолу. Последней должно быть немного. Дело в том, что если весь картридж засыпать только смолой, то вначале пойдёт полностью умягчённая вода, что может быть причиной, например, горького чая и т. п., так как при кипячении подобной жидкости в ней будет образовываться «щёлочь» (едкий натр) и, соответственно, будет расти рН. Тем более что после прохода 150–200 л очищенной воды смола будет полностью истощена по ионам натрия и станет работать только на удаление тяжёлых металлов. Но для удаления последних не требуется такого большого количества смолы. Поэтому она только будет занимать ценное пространство корпуса фильтра.
В данном случае лучше использовать комбинированную загрузку. Как основной вариант — смола и активированный уголь в соотношении 30/70%. В этом случае смолы будет достаточно для удаления ионов железа и тяжёлых 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 «фильтр кондиционирования воды». Этот устройство должно содержать только активированный уголь. Причём практика показывает, что на третьем этапе очистки картридж с активированным углём должен быть не насыпной, а прессованный.
В результате жидкость 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 её необходимо дополнительно пропускать через обратноосмотическую мембрану. В результате получаем воду очень высокого качества.
Бытует мнение, что такая вода является якобы «мёртвой». На самом деле это настоящая «живая» вода — естественно, при использовании низкоселективных мембранных элементов, эффективно работающих по многозарядным ионам и органике и (или) при установке постфильтра с кальцитом. Потому что «мёртвая вода» — это либо предельно солёная вода ближневосточного Мёртвого моря, либо полностью обессоленная вода.
Теперь разберём ещё один очень важный вопрос: производительность бытовой системы очистки.
Если посмотреть характеристики производителей подобных систем, то в них 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 глазами химика-технолога.
Итак, линейная скорость фильтрации воды через фильтрующий материал изначально известна для каждого фильтрующего материала и определена на основании многолетних практических наблюдений. Так, линейная скорость фильтрации для активированного угля составляет 6–10 м/ч, то есть через сечение определённой площади вода должна протекать со скоростью 6–10 м/ч (0,167–0,278 см/с).
Если скорость фильтрования быстрее, то не происходит полноценного процесса адсорбции загрязняющих веществ углём.
В случае с картриджем диаметром 60 мм, засыпанным углём, получаем, что при пропускании через него воды с расходом, равным 2,5 л/мин. (0,156 м³/ч), линейная скорость фильтрования получается равной: 0,156/(0,062×0,785) = 55,2 м/ч (1,533 см/с), где знаменатель — это площадь круга диаметром 60 мм.
Линейная скорость фильтрования получается более чем в пять раз (!) больше необходимой. Соответственно, полноценной очистки воды не происходит.
Поэтому на самом деле производительность подобных систем должна быть в пять раз меньше. 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 ручеёк, и чайник объёмом 1,5 л будет набираться достаточно долгие три минуты.
В этой ситуации вполне возможно рассмотреть обыкновенный и дешёвый фильтр-кувшин. За счёт 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 приведёт к ухудшению качества очищенной жидкости.
Конечно, картридж кувшинного фильтра необходимо менять каждый месяц, а большие картриджи многоступенчатых фильтров — один раз в три-шесть месяцев. Но их стоимость таких картриджей (для кувшина и для многоступенчатого фильтра) отличаются на порядок. Поэтому лично моё мнение — если уж и ставить многоступенчатую доочистку воды для дома, то только с обратным осмосом. Это хотя бы имеет реальный смысл в плане получения высококачественной воды. А если потребителю достаточно только удалить из воды тяжёлые металлы и запах хлора, причём с небольшим эффектом кондиционирования, то вполне достаточно обычного кувшинного фильтра.
Если источник водоснабжения — артезианская скважина, то возможно очень большое количество различных вариаций в очистке такой воды. Но основная тенденция — в артезианской воде, как правило, повышено солесодержание, однако из-за отсутствия контакта с атмосферой в ней нет органики. Данная вода весьма подходит для очистки обратным осмосом. При этом уменьшается солесодержание, а мембрана не забивается органикой.
Ещё важно отметить, что в артезианской воде возможно образование сероводорода и аммиака — как раз из-за отсутствия контакта с атмосферным воздухом. Здесь можно говорить об аэрации воды или дозировании хлора, но в данном случае это решается отдельно для каждого конкретного эпизода.
