Системы водоочистки и водоподготовки для частного дома.

Даже если вода выглядит чистой и прозрачной, это не значит, что она пригодна для приготовления пищи и использования для бытовых нужд в современном доме. Если в частном доме устроена система автономного водоснабжения, то добываемую воду необходимо подвергнуть лабораторным исследованиям. Знание, содержащихся в воде примесей, позволит правильно подобрать оборудование для водоочистки и водоподготовки в вашем доме.

То что вода нуждается в очистке можно определить и по ряду косвенных признаков. Рассмотрим основные причины загрязнения воды, признаки загрязнения и способы водоочистки, подходящие для каждого случая.

Причины для проведения водоподготовки:

• жесткая вода, содержание солей кальция и магния;
• кислая вода, растворенные двуокись серы и углерода;
• красная вода, содержание ионов железа в растворе;
• бурая вода, растворенный марганец;
• вода, загрязненная удобрениями, растворенные нитраты;
• вода с запахом протухших яиц, растворенный сероводород;
• мутная вода, высокая концентрация органических веществ и минералов.

Обычно вода бывает жесткой в тех местах, где имеются глинистые, горные и известняковые формирования. Основной причиной повышеной  жесткости воды является содержание в ней ионов кальция, но во время прохождения ее сквозь слои почвы ее состав пополняется и другими минеральными веществами, в том числе ионами магния.

Разделяют: карбонатную (временную, которая устраняется кипячением) и некарбонатную (постоянную) жесткость.

Карбонатной, жесткость называется из-за наличия в воде гидрокарбонатов кальция и магния, некарбонатная жесткость обусловлена присутствием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Временной, жесткость называют из-за того, что во время кипячения гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, и выпадают в осадок в виде карбонатов. Этот осадок образует накипь на стенках посуды, в которой кипятится вода.

Постоянной, жесткость называют потому, что в состав воды входят химические соединения, которые не распадаются при кипячении. Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость воды.

Признаки жесткой воды:

• Необходимость использовать большое количество моющих средств и стиральных порошков для качественной стирки одежды и белья.
• Плохое пенообразование у моющих средств.
• Образование серых мутных разводов при мытье стекол.
• Образование налета на ванне ниже линии воды.
• При использовании горячей воды на стенках труб образуются отложения.

Причины жесткости воды

• Содержание ионов кальция и магния в воде.
• Содержание в воде солей серной, соляной и угольной кислот.
• Растворенные в небольшом количестве ионы железа.
• Содержание ионов алюминия.

Таблица: Уровни жесткости воды

УРОВЕНЬ	ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ	КОНЦЕНТРАЦИЯ В ПРОМИЛЛЕ (PPM)
1	Мягкая	50
2	Средней жесткости	50-100
3	Жесткая	100-200
4	Очень жесткая	200-300
5	Сверхжесткая	300

При жесткости воды 3 уровня целесообразно умягчать воду для стиральных и посудомоечных машин. Для этих целей существует множество химических препаратов и различных дозирующих устройств. Очень жесткая и сверхжесткая вода ( 4,5 уровень )обычно умягчается с помощью ионного обмена или обратного осмоса. 

Умягчение воды методом ионного обмена.

Умягчение воды ионообменным методом основано на прохождении умягчаемой воды через специальные материалы, способные поглощать из воды положительные ионы Са+2 или Mg+2 в обмен на входящие в их состав ионы Na+ и H+. Каждый вид ионообменного материалы обладает таким важным параметром, как ионообменная емкость, выражающаяся количеством положительно заряженных ионов, которые он может обменять в промежутке времени между циклами его регенерации, а также способность к многократной регенерации в течение длительного времени.

Регенерация воды

После насыщения ионами кальция и магния, ионообменная смола уже не может быть использована и необходимо провести процедуру регенерации, то есть восстановления ее свойств. Регенерация проводиться раствором, содержащем первоначально присутствующие в смоле ионы. Обычно это концентрированный раствор поваренной соли (для Na+ катионовых умягчителей). Процесс этот в большинстве современных моделях умягчителей производиться автоматически и его частота зависит от его типа и жесткости исходной воды. Так же автоматически после проведенной регенерации, ионообменная смола промывается от избытка солей.

Схема установки умягчения воды методом ионного обмена.

Процесс обратного осмоса является универсальным способом очистки воды от нежелательных примесей.

Причиной повышения кислотности воды является загрязнение атмосферы. Основной причиной повышения уровня кислотности воды является загрязнение атмосферы, когда загрязненная дождевая вода проходит в землю не получая нейтрализации.Для мест с тонким плодородным слоем, для которых характерен недостаток известняка, возможно наличие подземных вод с невысокой кислотностью (рН > 5,5). Там же где подпочвенные воды залегают близко от поверхности наличие подкисленной воды очень вероятно. Присутствие кислой воды (рН < 5,5) характерно для водоемов со стоячей водой: озер, болот, прудов.
Холодная вода с повышенной кислотностью не является опасной, но при повышении температуры на 15 °С ее агрессивность возрастает. Чай, приготовленный на такой воде, будет оказывать разрушающее воздействие на зубы, а вода используемая в бытовых и сантехнических приборах оказывать разрушающее коррозийное воздействие на их составные части, соприкасающиеся с нею. Воду, использующуюся для приготовления в пищу и питья, с кислотностью рН 5,5–6, необходимо нейтрализовать.

Признаки повышенной кислотности воды:

• Коррозия стальных частей и медных паянных швов
• Разрушение цементных стыков плитки в душевой
• В результате коррозии стали образуются красные пятна в раковине и туалете
• В результате коррозии меди и латуни образуются зеленые пятна в раковине и ванне
• Система по удалению железа работает неэффективно

Причины повышения кислотности воды:

• Вода содержит серную, угольную и азотную кислоты, которые не были нейтрализованы
• Кислота может образоваться в результате гниения органических соединений в болотах и топях.

При водоподготовке кислой воды можно воспользоваться одним из следующих трех способов:

• Использование нейтрализатора (вода проходит через известняк или мрамор). Нейтрализатор заполняется известняковой или мраморной крошкой. Так как кислота, находящаяся в воде, вступает в реакцию с известняком, последний необходимо периодически заменять.
•  Добавление кальцинированной соды. Кальцинированная сода представляет собой раствор бикарбоната натрия в воде. Кальцинированная сода добавляется в резервуар для хлорирования, и в этом случае устройство хлорирования используется также и в качестве нейтрализатора. Если отсутствует устройство хлорирования, с помощью дозировочного насоса можно добавлять соду прямо в скважину, для того чтобы защитить фильтр, корпус и трубу от коррозии.
•  Добавление каустической соды. Используется в случае невозможности использования кальцинированной соды.

Вода, содержащая растворенное железо имеет красноватый оттенок. Красный цвет воды возникает из-за присутствия ионов железа в воде. В скважинах, где воздух над поверхностью воды обогащает ее кислородом, ионы железа вступают в соединение с кислородом и превращаются в оксид железа.Ионы железа также будут контактировать с кислородом, находящимся в напорном баке, где сверху имеется воздушная подушка.

Признаки повышенного содержания в воде растворенного железа:

• После стирки белая одежда приобретает красноватый или желтый оттенок.
• На раковине и унитазе появляются пятна ржавчины
• После длительного перерыва в пользовании водой первая порция, выходящая из крана, имеет красный цвет.
• В особых случаях вода имеет металлический вкус.

Причины появления растворенного железа в воде:

• Коррозия стальных труб и резервуаров
• При прохождении воды через отложения железа в земле, она вступает с ним в химическую реакцию (растворяет его).
• Содержание ионов кислотных остатков в воде, даже при нормальном значении рН.

Если содержание железа (0,3–1,5 промилле) в воде невелико ее качество можно значительно улучшить, если предотвратить окисление ионов железа кислородом до того как вода появится из водопроводного крана. Это можно сделать следующими способами:

1. Верхняя часть скважины должна быть хорошо герметизирована (доступ воздуха в нее предотвращен). При этом кислород, находящийся над поверхностью воды, будет быстро поглощен водой в скважине. Остаются только азот и испарения воды, которые не окисляют ионы железа.
2. Вместо напорного бака следует использовать мембранный резервуар. При наличии герметичной мембраны между водой и воздухом, железо также не будет окисляться.
3. Для более качественной обработки воды между насосом и напорным баком может быть установлен фосфатный дозатор. Фосфатный дозатор представляет собой устройство, в котором часть воды проходит через пористый слой фосфата. Это также может быть жидкостный дозатор, аналогичный устройству хлорирования воды. Вместо фосфатного дозатора можно использовать устройство ионного обмена.

Если содержание железа в воде превышает 1,5 промилле, то она должна пройти процессы аэрации и фильтрации для обеспечения следующих процессов:

• окисления ионов железа;
• обеспечения выпадения окисленного железа в осадок в виде хлопьев;
• удаления осадка из питьевой воды путем фильтрации.

Процесс идет следующим образом: при начале работы насоса включается компрессор, который обогащает перекачиваемую воду кислородом. Ионы железа вступают в реакцию с кислородом, в месте где скорость прокачиваемой воды замедлена, окисленное железо выпадает в осадок. Под этим местом находится фильтрующий резервуар.

Признаки присутствия в воде железобактерий

• Образование красного ила в канализационных сифонах
• Фильтрующие решетки в водопроводных кранах могут быть забиты илистой ржавчиной
• Манометры приходят в негодность из-за загрязнения входного отверстия илистой ржавчиной

Железобактерия может попадать в скважину или колодец либо через водоносный слой, либо снаружи через зараженное предметы (буровое оборудование и т.д.) если до этого предметы находились в инфицированной среде. Самый простой путь проверки воды на наличие железобактерий — это открыть крышку туалетного бачка. Если внутренняя поверхность бачка имеет илистый красный налет, то скорее всего, данная система заражена железобактерией.
Если в воде присутствуют железобактерии, то воду нельзя будет очистить от ионов железа не проведя предварительного уничтожения железобактерии с помощью хлорирования. Вода должна хлорироваться напрямую в скважине, чтобы предотвратить размножение бактерий.

Признаки повышенной концентрации марганца в воде:

• После стирки белая одежда приобретает бурый цвет
• На раковине, в ванне и туалете образуются бурые пятна
• Поверхность чайника внутри становится коричневой или черной
• После длительного перерыва в пользовании водой из водопроводного крана первая порция ее при открытии крана будет иметь черный цвет
• Чай и кофе имеют горьковатый привкус

Причины:

• Марганец, содержащийся в подземных слоях, через которые проходит вода, растворяется в ней.
• Содержание кислых ионов в воде, даже при нормальном значении рН.

Для питьевой воды содержание марганца на должно превышать 0,1 мг/л. Повышенное содержание марганца в питьевой воде оказывает неблагоприятное воздействие на высшую нервную деятельность человека, а увеличенная концентрация железа накапливается в печени и вызывает разрушение ее клеток. И марганец и железо извлекаются из воды одинаковым способом. Железобактерия и марганцевая бактерия уничтожаются хлорированием скважины, причем первоначально необходимо провести так называемое шоковое хлорирование. То есть концентрация хлора в воде должна быть не менее 25 промилле. После накачки сжатым воздухом скважины и фильтрации воды через песчаный фильтр воду, содержащую мертвые бактерии, необходимо откачать и пропустить через фильтр и напорный бак чтобы снизить содержание хлора до 0,5 промилле. После этого можно хлорирование можно проводить в штатном режиме.

Воду, содержащую сероводород, довольно легко определить по запаху тухлых яиц.

Признаки присутствия в воде сероводорода:

• Пища, при приготовлении использована такая вода, имеет вкус тухлых яиц&
• Изделия из серебра чернеют.
• Стальные и медные трубы подвержены коррозии

Причины появления в воде сероводорода:

• В воде содержится сероводород
• Наличие в воде сульфатно-редуцированной бактерии
• Наличие в воде серной бактерии
• Вода, содержащая сероводород, возможно, прошла на своем пути к скважине через разлагающееся органическое вещество или водоросли.

Возможны следующие альтернативные варианты очистки воды:

• Хлорирование скважины.
• Аэрация.
• Осаждение загрязняющих примесей в виде хлопьев.
• Фильтрация через мелкозернистый песок.

Традиционные механические, химические или реагентные способы очистки воды не обеспечивают в большинстве случаев необходимую эффективность очистки.

Отдельно стоят способы очистки воды, основанные на мембранных процессах, такие как обратный осмос, микрофильтрация и ультрафильтрация. Отличие их друг от друга определяется размером растворённых частиц, задерживаемых мембраной, то есть низкомолекулярных растворенных вещества, таких, как неорганические соли или органические молекулы.

Системы обратного осмоса

Обратный осмос для очистки воды, стал использоваться с 60-х годов прошлого века и применялся в основном для очистки морской воды. Развитие технологий сделало возможным применение этого уникального метода в недорогих и эффективных системах очистки воды в домашних условиях. Сегодня в системах очистки, работающих по принципу обратного осмоса, производится очистка сотен тысяч тон воды в сутки. Уникальность метода очистки заключается в том, что в течение одной операции загрязненная вода очищается от неорганических и от органических примесей на молекулярном уровне с помощью обратноосмотической мембраны. Она же является основным и самым дорогостоящим элементом системы очистки.

Основным элементом подобных водоочистных установок являются обратноосмотические мембраны, способные очищать воду на молекулярном уровне, удаляя из нее практически все примеси, растворенные химические соединения и вирусы.

В зависимости от установленной мембраны процент очистки для большинства неорганических элементов составляет 85%-98%. Органические вещества с молекулярным весом 100 и более удаляются полностью; а с меньшим – проникают через мембрану в незначительных количествах. Вирусы и бактерии вследствие их большого размера не могут проникнуть через мембрану вообще.

Таблица: Степень очистки, обеспечиваемая обратноосмотической мембраной.

ТИП ЗАГРЯЗНЕНИЯ	СТЕПЕНЬ ОЧИСТКИ
Механические частицы/мутность	>99%
Неорганические элементы:
Натрий	90-95%
Кальций	93-98%
Магний	93-98%
Железо	93-98%
Марганец	93-98%
Медь	93-98%
Никель	93-98%
Цинк	93-98%
Стронций	93-98%
Ртуть	93-98%
Свинец	93-98%
Хлориды	90-95%
Бикарбонаты	90-95%
Нитраты	85-90%
Фосфаты	93-98%
Цианиды	90-95%
Сульфаты	93-98%
Радионуклиды	93-98%
Органические вещества:
Органические молекулы с молекулярным весом >200	>99%

Основной проблемой для обратноосмотической мембраны является загрязнение ее поверхности отложениями солей жесткости и оксидов железа. Они становятся причиной снижения КПД, повреждению мембраны или ее полного выхода из строя. Для предотвращения этого поток воды разделяется, и часть его жидкости движется в противоположную сторону вдоль мембраны, смывая отфильтрованные частицы в канализацию.

Количество воды, стекающей в канализацию, составляет от 30 до 45%. Кроме того, существуют определенные требования к качеству подаваемой на обратноосмотическую мембрану воды, при соблюдении которых, обеспечивается наибольший срок эксплуатации. Поэтому, как правило, в зависимости от качества исходной воды, проводят ее предварительную подготовку. Система предварительной очистки подаваемой на установку воды, конечно же, зависит от ее химического состава. Если установка работает на водопроводной воде, то следует устанавливать угольный фильтр для защиты от хлора. Если исходная вода поступает из скважины, то обязательно устанавливают обезжелезиватель для очистки от железа во всех его формах и соединениях и марганца, встречающегося в большинстве случаев вместе с железом. В зависимости от концентрации железа иногда достаточно установки дозирующего насоса для ингибитора осадкообразования, препятствующего образованию отложений. Но вследствие постоянно ухудшающегося состояния подземных вод в большинстве случаев требуется более серьезные средства предварительной очистки, такие как устройства каталитического окисления с последующей фильтрацией или удаление солей жесткости методом ионного обмена. Стандартная установка обратного осмоса обязательно включает в себя средства предварительной очистки входной воды. Но кроме этого она также включает в себя УФ-стерилизаторы или озонаторы, которые препятствуют росту бактерий в уже очищенной стерильной воде.