Чистая питьевая вода дома

При централизованном водоснабжении    соблюдения этих норм добиваются на станциях водоочистки. Однако даже после всех процедур очистки на водозаборе  и водоочистной станции, пройдя долгий путь по трубопроводам до места использования, вода может снова не соответствовать всем требованиям, регламентируемым санитарными нормами. Тогда необходима или желательна дополнительная очистка.

Питьевая вода

Определение воды, которую можно пить, сформулировано Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Чтобы считаться питьевой, вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими свойствами. То есть в ней не должно быть микроорганизмов, являющихся возбудителями опасных заболеваний, в воде не должны присутствовать в опасных концентрациях вредные для здоровья вещества, в том числе обладающие радиационной активностью,  вода должна быть приятна на вкус, не должна быть мутной, окрашенной и не должна плохо пахнуть. Иначе говоря, питьевая вода – это безопасная для здоровья прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха.

Документы и критерии

Принципиальные критерии и их значения, согласно которым вода может считаться  питьевой, регламентируются ГОСТами (ГОСТ 17.1.1.01–77. ГОСТ 2761-84*.) и Санитарными Нормами и Правилами (СанПиH 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»; СанПиН 2.1.4.1175-02 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников». СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества»). Содержатся такие требования и в международных рекомендациях всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) «Руководство по контролю качества питьевой воды 1994 г.».  

Для качественного нормирования веществ в питьевой воде документами вводится понятие лимитирующего показателя вредности (ЛПВ) – наибольшее отрицательное влияние, оказываемое данными веществами. Все вещества разделены по трем категориям ЛПВ – органолептические, санитарно-токсикологические или общесанитарные.

К органолептическим ЛПВ относятся нормативы для тех веществ, которые не устраивают потребителя по вкусу, запаху, цвету, пенистости.

Лимитирующие общесанитарные показатели устанавливаются в виде нормативов для малотоксичных и нетоксичных соединений.

Для остальных  вредных веществ установлены лимитирующие санитарно-токсикологические показатели вредности.

Безопасность воды в эпидемическом отношении определяется общим числом микроорганизмов и числом бактерий группы кишечных палочек.

Радиационная безопасность воды определяется ее соответствием нормативам по показателям α- и β-радиоактивности.

Для достижения безвредного химического состава воды регламентирующими документами вводятся нормативы по обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ:

- наиболее часто встречающихся в природных водах РФ;

- наиболее распространённых веществ антропогенного происхождения;

- по содержанию вредных веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения.

Борьба за сохранение качества

В магистральные трубопроводы вода поступает уже после её очистки на водозаборных и водоочистных станциях, проведённой согласно указанным нормативам. Качество такой воды соответствует питьевой, и она может потребляться человеком неограниченно на протяжении всей его жизни без вреда здоровью.

Однако путь воды по водопроводам до места разбора часто бывает очень не близким, может насчитывать десятки километров, и на этом пути, к сожалению, не исключается вторичное загрязнение. Прежде всего, к этому могут приводить возможные повреждения соединений трубопроводов и самих трубопроводов, например, вследствие коррозии, с нарушением их герметичности. Состояние трубопроводов на территории РФ и сегодня оставляет желать лучшего.

Кроме того, обеззараживание воды на водозаборных станциях проводится применением активного хлора. Более того, например, обеззараживание московской воды проводится в 2 этапа – перед очисткой на станциях водоподготовки и перед подачей в город – для сохранения её безопасности на всем пути к потребителю. Метод хлорирования тем хорош и надёжен, что в воде после процесса непосредственного обеззараживания, когда уничтожается большинство болезнетворных микроорганизмов, ещё сохраняется некоторое количество остаточного свободного хлора, который предупреждает вторичное заражение воды в случае загрязнения при транспортировке.

Количество свободного хлора в воде строго лимитировано. Его содержание в питьевой воде на месте разбора, должно, согласно нормативу, составлять от 0,3 до 0,5 мг/л. Согласно же рекомендациям  ВОЗ содержание остаточного хлора в питьевой воде не должно превышать 5 мг/л. Так что концентрация свободного хлора в воде, доходящей до российского потребителя, не представляет опасности его здоровью. Однако разбор воды из магистрального трубопровода, длина которого порой составляет десятки километров, осуществляется на разных этапах транспортировки из мест по-разному удалённых от места проведения хлорирования. В некоторых местах вода может содержать такое количество свободного хлора, которое всё-таки будет отражаться на её органолептических показателях. В таком случае потребитель может ощущать неприятный вкус и запах хлора.

Ко всему прочему, в зависимости от исходного состава воды, забираемой из источника, в результате хлорирования в обрабатываемой воде могут образовываться хлорорганические соединения (ХОС), ряд из которых может неблагоприятно сказываться на здоровье человека. Без дополнительной доочистки ХОС будут сохраняться в бытовой воде на месте её потребления.

Наконец, несмотря на универсальный характер обеззараживания хлорированием различных групп микроорганизмов, этот метод не достаточно эффективен по отношению к цистам и ооцистам паразитирующих простейших. А также традиционные методы хлорирования  не служат надёжным барьером на пути проникновения в воду ряда вирусов.

Гарантировано вернуть воде качество питьевой, а также улучшить вкус, позволяет её доочистка и дополнительное обеззараживание непосредственно перед потреблением. Такую обработку воды может провести сам потребитель, применив соответствующее оборудование.

Фильтрующие материалы

Для доочистки бытовой воды на месте потребления наиболее широко используется фильтрация, подразумевающая применение ряда фильтрующих материалов. В частности успешно и давно в качестве фильтрующего материала используется активированный уголь, или точнее активные угли (рис. 2).

Рис. 2 Активированный уголь

Исходным сырьём для них могут служить уголь, антрацит, древесина, торф, полимеры, промышленные отходы – всё, где углерод является основной составляющей. Углеродсодержащее сырье подвергают карбонизации – обжигу  при высокой температуре в инертной атмосфере без доступа воздуха. Полученный в таких условиях уголь (карбонизат) ещё не обладает в достаточной мере необходимыми свойствами для того, чтобы использоваться как эффективный фильтрующий материал. Его поры, где преимущественно и происходит адсорбция веществ из фильтруемой среды, небольшого  размера и соответственно внутренняя площадь поверхности для адгезии невелика. Для увеличения пор угли активизируют. В результате увеличивается и площадь адгезии.

Активация может проводиться обработкой водяным паром при температуре 800–1000 °C или химическими реагентами. Значение удельной поверхности пор лучших марок активных углей может достигать 1800–2200 м²/г. Радиусы этих пор (0,5 – 1,6 нм) соизмеримы с радиусами адсорбируемых из фильтруемой среды молекул.

Самые эффективные активные угли сегодня получают из скорлупы кокосовых орехов (рис. 3). Для придания фильтрующему материалу бактериостатической функции  углю добавляются присадки на основе серебра.  

Рис. 3 Активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов

Для доочистки питьевой воды фильтрацией фильтрующий материал из активных углей применяют в картриджах – засыпных или содержащих прессованный угольный блок (рис. 4).

Рис. 4 Фильтр для очистки воды на основе прессованного угольного блока

В засыпных картриджах гранулированный активированный уголь помещают внутрь корпуса, изготовленного из полимерного материала. Они также содержат дополнительный постфильтр, который посредством механической фильтрации задерживает микрочастицы угля и другие механические загрязнения.

Фильтрующий элемент из прессованного угольного блока имеет внешнюю оболочку из полипропилена, которая фиксирует блок и играет роль префильтра грубой механической очистки, а также сердечника, обеспечивающего жёсткость конструкции.

Картриджи из прессованного угольного блока эффективнее картриджей из гранулированного активированного угля.  Площадь фильтрации угольного блока почти вдвое больше, чем у того же объема обычного гранулированного угля. Соответственно блоки характеризуются большей адсорбирующей способностью и более длительным сроком службы. Их рекомендуют для удаления ХОС, других органических соединений и химикатов.

В процессе эксплуатации фильтров на основе активного угля сорбционная ёмкость фильтрующего материала истощается, и после полного её исчерпания требуется регенерация угля или его замена. Иначе начнётся обратный процесс – фильтрующий материал будет «отдавать» в воду накопленные загрязнения. Картриджи с активными углями, как правило, регенерации не подвергаются, их просто заменяют.

Применение угольных фильтров для доочистки питьевой воды позволяет улучшить вкус и запах воды, удалить остаточный свободный хлор и хлорорганические соединения, а также возможные органические и неорганические примеси.

Кроме активных углей для доочистки питьевой воды используются и другие фильтрующие материалы, несущие функции механической фильтрации, или сорбенты, специально применяющиеся для удаления каких-либо конкретных веществ, обладающих нежелательными свойствами. В частности используются засыпки из природных и синтетических сорбентов цеолита, шунгита и др.

Рис. 5 Природный цеолит

Природные цеолиты (рис.5) представлены группой минералов алюмосиликатов из класса каркасных силикатов. Их кристаллическая структура  –  трёхмерный каркас, сформированный из тетраэдров, в вершинах которых располагаются  группы SiO₄ и AlO₄. Каркас пронизан полостями и каналами размером 0,2-1,5 нм (рис. 6). Такая каркасно-полостная структура [AlSi]O₄− имеет отрицательный заряд, который компенсируется присутствием в составе цеолитов катионов щелочных и щелочноземельных металлов.

Рис. 6 Каркасно-полостная структура цеолита

Общая химическая формула цеолитов может быть записана, как:

Ме₂/nO · Al₂O₃ · xSiO₂ · yH₂O,

где Ме – катион щелочного металла, а n – его валентность.

В природе в качестве катионов в состав цеолитов обычно входят натрий, калий, кальций, реже барий, стронций и магний.

Катионы щелочных и щелочноземельных металлов многих цеолитов могут легко замещаться катионами других тяжелых металлов. Вообще же при фильтрации через засыпку из цеолитов из воды удаляется целый ряд катионов: Cs+, Pb+, K+, NH₄+, Cd₂+, Pb₂+, Zn₂+, Hg₂+, Ba₂+, Sr₂+, Ca₂+, Mg₂+, Co₃+, Al₃+, Cr₃+, Fe₃+.

Из приведённого списка катионов видно, что цеолиты оказываются полезны не только при удалении ионов тяжёлых металлов, но и ионов жёсткости (ионы кальция – Ca2+, и магния – Mg₂+). Повышенное содержание в воде так называемых солей жёсткости приводит при нагреве воды к выпадению нерастворимого осадка, откладывающегося в виде накипи на поверхностях нагрева и других, контактирующих с водой поверхностях. Это плохо сказывается на работе бытового оборудования, вплоть до вывода из строя стиральных машин, водонагревателей и др.

Повышенное содержание в воде ионов железа плохо сказывается на её органолептических показателях.

В обоих случаях фильтрация на засыпке из цеолита сыграет положительную роль в улучшении качества воды.

 Кроме того цеолиты удаляют из воды органические загрязнители, пестициды, патогенные микроорганизмы, а также понижают концентрацию хлорид-ионов (Cl-) и фторид-ионов (F-).

Из синтетических цеолитов для очистки воды и, в частности, для удаления из её состава железа, наиболее широко применяется BIRM.

Шунгит – природный высокоуглеродный (до 98 %) материал (рис. 7), по фильтрующим свойствам схожий с активированным углем. До конца свойства шунгита ещё не исследованы, но он применяется в качестве засыпки как на водопроводных очистных сооружениях, так и для доочистки бытовой воды на месте потребления.

Рис. 7 Природный шунгит

Для удаления механические примесей применяются фильтровальные перегородки, представляющие собою в разных конструкциях сетки – пористые, металлические, керамические; полимерные фильтрующие элементы; ткани; слой нетканых волокнистых или слой зернистых насыпных материалов.  Широко используется в этих целях вспененный полипропилена; полипропиленовые нити; гофрированный полиэстер, целлюлоза.

Накопительные бытовые системы фильтрации

Бытовые системы фильтрации для доочистки воды делятся на накопительные и проточные.

Рис. 8 Фильтр-кувшин для очистки воды

Накопительные системы не подключаются к водопроводной сети. Вода заливается в них и становится полностью пригодной к употреблению с улучшенным качеством через некоторое время. На рынке накопительные системы для доочистки воды представлены кувшинными фильтрами (рис.8) и фильтрами-диспенсерами (рис.9), которые одинаковы по принципу действия и отличаются только объёмными характеристиками.

Рис. 9 Фильтр-диспенсер для очистки воды

Все накопительные системы фильтрации состоят из двух ёмкостей и с фильтрующих картриджей. Для очистки холодную воду заливают в верхнюю емкость и дожидаются, пока она самотеком не стечет в нижнюю емкость, пройдя через фильтрующие материалы, заключённые в картриджах. В диспенсерах для употребления очищенной воды в нижней емкости устанавливается кран. А название фильтров-кувшинов говорит само за себя, их нижняя ёмкость – кувшин.

Сменные фильтрующие картриджи накопительных систем очищают воду от механических взвесей, многих органических и неорганических соединений и примесей, улучшают органолептические свойства воды, удаляют ионы жёсткости.

Важное преимущество  накопительных систем в том, что они не требуют установки в систему водопровода, являются переносными и могут быть использованы по назначению в любое время в любом месте - в квартире, офисе, в загородном доме или на даче. Однако в условиях автономного водоснабжения, например, на   даче, когда вода забирается из скважины или колодца, фильтры-кувшины или диспенсеры могут оказаться недостаточно эффективными. Там могут требоваться дополнительные системы водоочистки.

В то же время в зависимости от особенностей исходной воды на бытовых накопительных системах фильтрации  питьевой воды могут применяться различные типы картриджей: универсальный, умягчающий для жесткой воды, для удаления железа и др. Однако каждый вид картриджей обеспечивает основную очистку от хлора, хлорорганических соединений, тяжелых металлов. В состав почти всех картриджей для фильтров-кувшинов входит гранулированный активированный уголь, часто с бактериостатическими присадками на основе серебра.

Картриджи с шунгитом (рис. 10) применяют также для придания воде дополнительных оздоровительных свойств за счет её минерализации. Для образование водно-минерального раствора, обладающего целебными качествами, воду в кувшине или диспенсере с шунгитом надо выдерживать  10 – 12 час.

Рис. 10 Картридж с шунгитом в комплектации фильтра-диспенсера

По мере выработки ресурса, указывающегося производителем, картриджи накопительных систем подлежат замене. Однако применяемые при создании картриджей современные  технологии и фильтрующие материалы позволяют сохранять высокий уровень фильтрации на протяжении всего ресурса.  Даже некоторое превышение заявленного ресурса незначительно сказывается на качестве фильтрации.

В среднем ресурс картриджей фильтров-кувшинов составляет 200 – 350 л, в зависимости от применяемых материалов и технологий, а также от исходного состава фильтруемой воды. Ресурс картриджей фильтров-диспенсеров может достигать 1000 л и более, но ограничен по времени.

Проточные бытовые системы фильтрации

Проточные бытовые системы фильтрации питьевой воды могут устанавливаться как стационарно (в магистраль, под мойку или рядом с ней) с выводом отдельного крана для очищенной воды (рис. 11, 12)  в точке разбора или же использоваться в качестве насадок на кран (рис. 13).

 Рис. 11 Монтаж многоступенчатой проточной системы очистки воды под мойку

Рис. 12 Вывод отдельного крана с дочищенной питьевой водой в месте разбора

Рис. 13 Монтаж проточного фильтра-насадки на кран с водопроводной водой

Проточные системы, устанавливаемые в магистраль, представляют собой сложные технические решения для очистки воды от посторонних примесей на основе многоступенчатых фильтров. Конструктивно многоступенчатая система  состоит из соединенных между собой картриджными  фильтрами проточного  типа.

Исполнение многоступенчатых систем может различаться.  Они бывают одноколбывые и многоколбовые.  Одноколбовая многоступенчатая система подразумевает содержание в одной колбе  нескольких ступеней очистки воды, многоколбовая система (рис 14), соответственно названию, объединяют в своём составе несколько колб, в каждой из которых может помещаться от одной до 3-х ступеней очистки воды.

Рис. 14 Трёхколбовая многоступенчатая бытовая система очистки воды

Многоступенчатые системы комплектуются сменными картриджами ограниченного срока службы. По назначению все картриджи можно разделить на группы:  для удаления механических примесей; для улучшения органолептических свойств воды; специального назначения; комплексные.

Благодаря последовательному использованию нескольких картриджей в составе стационарных комплексных фильтров, достигается большой объем фильтрующей среды, а, как следствие, и глубокая очистка воды. Для достижения необходимого качества в стационарных многоступенчатых многоколбовых фильтрах могут применяться до 5-ти и более ступеней очистки и соответствующее число сменных картриджей.  Комплектация для них, как правило, следующая. Двухступенчатые фильтры: 1-я ступень – механическая очистка, 2-я ступень – очистка активированным углем. Трехступенчатые фильтры: 1-я ступень – механическая очистка обычно на фильтре из нетканого полипропилена, 2-я ступень – очистка активированным углем, 3-я ступень – очистка воды ионообменной смолой или прессованным активированным углем, обогащенным несколькими добавками, такими, как серебро, кристаллы гексаметафосфата и др. Картриджи для 3-й и последующих ступеней подбираются, как правило, в зависимости от конкретных требований к качеству воды.

В картриджах 1-й ступени (механическая очистка) механические примеси задерживаются при фильтрации воды через фильтровальные перегородки (сетки), изготовленные из различных материалов, перечисленных выше. Для эффективности картриджей механической фильтрации важны как использованный материал, так и конструктивное исполнение.

Картриджи из вспененного полипропилена могут иметь однородную структуру или переменную степень фильтрации по глубине. Картриджи с переменной степенью фильтрации состоят из одного или двух слоев, один из которых находится внутри другого. Внешний слой (префильтр) предназначен для фильтрации частиц более крупного размера, внутренний (постфильтр) – для фильтрации более мелких частиц. При этом в каждом слое плотность волокон полипропилена возрастает от внешней поверхности к внутренней. Этим обеспечивается фильтрация сначала более крупных, а затем более мелких частиц. Благодаря такой структуре увеличивается грязеёмкость картриджа и увеличивается срок его службы  по сравнению  с картриджем, имеющим однородную структуру слоя.

Нитяные полипропиленовые картриджи изготовлены из полипропиленового шнура, намотка которого производится с различной степенью плотности и натяжения, что позволяет получить картриджи с разной степенью фильтрации. В них также применяется намотка с возрастающей плотностью к сердцевине. Цель и этой технологии – увеличение рабочего ресурса  фильтра.

Мембраны из полиэстера, целлюлозы, полипропилена применяются в картриджных (патронных) фильтрах с  тупиковой фильтрацией. В зависимости от размера пор мембраны задерживают механические примеси  с нижним порогом диаметров от 0,05 до 100 мкм. Грязеёмкость таких фильтров повышается за счёт увеличения их рабочей поверхности путем гофрирования.

Мембранные элементы для механической фильтрации могут быть частично регенерированы от загрязнений струёй воды,  мягкой щеткой, обратной промывкой. Объемные элементы регенерации не поддаются.

На 2-й ступени многоступенчатых систем для улучшения органолептических показателей фильтруемой воды используются картриджи с активированным углем. Именно в них особенно востребован уголь в виде прессованного блока.

Картриджи с комбинацией из синтетического цеолита с гранулированным углем служат для удаления растворенного железа Fe₂+, что также способствует улучшению вкуса воды.

Картриджи для деионизации воды изготавливаются с использованием специальной смеси катионита ионообменных смол. Такие фильтрующие элементы применяются в качестве постфильтров в многоступенчатых системах очистки воды. Они минимизируют суммарное содержание органических веществ и растворенных солей до допустимых значений.

Рис. 15 Многоступенчатая бытовая система очистки воды в комплекте с системой обратного осмоса

Кроме того, практически полной деионизации позволяет достичь использование для очистки воды системы обратного осмоса (рис. 15).  Принцип действия обратноосмотических систем заключается в продавливании воды через пористую мембрану с размером пор порядка 10-9 м (1 нм). Такие системы в комплекте с картриджными фильтрами устанавливаются под мойку (рис. 16) и обеспечивают на выходе степень очистки воды близкую к дистиллированной. Картриджные фильтры в такой системе прежде всего несут функцию водоподготовки до того качества воды, с которым может работать система обратного осмоса.

Рис. 16 Система обратного осмоса, установленная под мойкой

Гарантия эпидемической безопасности

Для обеспечения обеззараживания многоступенчатые фильтры могут доукомплектовываться ультрафиолетовой лампой (рис.17). Важно то, что облучение жёстким ультрафиолетом уничтожает в воде вирусы, бактериальные споры и  цисты простейших эффективнее, чем активный хлор, применяемый на станциях водоочистки муниципального водоснабжения. Поэтому применение УФ-обеззараживания помогает в данном случае не только уничтожить микроорганизмы, которые могли попасть в воду при вторичном загрязнении, но и «подчистить» то, с чем может не справиться традиционное хлорирование.

Рис. 17 Двухступенчатая стационарная проточная системы фильтрации воды с лампой для УФ-обеззараживания

 Рис. 18 Трёхступенчатая стационарная проточная системы фильтрации воды с лампой для УФ-обеззараживания