Бытовая система доочистки воды на основе обратного осмоса

Фото 1. Бытовая система доочистки воды размещается под кухонной мойкой и подаёт воду в отдельный кран

Система центрального питьевого водоснабжения не всегда обеспечивает поступление качественной питьевой воды в квартиры и дома. Хотя такая вода должна отвечать гигиеническим нормативам СанПиН 1.2.3685–21 [1], это происходит не всегда. Даже когда вода отвечает требованиям правил, вкус её остаётся 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.

Обычно проблема решается путём 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 л/мин, что является крайне неудобным моментом в эксплуатации подобных систем. При обеспечении приемлемого расхода очищенной воды в 2 л/мин фильтры начинают работать крайне неэффективно, так как не обеспечивается необходимое время контакта воды и зернистой загрузки. Для обычного фильтрования лучше использовать фильтр-кувшин. Более подробно данный вопрос рассмотрен в [2].

Для получения действительно высококачественной питьевой воды рекомендуется использовать системы с обратноосмотическими мембранами. В процессе обратноосмотического обессоливания из воды удаляются до 90–95 % растворённых 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 оптимальных условиях. Предочистка состоит из трёх стадий. На первой стадии вода фильтруется через полипропиленовый картридж с рейтингом фильтрации 1–20 мкм. Вторая и третья стадии предочистки представляют собой корпуса фильтров типоразмером 10ʺ, которые засыпаны активированным углём. При этом в фильтре (2) активный уголь насыпной, а в фильтре (3) — прессованный.

Фото 2. Состав бытовой системы обратного осмоса: накопительный бак, картриджная предочистка, мембранный модуль и отдельный кран чистой воды

Таким образом, на стадии предочистки из воды удаляются механические и взвешенные вещества, железо, а также часть органических соединений и газы. Растворённые в воде газы-загрязнители, такие как сероводород и аммиак, не должны поступать на мембрану, так как легко через неё 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 тяжёлые металлы, будут удалены на стадии обратноосмотического обессоливания.

После данной предочистки мембрана обратного осмоса может забиться только солями жёсткости. Здесь необходимо сказать, что соли CaCO₃ будут откладываться на мембране в том случае, если углекислотный баланс воды будет смещён 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, то есть 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 воду высокого качества, но с одним недостатком. У данной воды будет довольно низкое значение pH.

Почему так происходит?

В воде содержится углекислый газ (CO₂), который легко переходит через мембрану в чистую воду. Продуктом растворения CO₂ в воде является угольная кислота H₂CO₃, которая частично диссоциирует на ионы H⁺ и HCO₃⁻. Чем больше в воде бикарбоната, тем меньшее количество CO₂ растворяется в воде. Бикарбонат на мембране задерживается на 90–95 %, а CO₂ проходит через мембрану полностью. Степень диссоциации CO₂ в чистой воде усиливается по отношению к исходной из‑за отсутствия бикарбонатного буфера, и значение pH чистой воды падает по отношению к исходной.

В результате образования угольной кислоты H₂CO₃ значение pH воды после мембраны может упасть ниже 6,0. При этом, в соответствии с требованиями СанПиН 1.2.3685–21 [1], значение pH питьевой воды должно находиться в диапазоне от 6,0 до 9,0 ед. pH.

Для того чтобы поднять значение pH чистой воды, необходимо пропустить воду через минерализатор. Простейший минерализатор представляет собой цилиндрический фильтр, загруженный кальцитом (CaCO₃).

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 значение pH растёт.

Пример. Питьевая вода из городского трубопровода, поступающая в квартиру, имеет следующий состав: бикарбонат-ион (HCO₃⁻) — 2,0 мг‑экв/л (2,0 × 61 = 122 мг/л) и CO₂ — 0,4 ммоль/л (0,4 × 44 = 17,6 мг/л).

Рассчитаем значение pH для исходной воды:

pH = 6,352 + lg(HCO₃⁻ / CO₂) = 6,352 + lg(2,0 / 0,4) = 7,05

Значение pH = 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 CO₂ осталась такой же (0,4 ммоль/л).

Рассчитаем значение pH для осмотической воды:

pH = 6,352 + lg(HCO₃⁻ / CO₂) = 6,352 + lg(0,12 / 0,40) = 5,83

Данное значение pH не соответствует требованиям [1]. Только если концентрация бикарбоната в осмотической воде будет 0,2 мг‑экв/л, значение pH такой воды будет 6,0.

В любом случае осмотическая вода будет обладать углекислотным балансом, значительно смещённым в сторону растворения осадка, то есть она будет кислой. Для того чтобы углекислотный баланс осмотической воды стал нейтральным, необходимо использовать минерализатор, установленный после обратноосмотической мембраны.

Возникает ещё 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 л/мин, что является приемлемой величиной. При этом стандартная мембрана обеспечивает производительность 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 десять раз больше!). При большом расходе воды через минерализатор углекислота в воде практически не успевает прореагировать с кальцитом. В результате значение pH 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 идёт довольно эффективно.

Для представленного выше примера установка минерализатора после бака уменьшила концентрацию CO₂ в осмотической воде с исходных 0,4 до 0,35 ммоль/л. После установки минерализатора до бака (сразу после мембраны) концентрация CO₂ упала до 0,05 ммоль/л, при этом концентрация бикарбоната в воде выросла за счёт растворения кальцита, и значение pH такой воды составило около 7,3 ед. pH. В этом случае вода пришла в нейтральный углекислотный баланс, что соответствует стандартному состоянию поверхностной чистой природной воды.

На основании изложенных данных давайте соберём 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 рис. 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 трёх картриджных фильтров, установленных последовательно. На первой стадии (1) осуществляется механическая фильтрация при помощи полипропиленового картриджа. Из воды удаляются механические примеси размером до 1–20 мкм.

Рис. 1. Принципиальная схема бытовой системы доочистки на основе обратного осмоса

Затем вода проходит картридж с насыпным (2) и с прессованным (3) активным углём. На данных стадиях из воды частично удаляются 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. То есть необходимо обеспечить относительно длительный контакт воды и угля. Линейная скорость фильтрации для угля должна быть не более 10 м/ч. Тогда расход воды через картридж с углём составит:

V = 10F = 10 × 0,0028 = 0,028 м³/ч = 28 л/ч = 28/60 = 0,47 л/мин,

где F — площадь поперечного сечения картриджа:

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 два 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/ч при стандартном давлении в трубопроводе питьевой воды (3–5 бар). Соответственно, расход исходной воды на мембрану должен составлять 12/0,4 = 30 л/ч, где 12 л/ч = 0,2 л/мин — расход очищенной воды с мембраны; 0,4 — доля очищенной воды. Тогда расход концентрата должен быть:

30 × 0,6 = 18 л/ч = 0,3 л/мин.

Необходимо, используя секундомер и мерный стакан, при помощи регулирующего вентиля установить расход концентрата на уровне 0,3 л/мин. При этом, при достаточном давлении исходной воды, после мембраны можно получить 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 трёх стадий (1, 2, 3), расход воды через данные фильтры будет очень большой и полноценной очистки производиться не будет.

Важно перед сбросом концентрата в канализацию установить сифон. Для этого достаточно сделать петлю из гибкой подводки. 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 остаётся без воды за счёт автоматического перекрытия запорного клапана. Поэтому загрязняющие газы могут проникнуть на мембрану и, соответственно, в чистую воду. Поэтому на линии концентрата необходима установка 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 подаётся в кран чистой воды, который установлен на кухне на мойке. Данная система позволяет получать высококачественную воду, очень приятную на вкус. По моему субъективному мнению, девять из десяти 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. То же следует сделать после замены мембраны. После промывки фильтров необходимо заново установить требуемый расход концентрата при помощи регулирующего вентиля. При установке или после замены минерализатора его тоже требуется промыть. Промывать его расходом фильтрата после мембраны очень долго и неэффективно.

Для промывки необходимо присоединить минерализатор после тройника отвода потока на бак-накопитель (рис. 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.

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 надёжную работу всей системы водоподготовки. В данной статье рассматривается именно минерализатор с кальцитом и активным углём.

Установка фильтра только с активным углём после накопительного бака — тоже крайне спорное решение, так как небольшой фильтр будет работать в условиях относительно большого расхода воды (по отношению к размерам фильтра).

В заключение возьму на себя смелость сделать ориентировочный экономический расчёт стоимости чистой воды, полученной на данной установке, для условий домашнего потребления.

Исходные данные для расчёта (по состоянию на январь 2026 года):

1. Стоимость бытовой установки доочистки питьевой воды (в соответствии с рис. 1) — ориентировочно 10 000 руб.
2. Стоимость замены фильтрующих элементов в фильтрах 1, 2, 3 — ориентировочно 200 + 200 + 250 = 650 руб.
3. Стоимость минерализатора — 500 руб.

Тарифы на питьевую воду и водоотведение для города Москвы [3]:

• питьевая вода — 66,87 руб/м³;
• водоотведение — 52,48 руб/м³.

Рассчитаем стоимость одного литра очищенной воды при условии, что в сутки установка доочистки будет производить 10 л воды.

Расчёт. Для наглядности сделаем расчёт в горизонте двух лет, то есть до замены мембраны. За это время фильтрующие элементы системы предочистки будут заменены три раза (один раз в шесть месяцев) и один раз будет заменён минерализатор. Итого затраты за два года на оборудование водоподготовки:

10 000 + 650 × 3,0 + 500 = 12 450 руб.

Расход исходной воды для получения 1 л чистой воды:

1,0/0,4 = 2,5 л = 0,0025 м³.

Тогда затраты на питьевую воду для получения 1 л чистой воды:

0,0025 × 66,87 = 0,167 руб/л.

Расход воды в канализацию для получения 1 л чистой воды:

2,5 − 1,0 = 1,5 л = 0,0015 м³.

Тогда затраты на водоотведение составят величину:

0,0015 × 52,48 = 0,078 руб/л.

Рассчитаем общий объём воды, произведённой установкой за два года:

10 × 365 × 2,0 = 7300 л = 7,3 м³.

Тогда стоимость 1 л очищенной воды будет равна:

(12 450 + 0,167 × 7300 + 0,078 × 7300)/7300 = 1,95 руб/л.

Например, если за два года произвести 10 000 л чистой воды, то стоимость 1 л:

(12 450 + 0,167 × 10 000 + 0,078 × 10 000)/10 000 = 1,49 руб/л.

Таким образом, стоимость пятилитровой канистры очищенной воды будет не более 10 руб. При том что цена высококачественной воды в пятилитровой канистре в магазине составляет более 75 руб.

Выгода очевидна, и при этом обеспечивается постоянное высокое качество очищенной воды. Сводные данные по затратам и себестоимости очищенной воды представлены в табл. 1.

Табл. 1. Сводные показатели затрат и себестоимости очищенной воды (за два года)

В заключение следует отметить, что получение качественной питьевой воды в домашних условиях в настоящий момент времени — это относительно недорогой процесс, который, однако, 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.