В наше время уже широко начинают применяться домашние очистители воды на основе низконапорного обратного осмоса, использующие давление воды в водопроводной сети и устанавливаемые непосредственно у места водоразбора — обычно на кухне под мойкой. Несмотря на бесспорно высокую гарантированную степень очистки от различных видов загрязнений, такие схемы имеют ряд недостатков. 1. Прежде всего, использование в них высокоселективных обратноосмотических мембран для очистки водопроводной воды оспаривается как за рубежом, так и отечественными специалистами по гигиене питьевых вод, поскольку питьевая вода должна содержать необходимый минимум кальция, хлоридов, фторидов и т.д. Для этой цели наиболее подходящими, на наш взгляд, являются нанофильтрационные мембраны, характеризующиеся невысокой селективностью (40–50%) по одновалентным ионам и вследствие этого не сильно изменяющие солевой состав очищенной воды, задерживая при этом высокомолекулярные органические вещества и ионы тяжелых металлов. Как показывает анализ номенклатуры выпускаемых различными компаниями мини-систем очистки воды и рекламная литература фирм-изготовителей мембранных установок, домашние очистители воды укомплектовываются только обратноосмотическими мембранами двух типов: ацетатцеллюлозными и низконапорными композитными. Это вызвано, по-видимому, тем, что санитарно-гигиенические службы за рубежом в основном рекомендуют потребителям обратноосмотические системы для очистки воды в случаях, когда в ней обнаружены нитраты и фториды (одновалентные ионы, слабо задерживаемые нанофильтрационными мембранами), а также стронций, мышьяк и др. Для «исправления» этого недостатка — получения «слишком» сильно обессоленной воды — в установках после мембранного фильтра применяют специальные «солевые» патроны-минерализаторы для обогащения фильтрата солями: ионами кальция, магния, фтора и т.д. 2. Другим серьезным недостатком систем обратного осмоса является сложная многоступенчатая схема предварительной очистки воды в домашних системах обратного осмоса. Известно, что мембраны так же, как и другие фильтры, загрязняются всеми веществами, содержащимися в воде. Кальциевые соли, органические соединения, бактерии образуют осадки на мембранах и приводят к выходу их из строя. Ряд окислителей, например свободный хлор, находящийся в хлорированной водопроводной воде, «губят» мембраны, разрушая их селективный слой. Поэтому домашние системы обратного осмоса содержат различные узлы предочистки в виде картриджей, «защищающих» мембраны, и напоминают «пирамиду» из фильтров. В первую очередь, патронный фильтр для очистки поступающей в обратноосмотический аппарат воды от взвешенных веществ (частиц окалины, глинистых частиц, коллоидов гидроокиси железа и т.д.). Поскольку, как уже говорилось, мембраны «боятся» действия свободного хлора, то перед входом в мембранный аппарат используют картриджи с активным углем, сорбирующим хлор. Часто перед мембранным аппаратом используются два сорбционных картриджа с активным углем: один— для сорбции хлора, другой— для сорбции растворенных хлорорганических веществ, которые также могут осаждаться на мембранах. Часто для удаления запаха (хлора и т.д.) из уже прошедшей через мембрану очищенной воды используют дополнительный картридж с сорбционной загрузкой. И, наконец, на выходе чистой воды может использоваться уже упоминавшийся «солевой» патрон — минерализатор. С одной стороны, такая шестиступенчатая схема установки, созданная по принципу «чем больше, тем лучше», должна «обезопасить» мембраны и способствовать надежной работе установки. С другой стороны, такая сложная технологическая схема не может не сказаться на проблемах эксплуатации установки. Используемый на входе в установку патронный фильтр с размером пор 5 микрон сильно «тормозит» работу установки, поскольку очень быстро «забивается» взвешенными веществами. Если в воде московского водопровода относительно мало взвешенных веществ («ресурс» работы такого фильтра составляет 3–6 месяцев), то в загородных домах, где используется подземная вода с высоким содержанием железа, такой фильтр забивается гораздо чаще и приходится только и думать о его замене. Необходимость в угольных сорбционных фильтрах также может быть подвергнута сомнению, поскольку большинство органических и хлорорганических соединений задерживается мембранами, при этом они достаточно «безопасны» для мембран. Более того, угольные фильтры, как правило, являются «рассадником» бактерий— бактерии оседают в сорбционном фильтре и развиваются, «питаясь» органическими веществами, находящимися в воде, и при этом часто «выносятся» из фильтра. Удивительно, но «опасаясь» наиболее распространенного вида осадка — карбоната кальция, бездействие по предотвращению его образования в схемах домашних мембранных водоочистителей «игнорируется». Отсутствие в таких схемах мер по предотвращению образования кристаллических отложений карбоната кальция «укорачивает» срок службы мембранных аппаратов до 200–300 ч. Это приводит к необходимости частой замены мембран за счет покупателя. Такая «беспечность» производителей мембранных установок объясняется по-видимому тем, что в частных домах, где используются такие установки, обычно вся вода, поступающая в дом, проходит через умягчитель. Поэтому находящиеся в продаже установки представлены именно для такого случая. Об этом продавцы часто не догадываются, а в результате «страдает» покупатель. Мы видим, что, с одной стороны, у домашних водоочистителей имеются явно лишние ступени, с другой стороны, важных элементов в схемах не хватает. Например, покупатель, приобретая мембранную пятиступенчатую установку для загородного дома, обычно предоставляет результаты химанализа воды. В нем обнаруживается повышенное содержание ионов жесткости, железа, фторидов. Для чего могут быть использованы угольные сорбционные картриджи, входящие в схему установки? Для удаления хлора и органики? В подземной воде их нет. Зато в подземной воде повышенное содержание ионов жесткости, что приводит к образованию в мембранных аппаратах осадков карбоната кальция и сокращает срок их службы. Кроме того, описанные домашние очистители воды, основанные на методе обратного осмоса, обладают еще одним существенным недостатком, связанным со сбросом концентрата и неполным использованием воды. Для эффективного проведения процесса обессоливания воды необходимо поддерживать высокую скорость транзитного потока над мембраной. Для одного мембранного элемента соотношение расходов чистой воды и сбросного (транзитного) расхода составляет 1:5 или 1:10. Такое расходование питьевой воды не всегда допустимо. В последние годы наметились новые тенденции в разработке мембранных систем очистки воды, которые требуют от специалистов пересмотра многих из устоявшихся представлений о процессе обратного осмоса. Прежде всего это касается химического состава воды, очищенной с помощью мембран. Большое внимание уделяется разработке различных типов мембран, позволяющих для различных случаев состава исходной воды получить фильтрат с оптимальным полным составом. Задерживая органические соединения или фториды, важно сохранить в фильтрате определенные (с гигиенической точки зрения) концентрации ионов жесткости, бикарбонат-ионов и др. Наличие в исходной воде веществ, образующих осадки на мембранах, не обязательно требует создания «многоступенчатых» схем предочистки. Ведутся разработки мембран с модифицированными поверхностями, «отторгающими» органические, коллоидные и бактериальных загрязнения, а также мембраны, стойкие к хлору, или «не боящиеся» образования на них осадков солей жесткости и др. Разработчики предлагаемой серии мембранных домашних водоочистителей пошли по принципиально новому пути. Глубокое изучение процессов, происходящих в мембранных фильтрах, позволило создать простые системы, намного превосходящие существующие как по эффективности, так и по надежности, состоящие лишь из одного мембранного фильтра. Новая концепция установок состоит в правильном применении для каждого случая специально подобранных мембран, оптимально соответствующих составу исходной воды и стойких к любым видам загрязнений. На рис. 1 показаны результаты ресурсныхиспытаний мембранных рулонных элементов с обратноосмотическими мембранами (типа ESPA-1 производства HYDRANAUTICS, США) и нанофильтрационными мембранами (типа ОПМН-К производства ЗАО «Владипор», г. Владимир), проводившихся в течение 1000 ч непрерывной работы на воде московского водопровода. На рис. 1, а показано снижение производительности фильтрата, а на рис. 1, б— увеличение электропроводности фильтрата, соответствующее увеличению концентрации в фильтрате различных ионов, в т.ч. кальция, железа, фтора. Как видно из рисунка, элементы с обратноосмотическими мембранами быстро теряют производительность вследствие образования в них осадка карбоната кальция. При этом ухудшается качество фильтрата: растут концентрации солей кальция, железа, органических веществ и т.д. Аппарат с нанофильтрационными мембранами, как видно из рисунка, оказывается намного более «жизнеспособным» благодаря меньшей селективности, т.е. степени очистки по ионам жесткости. Для замедления скорости образования осадка карбоната кальция в аппаратах обратного осмоса используют ингибиторные патроны — картриджи со специальным полимером, ингибитором. Исходная вода проходит через картридж с ингибитором, который, медленно растворяясь, задерживает рост кристаллов карбоната кальция в мембранных аппаратах, продлевая тем самым срок службы мембран. Объем ингибиторного патрона подбирается таким образом, чтобы мембранная система могла обеспечить потребителя качественной водой в течение года. Ресурсные испытания обратноосмотического аппарата с ингибиторным картриджем представлены на рис. 1. Возьмем основные случаи применения установок и соответствующие им варианты технологических схем и комплектации установок. Случай 1. Артезианская вода Артезианская вода, как известно, характеризуется высоким содержанием железа (горький привкус, красно-бурый осадок) и высокой жесткостью (накипь в чайнике, осадок при кипячении). Часто в подземной воде находят повышенное содержание фторидов, стронция, нитратов и т.д. Для очистки такой воды идеально подходят обратноосмотические мембраны, позволяющие снизить содержание всех перечисленных загрязнений в 10–20 раз. Итак, схема установки простая: мембранный фильтр, а перед ним ингибиторный патрон — маленький картридж с ингибитором. Бывают случаи, когда подземная вода имеет «тухлый» запах сероводорода. В этом случае используется дополнительный картридж с «окислительной» загрузкой, сорбирующий сероводород из уже прошедшей через мембрану воды. Случай 2. Вода городского водопровода Для воды из городского водопровода наиболее подходят нанофильтрационные мембраны, которые частично снижают жесткость и органический фон. Нанофильтрационные мембраны снижают растворенные соединения в 2–3 раза, при этом солевой состав воды мало меняется. Основное преимущество мембран — улучшение так называемых органолептических свойств воды, в основном органических и хлорорганических соединений, продуктов хлорирования водопроводной воды. Общий солевой состав очищенной воды меняется незначительно. Технологическая схема установки состоит из одного мембранного фильтра. Этот мембранный фильтр «не боится» жесткости, поэтому применения ингибиторного патрона не требуется. Поскольку водопроводная вода хлорируется, то для борьбы с запахом хлора используются патроны с активным углем. Однако можно смело сказать, что вредное влияние хлора заключается в образовании хлорорганических соединений, в т.ч. «летучих», обладающих запахом. Эти соединения задерживаются мембраной. Однако в ряде случаев, когда в воде действительно содержится хлор-газ, возможна установка дополнительного картриджа с активным углем. Случай 3. Вода с высоким содержанием органических веществ (с высокой цветностью) — Сургут, Тюмень, Архангельск, Петрозаводск Обычно воды северных районов отличаются низким содержанием всех растворенных ионов, но при этом — ничем не удаляющийся цвет и железо. Для очистки таких вод и удаления «цветности» используются специальные мембраны, задерживающие органические соединения. Поверхность таких мембран модифицирована таким образом, чтобы быть стойкой к влиянию органических соединений. Ресурс работы таких мембран очень большой — более полутора лет. Для «украшения» мембранных установок иногда используется бактерицидная лампа. Хотя мембрана обладает «бактерицидным» эффектом, ультрафиолетовая лампа служит гарантией стерильности воды даже после ее долгого хранения в баке-накопителе. Составы исходной воды и воды, прошедшей через мембраны различных типов, представлены в табл. 1. Эксплуатация и сервис мембранных установок Обычно продавцы мембранных домашних водоочистителей говорят: мембранный фильтр служит год-два, предфильтры и пост-фильтры — шесть месяцев. По истечении этого срока картриджи заменяются. В реальности такая замена производится гораздо чаще. Таким образом, эксплуатация такой установки стоит достаточно дорого — до $100 в год. Обслуживание установок состоит в замене фильтров. Мембранный фильтр — «сердце» установки, служит год-полтора. Но выбрасывать его не нужно. Заросший осадком картридж нужно отмыть — растворить осадок с помощью специального раствора. Такая процедура проводится в сервисном центре. Ингибиторный патрон и сорбционный картридж заменяются вместе с мембранным фильтром. Картриджи доочистки (для снижения запаха хлора или сероводорода) также рассчитаны на замену одновременно с заменой элемента. Выводы: Установки мембранной очистки очень эффективны для улучшения качества воды. На сегодняшний день это единственная технология, которая может надежно обеспечить потребителя гарантированно чистой и качественной водой. Однако далеко не все установки, находящиеся в продаже, могут быть эффективно использованы. Во-первых, композитные обратноосмотические мембраны во многих случаях дают слишком высокую степень очистки по общему солесодержанию, что не одобряется отечественными гигиеническими стандартами. Во-вторых, как было показано выше, надежность работы таких мембран в большинстве случаев не обеспечивается надлежащим образом принятой технологической схемой, что ведет к частой замене картриджей. Новая концепция мембранных установок заключается в применении специально адаптированных для каждого случая мембран, позволяющих добиться длительного срока их службы и наиболее оптимального состава очищенной воды.