Основные загрязнения воды и методы их удаления
Жесткая вода и методы ее умягчения
На сегодняшний день сложилась очень интересная ситуация. С экранов телевизоров, со страниц газет идет поток рекламной информации: с одной стороны, демонстрируют вред, наносимый бытовой и санитарной технике известковыми отложениями из-за использования жесткой воды. С другой стороны, авторитетно утверждается, что недостаток кальция в организме чреват заболеваниями опорно-двигательной системы, недостаток магния провоцирует инфаркт. И поэтому питьевая вода должна содержать в достаточном количестве эти самые соли жесткости.
И технику жалко, и здоровье. Но… у кофе и чая, заваренных мягкой водой, лучше вкус и аромат, чешское (или питерское) пиво сварено на мягкой воде. И после душа в турецком отеле кожа мягкая и нежная без всяких лосьонов и кремов. Согласно нормам потребления воды, из 300-400 ежедневно расходуемых литров основная часть идет на хозяйственно-бытовые нужды, для приготовления пищи необходимо 5-10, человек выпивает максимум литр-два.
Казалось бы чего проще: покупать жесткую питьевую воду в бутылках, а мыться и стирать — мягкой? Ведь соли жесткости, отлагаясь в системах отопления и горячего водоснабжения, выводят из строя бойлеры раньше времени, а до этого ведут к перерасходу энергоносителей. В жесткой воде хуже мылится мыло, увеличивается расход стирального порошка… Но не все так просто. Если водопотребление в США составляет190 литровв сутки (на человека), в Германии -130 литров, то в России — 430.
Мягкая вода стоит денег. Поэтому даже за границей далеко не всю потребляемую в бытовых целях воду умягчают, а проектируют разводку инженерных коммуникаций с учетом минимизации текущих затрат: умягченная вода подается только в контур горячего водоснабжения для увеличения срока службы котла. Контур отопления — закрытый, в него заливается мягкая вода с добавкой антифриза. Жесткость холодной воды, используемой в ванных комнатах, поддерживается на уровне 3-4 мг-экв/л. При смешении горячей и холодной воды потребитель получает воду с жесткостью 1,5-2 мг-экв/л. Не умягчается холодная вода в сливных бачках унитазов и вода, идущая на полив газонов.
Определить, насколько жесткая вода, просто. Если интересуют цифры, то нужно отдать пробу воды на анализ в лабораторию. По классификации отечественного гидрогеохимика О. А. Алекина мягкой считается вода с жесткостью 1,5-3 мг-экв/л, умеренно жесткой — 3-6 мг-экв/л, жесткой — 6-9 мг-экв/л и очень жесткой — свыше 9 мг-экв/л.
Для справки: согласно ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» жесткость не должна превышать 7 мг-экв/л. А если судить по субъективным показателям, то достаточно умыться с мылом или взглянуть на сантехнику. Если кожа сохнет, грубеет и шелушится, а рассекатель душа зарастает известковыми отложениями — значит, вода жесткая. Накипь в чайнике не может служить индикатором, так как образуется и при малой жесткости.
Но ГОСТ — вещь лукавая. Если Вы обратите внимание, в нем есть примечание. Цитируем: «…Для водопроводов, подающих воду без специальной обработки, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы допускается: сухой остаток до 1 500 мг/л; общая жесткость до 10 мг-экв/л; железо до 1 мг/л; марганец до 0,5 мг/л…». Получается, что можно не очищать воду, а просто согласовать ее качество. Откуда взялась в ГОСТе цифра «7 мг-экв/л»? Дело в том, что при жесткости воды выше 7-10 мг-экв/л вероятность зарастания труб известковыми отложениями резко возрастает, то есть уменьшается проектный срок службы трубопровода.
А при очень низкой жесткости вода приобретает сильные коррозионные свойства. Первое могут наблюдать жители Поволжья и Северного Кавказа при замене старых стальных трубопроводов на новые, второе — жители Санкт-Петербурга. В городе на Неве вода из крана идет мягкая, но железистая. При средних значениях жесткости на стальных трубах образуется слой карбоната кальция, препятствующий дальнейшей коррозии. Не зря подчеркнут материал, из которого сделаны трубы. Сейчас активно используют и пластик, и металлопластик, не подверженные коррозии. Поэтому ничто не мешает пользоваться мягкой водой, единственный вопрос — где ее взять? Самый простой способ борьбы с карбонатной жесткостью — прокипятить воду.
При этом гидрокарбонат кальция распадается с выделением углекислого газа и выпадением в осадок карбоната кальция. Этот процесс мы можем наблюдать при кипячении воды в чайнике. В промышленности термический способ применяют при наличии дарового тепла. Реагентные методы наиболее распространены на станциях муниципальной водоподготовки и сводятся к переводу солей кальция в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. В зависимости от состава воды прибавляют соду, гашеную известь или и то, и другое. Вода умягчается и попутно освобождается от мутных взвесей. Неудобства и недостатки способа следующие: большой объем твердых отходов, необходимость точной дозации химикатов и специально оборудованные склады для их хранения.
Полное представление о содово-известковом способе можно получить, умягчая воду для стирки «бабушкиным» способом с помощью кальцинированной соды (карбонат натрия). Обычно достаточно одной-двух чайных ложек без верха на ведро воды. Растворите соду в небольшом количестве воды, затем размешайте и дождитесь выпадения осадка карбоната кальция. Так умягчали воду еще в Древней Греции, добавляя в нее печную золу. Обратный осмос и электродиализ применяются при одновременном обессоливании воды, в том числе и для питьевых целей. Поэтому наибольшее распространение получил способ умягчения на синтетических ионнообменных смолах. Во время работы ионы жесткости, имеющиеся в исходной воде, заменяются на ионы натрия смолы, отсюда и название способа. Во время регенерации ионообменной смолы раствором поваренной соли осуществляется обратный процесс: ионы натрия из поваренной соли заменяются на ионы солей жесткости, задержанные смолой.
Технически это воплощается в современных импортных умягчителях, представляющих собой высокопрочный напорный бак (по виду напоминающий газовый баллон), заполненный ионообменной смолой. Бак сконструирован из пищевого полиэтилена и армирован снаружи стекловолокном. Это позволяет ему работать под давлением до 8,8 атмосфер и выдерживать гидравлический удар до 53 атмосфер. Выпускаются баки самых различных размеров, что позволяет в зависимости от анализа исходной воды и необходимой производительности подобрать фильтр на основе типового оборудования. В этом Вам с удовольствием помогут представители фирм, занимающихся очисткой воды. Программируемый автоматический клапан, управляющий работой умягчителя (регенерирующий ионообменную смолу в нужной последовательности с необходимой частотой без вмешательства людей), настраивается таким образом, что включает фильтр на регенерацию или по расходу воды, или по времени. Частота регенераций рассчитывается в зависимости от жесткости исходной воды и емкости умягчителя по солям жесткости.
Изменение направления потоков воды во время регенерации достигается, в зависимости от фирмы-производителя автоматических клапанов, либо системой рабочих клапанов (как в музыкальной шкатулке), либо передвижениями поршня с проточками, либо вращением программного диска с отверстиями (как в керамическом кране). Реже используются системы, работающие с применением гидравлических, пневматических и соленоидных клапанов. Из реагентного бака во время регенерации поступает раствор поваренной соли для восстановления рабочих свойств ионообменной смолы. В настоящее время номенклатура умягчителей настолько велика, что позволяет повсеместно применять их как для бытовых, так и для промышленных целей. Очень часто промышленные умягчители отличаются от бытовых только размером баллонов и объемом смолы, хотя и не всегда.
Любому умягчителю — и бытовому, и промышленному — необходимо время на проведение регенерации. Если потребность в умягченной воде небольшая и производство не является непрерывным, то с задачей может справиться и бытовая модель умягчителя. Для непрерывного производства используют так называемые TWIN-системы, или дуплексные умягчители. Выглядят они следующим образом: два баллона управляются одним общим клапаном. Баллоны со смолой работают попеременно: через один проходит умягчаемая вода, ионообменная смола другого в это время регенерируется. Как правило, умягчители непрерывного действия используются для водоподготовки в небольших котельных. Главное отличие между бытовыми умягчителями и пищевым производством с одной стороны, и непищевым производством с другой стороны состоит в том, что в первом случае необходимо использовать ионообменную смолу только пищевого класса. Так как ионообменная смола является продуктом полимеризации, то существует вероятность вымывания молекул исходных продуктов-мономеров в первые дни эксплуатации. При производстве пищевой формы смолы осуществляется дополнительный медицинский контроль готовой продукции. Соль для регенерации бытовых умягчителей тоже должна отвечать пищевым стандартам. К тому же высокая степень очистки соли от ионов кальция и магния обеспечивает смоле более высокую удельную обменную емкость во время регенерации.
Итак, с мягкой водой и способами ее получения разобрались. Вернемся к вопросу пользы жесткой воды для питья. Действительно, недостаток кальция в организме чреват заболеваниями опорно-двигательной системы, а недостаток магния провоцирует инфаркт. Это неоспоримая медицинская статистика. Однако та же самая медицинская статистика приводит данные о заболевании населения мочекаменной болезнью, артритом и склерозом (отложения солей кальция в суставных сумках и сосудах головного мозга соответственно). И увеличение заболеваемости странным образом совпадает с увеличением жесткости потребляемой питьевой воды. Однако, в районах с малой жесткостью потребляемой воды почему-то не наблюдается увеличения количества больных остеопорозом, рахитом и сердечно-сосудистыми заболеваниями. То есть жесткость потребляемой воды — ионы кальция и магния — никоим образом не связана с заболеваниями, которыми нас так пугают. Почему? Потому что недостаток кальция в организме лучше восполнять с молоком и молочными продуктами, от жесткой воды можно получить только камни в почках и суставах и толстый слой накипи в чайнике. Кальция в 100 граммах молока содержится 120 мг. То есть жесткость молока составляет 60 мг-экв/л. Стакан молока заменит 3-4 литра выпитой московской воды.
То же самое относится к железу: людям, страдающим малокровием, лучше есть виноград, яблоки, гранаты, пить соки — от железистой воды печень страдает больше, чем от неумеренного пьянства. Кстати, о соке. Внимательно прочитаем его состав на этикетке. Например, томатный сок «WIMM-BILL-DANN» Лианозовского завода: Калий — 155 мг/100 г продукта, то есть 1 550 мг/л. Магний — 7 мг/100 г, или 70 мг/л, или 5,75 мг-экв/л. Кальций — 90 мг/л, или 4,5 мг-экв/л. То есть жесткость сока — 5,75 + 4,5 = 10,25 мг-экв/л. Жесткость усвояемая, полезная для здоровья. Почему питьевая вода, расфасованная в пластиковые бутылки, жесткая, если и для приготовления пищи предпочтительна мягкая вода с малым солесодержанием? Ответ гораздо прозаичнее, чем может показаться. С заботой о здоровье это если и связано, то далеко не в первую очередь и не так, как нас уверяют в рекламе. Вода без солей лучше для приготовления кофе и чая, но она безвкусная и утоляет жажду плохо. Утолить жажду в жаркий день можно только компенсировав уходящие из организма с потом соли. Но обычная поваренная соль придает воде солоновато-горький привкус, а гидрокарбонат кальция — приятный сладковатый.
Железо в воде и методы его устранения
Лет двадцать назад никто особо и не задумывался над качеством воды (не считая специалистов Водоканала, занятых этим по долгу службы). Знали, что у нас в стране — самая лучшая в мире вода. В городе — «хорошая, только жесткая, а хлоркой почти не пахнет, разве что только по весне». В деревне — «хорошая, колодезная, самая что ни на есть природная». На даче — «хорошая, только на колонку ходить далеко. А что железа много — зато в Железноводск ездить не надо, курорт прямо под боком». Из диалога героев фильма «Мимино» зрителям запомнилось, что «самая вкусная вода — в Сан-Франциско», на втором месте — вода из солнечного Дилижана, хотя жителями других городов и весей эти утверждения оспаривались, подобно семи греческим городам, борющихся за право называться родиной Гомера. С началом гласности, появлением «желтых» газет и «жареных» репортажей ситуация изменилась на прямо противоположную. Свою воду ругали с тем же воодушевлением, с каким раньше хвалили. Сейчас страсти немного улеглись и к вопросу качества воды относятся более прагматично. Если качество воды не устраивает, ее очищают в домашних условиях. С жесткостью научились бороться раньше всего — кипячением. Для устранения запаха сегодня уже не требуется воду отстаивать или кипятить. Фильтры на основе активированного угля в форме насадок на кран, кувшинчиков и картриджей рекламируются на каждом третьем трамвае. В магазинах на полках изобилие очищенной бутылированной воды. Но… все это касается только воды для питья. А начинаешь наполнять ванну — течет железистая жидкость желто-зеленого цвета, отбивающая желание в ней купаться. Откуда появляется железо в воде и как его оттуда удалить? Дождь — природный конденсат — поглощает углекислый газ из атмосферы, поэтому имеет слабокислую реакцию. Если вода проходит через известняки, то, растворяя их, становиться жесткой. При прохождении через железистые руды растворяет железо, через марганцевые — марганец…
Из школьного курса химии и из личного опыта известно, что железо в природе встречается двухвалентное — растворенное и трехвалентное — обычно в виде знакомой ржавчины. Также существуют органические соединения железа и так называемые железобактерии. Примером наличия железоорганики можно считать высокоцветные воды северных рек. В природных условиях эти соединения достаточно стойкие, кислородом воздуха практически не окисляются. Для очистки такой воды от железа используют специальные методы — озонирование, коагуляция, флокуляция. Железобактерии встречаются практически везде. Их «визитной карточкой» можно считать ржавую слизь, покрывающую трубы водопровода. Железобактерии питаются растворенным в воде железом, а когда отмирают, откладываются в виде вышеупомянутой слизи. Кстати, согласно одной из гипотез, крупные месторождения железных руд являются доисторическими кладбищами железобактерий, сконцентрировавших железо на малом пространстве. В крупных городах забор воды идет в основном из поверхностных источников — рек, озер, водохранилищ. Такая вода практически не содержит растворенного железа — оно окисляется на воздухе и выпадает в осадок в виде гидроокиси. К тому же вода, как правило, проходит очистку на муниципальных станциях водоподготовки, где ее фильтруют и обеззараживают. Поэтому железо может появиться в такой воде только из-за коррозии стальных труб водопровода, которая происходит в присутствии воздуха. Обычно это бывает после перебоев с водой или ремонта трубопроводов — сначала вода идет из «чихающего» крана ржавая, затем становится прозрачной.
Немного особняком стоит Санкт-Петербург и другие города с очень мягкой водой. Такая вода не дает известковых отложений на бойлерах и накипи в чайниках, но обладает повышенной коррозионной агрессивностью (опять углекислота!). Поэтому вода может идти постоянно желтоватого цвета, особенно если трубопровод насчитывает не один десяток лет. В обоих случаях железа в воде мало, и все оно находится в нерастворимой окисленной форме, поэтому предпочтение следует отдать патронным фильтрам со сменными механическими картриджами сплошностью фильтрации 20 — 30 микрон. Это защитит кафель, фаянс и стиральную машину. Поселковый водопровод в отличие от городского качает воду из артезианской скважины, в которой, как правило, есть растворенное железо. Когда для водоснабжения используется водонапорная башня, то растворенное железо при контакте с кислородом воздуха начинает окисляться уже в ней и частично выпадает в виде осадка в башне и трубопроводах. Если водоразбор осуществляется быстрее, чем железо успевает окислиться, а хлопья осадка — сформироваться, то к потребителю вода приходит прозрачная или слегка желтоватая. Содержание железа в такой воде на порядок выше, чем в городской, и присутствует постоянно. Обычные механические картриджи задерживают только выпавшее железо, пропуская растворенное, и хватает их ненадолго. Итак, для того чтобы перевести железо в нерастворимую форму, его надо сначала окислить.
А затем отфильтровать осадок на зернистой загрузке, которая обладает большей грязеемкостью по сравнению с картриджем. Способов окисления железа множество. Это и уже упомянутый просто контакт воды с воздухом, осуществляемый в водонапорной башне, и свободный излив с высоты, и душирование, и фонтанирование (так называемые брызгальные установки), и барботаж — продувание воздухом, и эжекция через сопла Вентури, и подача воздуха в линию компрессором. У всех приведенных выше способов окисление происходит кислородом воздуха, бесплатным природным окислителем. Он обладает только одним недостатком — для окисления железа требуется длительное время, как правило, 15-30 минут. То есть требуется контактная емкость, а иногда и повысительный насос. Сократить время окисления железа помогают катализаторы. При нанесении на зернистые среды получается фильтрующая загрузка. При контакте с жидким окислителем или с зернистой загрузкой, обладающей окисляющей способностью, время сокращается на 3-4 порядка, то есть в тысячу раз. Когда вода подается напрямую из скважины и нет контакта с воздухом, растворенное железо окисляется непосредственно у потребителя — в ванной, в бассейне, в сливном бачке.
Ввиду этих особенностей в области коттеджных систем водоподготовки широкое распространение получили уже упомянутые зернистые среды, обладающие окислительной способностью. Интересна история их создания: первоначально в качестве фильтрующей среды для осадочных фильтров применяли дробленый кварц (кварцевый песок), дешевый инертный материал. Стали применять его и для фильтрации выпавшего осадка гидроокиси железа. Со временем было замечено, что порыжевший, покрывшийся пленкой гидроокиси железа в процессе работы песок удаляет растворенное железо быстрее и качественнее, чем исходный, чистый. Предположив, что это связано с каталитическими свойствами пленки гидроокиси железа, начали производство фильтрующих сред специально для обезжелезивания и поиск новых катализаторов. Скорость катализа у оксида марганца оказалась выше, он обладает не только каталитическими, но и окислительными свойствами, но дробленый природный минерал — пиролюзит — оказался еще тяжелее кварцевого песка, то есть требовал еще больше воды для промывки.
Стали покрывать пленкой оксида марганца более легкие материалы — сульфоугли, полимерную загрузку и т. д. В конце концов остановили свой выбор на алюмосиликатах, природных и искусственных цеолитах. В зависимости от содержания оксида марганца меняется плотность фильтрующей среды, скорость катализа, емкость засыпки по железу и так называемая буферная емкость — то количество железа, которое катализатор среды может окислить сам, без помощи растворенного в воде кислорода. Преимущественно это импортные материалы, имеющие, как правило, фирменное название: Birm, МТМ, Pyrolox, Manganese Greensand. Два последних названия — один и тот же материал, покрытый оксидом марганца глауконит. Благодаря относительно высокому содержанию оксида марганца, каталитическое окисление железа кислородом воздуха на нем происходит быстрее по сравнению с другими фильтрующими средами, и он обладает уже упомянутыми окислительными свойствами: растворенное в воде железо окисляется с двухвалентного до трехвалентного состояния, а марганец фильтрующей среды при этом восстанавливается с четырехвалентного до трехвалентного состояния.
По окончании фильтрации засыпка регенерируется раствором перманганата калия, трехвалентный оксид марганца вновь окисляется до четырехвалентного. Коттеджный автоматический обезжелезиватель с окислительной фильтрующей средой устроен следующим образом: баллон, являющийся корпусом фильтра, заполнен фильтрующей средой. В верхней части баллона закреплен автомат, меняющий направление потоков воды во время фильтрации и циклов регенерации и соблюдающий оптимальную продолжительность каждого цикла. Автомат управляется таймером или расходомером. От автомата внутри баллона через всю фильтрующую среду проходит так называемая водоподъемная труба. Фильтр соединен с реагентным баком гибкой трубкой. Во время фильтрации вода проходит через фильтрующую среду сверху вниз, поднимается по водоподъемной трубке и выходит из обезжелезивателя. Далее следует цикл обратной промывки: вода из входного штуцера направляется в водоподъемную трубку, взрыхляет марганцевый цеолит, вынося загрязнения в канализацию. Затем идет реагентная обработка раствором марганцовки, восстанавливающая химическую активность фильтрующей среды.
После этого следует цикл промывки марганцевого цеолита от остатков марганцовки. И, наконец, цикл пополнения реагентного бака водой, который обычно совмещен с циклом прямой промывки, во время которого фильтрующая среда «уминается» потоком воды. После окончания регенерации фильтр снова готов к работе. Обезжелезиватели с реагентной промывкой требуют периодического пополнения реагентного бака марганцовкой и регулярной прочистки эжектора реагентной линии — места выпадения окисляющегося марганцовкой растворенного железа. Конструкция обезжелезивателя с каталитической фильтрующей средой отличается отсутствием реагентного бака и соответствующих циклов регенерации. Загрязнения удаляются при обратной промывке, затем сразу следует цикл прямой промывки.
К плюсам подобного оборудования следует отнести безреагентную работу. Минусы — фильтрующая среда работает в более жестких условиях. Так как скорость работы каталитической среды меньше, ее требуется в два раза больше для достижения той же производительности. При поступлении воды непосредственно из скважины требуется оборудование для ее аэрации, контактная емкость при наличии сероводорода или содержании железа выше определенного уровня и система автоматики для управления аэрирующим оборудованием. Опасность завоздушивания баллона при работе в напорной линии и как следствие — вероятность гидравлических ударов. Фильтры-обезжелезиватели вне зависимости от наполнителя достаточно неприхотливы в работе и требуют только еженедельной промывки во избежание слеживания фильтрующей среды, проходящей в автоматическом режиме.