angstroem

7 лет назад

Может ли очистка воды ухудшить её качество?

Данный пост посвящён методам мембранной фильтрации воды и, в частности, системам обратного осмоса (СОО). Тема довольно холиварная, поэтому сразу поясню: я не агитирую ни за покупку систем обратного осмоса, ни за отказ от их использования. Решайте сами как фильтровать воду ~~и фильтруйте базар в комментариях~~.

Окружающая нас вода – это водный раствор сложного состава. Как уже неоднократно говорил ранее, у городских жителей с водой всё не так уж плохо. Опасные загрязнители удаляются из воды на станции очистки до того, как она попадёт в систему городского водоснабжения. Просто потом она проходит через старые трубы и вторично загрязняется уже другими компонентами. Поэтому доочистка питьевой воды всё-таки рекомендуется, но никаких убер-технологий для этого не требуется. Мы же не из лужи на химпроме её зачерпнули.

Выбор системы доочистки водопроводной воды – скорее вопрос личных предпочтений. Другое дело, что эти предпочтения часто формируются под влиянием недобросовестных маркетинговых приёмов. Целевую аудиторию сначала запугивают мнимыми опасностями, а затем продают высокотехнологическое решение – 100500-ступенчатые фильтры или СОО.

Что такое осмос?

Энциклопедические определения осмоса вы и сами прочтёте. Здесь поясню лишь общий принцип: вода устремляется туда, где выше концентрация растворимых соединений (в частности, солей). У любой живой клетки есть мембрана, которая служит полупроницаемым барьером по отношению к внешней среде. Если мы добавим каплю крови в физраствор (0,9% NaCl) и посмотрим на неё в микроскоп, то увидим эритроциты обычного объёма. Осмотическое давление физраствора изотоническое, то есть - такое же, как и в плазме крови. Поэтому между содержимым эритроцитов и раствором устанавливается водно-солевое равновесие.

osmosis
Эритроциты в воде с разным содержанием растворённых солей (изображение: bioaa.info)

Если же мы капнем кровь в крепкий солёный раствор, то эритроциты скукожатся, пардон май рашен. Гипертонический раствор заберёт у них воду, так как в нём солей больше. Если капнем в максимально пресную, практически обессоленную воду, то эритроциты разбухнут и могут даже лопнуть, стремительно набирая воду из гипотонического раствора.

Осмос – пассивный процесс выравнивая концентраций растворимых веществ через полупроницаемую мембрану (например, в живой клетке) под действием разности осмотического давления. Если же мы сделаем искусственную мембрану и приложим к ней внешнее давление, то получим обратный процесс: разделение растворителя (воды) и растворённых веществ (солей и различных загрязнителей). Поэтому такие установки мембранной очистки называются системами обратного осмоса.

Мембранная очистка воды

Совокупность методов очистки воды с использованием полупроницаемых мембран получила широкое распространение на производстве и внедряется на станциях подготовки воды. Это удобный способ получения воды для производства лекарств и безопасной основы для изготовления напитков. Один из этапов производственной линии – не первый и не последний.

До мембраны вода предварительно очищается, проходя этапы механической фильтрации и адсорбции загрязнителей. Часто это несколько ступеней, как в обычном многоступенчатом фильтре. После мембраны вода дезинфицируется – облучается ультрафиолетом, обрабатывается озоном и проходит другие этапы финишной очистки.

По сути мембрана нужна для того, чтобы удалить из воды соли (включая соли жёсткости) и следовые количества загрязнителей, которые не уловил адсорбент. Мембрана – прекрасный опреснитель и умягчитель воды. Именно поэтому мембранные технологии впервые использовались для опреснения воды и снижения образования накипи.

Система ультрафильтрации на станции водоподготовки (изображение: napier-reid.com)

По диаметру пор мембраны подразделяются на два класса. Более крупные поры используются на предварительных этапах очистки, а более мелкие – на последующих. Также их выбирают в зависимости от целей и качества исходной воды.

При диаметре пор от 0,01 до 0,1 мкм системы называются установками ультрафильтрации, а от 0,001 до 0,01 мкм – нанофильтрации ~~(просто модное слово, не обращайте внимания)~~. Такие мембраны обладают большим гидравлическим сопротивлением, поэтому воду через них приходится продавливать за счёт создания высокого давления. Типичные значения для таких установок: 9 – 15 атмосфер. Бывает и больше – на заводе с этим нет проблем. Можно сделать отдельный трубопровод высокого давления и усилить соединения.

Существуют отдельные системы ультра- и нанофильтрации низкого давления с микропроцессорным управлением и отдельными насосами, однако им тоже не место в быту. Они получаются крупногабаритными и сложными в подключении, а для получения питьевой воды всё равно потребуются дополнительные стадии обработки.

Системы обратного осмоса

Вода по каплям

Пока единственный адаптированный для дома тип мембранной очистки воды – системы обратного осмоса. В них вода проходит через мельчайшие поры при небольшом давлении, обычном для городского водопровода - 3,5 – 7 атмосфер. При таком давлении резко падает скорость мембранной фильтрации – до 130 мл в минуту.

Сами домашние фильтры изготовлены из пластика и не обладают высокой прочностью. Поэтому на их отдельные узлы часто ставят редуктор, снижающий давление до безопасных значений. Обратная ситуация в СОО повышенной производительности. В них используется нагнетающая помпа, обеспечивающая постоянное давление на мембрану (точное значение зависит от производителя).

СОО с помпой (изображение: osmiowater.co.uk)

Даже в СОО с отдельным насосом, новой мембраной и свежими картриджами вода просачивается в объёме менее 260 мл в минуту. Попробуйте отрегулировать струйку воды так, чтобы литр набирался примерно за четыре минуты. Вы получите представление о максимальной скорости фильтрации в домашних СОО. Их средняя скорость гораздо меньше.

Классическая схема установки СОО подразумевает две ступени предварительной очистки (всё тот же фильтр механической очистки и блок с адсорбентом). Иначе, если мы сразу подадим водопроводную воду на обратноосмотическую мембрану, она быстро забьётся солями и взвесями.

Очистка любой ценой

Все СОО помимо мембраны содержат несколько ступеней фильтрации и обеспечивают очень высокую степень очистки воды от химических загрязнителей. Однако из-за недобросовестной рекламы потребители часто дезинформированы об особенностях фильтров данного типа.

Интересно, что после этапов предварительной фильтрации (двух и более) на мембрану уже подаётся вода, пригодная для питьевых целей (sic!). Содержание загрязнителей в ней уже ниже ПДК, но есть соли. Поэтому даже предварительно очищенная вода льётся с высокой скоростью и под небольшим углом к мембране, чтобы продлить срок службы последней. Никто не станет покупать фильтры, мембрану в которых требуется часто заменять. Поэтому явные затраты подменяются менее очевидными: большой объём качественной воды постоянно омывает мембрану и просто сливается в канализацию.

По красной трубке вода постоянно сливается в канализацию (изображение: mywaterfilter.com.au)

Для промышленных систем типичный показатель расхода воды составляет 1:3 – 1:4. То есть, для получения одного литра очищенной мембраной воды требуется потратить как минимум четыре литра предварительно отфильтрованной и уже достаточно чистой. У бытовых СОО этот показатель заметно ниже. Более того – он непостоянный и быстро ухудшается по мере работы.

Иногда производители СОО ставят ограничители сброса, замедляя скорость дренажа. Считается, что в отдельные моменты удаётся добиться показателя 1:1. Однако если мы посчитаем расход воды за несколько суток, то увидим, что в среднем порядка 75% воды всё также сливается СОО в дренаж.

Это вынуждает часто заменять фильтры предварительной очистки (в 2-3 раза чаще, чем в системах многоступенчатой доочистки без мембраны), регулярно платить за повышенное потребление воды и за избыточное водоотведение стоков.

Обмануть счётчик

Сторонники СОО часто аргументируют, что из-за низкой скорости фильтрации счётчик игнорирует медленный расход воды. Визуально это выглядит так: установленный под углом (не строго вертикально) счётчик подрагивает, но не прибавляет значения при работе СОО. Однако это либо самообман из-за слишком короткого измерения, либо особенности конкретных моделей счётчиков. Среди моих знакомых есть владельцы СОО разного типа, и все они отмечали, что ежемесячный расход воды у них сильно увеличился.

Схема мембраны в установке обратного осмоса (изображение: rowafil.com)

В современных установках обратного осмоса используются многослойные цилиндрические мембраны из полиамида или композитных материалов. Производитель заявляет, что диаметр их пор составляет от одного ангстрема до 5 нм. Для сравнения: простейший предфильтр с диаметром пор 5 мкм (в тысячу раз больше) уже создаёт значительное гидравлическое сопротивление и снижает скорость потока воды. Поэтому при типичном давлении в 3-7 атмосфер мембрана с наноразмерными порами фильтрует воду очень медленно. Фактически установка должна обладать собственными насосами (а это затраты электроэнергии) и/или качать воду круглосуточно, выливая львиную долю в канализацию.

Когда запас тянет не только карман

С магистральными фильтрами всё просто. Открываете кран и получаете свежую, только что отфильтрованную воду в любом количестве. Из-за низкой скорости фильтрации СОО не позволяет сразу получить требуемый объём питьевой воды.

Обычно для решения этой проблемы в системе используется накопительный бак. Его объём варьируется от 3 до 15 литров. При этом треть объёма и более занимает полость со сжатым воздухом. Он необходим для вытеснения очищенной воды из бака – иначе она просто не польётся в кран для питьевой воды.

У компактных установок обратного осмоса функцию резервуара с водой выполняет последний или предпоследний блок очистки. Вместо горизонтальной воздушной подушки для компенсации давления в нём используется вертикальное разделение картриджа эластичной перегородкой. В одну секцию набирается вода после мембраны, а в другую - предварительно отфильтрованная вода, которая затем также сливается в канализацию.

С накопительными ёмкостями связана проблема «протухания» воды. После мембраны она получается почти химически чистой, но по-прежнему обсеменённой. Есть множество микроорганизмов, активно размножающихся в ёмкостях с отфильтрованной водой. Основная их часть получила название автохтонных, поскольку изначально присутствуют в воде. Пока в ней есть хлор, он сдерживает активность вегетативных форм. Как только хлор удалили – вся микроскопическая живность начинает размножаться буквально в геометрической прогрессии.

Большая часть колоний растёт непосредственно на мембране обратного осмоса. Каждая из них предпочитает свой слой мембраны, но при отмирании все они выделяют токсины, частично попадающие в отфильтрованную воду.

Слизь, биоплёнки и колонии на мембранах обратного осмоса (изображение: dutrion.com.ua)

Если разобрать накопительный бак СОО через год после использования, то загрязнение микрофлорой обычно видно и на нём невооружённым глазом. Ослизнение стенок накопительного бака и других участков, где происходит застой отфильтрованной воды, чаще всего вызывают зооглеи – особая форма колоний грамм-отрицательных водных бактерий в виде рыхлой студнеобразной массы. Иногда в СОО проникают и аллохтонные микроорганизмы, то есть, попадающие извне.

Сферолитусы и другие нитчатые бактерии образуют рыхлую буроватую слизь на стенках. В основном это железобактерии из семейства Leptothrix и Crenothrix (спасибо стальным трубам), а также Chlamydobacteriaceae. К ним добавляется тонкий мицелий водных лептомитовых грибков и колонии микроскопических диатомовых водорослей. Всего в пробе из поработавшей несколько месяцев СОО можно насчитать несколько десятков разных микроорганизмов – это целый биоценоз.

Производители утверждают, что «через мембрану проходят только молекулы воды». Если бы это было действительно так, то в СОО не было бы проблемы загрязнения микроорганизмами. По факту в мембране всегда есть дефекты. Ей отсеиваются колонии и, возможно, крупные вегетативные формы. Споры и прочая мелочь регулярно попадают в бак с «чистой» водой – убеждался неоднократно. Проникают ли они через саму мембрану, или попадают через дренаж из канализации - потребителю не важно. Когда заявляется о высочайшей степени очистки воды в СОО, имеются в виду чисто химические, но не микробиологические показатели.

Кристен Брастад, к.т.н. и старший инженер-механик в лаборатории Lam Research при университете Висконсин-Милуоки ведёт научно-популярный блог о проблемах очистки воды. Процитирую здесь один из пунктов FAQ:

Q: Do reverse osmosis filters remove bacteria? How?
A: Yes, bacteria will be removed via reverse osmosis due to size exclusion (i.e. the bacteria are larger than the pores in the reverse osmosis membrane so they can’t pass through). However there can be defects in the membranes which allow the bacteria to pass through. I’ve also seen it hypothesized that the bacteria will move around the o-ring which typically seals the reverse osmosis into place within its housing. Secondary contamination, where bacteria will move up the pure water stream and attach to the membrane, is also a possibility. This is why while bacteria can be removed via reverse osmosis, these systems are rarely certified to be microbiological purifiers.

Мембрана и комплекс фильтров до неё действительно снижают общую жёсткость воды почти до нуля, устраняют почти все органические загрязнители и микроорганизмы. Ключевое слово: почти. В обычных магистральных фильтрах мы игнорируем эти остатки потому, что вода постоянно сменяется, а здесь она застаивается в резервуаре. В некоторых установках обратного осмоса используются дополнительные картриджи очистки, расположенные уже после мембраны. Думаю, теперь вы понимаете – зачем.

Схема пятиступенчатой очистки в СОО с дополнительным фильтром после мембраны (изображение: freshwatersystems.com)

Система обратного осмоса хоть и обладает мельчайшими порами – в целом это открытая и нестерильная система. Резервуар заполняется часами (если не сутками), и за это время вода портится.

Вода без вкуса, цвета и запаха

Среди бытовых систем доочистки водопроводной воды самые высокие показатели по химическим параметрам ожидаемо у СОО. Однако нам не в аккумулятор её лить, а пить. Максимально очищенная вода теряет свои органолептические свойства. Она становится безвкусной, слишком мягкой и плохо утоляет жажду. Поэтому в некоторых установках обратного осмоса используется ещё и картридж для реминерализации. Это нужно не «для насыщения организма микроэлементами», как преподносится в рекламе, а для появления вкуса и повышения осмотического давления полученной питьевой воды.

Можно полностью устранять из воды железо, кальций и другие микроэлементы, поскольку человек их получает преимущественно с пищей. Однако полностью обессоливать воду тоже не стоит по другим причинам. При одномоментном поступлении внутрь в больших количествах («специалисты» по питанию пьют её литрами) она вызывает целый ряд нежелательных изменений. Подробнее писал об этом здесь

Соли ≠ загрязнители

С водой из централизованных систем питьевого водоснабжения к нам поступают различные соединения, которые можно разделить на две большие группы:

постоянно присутствующие в норме компоненты (например, соли и растворённые газы, включая хлор);
посторонние вещества (например, нефтепродукты, пестициды и другие загрязнители).

Соли не относятся к загрязнителям. Они обеспечивают адекватное осмотическое давление воды и нужны для поддержания нормального водно-электролитного баланса в организме человека. Их не требуется полностью удалять из питьевой воды.

Достаточно соблюдать СанПиН 2.1.4.1074, в котором приняты следующие нормативы:

Общая минерализация (сухой остаток) < 1000 мг/л
Жесткость общая < 7 мг-экв./л
Число образующих колонии бактерий: менее 50 в 1 мл.

В концентрациях ниже ПДК хлор также не является загрязнителем. Он строго дозируется на станциях водоочистки для подавления роста микроорганизмов. На стороне потребителя остаточный хлор быстро улетучивается (или адсорбируется на картридже с активированным углём). Поэтому ни исходную водопроводную воду, ни доочищенную фильтром не следует долго хранить. В лишённой хлора воде быстро размножаются бактерии. Оставаясь «чистой» по химическим показателям неопределённо долго, она быстро (летом – в течение 2-4 часов) перестаёт соответствовать нормативам по общему микробному числу и другим общесанитарным показателям.

Потребителей часто вводят в заблуждение, именуя соли «вредными веществами» и показывая их содержание при помощи установки для электролиза. Естественно, при её включении образуется осадок (причём, в основном из материала электрода), поскольку обычная вода всегда содержит ионы солей, которые делают её проводником. После СОО вода получается практически обессоленной (близкой к дистиллированной) и электролиз в ней почти не идёт. Однако это означает лишь то, что СОО удаляют из воды большую часть (90-95%) солей.

Другой вариант напугать потребителя – показать значения карманного прибора TDS-метра. Это простейший солемер, который используется в основном для оценки степени солёности воды в аквариумах, системах гидропоники и прочих специфических областях.

Измерение солёности воды с помощью TDS-метра (фото: n4.sdlcdn.com)

Нормативы там другие, поэтому водопроводная вода может им не соответствовать, а прибор будет показывать «превышение».

Никакого отношения к оценке уровня загрязнения воды TDS-метры не имеют. Оценка качества питьевой воды проводится в лабораториях по 1500+ показателям. Для каждой группы загрязнителей разработаны свои приборы и отдельные методики. Попытка «доказать качество фильтра» показаниями TDS-метра - это просто недобросовестный маркетинговый приём.

Обессоленная вода не рекомендуется даже для «умной» техники. Конечно, чайник или простейший водонагреватель прослужит на ней дольше из-за минимального образования накипи, однако «умная» техника может выйти из строя. На современных утюгах и парогенераторах с микроконтроллером даже стали писать предупреждение: «не использовать дистиллированную воду!». Как и вода после СОО, она обладает большим сопротивлением. Из-за её использования контактные пары индикаторов работают при максимальном напряжении, а микроконтроллер неверно регулирует нагрев. Более того, из-за низкой вязкости такая вода может вытекать из паровыпускных отверстий.

Из личной практики

За годы работы в НИИ я выполнил отбор бессчётного количества проб. Многие из них были набраны в проблемных районах из скважин, колодцев и открытых источников, поэтому я часто наблюдал сильные превышения ПДК. Настолько сильные, что химики уставали выполнять разведение образцов. Аналитические приборы стабильно зашкаливали, показывая «выше предела измерений» по всем основным загрязнителям.

При этом даже мутная вода из городского водопровода в неблагополучных населённых пунктах выглядела на этом фоне более-менее чистой. Не удивительно – со станции водоснабжения она уже поступает очищенной согласно требованиям нормативных документов. Поэтому в ней регистрировались умеренные превышения по отдельным показателям, а основную проблему создавали вторичные загрязнения – банальная ржавчина из старых труб, песок и прочие нерастворимые примеси. Уже после фильтра механической очистки такая вода становилась визуально чистой. После же прохождения через самый дешёвый угольный фильтр она, как правило, вновь полностью соответствовала требованиям к питьевой воде.

Исключение составляла вода с повышенным содержанием растворимых соединений железа - Fe (II). Они не задерживались фильтром механической очистки и не полностью адсорбировались на угольном фильтре (мы использовали самый миниатюрный), окрашивая воду в едва заметный зеленоватый или желтоватый оттенок. В пробирке он не виден, а вот в высокой колбе на белом фоне – заметен, если хорошо присмотреться.

После отстаивания в такой пробе двухвалентное железо окислялось до трёхвалентного и появлялся бурый осадок (единичные частички). Если его отфильтровать (хоть через бумагу), то вода снова полностью соответствовала нормативам.

В прошлой статье "Очистка воды: как получить питьевую воду дома" я уже говорил о том, как просто и эффективно удалять из водопроводной воды различные загрязнители. Там же писал, что проблема жёсткой воды сильно преувеличена. Вода с высоким содержанием солей жёсткости встречалась мне лишь несколько раз за многие годы.

Очистка воды – этот тот случай, когда «лучшее – враг хорошего». Вы тратите N усилий для того, чтобы убрать из водопроводной воды 95,0% вторичных загрязнений – разумный подход. Хотите больше? Очистка до 99,0% потребует 5N затрат. Ещё больше? Очистка до 99,90% потребует уже 10N и разных компромиссов, а уровень 99,95% достижим только на производстве.

Конечно, это ориентировочные цифры – просто для демонстрации соотношения усилий и результата.

Важно понимать, что каждый этап фильтрации вносит меньший вклад в повышение качества воды, чем предыдущий. Механической очистки и адсорбции хватает для того, чтобы получить из городского водопровода безопасную питьевую воду. Остальные методы опциональны и требуются в отдельных специфических случаях.

Буду благодарен за ваши комментарии! Особенно интересно услышать мнение профессиональных инженеров, химиков и врачей, истории из практики специалистов.

PS: рекомендую прочесть статью Споры о минеральной воде: факты vs домыслы. В ней поясняется про осмос и отсутствие реальной необходимости ежедневно пить определённое количество воды.

В следующем посте планирую разобрать проблему очистки воды за городом и в путешествиях. Там есть свои особенности.