Бытовые малогабаритные устройства очистки воды

Бытовые малогабаритные устройства очистки воды , обычно называемые фильтрами, при кажущейся простоте должны обладать рядом комплексных свойств и решать те же задачи, что и крупногабаритные, специально спроектированные с учетом всех факторов применения - состава воды, режима ее потребления и т. п. Фильтры же работают в условиях полной неопределенности их применения. Это связано с тем, что потребитель, как правило, не делает анализ воды и выбирает фильтр по своему усмотрению, основываясь на его внешнем виде, рекламе и стоимости.

Условия использования бытовых фильтров очень тяжелые - высокая температура и непостоянное использование способствуют размножению микроорганизмов, для которых питательной средой являются задержанные на фильтре органические вещества. Отсутствует контроль качества очистки. При этих условиях такое устройство как минимум не должно наносить вреда, а как максимум обеспечивать высокое качество воды.

Можно выделить две группы бытовых фильтров:

•   простейшие, выполняющие одну функцию;

• комплексные, обеспечивающие очистку от нескольких компонентов.

В городских условиях, в воде, прошедшей очистку на городском водозаборе, основными загрязнениями являются окисленное железо от изношенных трубопроводов, избыточные органика и активный хлор. Для сельских, дачных и походных условий загрязнения определяются местом отбора воды и могут быть структурированы как в водах поверхностных или подземных источников. В поверхностных водах основными загрязнениями являются взвеси, органические вещества и биологические объекты, а в подземных - избыточное железо и марганец, органика и жесткость.

Соответственно состав устройств для очистки таких вод должен быть различен и включать комплекс из нескольких ступеней. Однако многие фирмы предлагают одноступенчатые фильтры на все случаи жизни.

Большинство предлагаемых на отечественном рынке бытовых устройств подробно и профессионально описаны в работе . Там же приводятся данные о составах вод, происхождении различных загрязнений, их влиянии на организм и истории развития процессов водоподго-товки. Рекомендации по выбору системы очистки предложены в работе . В данном труде предлагаются краткие сведения по таким системам и их характеристикам.

Однопатронные фильтры состоят из стандартного или специального корпуса .

Такие фильтры могут быть полезны в городских условиях для защиты сантехнического оборудования от износа и в коттеджах в качестве дешевой по первоначальной стоимости, но дорогой в эксплуатации альтернативы засыпным фильтрам.

Фильтры типа Хонивелл  практически бесполезны в городских условиях. Для защиты от песка их легко заменяют стандартные грязевики, имеющие на два порядка меньшую цену. Для предочистки артезианской воды они, как правило, непригодны, поскольку при наличии глинистых включений сетка забивается необратимо. Их применение оправдано только при наличии в воде неслипающихся взвесей типа песка.

Разработано большое число картриджей, в которых послойно расположено несколько материалов, предназначенных для удаления различных загрязнений. Используются активные угли в виде гранул, волокон и ткани, ионообменные смолы в солевых формах, в том числе насыщенные серебром, йодом, фтором, катализаторы обезжелезивания и т. п.

К однопатронным можно отнести и микроультрафильтрационные установки, которые обеспечивают удаление взвесей, железа, бактерий и, частично, органических загрязнений.

Многопатронные устройства  последовательно соединенных стандартных корпусов, в которые помещаются различные картриджи. Как правило, вначале устанавливают механический фильтр, защищающий последующие от забивания взвесями. Затем располагают различные картриджи для удаления растворенного железа, органических и биологических загрязнений.

В однопатронных многофункциональных картриджах, рассчитанных на воду определенного качества, в других условиях происходит преждевременный незаметный выход из строя отдельных фильтрующих слоев. Преимуществом многопатронных устройств является возможность замены отдельных картриджей, отработавших свой ресурс. К сожалению. опыт показывает, что очень редко потребитель следит за работой фильтров и качеством воды. Если оно снижается, большинство просто выкидывает всю систему.

Одним из наиболее интересных решений в процессах очистки воды для бытовых целей, продуктом «высоких технологий», являются бытовые мембранные установки. Они выпускаются большим числом производителей и их цена постепенно падает, приближаясь к стоимости многокорпусных устройств. Такие установки предлагаются как обратноосмотические, реально они работают при давлении от 2 атм, и в них используются нанофильтрационные мембраны. Причем во всех устройствах производства любых фирм применяются идентичные мембранные элементы ведущих мировых производителей. Такие установки могут комплектоваться насосом повышения давления, ультрафиолетовым обеззараживателем и минерализатором. Последнее важно, поскольку применение для питания обессоленной воды вызывает споры медиков, да и не всем потребителям нравится ее вкус. Качество воды, обеспечиваемое такими устройствами, наилучшее. При приготовлении пищи в нее все равно вносятся необходимые соли. Недостатком подобного типа установок является их малая производительность - 100-200 л в сутки, причем единовременно можно забрать не более 2-3 литров. Однако ее вполне хватает на семью из нескольких человек. Кроме того, необходимо учитывать, что для приготовления 1 л чистой воды расходуется не менее 3-5 л исходной воды.

 Она содержит в своем составе механический  и угольный  предфильтры, мембранный модуль  и угольный постфильтр, а также буферную емкость - гидробак . Система простейшей автоматики  обеспечивает работу в режиме накопления чистой воды в гидробаке до тех пор, пока давление в нем не сравняется с давлением в питающем трубопроводе. После этого пропуск воды через установку прекращается. Отбор чистой волы производится из гидробака, давление в нем падает и работа установки возобновляется до заполнения гидробака.

Очищенная обессоленная вода (солесодержание порядка 20-30 мг/л) пропускается через угольный постфильтр  для улучшения органолептических показателей.

Для создания оптимального химического состава воды - жесткость 1,5-2,0 мг-экв/л, рН 7-8, воду дополнительно пропускают через картридж, загруженный кусками минерала, содержащего карбонат кальция. При его медленном растворении рН поднимается, вода становится стабильной, сбалансированной и наиболее вкусной.

Приобретая бытовой фильтр, необходимо уяснить себе, зачем он ставится. От этого зависит, какой фильтр необходим, и необходим ли он вообще.

В большинстве крупных городов с нормально работающими системами водоподготовки качество воды реально удовлетворяет всем нормам. Возможно сезонное появление посторонних запахов и привкусов, а также мути, взвесей после проведенных ремонтов.

В этих условиях целесообразно установить на весь поток воды механический фильтр и угольный на питьевую воду. При отсутствии органических загрязнений и взвесей ресурс работы угля очень велик . Если жесткость воды велика либо потребитель желает использовать для приготовления пищи и питья воду оптимального состава, необходимо проводить ее умягчение. Для умягчения используют одноразовые кар-

триджи при условии регулярной их замены или регенерации. Целесообразнее применение малогабаритной автоматизированной установки  либо частичное обессоливание обратным осмосом на малогабаритной установке.

Для населенных пунктов с низким качеством воды - повышенным содержанием взвесей, цветностью, запахом и т. п. - необходимо использование многопатронных устройств с комплектом картриджей механической очистки и с активным углем либо однопатронных с комбинированными картриджами. Поэтому целесообразно разделить потоки хозяйственно-бытовой и питьевой воды. На общем потоке необходимо устанавливать механическую очистку и, возможно, угольный фильтр. Для питьевых целей -дополнительно комбинированную или мембранного обессоливания.

В условиях загородного дома, где используется артезианская вода, практически всегда требуется обезжелезивание. Для очистки небольших количеств воды пригодны фильтры серии «Гейзер», имеющие относительно высокую емкость по железу. Возможно пользование промежуточной емкостью, в которой производится окисление железа и его частичное осаждение, после чего вода насосом подается через механический (желательно поверхностный, лепестковый фильтр, который можно регенерировать отмывкой) либо угольный картридж в систему.

При использовании поверхностной воды необходимо обеспечить очистку от органических и биологических загрязнений. Поэтому следует выбирать фильтры, содержащие обеззараживающие загрузки (например, йод), или установить в последнем корпусе устройства картридж с рейтингом менее 1 мкм. Ориентировочный выбор необходимых методов очистки воды в зависимости от состава загрязнений можно сделать по таблице 5.1.

Следует отметить, что многие производители вольно или невольно существенно завышают ресурс работы фильтров. При всех утверждениях об использовании уникальных материалов, реально применяются те же материалы, что и в остальных устройствах. Поэтому, например, ресурс по умягчению воды с жесткостью 6 мг-экв/л картриджа объемом 0,5 л с катионитом типа КУ-2-8чс, имеющим емкость до 2000 мг-экв/л, реально составляет всего 170 л. Ресурс картриджа по обезжелезиванию воды с содержанием железа 3 мг/л, составляющий 100 м , означает, что на картридже задержится 300 г железа или примерно 600 г его гидроокиси, что при влажности значительно более 90% означает объем более 5 л! Аналогично трудно ожидать извлечения большого количества тяжелых металлов несколькими миллилитрами сорбента, помещаемого в многофункциональные картриджи.

Бытовые системы очистки воды являются достаточно сложными системами, выбор которых желательно доверять специалисту, предварительно сформулировав свои требования и определив финансовые

возможности. Как любые высокотехнологические продукты, они требуют определенного обслуживания. При эксплуатации необходимо внимательно следить за качеством очищенной воды и регулярно выполнять предписанные производителем операции (промывки, реттерации. замены картриджей). В противном случае вместо пользы от такого устройства можно получить вред.

Возможность улучшения показателей качества воды бытовыми фильтрами

 Вспомогательные устройства, насосы-дозаторы

Насосы-дозаторы  широко используются в установках подготовки питьевой и технической воды для систем водоснабжения, отопления и энергетики. Они осуществляют дозирование реагентов, предназначенных для решения целого ряда технологических задач, таких как:

• коррекция солевого состава воды, контроль и поддержание в заданном диапазоне ее физико-химических параметров (рН, окислительный потенциал);

•  дозирование ингибиторов для подавления коррозионной активности воды и для предотвращения образования отложений на теплопередающих поверхностях;

•   дезинфекция воды.

Такие насосы должны обеспечивать высокую точность дозирования, быть надежны и удобны в управлении, стойкими к агрессивным химическим веществам.

К сожалению, отечественные насосы-дозаторы никогда не отличались высокими надежностью и другими эксплуатационными параметрами.

Появление в 90-х годах принципиально нового поколения импортных насосов-дозаторов, имеющих высокую точность дозирования, возможность легкой и оперативной перестройки режима работы, дистанционного управления импульсными и стандартными сигналами систем КИПиА и при этом изготовленных из пластмасс, стойких к самым агрессивным химическим реагентам, дало возможность существенно расширить область их применения, вплоть до малогабаритных бытовых устройств, домашних бассейнов и т. п. Многочисленными фирмами выпускается широчайшая номенклатура насосов-дозаторов по типажу и производительности, с возможностью программируемого ввода реагентов для автоматического поддержания заданных величин рН, концентрации активного хлора, окислительно-восстановительного потенциала и т. п.

Исходя из особенностей конструкции, можно выделить несколько основных типов дозирующих насосов:

• поршневые;

• мембранные;

• перистальтические.

Наиболее известными производителями насосов-дозаторов являются «Prominent» и «Grundfos». На рынке широко представлены более дешевые насосы производства «ЕМЕС», «Pulsatron», «Etatron», «Astral», «Seco», «Stenner», «Meterpump», «Grunbeck» и др. Большинство из них

являются мембранными с иектромш шп ным приводом. Значительно реже предлагаю 1ея и применяются перисдады ические насосы.

Поршневые насосы являются самой традиционной конструкцией, наиболее распространенной в России. Рабочим органом поршневого насоса является поршень из нержавеющей стали, который приводится в движение электродвигателем через редуктор с кулачковым механизмом. При возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре, снабженном клапанами на линиях засоса и нагнетания, происходит попеременное засасывание раствора в цилиндр и его последующее вытеснение в напорный трубопровод. Производительность таких насосов регулируется ходом поршня в относительно небольших пределах. Давление и производительность определяются мощностью электропривода и размерами поршневой группы. Производительность может составлять сотни литров в час, а давление сотни атмосфер.

Органическими недостатками такой конструкции являются пульсирующая подача, возможность протечек агрессивных реагентов, невозможность организации дистанционного управления расходом раствора и непосредственный контакт движущихся металлических частей с рабочими растворами.

Последний частично устраняют, используя промежуточную разделительную мембрану или сильфон. Пространство между поршнем и мембраной заполняется машинным маслом, через которое мембране сообщается колебательное движение. С транспортируемым раствором контактирует только мембрана, которая может быть изготовлена из материала, стойкого к данной среде, например, из фторопласта.

В мембранных дозирующих насосах всасывание и вытеснение раствора из рабочей камеры дозирующей головки происходит за счет вынужденного колебания мембраны, являющейся одной из стенок камеры. Как и в поршневых насосах, камера снабжена клапанами на линиях засоса и нагнетания.

Колебания мембраны могут быть созданы электромагнитным, электромеханическим и пневматическим приводами.

Наиболее распространены электромагнитные (соленоидные) дозирующие насосы, в которых колебательное движение передается на мембрану посредством соединенного с ней штока, движущегося в электромагнитном поле соленоида.

Регулировка дозирования осуществляется посредством изменения амплитуды и частоты хода штока. Особенности такой конструкции обусловливают примерно равную продолжительность относительно коротких периодов всасывания и нагнетания за время одного рабочего цикла.

Поскольку мощность такого привода невелика, мембранные соленоидные насосы применяются, как правило, при невысоких значениях противодавления - там, где не требуется большой напор и высокая производительность. В своем большинстве - это компактные аппараты, имеющие максимальную производительность до 50 л/ч, а давление до 20 бар .

Дозирующая головка изготавливается из пластических масс, клапана из керамики или спецстали. Материал подбирается применительно к используемой среде. Практически во всех конструкциях используется мембрана из фторопласта, наиболее химически стойкого материала, обладающего и хорошей устойчивостью к изгибающим усилиям. Это обеспечивает длительную эксплуатацию главного рабочего органа насоса. Считается нормальной бездефектная постоянная работа мембраны при частоте колебаний до нескольких сотен в минуту в течение года и более. При этом раствор подается практически непрерывно. В дорогих моделях немецкого производства используются композиционные мембраны, состоящие из нескольких слоев и имеющие еще большую надежность и ресурс.

Корпуса дозирующих головок изготавливают из полипропилена, ПВХ, метилметакрилата (оргстекло), ПВДФ. Для дозировки сильных окислителей, например, хлорсодержащих реагентов в высоких концентрациях, применяют головки из ПВХ, оргстекла, ПВДФ. Для менее агрессивных растворов используют более дешевые из полипропилена.

Практически все дозировочные насосы оснащаются электронными блоками управления, которые задают частоту, а иногда и амплитуду, импульсов. Они позволяют регулировать производительность в пределах 10-100% от максимальной.

Наибольший интерес представляет возможность дистанционного управления такими насосами. Причем управляющим сигналом может быть импульсный сигнал, поступающий, например, от водяного расходомера, либо стандартный токовый сигнал 0,4-20 мА.

Мембранный соленоидный дозирующий насос

В моделях с импульсной системой управления насос осуществляем подачу в соответствии с внешним сигналом от замыкающегося контакта. При работе в режиме пропорционального дозирования на каждый импульс от водосчетчика, соответствующий определенному объему воды, насос выполняет заданное число дозирующих импульсов, подавая в трубопровод определенный объем реагента.

При необходимости поддержания заданного значения какой-либо величины, например, рН, концентрации активного хлора или редокс-потенциала, устанавливается специальный контроллер, который управляет работой насоса в импульсном или токовом режиме.

Приборы контроля параметров среды используются стандартные или специальные малогабаритные, которые выпускаются для комплектации именно насосов-дозаторов. Причем иногда они производятся в виде моноблока, удобного в обслуживании .

Комбинированный блок для регулирования значения рН и содержания активного хлора в воде

Сравнительно недавно на отечественном рынке появилась новая разработка компании Grundfos - мембранные насосы с шаговым электродвигателем (серия ОМЕ). В конструкции этого типа насосов шток, движущий мембрану, другим концом крепится на эксцентрике с кулачковой передачей.

При постоянной работе шагового двигателя появляется возможность увеличить продолжительность цикла дозированной подачи настолько, что она будет значительно превышать продолжительность цикла всасывания, так что подача дозируемого вещества может осуществляться почти

непрерывно. При сочетании этого механизма с цифровым управлением удается добиться большой глубины регулировки и высокой точности дозирования. Насосы серии ОМЕ позволяют обеспечить дозирование в диапазоне производительности от 0,002 л/ч (ОМЕ 2-18) до 48 л/ч (ОМЕ 48-3) при максимальном давлении 18 и 3 бар соответственно. При этом диапазон регулирования для всех моделей серии 1-1000.

Значительно большей производительности позволяют достичь механические мембранные насосы, оснащенные асинхронным двигателем: до нескольких кубометров в час, а давления до 100 бар. Возможность

регулировки их производительности значительно меньше, чем у электромагнитных.

В зависимости от дозируемой среды (ее агрессивности, вязкости и пр.) выбирается материал дозировочной головки, мембраны (ПП, ПВХ, тефлон, нержавеющая сталь и др.), обратных клапанов всасывания и нагнетания. Благодаря этому возможно дозирование водных растворов таких веществ, как кислоты (соляная до 30%, серная до 40%), перекись водорода (до 30%), едкий натр (до 40%) и др.

 Мембранные насосы с пневматическим приводом

Насосы с пневматическим приводом - пульсационные насосы -разработаны в 60-80 гг. в России во ФГУП ВНИИНМ . Они используются в целом ряде производств для дозированной перекачки особо агрессивных, токсичных и радиоактивных растворов. Рабочим (движущимся) телом является сжатый воздух, непосредственно контактирующий с рабочим раствором. По конструкции такие насосы похожи на клапанные поршневые, в которых роль поршня выполняет сжатый воздух. Изменяя частоту подачи и выпуска воздуха, а также амплитуду колебаний, можно регулировать производительность в широких пределах.

Разработка износоустойчивых мембран позволила создать насосы следующего поколения, в которых воздух приводит в движение жидкость через эластичную мембрану. Для создания практически непрерывного потока жидкости насос имеет две рабочие камеры, мембраны которых соединены друг с другом . Каждая рабочая камера снабжена клапанами на всасывающей и напорной линиях. С другой стороны мембраны расположена воздушная камера, причем воздушные камеры мембран герметично разделены. При подаче сжатого воздуха в левую воздушную камеру, жидкость из левой рабочей камеры вытесняется в напорный трубопровод. Давление жидкости равно давлению сжатого воздуха. Одновременно левая мембрана тянет правую влево, из правой воздушной полости воздух вытесняется в атмосферу, а в рабочую зону засасывается

Схема пневматического пульсационного дозирующего насоса:

1 - рабочая камера, 2 - воздушная камера; а - всасывание, б - нагнетание

новая порция раствора. Затем воздух подается в правую камеру и цикл повторяется. Изменяя частоту импульсов, достаточно четко регулируют производительность. Аналогичные насосы разработаны и за рубежом.

К сожалению. ВНИИНМ выпускает такие насосы малыми партиями по заказу, а западные фирмы производят их серийно, причем из самых разных материалов и с широким диапазоном по производительности. Например, фирма Tapflo выпускает насосы с производительностью до 400 л в минуту из алюминия, нержавеющей стали, различных пластиков . Последние могут работать с глубоко обессоленной водой и с любыми кислотами и щелочами.

Перистальтические насосы

Принцип действия перистальтического насоса понятен из рисунка 6.4. В корпусе укреплена U-образная трубка или шланг из материала с высокой износоустойчивостью. На вращающемся валу расположена планшайба с 2 или 3 обжимными роликами (башмаками). Их расстояние до стенки камеры насоса равно толщине трубки в сплющенном состоянии. При вращении вала обжимные ролики полностью пережимают трубку и перемещают содержащуюся в ней жидкость от всасывающего патрубка к нагнетательному. Регулируя скорость вращения, можно плавно изменять производительность насоса. Ступенчатое изменение производится при замене трубки на другой диаметр.

Фазы работы перистальтического насоса

Поскольку трубка всегда пережата как минимум в 1 сечении, обратный поток жидкости невозможен и отпадает необходимость в обратных клапанах. Такие насосы сами засасывают жидкость из расходных емкостей. При установке на одной оси насоса нескольких дозирующих головок обеспечивается подача всех необходимых реагентов.

Перистальтические насосы обеспечивают наиболее равномерную подачу жидкости. Отсутствие непосредственного контакта жидкости с движущимися частями обеспечивает ее стерильность. Химическая стойкость определяется только стойкостью материала трубки.

К недостаткам перистальтических насосов относится относительно низкое давление - до 1,75 атм для стандартных насосов - и недостаточная надежность трубок.

Существуют перистальтические насосы и с большим рабочим давлением, но их стоимость выше. НПП «Экотехника» выпускает шланговые насосы большой производительности 1,4-30 м7ч, рассчитанные на давление до 15 атм.

Некоторые характеристики различных типов дозирующих насосов, присутствующих на российском рынке, приведены в таблице 6.1 .

Характеристики дозирующих насосов