На сегодняшний день бытовые системы обратного осмоса (RO), используемые для получения питьевой воды, переживают всплеск популярности, так как позволяют неизбирательно снижать концентрации примесей, включая такие современные загрязнители как перфторалкильные вещества, свинец, микропластики и фармацевтические препараты.

Не все бытовые системы RO работают одинаково и находятся в одинаковых эксплуатационных условиях. Появляются проблемы: низкая производительность, большой слив воды в канализацию, неожиданный проскок примесей в очищенную воду. Что важно знать и что можно изменить в условиях эксплуатации.

 

Эксплуатация с правильным давлением воды на входе.

Для ефективного отделения загрязняющих примесей и производства воды с высокой степенью очистки мембрана обратного осмоса должна находится под давлением. Необходимое значение давления будет зависеть от ряда ключевых факторов, которые и потребитель, и инсталлятор часто упускают из воду. Производители обычно указывают в спецификациях к бытовым системам обратного осмоса диапазон рабочего давления  2,5 – 6,5 бар. При этом характеристики бытовых мембраны обычно базируются на рабочем давлении  4 бар. Действительно бытовая система обратного осмоса может эксплутироваться при входном давлении 2.5…3 бар, однако ефективность работы мембраны не будет высокой.

 

Осмотическое давление. Чистая движущая сила давления.

Другой фактор влияния на уровень рабочего давления – параметр общей минерализации воды (TDS), измеряемый в мг/л или ppm.  Уровень TDS исходной воды определяет осмотическое давление, которое нужно компенсировать. Давление воды, приложенное к поверхности мембраны, после корректировки на осмотическое давление, называют чистой движущей силой. Каждые 100 мг/л общей минерализации будут снижать чистую движущую силу на 0,07 бар. Например, вода с минерализацией 1000 мг/л будет иметь снижение чистой движущей силы на 0,7 бар. И если, входное давление низкое, общая минерализации воды радикально снизит ефективность отделения примесей. Моделируем типичную ситуация: входное давление воды 2,5 бар, общая минерализация — 1000 мг/л. При таком сценарии чистая движущая сила давления снизится до 1,8 бар и доля отделение примесей может уменьшаться до неприемлемого значения.

Когда источником воды служит скважина мы регулярно сталкиваемся с рабочим давлением в системе водоснабжения 2…2.5 бар и водой с высокой минерализацией. Чаще всего работой скважинного насоса управляет реле давления, типично настроенное на включение насоса при давлении 2.0 бар и отключение насоса при давлении 3.5 бар. В таком варианте настроек реле давления мембрана системы обратного осмоса никогда не получит давление в 3.5 бар (насос остановлен) и всегда будет сталкиваться с действием давления ниже оптимального уровня. Низкое давление и высокий TDS приведут к значительному снижению характеристик мембраны. В зависимости от задачи это также будет означать неудовлетворительное снижение содержания загрязняющих примесей. Например, концентрация нитратов при давлении в 6 бар снижается бытовой системой RO только на 80%. При низкой чистой движущей силе давления достигнутый уровень снижения нитратов может составлять 20…30% и представлять риски для здоровья потребителя.  Мы не можем изменить TDS исходной воды, но мы можем увеличить давление на мембрану.

 

Насос повышения давления.

Насос повышения давления – простое решение для сценариев с низким давлением входной питающей воды. Повышение давления входной воды на 2 бар кардинально меняет правила игры. В рассматриваемом выше примере повышение давления на 2,5 бар увеличивает чистую движущую силу давления до 4.3 бар, что позволит мембране производить воду с должной производительностью и отделять примеси с должной ефективностью.  Однако и здесь есть ньюансы.

Насос повышения давления должен, как минимум, поддерживать «мощность» мембраны. На рынке представлено множество бытовых систем обратного осмоса с мембранами производительностью  от 25 до 150 GPD. Соответственно, насос должен обеспечивать достаточный поток воды с требуемым уровнем давления. Насос повышения давления требует наличия реле отключения насоса при достижении заданного уровня давления в гидроакумуляторе. Доступны реле з фиксированным давлением отключения  насоса 2.7 бар, 4 бар и 5.5 бар. Давление воды 4 бар в гидроакумуляторе выглядит отличным вариантом, однако, легко создать ситуацию при которой встроенный автоматический 4-х ходовой отсечной клапан перекроет подачу воды на мембрану задолго до того, как будет в гидроакумуляторе достигнуто давление 4 бар. Как следствие насос не отключится, начнет нагреваться и выйдет из строя.

Встроенный автоматический 4-х ходовой отсечной клапан перекрывает подачу воды на мембрану при достижении в гидроакумуляторе давления, равного приблизительно 2/3 входного давления на мембрану. Например, если насос повышения давления обеспечивает давление на мембрану 5.5 бар, 4-х ходовой отсечной клапан перекроет подачу воды на мембрану при достижении давления в гидроакумуляторе приблизительно 3.6 бар. Соответственно, реле отключения насоса с фиксированным значением 4 бар никогда не сможет отключить насос, так как этот уровень давления никогда не будет достигнут в гидроакумуляторе.

 

Давление воздуха в гидроаккумуляторе.

Чистая движущая сила также расходуется на преодоление противодавления в гидроакумуляторе.  Поэтому из значения входного давления мы вычетаем как осмотическое давление, так и начальное давление сжатого воздуха в пустом гидроакумуляторе. Этот расчет позволяет нам проверить будет ли наша система RO работать должным образом в определенных условиях. Этот расчет не учитывает рост противодавления в гидроакумуляторе по мере его заполнения, например,  на 25%, на 50 % или на 100%. Когда гидроакумулятор пуст, начальное давление сжатого воздуха составляет обычно 0,4 бар. Наполненный гидроакумулятор в зависимости от входного давления воды может иметь значение давления 2.5…3 бар. Когда последние порции очищенной воды поступают в гидроакумулятор чистая движущая сила практически приближается к нулевому значению, расходуясь на преодоление противодавления в гидроакумуляторе. При этом понижение чистой движещей силы приводит к падению качества очищенной воды и к проскоку TDS. К сожалению насос повышения давления не устраняет проблему проскока TDS в очищенную воду. Есть только один способ решения проблемы проскока – нужно устранить каким-либо образом противодавление воды в гидроаккумуляторе на мембрану. Мы могли бы использовать для накопления очищенной воды вместо мембранного гидроакумулятора открытую накопительную емкость, но тогда для подачи воды в точки потребления понадобиться дополнительный насос повышения давления – насос «второго подъема».  Есть другое решение – насос пермеата (очищенной воды).

 

Насос повышения давления пермеата.

Насос пермеата устраняет проблему, создаваемую противодавлением гидроакумулятора на мембрану. Независимо от степени заполнения гидроакумулятора насос пермеата позволяет мембране работать в условиях снижения чистой движущей силы только на 0,4 бар. Это решение устраняет проблему проскока TDS в очищенную воду и решает еще одну традиционную проблему –  объем слива воды в канализацию резко сокращается.

 

 В чем суть проблемы большого сброса воды в канализацию.

 По мере заполнения гидроакумулятора и увеличения противодавления очищенной воды, снижается чистая движущая сила, замедляется скорость производства и накопления очищенной воды. При этом скорость потока воды на слив (поток концентрата) характеризуется фиксированным значением и не замедляется. Обычно бытовые мембраны рассчитаны на извлечение 25% очищенной воды (соотношение потока пермеата и концентрата 1:3). Это означает что на каждый 1 литр очищенной воды  3 литра воды должны сбрасываться в канализацию. Однако, это соотношение может снизиться вплоть до значения 1:20 (на каждый 1 литр очищенной воды  20 литров воды сбрасывается в канализацию) из-за замедления потока наполнения гидроакумулятора. Низкое и нерегулярное потребление очищенной воды заставляет систему RO работать в худшей точке производительности (на наполнение практически заполненного гидроаккумулятора), с минимальным  качеством очистки и большим сбросом воды в канализацию. Насос пермеата позволяет устранить проблему сброса большого количество воды на слив в канализацию за счет фиксации соотношения пермеата к концентрату на уровне 1:3.

Предлагая бытовые системы RO продавци смело декларируют соотношение получения очищенной воды к воде, сброшенной в канализацию, на уровне 1:3…1:5. На практике низкое и нерегулярное потребление очищенной воды вместе с низким давлением на входе приводит к соотношениям 1:15…1:20. Национальное американское Агенство по окружающей среде ((US EPA) считает, что только использование насоса пермеата может быть единственным способом достигнуть приемлемой ефективности для бытовых систем RO. На сегодняшний день сброс в канализацию большого объема пресной воды — наибольшая проблема бытовых систем RO.

 

Итог.

Бытовые системы обратного осмоса позволяют получить питьевую воду очень высокого качества. Однако, качество питьевой воды по прежнему может оставаться неприемлемым, если условия експлуатации не соблюдаются.

Мое правило состоит в следующем: если источник воды – скважина, управление скважинным насосом осуществляет реле давления с настройками 2.0/3.5 бар, а общая минерализация воды больше 500 мг/л я рекомендую систему RO с насосом повышения давления*. При этом я акцентирую внимание на необходимости предварительной очистки воды «на входе в дом», если состояние исходной воды настолько низкое, что даже самый лучший осмос самого лучшего производителя выйдет из строя в короткий период. Вода с избыточным содержанием железа, марганца, сероводорода, высокой жесткостью и микробиологическим загрязнением  должна быть предварительно подготовлена до того, как поступит на вход бытовой системы RO.

*почти идеально — система RO c насосом повышения давления, без накопительного бака, с производительной мембраной 300…400GPD и прямой подачей в кран.