Способ очистки воды для бытового использования
METHOD OF HOUSEHOLD WATER TREATMENT

Изобретение относится к устройствам для обеспечения населения водой питьевого качества, в том числе и от централизованного водоснабжения, и может быть использована для индивидуального потребления путем продажи питьевой воды в розлив.
В связи с ухудшением в последние годы качества воды в водопроводе централизованного водоснабжения из-за сильной изношенности водопроводных сетей и дилетантского подхода к газообразному хлору как самому эффективному дезинфектанту в системе обеззараживания воды, люди стали бояться пить водопроводную воду из под крана и готовить из нее пищу. Взамен воды из под крана люди ищут воду с приятным вкусом, без запаха хлора, болотистого или железистого вкуса и запаха, накипи в чайнике с учетом своих вкусовых ощущений, определяемых потребностью организма. Люди стали покупать в магазинах бутилированную воду из природных источников, сертифицированную по СанПиН 2.1.4.116-02, как вода самого высокого питьевого качества. Но такая вода дорога по цене ее покупки.
В связи с этим более привлекательным становится использование устройств очистки воды для бытового применения.
Так в RU 139649, C02F 9/00, опубл. 20.04.2014 г., описан способ очистки воды для бытового использования, заключающийся проведении механосорбционой очистки воды до остаточных включений размером не более 1 микрона, пропуске этой воды под давлением через мембрану обратноосмотической установки и направлении ее в минерализатор для придания воде благоприятных вкусовых свойств перед отпуском потребителю.
Это решение принято в качестве прототипа.
Этот способ реализуется конкретным устройством очистки воды для бытового (питьевого) использования, содержащим насос, накопительный бак исходной воды, система управления расходом и давлением воды, узел коагуляции, осадочный фильтр, универсальный фильтр, узел регенерации универсального фильтра, устройство для дезинфекции, анализатор содержания примесей, систему розлива и продажи воды с блоком фильтров, расположенных в следующей последовательности: механический микронный, сорбционный, механический ультрамикронный, насос высокого давления, фильтр обратного осмоса, гидроаккумулятор, сорбционный фильтр, минерализатор, устройство для розлива воды, озонатор, устройство для продажи воды.
Недостатком данного решения является чрезмерная химизация процесса очистки с целью ее обеззараживания и приведения к питьевому составу. Так, узел регенерации универсального фильтра используется с емкостью для солевого раствора KCL, внутри которого встроен фидер (автоматический дозатор с дезинфицирующим раствором), а устройство для дезинфекции с емкостью для дезинфицирующего раствора имеет два ввода хлора.
Для универсального фильтра используется фильтр Ecotar, разработанный компанией Гейзер, с 5 типами загрузки. Подбирается соответствующий состав фильтра. Для очистки исходной воды с аномально высоким содержанием растворенного железа 30 мг/л устанавливается фильтр Ecotar - В30. Бак для регенерации заливается 8-12% солевым раствором КСl, внутри бака с солевым раствором устанавливается фидер с дезинфицирующим раствором. Устройство для дезинфекции патогенной микрофлоры заполняется гипохлоритом натрия. Устройство для дозирования гипохлорита натрия настраивается для работы в автоматическом режиме на дозирование необходимого хлора в воде. Для этого производится экспресс-анализ исходной воды и затем производится настройка дозирующего устройства для работы станции в автоматическом режиме.
Для получения питьевой воды с оптимальным минеральным составом блок фильтров комплектуется минерализатором для обогащения полезными минеральными солями и микроэлементами. Страховочная доочистка воды позволяет полностью убрать все неприятные привкусы воды, в том числе запах хлора. В результате вода приобретает приятный вкус без болотистого, железистого вкуса и без запаха хлора.
Видно, что процесс очистки тесно связан и зависит не только от набора химикатов, но и от отлаженности автоматики, которая регулирует подачу химических компонентов в проходящий водяной поток. Кроме того, имеется система постоянного мониторинга состава питьевой воды, в функцию которой входит внесение поправок в систему автоматики с целью регулирования химических процессов очистки от исходного водного сырья.
Несмотря на достаточную функциональность систем контроля и управления процессом очистки такие системы хорошо работают на больших объемах воды, при небольших расходах потребления системы работают с малым набором данных и не могут проводить операции по усреднению показателей для получения вероятностно достоверного результата. В результате алгоритм системы управления начинает формировать управляющие сигналы с ошибкой. Ко всему, прочему все системы дозирования плохо работают на микродозах, так как относятся к категории гидромеханических устройств, у которых всегда имеется начальная зона нечувствительности, в диапазоне которой механизм просто не работает. Для приборов бытового использования такие механизмы бесполезны, равно как и сложная автоматика, контролирующая и состав питьевой воды и дозирование химических компонентов.
Системы, применяющие химические принципы очитки воды, хорошо работают только после проведения операций по коагуляции и грубой очистки воды, и при этом при больших объемах. В результате такой очистки и обработки воды с целью придания ей питьевого вкуса (благоприятных вкусовых свойств) получаем на выходе установки воду, которую можно считать питьевой (при условии точного срабатывания автоматики и по результатам химического анализа). Но нельзя забывать, что от точки выхода такой питьевой воды до крана потребителя вода проходит километры труб, гидроаппараты, отстойники, расветвители, ловушки и т.д. Никто не может гарантировать сохранность первичных питьевых качеств воды в точке потребителя. Состояние распределительных трубопроводов и гидроаппаратов оказывают серьезное влияние на состав воды в вопросе ухудшения этого качества и превращения питьевой воды в техническую.
Известно, что 80% всех магистральных водоводов в России собраны из стальных труб, уличная водопроводная сеть - из чугунных труб с заделкой стыков цементными растворами, 10-15% - пластмассовые трубы (полиэтиленовые, полипропиленовые и др.), остальное - медные трубы. Стальные трубы не имеют должной защиты от внешней и внутренней коррозии. При прохождении воды по тубам в ней увеличивается содержание железа. В основном это связано с присутствием в природных водах растворенного кислорода в концентрациях 5-15 мг/л, в зависимости от времени года, температуры, фотосинтеза водных растений, наличия планктона или ледяного покрова. Присутствующий в воде кислород, который является инициатором коррозии, переводит железо стенок трубопроводов в ионную форму (в раствор). Только по этой причине концентрация железа в питьевой воде может составить 2-10 мг/л, что в 10-30 раз выше ПДК. Результаты исследований показали, что вода, содержащая железо в концентрации 0,3 мг/л (гигиеническая норма), безопасна для здоровья населения, в концентрации 10 мг/л и выше обладает аллергенным действием. Вода, содержащая повышенные концентрации железа, способствует развитию колоний железобактерий, при отмирании которых внутри труб накапливается плотный черный осадок (иногда его называют "шламом"). Микроорганизмы, способствующие обрастанию внутренней поверхности водоводов в системах транспортирования питьевой воды, не только отрицательно влияют на ее качество, выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности. Поселившись в кавернах разрушенных коррозией труб, они принимают активное участие в разрушительных коррозионных процессах. Обследование таких систем показало, что под слоем наростов, образованных железокислородными микроорганизмами, в зонах анаэробиоза развивались сульфатредуцирующие и нитратредуцирующие бактерии. В процессе их жизнедеятельности образуется среда, которая способствует разрушению трубопроводов.
В воде распределительных трубопроводов, подвергнутой обработке на станциях централизованного водоснабжения, обнаруживаются различные микроорганизмы, как патогенные, так и непатогенные. В воде, льющейся из крана, могут присутствовать энтеровирусы, полиовирусы, вирусы Коксаки А, вирусы Коксаки В, ECHO и некоторые штаммы, не определяющиеся диагностическими сыворотками. Это препятствует сохранению санитарно-гигиенических качеств воды с момента обеззараживания до момента подачи ее потребителю. (Кн. "Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры", авторы Миклашевский Н.В., Королькова С.В., Санкт-Петербург, изд-во "Арлит", 2000, 240 с.).
Присутствие этих бактерий и вирусов в водопроводной воде объясняется недостаточным последствием обеззараживающих агентов (в частности, активного хлора). При подготовке воды на таких аппаратах, к которым относится решение по прототипу, используется санитарно установленная дозировка, вполне решающая задачу обеззараживания. Однако реагирование воды с наслоениями и бактериями в трубопроводах и изменение ее химического состава (например, по железу) приводят к ослаблению ее обеззараживающих качеств. В результате потребитель имеет в потреблении воду, серьезно отличающуюся от той, которая выходит из аппарата очистки.
В связи с этим актуальным становится обеззараживание воды и повторная очистка воды, которая прошла длинный путь по распределительным трубопроводам или находилась некоторое время в непроточном состоянии.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении бактерицидной защиты воды и ее физиологических свойств.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды для бытового использования, заключающемся в проведении механосорбционой очистки воды до остаточных включений размером не более 1 микрона, пропуске этой воды под давлением через мембрану обратноосмотической установки и направлении ее в минерализатор для придания воде благоприятных вкусовых свойств перед отпуском потребителю, отличающийся тем, что дополнительно после механосорбционой очистки воду в потоке обрабатывают магнитным полем для последующей очистки обработанной воды обратным осмосом в обратноосмотической установке, после очистки обратным осмосом водный поток под давлением пропускают через фильтры с активированным углем и с шунгитосеребрянной загрузкой, а после обработки воды в минерализаторе и перед отпуском потребителю водный поток направляют в накопитель, в котором проводят стерилизацию ультрафиолетовыми лампами для поддержания в воде отсутствия бактериальной составляющей.
При этом перед очисткой обработанной воды обратным осмосом в обратноосмотической установке воду можно пропустить через камеру кавитационного реактора.
Кроме того, в момент отпуска воды из накопителя потребителю можно провести озонирование подаваемой потребителю охлажденной или неохлажденной порции воды.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - блок-схема устройства очистки воды для бытового использования.
Согласно настоящему изобретению рассматривается способ очистки воды для бытового использования, позволяющий в бытовых условиях получать очищенную от загрязнений и бактерий воду с высокими физиологическими свойствами и без применения химических компонентов.
В общем случае способ очистки воды для бытового использования заключается в проведении механосорбционой очистки воды до остаточных включений размером не более 1 микрона, пропуске этой воды под давлением через мембрану обратноосмотической установки и направлении ее в минерализатор для придания воде благоприятных вкусовых свойств перед отпуском потребителю.
При этом дополнительно после механосорбционой очистки воду в потоке обрабатывают магнитным полем и пропускают через камеру кавитационного реактора для последующей очистки обработанной воды обратным осмосом в обратноосмотической установке, а после очистки обратным осмосом водный поток под давлением пропускают через фильтры с активированным углем и с шунгитосеребрянной загрузкой.
А после обработки воды в минерализаторе и перед отпуском потребителю водный поток направляют в накопитель, в котором проводят стерилизацию ультрафиолетовыми лампами для поддержания в воде отсутствия бактериальной составляющей
Кроме того, в момент отпуска воды из накопителя потребителю проводят озонирование подаваемой потребителю охлажденной или неохлажденной порции воды.
Ниже рассматривается пример конструктивного исполнения устройства, реализующего этот новый способ.
Устройство очистки воды для бытового использования (фиг. 1) содержит расположенные в общем корпусе и закрепленные на его стенках компоненты, выстроенные в общую последовательную цепочку прохождения обрабатываемой воды. В качестве источника воды можно рассматривать, как пример, накопительную емкость большого объема или подключение к системе централизованного водоснабжения. Рассматриваемое устройство не рассчитано на обработку воды из загрязненных источников или рек (ввиду отсутствия блоков по грубой очистке воды от макровключений и коагуляции), но может обрабатывать ключевую воду или воду из артезианских источников.
На входе устройства расположен общий расходомер 1 и насос 2, выполненный с функцией включения в работу по сигналу датчика о наличии воды во входной магистрали (например, поступающей от накопительного бака или трубопровода структурированной системы подачи воды) и повышения давления (контролируется на выходе этого насоса манометром 3) на входе блока механосорбционой очистки воды. Этот блок механосорбционой очистки воды включает в себя последовательно смонтированные по общему потоку очищаемой воды картриджи 4 и 5 с фильтрами с кварцевым песком и с активированным углем, и картриджи 6 и 7 микронной и ультрамикронной очистки.
Из блока механосорбционой очистки воды очищаемый водный поток проходит через зону генератора 8 магнитного поля для воздействия на проходящий поток магнитным полем до входа в повысителъный насос 9 высокого давления, выход которого сообщен с камерой кавитационного реактора 10, сообщенного по ходу потока очищаемой воды с блоком 11 обратного осмоса (обратноосмотическая установка), с которым сообщены последовательно смонтированные картриджи 12 и 13 с активированным углем и с фильтром с шунгитосеребрянной загрузкой, соответственно, сообщенными через блок придания воде благоприятных вкусовых свойств (выполнен в виде картриджного минерализатора 14) в накопитель воды 15.
Накопитель воды 15 выполняет функцию стерилизатора и оборудован ультрафиолетовыми лампами для поддержания в воде отсутствия бактериальной составляющей, поступающей в блок розлива воды, выполненный с двумя каналами выдачи воды.
Блок розлива воды выполнен двухканальным. На входе каждого канала размещен расходомер 16 и 17. Первый канал через повысительный насос 18 выдачи воды сообщен с морозильным узлом 19 (устройство охлаждения воды), в отношении которого идет акустическое воздействие от узла акустического воздействия. Таким образом узел выдачи воды в нише (носик или сопло) на одной створке сообщен с первым каналом выдачи воды, в котором расположен морозильный узел 19 и узел 20 акустического воздействия на проток воды в этом канале.
А узел выдачи воды в нише на другой створке сообщен со вторым каналом выдачи воды и по нему напрямую через повысительный насос 21 с накопителем воды 15.
Камеры озонирования 22 и 23, смонтированные по ходу течения воды, связаны с озоногенераторами 24 и 25. Озонирование воды проходит в момент ее выдачи в емкость.
Вода из источника подачи (водопроводная сеть, бак разбора воды или иное) проходит общий расходомер 1, поступает в повысительный насос 2, работающий по сигналу встроенного датчика наличия воды в системе и манометру 3 до создания требуемого значения давления. Нагнетаемая вода после насоса 2 проходит очистку в четырех картриджных фильтрах 4-7: фильтре с кварцевым песком, фильтре с активированным углем, полипропиленовом фильтре с ячейкой 5 микрометров, полипропиленовом фильтре с ячейкой 1 микрометр. В блоке механосорбционой очистки воды проводится очистка воды от механических включений и других включений, которые задерживаются фильтрующим компонентом.
После предварительной механосорбционой очистки вода обрабатывается воздействием постоянного магнитного поля в генераторе 8 магнитного поля и повысительным насосом 9 нагнетается в кавитационный реактор 10.
Молекулу воды можно представить как элементарный диполь - частицу с положительно заряженным и отрицательно заряженным полюсами. Под действием сил взаимного притяжения и отталкивания молекулы воды - диполи образуют так называемые кластеры. Точно также кластеры могут образовываться вокруг примесей, присутствующих в воде. Таким образом, растворенные в воде соли постоянно окружены молекулами воды. В нашем случае ионы кальция (определяющие жесткость воды) не могут вступить во взаимодействие с другими примесями, чтобы осесть на их поверхности либо образовать иную химическую структуру, которая не выпадала бы в виде накипи. При магнитной обработке в устройстве на молекулы воды и примеси действует магнитное поле. Диполи попадают в резонанс, и кластерная структура молекул воды разрушается. Примеси освобождаются от опеки водных кластеров и могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом уже в холодной воде ионы кальция начинают осаждаться на поверхности свободных примесей - центрах кристаллизации, образуя так называемые микрокристаллы. Процесс этот лавинообразный - новые ионы кальция прикрепляются к уже высадившемуся кальцию на поверхности микрокристаллов. Если же устройство магнитной обработки устанавливается на новое оборудование или на оборудование после очистки, то накипь не выпадает. Кроме того, с течением времени на поверхности труб образуется тонкая оксидная пленка, защищающая оборудование от коррозии. Вода, обработанная устройством магнитной обработки, сохраняет свои свойства в течение некоторого времени - от 10 часов до 8 суток, в зависимости от состава воды и условий эксплуатации.
Кроме пользы в отношении снижения жесткости воды, были отмечены положительные результаты при лечении омагниченной водой больных, страдающих кожными заболеваниями. Эксперименты, проводимые врачами совместно с физиками, показали, что употребление воды, обработанной магнитным полем, повышает проницаемость биологических мембран тканевых клеток, снижает количество холестерина в крови и печени, регулирует артериальное давление, повышает обмен веществ, способствует выделению мелких камней из почек. Стоит признать, что обработка магнитным полем положительно влияет на свойства воды.
В лабораториях НИИ новых медицинских технологий (ГУП ТО НИИ НМТ, кафедре органической химии Северо-Осетинского госуниверситета), совместно с ФГУ Центрводресурсы РСО-Алания был проведен ряд исследований по изучению влияния кавитационных процессов (КО) с последующей обработкой воды углеродсодержащими минералами (на примере шунгита), на изменение свойства воды.
Для исследования влияния метода КО на свойства обрабатываемой воды в качестве объектов были выбраны пробы поверхностных вод наиболее загрязненных участков рек Терек и Фиагдон, загрязненных органическими веществами - отходами спиртопроизводящих предприятий Республики, а также пробы химически-загрязненных стоков ОАО Электроцинк, которые наряду со спиртзаводами являются основным источником загрязнения водоемов. Исследования проводились по разработанной технологии, включающей предварительную обработку загрязненной воды в ультразвуковом поле частотой 30-40 кГц с последующим настаиванием в течение 2-х суток над углеродистым кварцем. Наблюдение за состоянием воды показало, что уже в первые 10-15 минут начинают образовываться и выпадать в осадок бурые и светлые хлопья. Анализ осадков показал, что бурые хлопья представляют собой гидратированные формы гидроксида железа (III) и других металлов группы железа, а светлые - продукты разложения (гибели) микрофлоры воды, содержащие органические вещества.
Изучая КО воздействие на питьевую воду был обнаружен эффект экстракции минералов в воду с образованием мелкодисперсной фазы (коллоидов), которые сохраняют свои свойства в течение 2-3-х суток. Этот эффект может быть использован для насыщения воды полезными минералами за короткий промежуток времени. Коллоидные частицы способны легко проникать сквозь клеточные мембраны и насыщать клетки полезными веществами, что приводит к оздоравливающему эффекту при употреблении такой воды. При этом экспериментально доказано, что основной химический состав воды (по катионам и анионам) практически не изменяется.
В результате проведенного анализа по воздействию КО на сильно загрязненные поверхностные воды показано, что использование КО позволяет значительно (до 10 раз) снизить концентрацию органических загрязнителей в поверхностных водах, а также концентрацию ионов тяжелых металлов. Внедрение КО позволит очищать и использовать в быту даже сильно загрязненную воду, а обработка питьевой воды - в качестве лечебной с оздоравливающим эффектом.
Однако следует указать, что кавитационный реактор 10 представляет собой прибор, который имеет определенные габариты, обусловленные его конструкцией. Поэтому реактор не может быть встроен в малогабаритные установки, но вполне применяем для стационарных бытовых установок. Поэтому применение кавитационного реактора 10 носит опционный характер.
Обработанная вода магнитным полем и кавитационным воздействием с целью повышения производительности обратноосмотической мембраны поступает в блок 11 обратного осмоса (обратноосмотическую установку). Для предания воде благоприятных вкусовых свойств после установки обратного осмоса вода последовательно проходит кондиционирование на: картриджном фильтре с активированным углем, картриджном фильтре с шунгитосеребрянной загрузкой и в картриджном минерализаторе 14 и поступает в накопитель воды 15. Накопитель воды 15 (резервуар) оборудован ультрафиолетовыми лампами (стерилизаторами) для поддержания в воде отсутствия бактериальной составляющей.
При ультрафиолетовой обработке вследствие фотоэффекта с поверхности воды выбиваются электроны: Газ кислород удаляется, а вода разлагается с образованием гидроксилов, которые быстро делают реакцию щелочной. Это эффективный метод активирования воды. Обработка воды ультрафиолетовым излучением (длина волны 253,7 нм) нейтрализует бактерии, вирусы и другие простейшие микроорганизмы и предотвращает их размножения. Метод действует, даже если микроорганизмы приобрели иммунитет к применяемым химическим веществам.
В зависимости от выбора потребителя включается насос 18 или 19 подачи воды потребителю. Учет разбора воды на линии каждого канала ведется раздельно расходомерами 16 и 17. От насоса 18 вода поступает в морозильный узел 19 (холодильную установку), где вода подвергается охлаждению и акустическому воздействию при помощи акустического генератора 20.
Необходимо заметить, что вода представляет собой не совсем обычный объект. Вода - это ассоциированная жидкость с большой диэлектрической проницаемостью и большим дипольным моментом у молекул. Последнее ее свойство и приводит к самоорганизованности воды. Результаты целого ряда исследований объясняют, исходя из кластерно-фрактальной модели, возможность рассматривать воду как смесь свободных молекул и фрагментов с упорядоченной гексагональной структурой, в вершинах шестиугольников которой находятся радикалы ОН-. Основываясь на объяснениях этой теории, учеными было замечено интересное свойство воды - рН воды изменяется, если ее перемешать, например, переливать из одного сосуда в другой. А затем после достаточно продолжительного времени, после того, как вода отстоится рН принимает прежнее значение. Если принять во внимание кластерную организацию воды, то такое изменение рН становится понятным. Пока вода находится в устоявшемся состоянии, рН имеет одно значение, обусловленное внешними условиями. После перемешивания, или переливания, кластерная структура нарушается, и рН принимает другое значение. После "отстаивания" кластеры восстанавливаются, и рН возвращается к прежнему значению. Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас, схожий с формой каркаса в молекуле льда. Однако в жидком состоянии вода - неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь.
Далее по выбору потребителя подается озон в камеру озонирования 22 и выдачи воды, который генерируется озоногенератором 24. А от насоса 21 вода поступает непосредственно в камеру озонирования 23 и выдачи воды, которая также озонируется по выбору потребителя озоногенератором 25.
Озон относится к сильным окислителям, благодаря которым можно качественно очистить питьевую воду. На сегодняшний день озонирование питьевой жидкости считается наиболее эффективным способом обеззараживания. Насыщенная озоном вода долгое время не портится. Ее можно использовать не только для питья, но и для умывания, полива растений, наполнения аквариумов и т.д. Под воздействием озона вода насыщается кислородом, который, в свою очередь, оказывает благотворное воздействие на организм человека на клеточном уровне. За быстрый период времени вода насыщается кислородом и обеззараживается. Процедура озоновой очистки краткосрочна. Озон очищает воду от любых существующих микробов, но сохраняет ее свойства, при этом отсутствуют побочные продукты - в процессе очистки озон быстро преобразуется в кислород, которым обогащает воду. Считается, что озонированная вода полезна всем без исключения, но особенно важно принимать воду тем, кто имеет проблемы следующего характера: малокровие, аутоиммунные заболевания, постоперационный период, хроническая усталость, бронхиальная астма.
Считается, что она улучшает обменные процессы на клеточном уровне, насыщает ткани кислородом, стимулирует регенерацию клеток, повышает общий прилив сил и улучшает работоспособность, так как из организма уходят вредные соединения, продукты распада и токсины.
Но при всем этом свойства озонирования до сих пор оспариваются специалистами. Прямых показаний к применению озонированной воды не существует. Но отсутствие прямой доказанности на официальном уровне не позволяет применять эту опцию как обязательную. В связи с этим озонирование выдаваемой потребителю воды в рамках настоящего изобретения рассматривается как дополнительная опция, используемая по желанию потребителя и в соответствии с его личным отношением к продукту, полученному в результате этого процесса.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может использоваться для обеззараживания очищаемой воды и повышения ее физиологических свойств.