Zmiękczanie wody w budynkach mieszkalnych

Twarda woda, czyli jaka?

Twarda woda charakteryzuje się dużą zawartością rozpuszczonych minerałów, głównie soli wapnia i magnezu. Duża twardość wody nie dyskwalifikuje jej z użytku, natomiast może przyczyniać się do występowania problemów eksploatacyjnych w instalacjach i urządzeniach obsługujących obiekty mieszkalne.

Na twardość wody składa się twardość węglanowa i niewęglanowa, co jest o tyle istotne, że każda z nich jest spowodowana zawartością innych soli i wiąże się z odmiennymi problemami. Za twardość węglanową odpowiadają przede wszystkim węglany i wodorowęglany wapnia i magnezu. Wodorowęglany wapnia i magnezu są odpowiedzialne za tzw. twardość przemijającą – pod wpływem wysokiej temperatury (podgrzewania) wytrącają się z wody w postaci osadów. Z kolei chlorki, siarczany, azotany, krzemiany wapnia i magnezu odpowiadają za twardość niewęglanową. Nazywana jest trwałą, ponieważ te związki nie wytrącają się z wody pod wpływem podgrzewania. Ich usunięcie wymaga zastosowania innych metod zmiękczania wody.

Przyjmuje się następujące stopnie twardości wody:

• woda bardzo miękka < 100 mg CaCO₃/dm³;
• woda miękka – 100-200 mg CaCO₃/dm³;
• woda średnio twarda – 200-350 mg CaCO₃/dm³;
• woda twarda – 350-550 mg CaCO₃/dm³;
• woda bardzo twarda > 550 mg CaCO₃/dm³.

Zgodnie z polskimi normami dopuszczalna wartość twardości wody powinna się zawierać w przedziale 60 – 500 mg CaCO3/l. Jak więc widać przedział ten jest dość szeroki.

Problemy związane z twardą wodą

Do najbardziej uciążliwych i kosztownych problemów związanych z twardą wodą należy pojawianie się osadów i kamienia kotłowego ‒ to potoczne określenie dla wytrącających się z wody o wysokiej twardości węglanowej soli wapnia i magnezu, które pod wpływem podgrzewania zmieniają formę z rozpuszczalnej na nierozpuszczalną. Jako twarde osady gromadzą się na powierzchniach instalacji i urządzeń. Znajdziemy je na wewnętrznych ściankach rur, wymiennikach ciepła kotłów i podgrzewaczy wody, a także na elementach grzewczych pralek, zmywarek, bojlerów czy czajników. Ich obecność pogarsza efektywność wymiany ciepła, tworząc warstwę izolacyjną między elementem grzewczym a wodą. Aby uzyskać pożądaną temperaturę, urządzenia muszą pracować dłużej i zużywać więcej energii.

Narastający kamień w rurach i wymiennikach zmniejsza ich wewnętrzny przekrój, co prowadzi do zwiększenia oporów przepływu i spadku ciśnienia wody w instalacji. Przegrzewanie się elementów, zwiększone obciążenie pomp, a także mechaniczne uszkodzenia spowodowane osadami, mogą prowadzić do awarii i konieczności częstszych napraw lub wymiany urządzeń i instalacji.

Jedną z odczuwalnych niedogodności dla użytkowników twardej wody jest znaczny wzrost zużycia środków myjących i detergentów, spowodowany utrudnionym pienieniem się i obniżoną skutecznością działania tych preparatów.

Metody zmiękczania wody

Aby zapobiec powstawaniu kamienia kotłowego, powinno się zmiękczać wodę przed wprowadzeniem jej do instalacji i urządzeń. Jedną z najbardziej sprawdzonych metod zmiękczania wody jest wymiana jonowa. Polega ona na przepuszczeniu wody przez złoże jonowymienne, które ma zdolność wymiany własnych jonów na jony z otaczającego je roztworu, w tym przypadku twardej wody. W przypadku zmiękczania wody zazwyczaj jony wapnia i magnezu są wymieniane na jony sodowe. Wymiana ta następuje do momentu nasycenia się złoża jonowymiennego, po którym musi ono przejść proces płukania i regeneracji. Woda zmiękczona ma większą kwasowość, co dla instalacji z tworzywa nie jest groźne, jednak w wypadku stalowej, gdy pojawi się tlen, może powodować przyspieszoną korozję. Jeśli więc instalacja jest ze stali, zmiękczacz jonitowy powinno się koniecznie uzupełnić o urządzenie do odgazowywania wody.

Przeczytaj również:

• Korozja rur wodociągowych – jakie czynniki ją powodują i jak jej zapobiegać?
• Detekcja wycieków w instalacjach – nowoczesne technologie wykrywania nieszczelności

Złoże jonowymienne może być tak skomponowane, aby oprócz skutecznego zmiękczania wody, poprawiać także jej inne parametry jakościowe, wpływając na przykład na redukcję żelaza, manganu, azotanów, a nawet organicznych zanieczyszczeń. Dzięki zastosowaniu odpowiednich typów żywic – kationitów, anionitów lub złóż mieszanych – możliwe jest jednoczesne rozwiązywanie wielu problemów z wodą w jednym urządzeniu lub w systemie kilku współpracujących ze sobą złóż.

Inną metodą jest oddziaływanie na wodę polem magnetycznym, wytwarzanym przez magnetyzery. Pole magnetyczne wpływa na proces krystalizacji soli rozpuszczonych, dzięki czemu zmieniają ich strukturę na nieosadzającą się. Ta metoda stosowana jest rzadziej i jako uzupełniająca, bo w zależności od jakości wody jego działanie jest mniej lub bardziej skuteczne. 

Zmiękczanie wody na kolumnach filtracyjnych

Zmiękczanie wody metodą wymiany jonowej odbywa się w kompaktowych stacjach uzdatniania wody. To zautomatyzowane urządzenia przeznaczone do uzdatniania dużych ilości wody, na przykład dla całego budynku. W ich skład wchodzą: kolumna filtracyjna, głowica sterująca, a także zbiornik na sól do regeneracji. Lokalizuje się je w pomieszczeniu technicznym w budynku mieszkalnym, kotłowni lub węźle.

Kolumna filtracyjna wypełniona jest złożem jonowymiennym, którego rodzaj dobiera się do jakości dostarczanej wody i oczekiwanego efektu uzdatniania. Ma ono zwykle postać żywicy, składającej się z niewielkich, okrągłych ziaren o porowatej, żelowej strukturze. Na stałe przytwierdzone są do nich jony ujemne, które przyciągają jony naładowane dodatnio i mogą się wymieniać na inne jony dodatnie w procesie wymiany jonowej. W kontekście zmiękczania wody złoże jest wstępnie nasycone jonami sodu (Na⁺). Gdy przepływa przez nie twarda woda, jony wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺), odpowiedzialne za jej twardość, są skutecznie wiązane przez żywicę jonowymienną. W zamian za to złoże uwalnia do wody jony sodu, co w efekcie obniża stopień jej twardości. Na skuteczność zmiękczania wody ma wpływ m.in jakość wody dopływającej do złoża filtracyjnego. Może być konieczne wcześniejsze wyeliminowanie z niej związków żelaza i manganu, które mogą prowadzić do skrócenia żywotności złoża zmiękczającego.

Przeczytaj również:

• Miedź w instalacjach wody pitnej. Jak instalacja z miedzi wpływa na jakość wody?
• Recykling szarej wody – jak ponownie wykorzystać wodę w budynkach?

Jony wapnia i magnezu gromadzą się w złożu filtracyjnym aż do momentu, gdy prawie całkowicie zastąpią jony sodowe. Następuje wówczas tzw. wyczerpanie złoża. Konieczne są wtedy jego płukanie i regeneracja. Polega to na przepuszczeniu przez złoże roztworu soli (solanki), dzięki czemu wypłukiwane są z niego jony wapnia i magnezu, a złoże ponownie nasyca się jonami sodu. Woda z płukania musi zostać odprowadzona do kanalizacji.

Złoża jonowymienne różnią się pojemnością filtracyjną. Jest to miara ich zdolności do usuwania twardości wody. Pojemność filtracyjna wskazuje, jaką maksymalną ilość jonów odpowiedzialnych za twardość wody dane złoże filtracyjne jest w stanie wymienić i zatrzymać, zanim będzie wymagało regeneracji solanką. Pojemność filtracyjna zmiękczaczy zależy od wielu czynników, m.in. rodzaju żywicy i jej jakości. Im większa pojemność filtracyjna złoża, tym zmiękczacz będzie wymagał rzadszych cykli regeneracji.

Automatyczna praca zmiękczaczy

Za efektywną i bezobsługową pracę zmiękczacza odpowiedzialna jest głowica sterująca. Automatycznie zarządza wszystkimi cyklami pracy urządzenia, dzielącymi się na zmiękczanie wody oraz regenerację złoża jonowymiennego.  Mogą być włączane i wyłączane w zależności od różnych parametrów, na przykład przepuszczeniu określonej objętości wody (głowice ze sterowaniem objętościowym) lub po określonym czasie (głowice ze sterowaniem czasowym).

W przypadku sterowania objętościowego głowica wyposażona jest w licznik przepływu wody. Regeneracja uruchamiana jest automatycznie po przepuszczeniu przez złoże określonej, zaprogramowanej wcześniej objętości wody. Ten parametr dobierany jest na podstawie pojemności filtracyjnej złoża i średniej twardości wody dopływającej do niego. Dzięki temu złoże jest regenerowane tylko wtedy, gdy jest to rzeczywiście potrzebne.

W przypadku sterowania czasowego cykl regeneracji następuje po określonym, zaprogramowanym czasie, na przykład po określonej liczbie dni, niezależnie od objętości wody, która przepłynęła przez zmiękczacz. Jest to rozwiązanie prostsze, ale też uznawane za mniej ekonomiczne.  

Zaawansowane metody sterowania zmiękczaczem

W najbardziej zaawansowanych technologicznie zmiękczaczach głowice sterujące działają w oparciu o inteligentne algorytmy, które optymalizuje cykle pracy urządzenia, dostosowując je dynamicznie do rzeczywistego zapotrzebowania na zmiękczoną wodę oraz do jej faktycznej twardości. Głowica nie tylko mierzy objętość przepływającej wody, ale też uczy się typowego zużycia wody w budynku mieszkalnym (największe i najmniejsze zużycie wody o określonych godzinach w ciągu dnia oraz określonych dniach w ciągu tygodnia).

Na podstawie zgromadzonych danych o zużyciu wody i zaprogramowanej twardości wody surowej oraz pojemności żywicy, głowica prognozuje, kiedy złoże jonowymienne ulegnie wyczerpaniu. System dąży do przeprowadzenia regeneracji w najbardziej dogodnym momencie, zazwyczaj w nocy, w godzinach najmniejszego zużycia wody, aby uniknąć przerw w dostawie zmiękczonej wody. Dodatkowo, może przesuwać regenerację, jeśli przewiduje, że złoże nie zostanie wyczerpane przed kolejnym, ustalonym interwałem czasowym. Niektóre zaawansowane systemy adaptacyjne mogą również, w pewnym zakresie, dostosowywać ilość soli i wody zużywanej do regeneracji, aby była ona maksymalnie efektywna przy minimalnym zużyciu zasobów.

Programowanie głowicy sterującej polega na wprowadzeniu danych dotyczących twardości wody dopływającej do zmiękczacza, żądanej jakości wody po zmiękczaniu, ilość i rodzaj żywicy w zmiękczaczu, optymalną częstotliwość regeneracji. Zwykle zaleca się, aby następowała nie częściej niż raz na 1-2 dni i nie rzadziej niż raz na 7-10 dni. Na podstawie takich danych, głowica automatycznie dobiera parametry regeneracji, w tym przede wszystkim dawkowanie soli (ilość solanki użytej do przepłukania złoża) oraz objętość wody potrzebnej do płukania. Dzięki temu proces zmiękczania wody jest maksymalnie efektywny, ekonomiczny i dostosowany do specyficznych warunków panujących w danej instalacji. Zaawansowane głowice mają również funkcje diagnostyczne i wyświetlacze informujące o aktualnym stanie pracy urządzenia, pozostałej pojemności czy konieczności uzupełnienia soli.

Zmiękczacz może mieć wbudowany moduł komunikacji bezprzewodowej, dzięki któremu po uruchomieniu urządzenia możemy je połączyć z siecią WiFi. Współpracująca z nim aplikacja mobilna pozwala m.in. na bieżące sterowanie stacją uzdatniania, odczytywanie aktualnych parametrów pracy i historycznego zużycia wody, a także kasowanie alarmów.

Płukanie i regeneracja zmiękczacza wody

Zmiękczacz wody do regeneracji złoża potrzebuje soli w postaci tabletek. Należy ją regularnie uzupełniać w zbiorniku solanki, co jest czynnością, o której trzeba pamiętać i wykonywać co kilka tygodni lub miesięcy, w zależności od zużycia wody i twardości.

Choć nowoczesne zmiękczacze są coraz bardziej oszczędne, to każdy cykl regeneracji złoża wiąże się ze zużyciem wody do płukania żywicy. W pierwszej kolejności następuje płukanie wsteczne, podczas którego woda przepływa w kierunku przeciwnym do roboczego, spulchniając złoże, usuwając z niego zanieczyszczenia mechaniczne (takie jak osady, muł) i luźne cząstki żywicy. Następnie solanka (stężony roztwór soli) jest zasysana do zbiornika i powoli przepuszczana przez złoże, co zapewnia maksymalną efektywność regeneracji. Na koniec złoże jest jeszcze przepłukiwane wodą. Woda z regeneracji z płukania zmiękczacza jest następnie odprowadzana do kanalizacji.

Zużycie wody na płukanie jest nieodłącznym elementem pracy zmiękczacza, ale dzięki nowoczesnym konstrukcjom zmiękczaczy, jest ono coraz bardziej zoptymalizowane. Ważne jest przy tym prawidłowe zaprogramowanie urządzenia pod kątem konkretnej dla danego budynku twardości wody i objętości żywicy, co gwarantuje, że proces regeneracji jest tak efektywny, jak to tylko możliwe.

Podsumowanie

• Twarda woda, poprzez osadzanie się kamienia kotłowego, obniża efektywność energetyczną urządzeń grzewczych i AGD, skraca ich żywotność oraz zwiększa zużycie detergentów. Zmiękczanie wody skutecznie eliminuje te problemy.
• Automatyczne zmiękczacze jonowymienne oferują kompleksowe usunięcie twardości wody. Ich prawidłowy dobór, oparty przede wszystkim na analizie twardości wody i jej zużycia, są podstawą bezproblemowej i efektywnej pracy.
• Nowoczesne zmiękczacze z rozbudowanymi funkcjami sterowania znacząco optymalizują proces płukania i regeneracji, redukując zużycie soli i wody.