DE102006010189A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hydromechanischen Regenerierung von Filterkiesschüttungen bei Vertikalfilterbrunnen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydromechanischen Regenerierung von Vertikalfilterbrunnen, deren Filterkiesschüttung durch Alterungsprozesse in der Durchlässigkeit nachgelassen hat. Mit der Erfindung soll unabhängig von der Art der Perforation eines Filterrohres eine solche vertikale Wasserströmung generiert wird, dass damit sowohl eine Trennung von Kolmationsprodukten von den einzelnen Körnern der Filterkiesschüttung als auch eine Abtransport des getrennten Materials in den Brunneninnenraum möglich wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem an einer vertikal verschiebbaren Steigleitung fest montierten Spülkopf. Der Spülkopf ist über ein Dichtelement mit einer Unterwasserpumpe fest verbunden. Von der Unterwasserpumpe fließt der Förderstrom durch das Dichtungselement in den Spülkopf, um über eine Vielzahl am Umfang des Spülkopfes angeordneten Düsen versprüht zu werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird praktisch eine Intensivwaschung der Filterkieskörnung ermöglicht. Das Dichtungselement dient damit der Erzeugung von intensiven mechanischen Trenn- und Austragsprozessen in der Filterkiesschüttung.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydromechanischen Regenerierung von Vertikalfilterbrunnen, deren Filterkiesschüttungen durch Alterungsprozesse in der Durchlässigkeit so nachgelassen haben, dass die Aufrechterhaltung der vollen Funktionsfähigkeit des Brunnens einer nachhaltigen Behandlung bedarf.
- Vertikalfilterbrunnen werden heute mit mechanischen oder chemischen Verfahren regeneriert, wobei entweder die mechanischen Verfahren allein eingesetzt werden oder auch die mechanischen und die chemischen Verfahren als Komplextechnologie Anwendung finden.
- Als mechanische Verfahren der Brunnenregenerierung von Vertikalfilterbrunnen nutzt man
- – Bürsten zur Reinigung der Brunnenrohrinnenwände;
- – Pumpen zum Entleeren des Brunnensumpfes;
- – Seiher oder abgepackerte Unterwasserpumpen zur Intensiventnahme;
- – Niederdruckinnenspültechnik
zur Reinigung der Perforation und der Kiesschüttung (
DD 243 524 A1 - – Hochdruckspülverfahren zur Reinigung der Brunneninnenwand und der Kiesschüttung,
- – die
Druckwellen-/Impulsverfahren zur Reinigung der Brunneninnenwand
und der Kiesschüttung, z.B.
gemäß
DE 254 66 84 A1 . - Die in
DD 243 524 A1 - Es hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die Direktkopplung von Spülkopf und Unterwasserpumpe, wie es
DE 242524 A1 vorschreibt, ein relevanter Teil des Förderstromes bereits im Filterrohr den Weg über die Filterkiesschüttung findet. - Auch hat die in
DD 243 524 A1 DD 243 524 A1 - Für Kunststofffilter ist diese Technik nur sehr bedingt geeignet, da der Kunststofffilter nur 8-13 % freie Durchflussfläche besitzt und dadurch der Abfluss des Förderstromes in die Filterkiesschüttung so gebremst wird, dass der in die Filterkiesschüttung gelangende Förderstrom nicht ausreicht, um die Filterkiesschüttung nachhaltig zu reinigen.
- Bei den chemischen Verfahren nutzt man in Verbindung mit chemischen Produkten ohne so genannte Regeneriermittel bei spielsweise eine Technik nach
DE 29 47 282 C2 . Dabei werden im Filterrohr zwei Kammern erzeugt, die durch drei quer zur Schachtlängsrichtung angeordnete Trennelemente oder Manschetten erzeugt werden. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtungen ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe mit geringer Förderleistung Wasser aus einer der beiden Kammern ansaugt und in die andere Kammer einleitet. Das Wasser verlässt die Kammer danach in horizontaler Richtung, fließt in der Filterkiesschicht in Richtung der anderen Kammer und tritt über den abgepackerten Bereich des Filterrohres über die Perforation in die Kammer, aus der die Pumpe fördert. Der im Kreislauf geführte Wasserstrom wird dabei mit Regeneriermittel angereichert. Der Reinigungseffekt wird erreicht, indem die auszutragenden Produkte über die Regeneriermittel in gelöster Form ausgetragen werden. - Die in
DE 29 47 282 beschriebene Lösung ist für eine chemische Brunnenregenerierung entwickelt. Gegenüber den mechanischen Verfahren haben die chemischen Verfahren den Nachteil, dass sie für den Trennprozess der Kolmationsprodukte Chemikalien einsetzen und damit die Gefahr von Restbeständen von Chemikalien nach Abschluss der Arbeiten besteht und damit ein Umweltproblem entsteht. - Die Technik der Mehrkammergeräte hat den Nachteil, dass diese mindestens 3 Dichtungselemente besitzen müssen und dass durch die Abpackerungen der Kammern gegenüber dem unbehandeltem Filterrohrbereich die Förderleistung der Pumpe für den Kreislaufbetrieb immer auf die Durchlässigkeit der Kammermantelfläche beschränkt wird und damit klein bleiben muss. Mit dieser Einschränkung der Förderleistung kann die Technik nur bei chemischer Regenerierung mit Erfolg eingesetzt werden. Ein hydromechanischer Wascheffekt kann mit dieser Technik nicht erreicht werden.
- Die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreichen, wenn sie sinnvoll kombiniert werden, hinsichtlich Abtrennung und Austrag von Kolmationsmaterial aus der Filterkiesschüttung nur bei Wickeldrahtfiltern und bei Schlitzbrückenfiltern Teileffekte. Bei Kunststoffschlitzfiltern sind dagegen die Räumungseffekte in der Filterkiesschüttung durch die Gestalt der Perforation infolge der auftretenden Reflexionseffekte grundsätzlich deutlich geringer. Der Reinigungseffekt der bekannten Technologien beschränkt sich beim Kunststofffilter deshalb im Wesentlichen auf die Säuberung der Filterrohrinnenwand, ohne dass dabei der hinter dem Filter eingebaute Filterkies von Kolmationsprodukten wirkungsvoll und umfassend gereinigt werden kann.
- Eine gewisse Ausnahme unter diesen Technologien bilden dabei die Kolbentechnik, die Niederdruckwasserspülung und von den Druckwellenimpulsverfahren die Technologie, die mit Wasserhochdruck arbeitet, die einen geringfügigen Vertikalstrom von Grundwasser in der Filterkiesschüttung zu erzeugen vermögen, aber eine Waschung der Filterkiesschüttung zum Zwecke des umfangreichen Abtrennens und des Austrags von Kolmationsmaterial bei Kunststofffilterrohren infolge der geringen Intensität der Wasserströmung nicht erreicht.
- Alle bekannten Verfahren der mechanischen Brunnenregenerierung, abgesehen von dem Verfahren nach
DD 243524A1 - Die einzige Technologie, die eine dargebotsunabhängige Kreislaufführung von Prozesswasser zum Austrag von Kolmationsprodukten aus der Filterkiesschüttung in dem Brunneninnenraum ermöglicht, ist das Verfahren, das bei der Niederdruck-Innenspülung eingesetzt wird. Der Nachteil dieser Technologie besteht aber darin, dass der Großteil der eingesetzten Wassermenge des Förderstromes (50-80 %) durch den direkten Weg vom Spülkopf zur Pumpe noch innerhalb des Brunnenrohres fließt und damit dem Filterkiesschüttungsbereich verloren geht. Der Gradient der Vertikalströmung in der Filterkiesschüttung bleibt damit im Dezimeterbereich, die sich daraus entwickelnde Vertikalströmung bleibt so klein, dass der Austragseffekt nicht ausreichend ist.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen in einem sich durch Strömungsprozesse selbst abgrenzenden Raum einer Filterkiesschüttung eines Vertikalfilterbrunnens mit Filterkiesschüttung, unabhängig von der Art der Perforation des Filterrohres, eine solche vertikale Wasserströmung generiert wird, dass damit sowohl eine Trennung von Kolmationsprodukten von den einzelnen Körnern der Filterkiesschüttung durch deren Ortsveränderung (Aufbruch der Strukturen) bzw. Reibung der Körner untereinander) als auch ein Abtransport des getrennten Materials in den Brunneninnenraum möglich wird. Die Trenn- und Austragsprozesse sollen durch einen intensiven Wasserkreislaufprozess getragen werden, ohne dass dabei im Filterrohr Kurzschlussströmungen möglich werden. Die Trenn- und Austragprozesse für die Kolmationsprodukte aus der Filterkiesschicht in den Brunneninnenraum sollen vom Anströmungsprozess der Brunnen völlig entkoppelt werden. Ledig lich bei der Entsorgung des mit Kolmationsmaterial beladenen Kreislaufwassers und dem Ersatz des Kreislaufwassers durch unbeladenes Grundwasser soll eine Inanspruchnahme des Ansstromes genutzt werden.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruches 1 sowie des Vorrichtungsanspruches 4 gelöst. Ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 11 beschrieben.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einer im Innenraum des Vertikalfilterbrunnens, in Brunnenwasser eintauchenden Unterwasserpumpe Grundwasser angesaugt. Der Förderstrom der Unterwasserpumpe wird zu einem an der Unterwasserpumpe befestigten Spülkopf geleitet und dort über eine Vielzahl von Düsen mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s auf die Innenfläche des Filterrohres gepresst, wobei durch ein im Brunneninnenraum zwischen Spülkopf und Unterwassermotorpumpe liegendes Dichtungselement der gesamte Förderstrom der Unterwasserpumpe in die Filterkiesschüttung abgedrängt wird, um anschließend vertikal in den Filterkies abzufließen, ehe es unterhalb des Dichtungselementes von der Unterwasserpumpe wieder angesaugt werden kann. Der dabei entstehende Wasserkreislauf wird so intensiv geführt, dass bei diesem Fließvorgang in Höhe der Dichtung maximale Fließgeschwindigkeiten in den Poren von bis zu v = 0,6 m/s auftreten können. Durch die Beschränkung der Vorrichtung auf ein Dichtungselement kann sich der Strömungsbereich in vertikaler Richtung in Abhängigkeit von der Durchlässigkeit der Filterrohrperforation ausbilden und bei fortschreitender Erhöhung der Filterrohrdurchlässigkeit sich selbstständig reduzieren. Der entscheidende Effekt der Filterkiesreinigung wird dadurch erreicht, dass das Kreislaufwasser in voller Größe vertikal die Filterkiesschicht durchströmt und im Horizont des Dichtungselementes das Maximum der Strömungsgeschwindigkeit erreicht.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird entlang der zu regenerierenden Filterrohrinnenwand in der Höhe verfahren. Nach einer etwa 2 bis 10-minütigen Spülung erfolgt eine Verschiebung der Vorrichtung in Abschnitten von a > 10 cm. Die vom Förderstrom abgetrennten festen Bestandteile der Kolmationsprodukte werden während der Verschiebung als beladenes Kreislaufwasser abgezogen und über Tage gefördert. Bei der Abförderung ersetzt sich das Kreislaufwasser durch nachströmendes Grundwasser.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydromechanischen Regenerierung von Filterkiesschüttungen bei Vertikalfilterbrunnen besteht aus einem an einer vertikal verschiebbaren Steigleitung fest montierten Spülkopf. Der Spülkopf ist über ein Dichtelement mit einer Unterwasserpumpe fest verbunden. Von der Unterwasserpumpe fließt der Förderstrom durch das Dichtelement in den Spülkopf, um über eine Vielzahl am Umfang des Spülkopfes angeordneten Düsen versprüht zu werden. Die Düsen können horizontal ausgerichtet oder bis zu 20° nach oben geneigt angeordnet sein. Der Innendurchmesser der Düsen soll > 8 mm sein. Die Anzahl der Düsen beträgt > 10.
- Durch die erfindungsgemäße Lösung wird praktisch eine Intensivwaschung der Filterkieskörnung ermöglicht. Das Dichtungselement dient damit der Erzeugung von intensiven mechanischen Trenn- und Austragsprozessen in der Filterkiesschüttung. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, diesen Wasserkreislauf mit einer großen Wassermenge zu betreiben ohne dass im Brunnen eine Wasserspiegelabsenkung entsteht und damit der Prozess ohne Einfluss der Größe des natürlichen Wasserandranges erfolgen kann.
- Die Dichtung muss eine Höhe von mindestens 10 cm oder besser die Stärke der Filterkiesschüttung besitzen, damit im Horizont der Dichtung im Filterkiesbereich eine ausreichend große Waschzone entsteht.
- Für die Kompaktdichtung gibt es drei grundsätzliche Gestaltungsvarianten:
- – dreifache Festgummidichtung mit Distanzstücken, Abstand der äußeren Dichtung 10-15 cm;
- – Bürstendichtung, Kunststoff-Borsten mit 20 mm Länge, Beborstungshöhe 10-15 cm und maximal technisch möglicher, der Aufgabe angepasster Borstenstärken und Borstendichte;
- – Schlauchdichtung,
hydraulisch mit Pumpe
2 gekoppelt, Schlauchauflage 10 cm. - Bei einer Bürstendichtung ist es vom Grundsatz her zwar möglich, dass ein sehr geringer Teilstrom durch die Borsten ohne den Umweg über die Filterkiesschüttung direkt wieder zur Pumpe gelangen kann. Bei einer Bürstengestaltung mit einer hohen Bürstendichte ist dieser Teilstrom jedoch so gering, dass er bezüglich der Reinigungsleistung vernachlässigbar ist (< 1-3 %). Die Bürstendichtung gestattet aber als einzige Lösung für Dichtungselemente den Einsatz bei Wickeldrahtfiltern.
- Bei vertikaler Schlitzung der Filterrohre muss die Kompaktdichtung so groß sein, dass sie mindestens zwei Reihen der Schlitzperforation abdecken kann.
- Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 Schnitt durch einen Vertikalfilterbrunnen mit Kunststofffilterausbau, wobei die Vorrichtung des Dichtungselementes als Festgummidichtung gestaltet ist. -
2 Querschnitt durch einen Vertikalfilterbrunnen mit Wickeldrahtfilterausbau, wobei die Vorrichtung des Dichtungselementes als Bürstendichtung gestaltet ist. -
1 zeigt einen Vertikalfilterbrunnen, der aus einer Bohrung mit einem Bohrdurchmesser von 620 mm mit einem horizontal geschlitzten Filterrohr5 aus Kunststoff der Dimension 330 × 14,5 mit der Perforation von 1 mm und einer Filterkiesschüttung6 mit einer Körnung von 3,15-5,6 mm aufgebaut ist. Der Brunnen ist nach mehrjährigem Betrieb verockert, d.h. durch Eisenhydroxidbildungen kolmatiert. Die Kolmation befindet sich auch in der Filterkiesschüttung6 , die es nachhaltig zu reinigen gilt. - Zur Reinigung der Filterkiesschüttung
6 wird eine erfindungsgemäße Intensivspülung angeordnet. Die Vorrichtung zur Intensivspülung besteht aus einer Unterwasserpumpe3 (Q = 100 m3/h, H = 20 m), einem Spülkopf2 mit 30 Düsen8 und einem Dichtungselement1 , das als 3-fache Festgummi-Flachdichtung ausgebildet ist. Dieses Dichtungselement1 dichtet einerseits den Querschnitt des Brunneninnenraumes vollständig und die Perforation des Filterrohres5 auf einer Länge von 10 cm ab. Die Teile der Vorrichtung sind untereinander über Anschlussstutzen4 , Flachdichtungen10 wasserdicht gekoppelt und werden als Apparatur über eine Steigleitung3 in das zu behandelnde Filterrohr5 eingeführt. Durch das Einschalten der Unterwasserpumpe3 ent steht der Wasserkreislauf9 des Grundwassers, der die intensive Waschung des Filterkieses bewirkt. - Bei der Regenerierung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in Abständen von ca. 10 cm versetzt. Die Behandlung des Brunnens erfolgt dabei im ersten Schritt von der Oberkante des Filterrohres
5 zur Unterkante des Filterrohres5 und im zweiten Schritt von der Unterkante des Filterrohres5 zur Oberkante des Filterrohres5 , wobei die Schrittweite von 10 cm eingehalten wird und die Positionen jeweils für 2 Minuten gehalten werden. Mit der 2-minütigen Intensivspülung der Filterkiesschüttung in dem begrenzten Behandlungsabschnitt wird der vollständige Austrag der Kolmationsprodukte aus dem Filterkiesbereich erreicht. Der Behandlungsphase folgt eine 30-sekündige Abförderungsphase des gelösten Materials über die Steigleitung. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in
2 dargestellt. Der Brunnen wurde im Gegensatz zum 1. Beispiel mit einem als Wickeldrahtfilter ausgebildeten Filterrohr13 ausgerüstet. In diesem Fall wird die Vorrichtung mit einer Bürstendichtung ausgerüstet, da nur ein solches Dichtungselement11 in der Lage ist, das Wickeldrahtfilterrohr13 wirksam abzudichten. Die Bürstendichtung besteht aus einem Grundelement mit dem Durchmesser von 260 mm und einer Höhe von 140 mm, das auf der einen Seite über den Anschlussstutzen4 und eine Flachdichtung10 mit der Unterwasserpumpe3 und auf der anderen Seite ebenfalls über einen Anschlussstutzen4 und einer Flachdichtung10 mit dem Spülkopf2 gekoppelt ist. - Auf dem Dichtungselement
11 ist eine sehr dichte, versetzt angeordnete Beborstung durch eine Vielzahl von Borsten12 aus Kunststoff einer Länge von 20 mm, einer Dicke von 0,2 mm und technisch maximaler Dichte aufgesetzt, die den Ringaum zwischen Grundelement11 und dem Filterrohr13 trotz der Niveauunterschiede, wie sie beim Wickeldrahtfilter bestehen, zu dichten vermögen. Der Betrieb der Vorrichtung erfolgt so wie bei1 . -
- 1
- Dichtungselement aus Flachgummidichtungen
- 2
- Spülkopf
- 3
- Unterwasserpumpe
- 4
- Anschlussstutzen
- 5
- Filterrohr Kunststofffilter
- 6
- Filterkiesschüttung
- 7
- Steigleitung
- 8
- Düse
- 9
- Wasserkreislauf (Grundwasser)
- 10
- Flachdichtungen
- 11
- Dichtungselement als Bürstendichtung
- 12
- Borsten
- 13
- Filterrohr Wickeldrahtfilter
Claims (11)
- Verfahren zur hydromechanischen Regenerierung von Filterkiesschüttungen bei Vertikalfilterbrunnen mit folgenden Merkmalen: – von einer im Innenraum eines Vertikalfilterbrunnens in Brunnenwasser eintauchenden Unterwasserpumpe wird Grundwasser angesaugt, – der Förderstrom der Unterwasserpumpe wird durch ein Dichtungselement hindurch zu einem Spülkopf geleitet, – der Förderstrom wird über eine Vielzahl von Düsen des Spülkopfes mit einer Geschwindigkeit von > 10 m/s gegen die Innenwand des Filterrohres und deren Perforation gepresst, – durch ein im Brunneninnenraum zwischen Spülkopf und Unterwassermotorpumpe eingebautes Dichtungselement wird der gesamte Förderstrom der Unterwasserpumpe in die Filterkiesschüttung gelenkt, – der Förderstrom der Pumpe wird vollständig in der Filterkiesschicht vertikal nach unten geführt, – die Unterwasserpumpe saugt den Förderstrom im Sinn der Kreislaufführung aus der Filterkiesschicht in den Innenraum des Vertikalfilterbrunnens, – die aus Pumpe, Dichtelement und Spülkopf bestehende Apparatur wird entlang der zu regenerierenden Filterinnenwand in der Höhe verfahren.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierung abschnittsweise erfolgt, wobei die Abschnitte > 10 cm oder kleiner 1 m betragen.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich im Behandlungsabschnitt ansammelnden Verunreinigungen, vorzugsweise während der abschnitts weisen Verschiebung der Apparatur, diskontinuierlich abgezogen werden.
- Vorrichtung zur hydromechanischen Regenerierung von Filterkiesschüttungen bei Vertikalfilterbrunnen mit folgenden Merkmalen: – an einer vertikal verschiebbaren Steigleitung (
7 ) ist ein Spülkopf (2 ) montiert, – der Spülkopf (2 ) ist mit einem Dichtungselement (1 ,11 ) und einer Unterwasserpumpe (3 ) über Anschlussstutzen (4 ) und Flachdichtungen (10 ) fest verbunden, – von der Unterwasserpumpe (3 ) führen die Anschlussstutzen (4 ) als Förderstromleitung durch das Dichtungselement (1 ,11 ) zu einer Vielzahl am Umfang des Spülkopfes (2 ) angeordneten Düsen (8 ), – zwischen dem Spülkopf (2 ) und der Unterwasserpumpe (3 ) ist das Dichtungselement (1 ,11 ) derart angeordnet, dass der Förderstrom (4 ) der Unterwassertauchpumpe (3 ) durch das Dichtungselement1 in den Spültopf (2 ) strömen und über die Düsen (8 ) austreten kann, horizontal in die Filterkiesschüttung abfließen und von da aus in einer vertikalen Strömung über die Filterkiesschüttung (6 ) zurück in den Ansaugraum der Unterwasserpumpe (3 ) geleitet wird. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (
8 ) horizontal oder um bis zu 20° nach oben geneigt angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (
8 ) einen Innendurchmesser von > 8 mm besitzen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Düsen > 10 beträgt.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (
1 ) einen vertikalen Bereich von > 10 cm abdichtet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (
1 ) aus mehreren Gummischeiben besteht. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (
11 ) ein umlaufendes Bürstenelement ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement ein hydraulisch dichtendes Element, beispielsweise ein aufpumpbarer Schlauch, ist.
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