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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage zur Uranentfernung aus Rohwasser, wobei die Anlage zumindest zwei in Reihe geschaltete Filtereinheiten aufweist, welche das Rohwasser im Normalbetrieb nacheinander durchläuft, wobei zumindest die zweite Filtereinheit als Filtermaterial ein Ionenaustauscherharz aufweist, welches geeignet ist, Uran aus dem Rohwasser zu adsorbieren.
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Es ist üblich, zur Uranentfernung aus Rohwasser einstufige Filteranlagen mit einem Ionenaustauscherharz, welches geeignet ist, Uran aus dem Rohwasser zu adsorbieren, als Filtermaterial einzusetzen.
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Bei dem Einsatz einstufiger Filteranlagen zur Adsorption oder zum Ionenaustausch besteht jedoch das Problem, dass sich rohwasserbedingt Feststoffe wie Eisenoxid und allgemein abfiltrierbare Stoffe und/oder auch organische Stoffe auf der aktiven Schicht ablagern und hier zur Störung des Ionenaustauschers oder der Adsorption führen können. Als Konsequenz dieser Ablagerungen muss das Filtermaterial regelmäßig im Gegenstrom gespült werden. Dadurch besteht aber die Gefahr, dass beladene und unbeladene Schichten vermischt werden, d. h. es zur Vermischung der Adsorptionsfronten kommt und damit zum vorzeitigen Durchbruch der Schadstoffe.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage zur Uranentfernung aus Rohwasser derart weiter zu bilden, dass eine zuverlässige Entfernung von Uran aus dem Rohwasser über einen langen Betriebszeitraum der Wasseraufbereitungsanlage möglich ist, ohne dass es einerseits zu einer Verblockung der Filtereinheit der Wasseraufbereitungsanlage kommt, noch dass es andererseits zu einem unerwünschten Durchbruch von Schadstoffen in das Reinwasser kommt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage zur Uranentfernung aus Rohwasser, wobei die Anlage zumindest zwei in Reihe geschaltete Filtereinheiten aufweist, welche das Rohwasser im Normalbetrieb nacheinander durchläuft, wobei zumindest die zweite Filtereinheit als Filtermaterial ein Ionenaustauscherharz aufweist, welches geeignet ist, Uran aus dem Rohwasser zu adsorbieren, ist es, dass die erste Filtereinheit in regelmäßigen Abständen zur Reinigung des Filtermaterials der ersten Filtereinheit rückgespült wird, während die zweite das Ionenaustauscherharz zur Uranadsorption als Filtermaterial enthaltende Filtereinheit während des gesamten Betriebszyklus bis zur Sättigung des gesamten Ionenaustauscherharzes mit Uran nicht rückgespült wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es somit gewährleistet, dass die erste Filtereinheit, in der bereits Feststoffe wie Eisenoxid und allgemein abfiltrierbare Stoffe und/oder organische Stoffe aus dem Rohwasser gefiltert werden, regelmäßig durch ein Rückspülen gereinigt werden kann, wobei mittels der zweiten Filtereinheit, die als Filtermaterial ein Ionenaustauscherharz aufweist, welches geeignet ist, Uran aus dem Rohwasser zu adsorbieren, die Uranentfernung aus dem Rohwasser gewährleistet wird. Da der zweiten Filtereinheit dabei bereits gefiltertes Wasser, welches von Feststoffen wie Eisenoxid und allgemein abfiltrierbare Stoffen und/oder organischen Stoffen befreit ist, zugeführt wird, kommt es nicht zu einer Verblockung der zweiten Filtereinheit. Daher ist es nicht erforderlich, die zweite Filtereinheit während des Betriebszyklus des Ionenaustauscherharzes rückzuspülen. Vielmehr wird das Ionenaustauscherharz während des Betriebszyklus nicht durch Rückspülen verwirbelt, sodass die Beladungsfront innerhalb der Harzschüttung in der zweiten Filtereinheit während des Betriebszyklus langsam in Richtung auf die Reinwasserseite wandert und ein Austausch des Ionenaustauscherharzes am Ende des Betriebszyklus erfolgt, wenn das gesamte Ionenaustauscherharz gesättigt und mit Uran beladen ist. Hierdurch wird ein unerwünschtes Durchbrechen der Schadstoffe aus der zweiten Filtereinheit hin zur Reinwasserseite zuverlässig verhindert.
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Vorzugsweise wird das Ionenaustauscherharz der zweiten Filtereinheit bei Sättigung mit Uran ausgetauscht und vor der Wiederinbetriebnahme der Wasseraufbereitungsanlage mit Frischwasser gespült.
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Durch dieses einmalige Spülen des Ionenaustauscherharzes der zweiten Filtereinheit bei einer Neubeladung der zweiten Filtereinheit und vor einer erneuten Inbetriebnahme der Wasseraufbereitungsanlage wird es gewährleistet, dass eventuell vorhandener Feinabrieb entfernt wird.
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Als Filtermaterial der ersten Filtereinheit kann ebenfalls ein Ionenaustauscherharz oder alternativ Sand oder auch Aktivkohle eingesetzt werden.
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Bevorzugt wird/werden als Filtermaterial der ersten Filtereinheit und/oder der zweiten Filtereinheit ein schwachbasisches Ionenaustauscherharz und/oder ein starkbasisches Ionenaustauscherharz eingesetzt. Durch den Einsatz eines derartigen Ionenaustauscherharzes wird die Uranentfernung in beiden Filtereinheiten ermöglicht.
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Vorzugsweise wird eine Überwachung des Druckverlustes in der ersten Filtereinheit durchgeführt, wobei die Überschreitung eines festlegbaren Grenzwertes als Kriterium für die Durchführung einer Rückspülung der ersten Filtereinheit dient.
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Bevorzugt wird die Rückspülung der ersten Filtereinheit mit Luft und/oder mit Rohwasser und/oder mit Reinwasser, insbesondere zunächst mit Luft und anschließend mit Rohwasser und/oder mit Reinwasser, durchgeführt.
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Üblicherweise wird die Spülung mit Wasser durchgeführt insbesondere Rohwasser. Es kann jedoch auch Reinwasser zur Spülung verwendet werden. Bei Sand als Filtermaterial in der ersten Filtereinheit wird zur Ablösung des Eisenoxids bevorzugt eine Filterspülung mit Luft, dann kombiniert mit Luft/Wasser anschließend mit Wasser alleine zum Klarspülen durchgeführt.
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Bei Ionenaustauscherharz wird zuerst der Wasserspiegel abgesenkt, dann mit Luft gespült und anschließend mit Wasser allein klargespült.
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Besonders bevorzugt wird bei Verblockung der ersten Filtereinheit und/oder Überschreitung eines festlegbaren Grenzwertes für den Druckverlust in der ersten Filtereinheit das Rohwasser über einen Bypass an der ersten Filtereinheit vorbei zur zweiten Filtereinheit geführt und die Aufbereitung des Rohwassers wird temporär einstufig in der zweiten Filtereinheit durchgeführt. Dabei kann während dieses Bypassbetriebs insbesondere gleichzeitig ein Rückspülen der ersten Filtereinheit durchgeführt werden. Durch eine derartige Vorgehensweise kann die Wasseraufbereitung und die Uranentfernung auch dann zuverlässig aufrechterhalten werden, wenn die erste Filtereinheit aufgrund einer Verblockung temporär nicht betrieben werden kann und durch eine Rückspülung regeneriert werden muss. In einem solchen Fall erfolgt ein Bypassbetrieb und eine Wasseraufbereitung und Uranentfernung in der zweiten Filtereinheit, wobei diese Phase vorzugsweise gleichzeitig genutzt wird, um die erste Filtereinheit rückzuspülen und die Einsatzfähigkeit der ersten Filtereinheit wieder herzustellen. Diese Bypassfahrweise wird bevorzugt verwendet, wenn beide Filtereinheiten mit Ionenaustauscherharz gefüllt sind.
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Vorzugsweise wird in das Rohwasser vor der ersten Filtereinheit Luft und/oder Sauerstoff zur Eisenoxidation und/oder Manganoxidation eingeleitet.
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Der Anteil der ersten Filterstufe kann bis zu 80% des gesamten Filtervolumens der Wasseraufbereitungsanlage betragen, insbesondere kann das Filtermaterial im Falle von Ionenaustauscherharz in der ersten Filtereinheit einen Anteil von 20% bis zu 40% des gesamten Filtermaterials ausmachen; im Falle von Sand liegt der Anteil in der ersten Filtereinheit bevorzugt höher bei bis zu 80%.
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Der Anteil der zweiten Filterstufe kann im Falle von Ionenaustauscherharz bis zu 80% des gesamten Filtervolumens der Wasseraufbereitungsanlage betragen, insbesondere kann das Filtermaterial der zweiten Filtereinheit einen Anteil von 20% bis zu 80% des gesamten Filtermaterials ausmachen.
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Diese Angaben bezüglich des prozentualen Anteils am gesamten Filtermaterial beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der zumindest zwei Filtereinheiten, die im Normalbetrieb nacheinander durchströmt werden. Selbstverständlich können diesen beiden Filtereinheiten weitere Komponenten zur Wasseraufbereitung vor- oder nachgeschaltet sein, wie beispielsweise eine Ultrafiltration und/oder eine Desinfektionseinheit, etc.
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Vorzugsweise wird in beiden Filterstufen ein Ionenaustauscherharz als Filtermaterial eingesetzt, wobei bei Regeneration und/oder Austausch des Filtermaterials einer der beiden Stufen die Wasseraufbereitung durch einen Bypassbetrieb und einen Weiterbetrieb der anderen Stufe aufrecht erhalten wird. Besonders bevorzugt gestattet jede der beiden Filterstufen einen Bypass aufweist und einen Bypassbetrieb.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass bei Austausch des Filtermaterials der ersten Filtereinheit oder bei Austausch des Filtermaterials der zweiten Filtereinheit die Uranentfernung trotzdem in vollem Umfang mit einer Filterstufe für kurze Zeit weitergeführt werden kann. Es findet also keine Betriebsunterbrechung statt. Dies gelingt dadurch, dass beide Stufen jeweils mit einem Bypass versehen sind und beide Stufen mit uranentfernendem Material bestückt sind.
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Der Betrieb der beiden Filterstufen wird bevorzugt mit Geschwindigkeiten zwischen 1 m/h und 50 m/h durchgeführt. Die Rückspülung der ersten Filtereinheit wird vorzugsweise in Abhängigkeit des Filtermaterials der ersten Filterstufe mit Geschwindigkeiten zwischen 10 m/h und 50 m/h durchgeführt. Bei Ionenaustauscherharz wird bevorzugt mit 4–6 m/h rückgespült.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird nach Ausbringen eines gesättigten Ionenaustauscherharzes aus der ersten Filtereinheit weniger gesättigtes Ionenaustauscherharz aus der zweiten Filtereinheit in die erste Filtereinheit eingebracht, wobei die zweite Filtereinheit mit unbeladenem Ionenaustauscherharz als Filtermaterial befüllt wird.
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Hierdurch ist gewährleistet, dass durch das weniger beladene Ionenaustauscherharz in der zweiten Filtereinheit eine hochqualitative Uranentfernung erfolgt, wobei gleichzeitig ein besonders wirtschaftlicher und sparsamer Umgang mit dem Ionenaustauscherharz erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 Eine schematische Darstellung des Normalbetriebs;
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2 eine schematische Darstellung des Bypassbetriebs mit gleichzeitiger Rückspülung der ersten Filtereinheit;
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3 eine schematische Darstellung des Bypassbetriebs während des Austauschs des Ionenaustauscherharzes der zweiten Filtereinheit.
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Der Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage zur Uranentfernung aus Rohwasser erfolgt dementsprechend wie nachfolgend dargestellt: Das Rohwasser, das insbesondere Uran, Eisen und Mangan enthält, gelangt über den Rohwasserzulauf 1, der über das Schaltventil 31 geöffnet und geschlossen werden kann, von oben über den Zulauf 13 in die zweistufige Filtergruppe und durchläuft das Filtermaterial 10 der ersten Filtereinheit, beispielsweise einen schwach- oder starkbasischen Anionenaustauscher mit Geschwindigkeiten zwischen 10 und 50 m/h.
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Zur Eisen- und Manganoxidation kann Luft oder Sauerstoff in die Rohwasserleitung 1 vor der Filteranlage eingebracht werden.
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Im Filtermaterial 10 der ersten Filtereinheit findet dann zum einen die Entfernung des Uranylkomplexes durch Ionenaustausch sowie die Abscheidung von oxidiertem Eisen (Fe(OH)3), Mangan (MnO(OH)2) und der abfiltrierbaren Stoffe im Filterbett 10 statt. Da dies zu einer Verblockung und damit zu einer Erhöhung des Druckverlustes führen kann, muss das Filtermaterial 10 der ersten Filtereinheit in bestimmten Abständen durch Spülwasser mit Geschwindigkeiten zwischen 4 und 6 m/h gespült werden, um so die Ablagerungen aus dem Filtermaterial der ersten Filtereinheit zu entfernen.
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Dies gilt beim Einsatz von Ionenaustauschern. Bei Einsatz von Sand beträgt die Spülgeschwindigkeit eher 25–50 m/h. Um die Spülung zu überprüfen, werden im entscheidenden Bereich Sichtfenster angebracht.
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Üblicherweise wird die Spülung mit Wasser durchgeführt insbesondere Rohwasser. Es kann jedoch auch Reinwasser zur Spülung verwendet werden. Bei Sand als Filtermaterial der ersten Filtereinheit wird zur Ablösung des Eisenoxids Fe(OH)3 bevorzugt eine Filterspülung mit mit Luft, dann kombiniert mit Luft/Wasser anschließend mit Wasser alleine zum Klarspülen durchgeführt.
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Hierbei kann es zur Vermischung des Filtermaterials 10 der ersten Filtereinheit kommen, was insofern nicht störend ist, da die obere Schicht 10 als Arbeitsfilter arbeitet und die untere Filtermaterialschicht 20 der zweiten Filtereinheit als Polizeifilter und als weiterer Arbeitsfilter Uran entfernt.
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Der Ablauf aus der ersten Filtereinheit gelangt über einen Düsenboden 11 und einem separaten Klöpperboden 12 über die Leitung 14 und 23 und die Schaltventile 32, 33 auf das Filtermaterial 20 der zweiten Filtereinheit, welches durch ein Ionenaustauscherharz zur Uranentfernung gebildet ist, durchläuft dieses Filtermaterial 20 der zweiten Filtereinheit üblicherweise mit der gleichen Geschwindigkeit wie in der oberen Kammer sowie den Düsenboden 21 und verlässt die zweistufige Filtergruppe über die Leitung 24 und das Schaltventil 34 zur Ableitung 2 als Reinwasser.
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Spülwasser wird üblicherweise nur nach dem Einfüllen des Filtermaterials 20 der zweiten Filtereinheit benötigt, um Feinabrieb zu entfernen. Ansonsten wird das Filtermaterial 20 der zweiten Filtereinheit nicht gespült und so bleibt die Filterschicht 20 der zweiten Filtereinheit unbeeinflusst von hydraulischen Einflüssen. Üblicherweise liegt der Anteil des Filtermaterials 10 der ersten Filtereinheit im Bereich ca. 20–40% des gesamten Filtermaterials, während das Filtermaterial 20 der zweiten Filtereinheit 60–80% ausmacht.
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Durch diese zweistufige Fahrweise ist sichergestellt, dass die erste Filtereinheit quasi als Vorreinigung und Schutz der zweiten Filtereinheit dient, aber trotzdem zur Uranentfernung beiträgt.
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Der Durchsatz dieser Anlagen beträgt üblicherweise pro Filtergruppe 5–800 m3/h bei Durchmessern von 0,5–6 m.
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Diese zweistufige Anordnung hat weiterhin den Vorteil, dass zwei Filterstufen in einer Filtergruppe kombiniert sind und so ein geringerer Platzbedarf benötigt wird. Statt der Anordnung der Filtergruppe in einem Gehäuse können beide Filtereinheiten auch in zwei separaten Filtergehäusen angeordnet sein.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Erfindung ist, dass z. B. bei Austausch des Filtermaterials 10 der ersten Filtereinheit oder des Filtermaterials 20 der zweiten Filtereinheit die Uranentfernung trotzdem in vollem Umfang mit einer Filterstufe für kurze Zeit weitergeführt werden kann. Es findet also keine Betriebsunterbrechung statt. Dies gelingt dadurch, dass beide Stufen jeweils mit einem Bypass versehen sind und beide Stufen mit uranentfernendem Material bestückt sind, wie dies nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird.
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Zur Rückspülung des Filtermaterials 10 der ersten Filterstufe wird das Rohwasser am Rohwasserzulauf 1 aufgeteilt in zwei Stränge 3, 4. Die Leitung 3 mündet in den Ablauf 14 der ersten Filtereinheit, sodass das Filtermaterial 10 der ersten Filterstufe rückgespült wird und das Spülwasser über den eigentlichen Zulauf 13 der ersten Filterstufe über das Schaltventil 35 und die Ableitung 5 abgegeben wird. Das Schaltventil 31 ist hierzu geschlossen und trennt die Rohwasserzuleitung 1 somit vom Zulauf 13 der ersten Filtereinheit.
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Gleichzeitig wird ein anderer Teil des Rohwassers aus der Rohwasserleitung 1 über den Strang 4 und das Schaltventil 33 über den Zulauf 23 der zweiten Filtereinheit zugeführt und in der zweiten Filtereinheit aufbereitet. Der Strang 4 bildet somit einen Bypass zur ersten Filtereinheit.
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Die Ableitung des in der zweiten Filtereinheit aufbereiteten Reinwasser erfolgt wie im Normalbetrieb über die Leitung 24 und das Schaltventil 34 zur Reinwasserleitung 2.
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In 3 ist der Betrieb der Wasseraufbereitungsanlage während des Austauschs des Filtermaterials 20 in der zweiten Filtereinheit gezeigt, welches ebenso wie das Filtermaterial 10 in der ersten Filtereinheit durch ein Ionenaustauscherharz zur Uranentfernung gebildet ist.
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Während des Austauschs des Filtermaterials 20 in der zweiten Filtereinheit erfolgt die Wasseraufbereitung einstufig in der ersten Filtereinheit, wobei das auf diese Weise aufbereitete Wasser aus dem Ablauf 14 der ersten Filtereinheit über den Bypass 6 direkt zur Reinwasserleitung 2 abgegeben wird. Die Leitung 6 bildet somit einen Bypass zur zweiten Filtereinheit.
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Die Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben somit einen durchgängigen Betrieb der Wasseraufbereitungsanlage zur Uranentfernung, auch in den Betriebsfällen, wenn ein Rückspülen der ersten Filtereinheit oder ein Austausch des Filtermaterials 10 der ersten Filtereinheit oder auch ein Austausch des Filtermaterials 20 der zweiten Filtereinheit notwendig wird.
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Zum Harzaustausch von der zweiten in die erste Filtereinheit wird zunächst das gesättigte Ionenaustauscherharz aus der ersten Filtereinheit ausgebracht. Anschließend wird das weniger gesättigte Ionenaustauscherharz aus der zweiten Filtereinheit über die Leitung 24 mit Rohwasser durch die Leitung 23 bei geöffneten Schaltventil 33 herausgespült und über die Leitung 13 in die erste Filtereinheit eingebracht. Anschließend wird die zweite Filtereinheit mit unbeladenem Ionenaustauscherharz als Filtermaterial befüllt.
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Beide Filtereinheiten weisen jeweils einen Düsenboden 11, 21 und einen die jeweilige Filtereinheit nach unten abschließenden Klöpperboden 12, 22 auf.
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Von den Düsen werden ca. 60–80 Stück pro m2 Filterfläche eingesetzt. Die Düsen bestehen aus Kunststoff und haben eine Schlitzweite von max. 70% des kleinsten Filtermaterialdurchmessers. Bei Luftspülung sind die Düsen mit Luftpolsterrohr und Luftverteilrohr ausgestattet.
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Der Behälter ist mit oberem, mittlerem 12 und unterem Klöpperboden 22 ausgelegt. Der mittlere Klöpperboden 12 ist ausgelegt gegen die Beulung für einseitigen Druck von unten.
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Beide Filter sind mit waagerechtem Düsenboden 11, 21 ausgeführt als Lochplatte mit entsprechender Unterstützungskonstruktion. Der Werkstoff ist abhängig von der Wasserqualität sowie dem Durchmesser und vom Betriebsdruck des Behälters z. B. ”Kesselblech” z. B. S235 JR/S265 GH/S355 G3 – mit entsprechender Beschichtung. (Mehrkomponentenanstrich mit Trinkwasserzulassung) oder aus Edelstahl V2A/V4A–1.4301–1.4541/1.4404–1.4571.
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Die Rohrleitungsführung erfolgt bei kleinen Filterdurchmessern außen, bei größeren Filterdurchmessern können die Rohrleitungen innen, d. h. im Filter, verlegt werden. Die Anordnung der Armaturen erfolgt bevorzugt unter dem Filter.
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Längsschaugläser werden so angebracht, dass eine Kontrolle der Bettausdehnung bei Rückspülung möglich ist. Reinwasserseitig werden Harzfänger, z. B. mit Filterfeinheit 25 μm und mit Differenzdrucküberwachung installiert, so dass bei Düsenbruch kein Harz in das Reinwassernetz gelangt. Armaturen sind üblicherweise Einklemmklappen, welche handbetätigt oder automatisch betätigt werden.
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Jede Filterkammer ist mit automatischem Be- und Entlüfter ausgestattet, eine Überwachung des Druckverlustes des Filtermaterial/Düsenboden erfolgt mittels Differenzdruckmessung.
