DE102014111833A1

DE102014111833A1 - Filtrationsverfahren, Filtervorrichtung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102014111833A1
Application number: DE102014111833.2A
Authority: DE
Inventors: Siegmar Vogel
Original assignee: Weber Ultrasonics GmbH
Current assignee: Weber Ultrasonics GmbH
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-20
Also published as: DE102014111833B4

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Filtrationsverfahren, insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Volumens (2) eines zu filtrierenden Fluids (3), insbesondere durch Befüllen eines Beckens oder Tanks mit zu filtrierendem Fluid (3); b) Unterteilen des Volumens (2) in wenigstens ein erstes Teilvolumen (2a) und wenigstens ein zweites Teilvolumen (2b), wobei das erste Teilvolumen (2a) und das zweite Teilvolumen (2b) in einem Verbindungsbereich (VB) strömungstechnisch verbunden sind; c) Anordnen wenigstens eines Filtermediums (9) in dem Verbindungsbereich (VB); und d) Fördern von Fluid (3) aus dem zweiten Teilvolumen (2b) in das erste Teilvolumen (2a); so dass aufgrund des hydrostatischen Drucks eine Strömung des Fluids (3) aus dem ersten Teilvolumen (2a) durch das Filtermedium (9) in das zweite Teilvolumen erfolgt. Weiterhin vorgeschlagen wird eine Filtervorrichtung (1), die zur Durchführung des vorstehenden Filtrationsverfahrens geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtrationsverfahren gemäß Anspruch 1, insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Filtervorrichtung gemäß Anspruch 7, insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut sowie Verwendungen sowohl des erfindungsgemäßen Filtrationsverfahrens als auch der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung.
Unter einer Aquakultur versteht man die Intensivhaltung bzw. Aufzucht von Wasser- oder Meerestieren in einer kontrollierten, insbesondere abgegrenzten Umgebung. Die Anmelderin hat in diesem Zusammenhang früher bereits vorgeschlagen, die insbesondere bei der Produktion von Biokraftstoffen anfallende Vinasse als Futtermittel für die Aufzucht sehr kleiner Lebewesen zur Produktion von Biomasse zu verwenden (vgl. WO 2013/020797 A1 ).
Unter „sehr kleinen Lebewesen” werden in diesem Zusammenhang Lebewesen wie z. B. Zooplankton, Artemia, Wasserflöhe oder Fischbrut verstanden, wobei in diesem Zusammenhang ergänzend auf die vorstehend erwähnte WO-Schrift verweisen werden kann.
Insbesondere bei geschlossenen Aquakulturen ist es zwingend erforderlich, das dort als Aufzuchtmedium dienende Wasser (Prozesswasser) ständig von anfallenden Verschmutzungen zu reinigen, d. h. zu filtern oder zu filtrieren, um die Lebensgrundlage der Lebewesen über längere Zeiträume zu erhalten.
Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, das Prozesswasser mittels einer Pumpe anzusaugen und durch ein Filtermedium strömen zu lassen. Dabei bilden sich insbesondere innerhalb des eingesetzten Filtermaterials Bakterienkulturen, und es kommt – nach einer gewissen Zeit – aufgrund einer Verstopfung von Poren des Filters durch Schmutzpartikel zu einem erhöhten Strömungswiderstand im Bereich des Filtermaterials. Dies hat wiederum eine abnehmende Pumpleistung zur Folge, und das umzuwälzende bzw. das zu filtrierende Prozesswasser fließt langsamer. Auf diese Weise reduziert sich im zeitlichen Verlauf die biologische Klärung im gesamten Prozess erheblich.
In diesem Zusammenhang bezeichnet „biologische Klärung” bzw. biologische Abbaubarkeit das Vermögen organischer Materialien zum biologischen Abbau, d. h. zu einer Zersetzung durch Bakterien bzw. deren Enzyme. Im Idealfall verläuft dieser chemische Metabolismus vollständig bis zu einer Mineralisierung, so dass die betreffenden organischen Materialien oder Verbindungen bis zu anorganischen Stoffen, wie Kohlendioxid, Sauerstoff und Ammoniak, zerlegt werden.
Speziell bezeichnet in diesem Zusammenhang der Begriff „Nitrifikation” die bakterielle Oxidation von Ammoniak zu Nitrat. Sie besteht aus zwei gekoppelten Prozessen: Im ersten Prozessschritt wird Ammoniak zu Nitrit und im zweiten Schritt zu Nitrat oxidiert. Die Nitrifikation findet unter aeroben Bedingungen statt. Eine Anströmung des bakteriellen Prozesses mit sauerstoffreichem Prozesswasser ist daher Grundvoraussetzung für eine biologische Klärung bzw. Mineralisierung. Die genannte Anströmung umfasst insbesondere auch eine (konstante) Anströmung des Filtermediums, in welchem der beschriebene bakterielle Prozess bevorzugt stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filtrationsverfahren und eine Filtervorrichtung anzugehen, welche sich für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, eignen und bei deren Einsatz die weiter oben angesprochene Abnahme der Pumpleistung verbunden mit einer Verringerung der umgewälzten Wassermenge vermieden werden soll. Auf diese Weise soll ein verbesserter biologischer Klärungsprozess ermöglicht werden. Die angestrebte Eignung für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen setzt voraus, dass das zu schaffende Verfahren bzw. die zu schaffende Vorrichtung in einem Differentialdruckbereich arbeitet, bei dem die genannten sehr kleinen Lebewesen nicht abgesaugt und geschädigt werden. Darüber hinaus sollen aber auch Suspensionen, die nach dem Vorstehenden als Nahrungsgrundlage genannten Lebewesen dienen können, wie z. B. in Vinasse enthaltene Hefen oder Mikroalgen, nicht abfiltriert werden, sondern dem Kreislauf erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Filtrationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Filtervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Weiterbildungen der grundlegenden erfindungsgemäßen Idee sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Filtrationsverfahren, welches sich insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, eignet, umfasst folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Volumens eines zu filtrierenden Fluids, insbesondere durch Befüllen eines Beckens oder Tanks mit zu filtrierendem Fluid; b) Unterteilen des Volumens in wenigstens ein erstes Teilvolumen und wenigstens ein zweites Teilvolumen, wobei das erste Teilvolumen und das zweite Teilvolumen in einem Verbindungsbereich strömungstechnisch verbunden sind; c) Anordnen wenigstens eines Filtermediums in dem Verbindungsbereich; und d) Fördern von Fluid aus dem zweiten Teilvolumen in das erste Teilvolumen; so dass aufgrund des hydrostatischen Drucks eine Strömung des Fluids aus dem ersten Teilvolumen durch das Filtermedium in das zweite Teilvolumen erfolgt.
Eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung, die sich insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, eignet, weist zumindest folgende Bestandteile auf: a) wenigstens ein Behältnis, insbesondere Becken oder Tank, welches Behältnis zumindest teilweise mit einem Volumen eines zu filtrierenden Fluids gefüllt oder befüllbar ist; b) wenigstens eine Abtrennung, durch welche Abtrennung das Behältnis in wenigstens ein erstes Teilbehältnis und wenigstens ein zweites Teilbehältnis unterteilt ist, welches erste Teilbehältnis ein erstes Teilvolumen des Fluids und welches zweite Teilbehältnis ein zweites Teilvolumen des Fluids aufnimmt, wobei das erste Teilbehältnis und das zweite Teilbehältnis in einem Verbindungsbereich strömungstechnisch verbunden sind; c) wenigstens ein Filtermedium, welches Filtermedium in dem Verbindungsbereich angeordnet ist; und d) Fördermittel zum Fördern von Fluid aus dem zweiten Teilbehältnis in das erste Teilbehältnis.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, basiert die vorliegende Erfindung auf dem physikalischen Prinzip des sog. hydrostatischen Paradoxons und eignet sich insbesondere für Suspensionen im Mikrometer (μ)-Bereich, vorzugsweise für Partikelgrößen bis etwa 100 μm. Hierzu gehören zum Beispiel Mikroalgen oder Hefesuspensionen, wie sie insbesondere bei der Verwendung von Vinasse als Futtermittel vorliegen.
Aus der hydrostatischen Grundgleichung ergibt sich bei Annahme der Inkompressibilität von Flüssigkeiten, d. h. ρ = const. für den von der Füllstandshöhe y abhängigen Druck p(y): ∫ p(h) / p(0)dp = ∫ h / 0(ρg)dy
Das hydrostatische Paradoxon beschreibt den (scheinbar) überraschenden Umstand, dass der Schwerdruck, den eine Flüssigkeit in einem Gefäß am Boden des Gefäßes bewirkt, zwar von der Füllhöhe der Flüssigkeit abhängig ist, nicht aber von der Form des Gefäßes und der absoluten Flüssigkeitsmenge. Der hydrostatische Druck in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels h, d. h. p(h) lässt sich somit in einfacher Weise berechnen, wenn man die Höhe h des Flüssigkeitsspielgels kennt (g ≈ 9,81 m/s² – Erdbeschleunigung; ρ = 1000 kg/m³ für Wasser – Dichte). ⇒·p(h) = ρ·g·h + p(0)
Die vorstehenden beschriebenen Zusammenhänge führen dazu, dass in einem Behältnis, welches mit einem Fluid gefüllt ist und welches eine Abtrennung aufweist, die das Behältnis in wenigstens zwei Teilbehältnisse unterteilt, welche Teilbehältnisse in einem Verbindungsbereich strömungstechnisch miteinander verbunden sind, wobei sich der Verbindungsbereich in dem mit Fluid gefüllten Bereich des Behältnisses befindet, sich in beiden Teilbehältnissen ein gleich hoher Flüssigkeitsspiegel einstellt. Wenn bei einem solchen System mittels geeigneter Fördermittel Fluid aus dem einen Teilbehältnis in das andere Teilbehältnis befördert wird, kommt es zu einer ausgleichenden Rückströmung durch den Verbindungsbereich, wodurch die erwähnten, gleich hohen Flüssigkeitsspiegel in den beiden Teilbehältnissen erhalten bleiben. Dies ist auch als Prinzip der kommunizierenden Gefäße oder Röhren bekannt. Dabei kann das System so ausgelegt werden, dass der Energieaufwand, der benötigt wird, um das Fluid aus dem einen Teilbehältnis in das andere Teilbehältnis zu befördern, relativ gering ist, da das Fluid praktisch widerstandsfrei transportiert werden kann, wenn nur kleine Höhenunterschiede zu überwinden sind.
Wird nun – wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen – wenigstens ein Filtermedium in dem Verbindungsbereich angeordnet, so kommt es durch das Einbringen des Filtermediums nach einiger Zeit aufgrund der angesprochenen biologischen Prozesse zu einer zunehmenden Verstopfung des Filtermediums, bei welchem es sich vorzugsweise um ein offenporiges oder offenzelliges Material handelt. Der daraus resultierende erhöhte Strömungswiderstand beim Durchströmen des Filtermediums wird nun im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch Zunahme des Fluidstandes (Wasserstandes) in dem ersten Teilbehältnis ausgeglichen, welches erste Teilbehältnis durch die Fördermittel einen Zustrom von Fluid aus dem zweiten Teilbehältnis erfährt. Hierbei handelt es sich um einen inkrementellen Prozess, so dass der insgesamt resultierende Zirkulations-Volumenstrom praktisch konstant bleibt. Anders ausgedrückt: Je stärker das Filtermedium bzw. Filtermaterial verstopft, desto höher steigt der Flüssigkeitsspiegel auf Seiten des ersten Teilbehältnisses, desto größer wird der auf das Filtermedium wirkende hydrostatische Druck, der dem Verstopfungseffekt entgegenwirkt und den Volumenstrom im Wesentlichen aufrecht erhält.
Die Aufzucht der Kleinlebewesen findet im Rahmen der Erfindung vorteilhafter Weise in den ersten Teilbehälnis statt, welches aus dem zweitem Teilbehältnis mit gefiltertem Fluid (Prozesswasser) versorgt wird.
Im Extremfall, wenn das Filtermedium übermäßig verstopft ist, kann es zu einem Überlaufen von Fluid aus dem ersten Teilbehältnis in das zweite Teilbehältnis kommen. Dann bietet es sich im Rahmen einer entsprechenden Weiterbildung der Erfindung an, entweder das Filtermedium zu reinigen bzw. zu ersetzen, die Förderleistung der Fördermittel zu reduzieren und/oder eine entsprechende Menge an Fluid aus dem System abzulassen.
Ein wesentlicher Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Filtrationsansatz besteht in dem erreichbaren konstanten Volumenstrom (bis zum Auftreten des angesprochenen Überlaufens) und dem hiermit verbundenen, vergleichbar niedrigen Energieaufwand. Der wesentliche Grund hierfür ist, dass die Zunahme des Filterwiderstands durch die angesprochene Erhöhung des hydrostatischen Drucks ausgeglichen wird. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich Fördermittel (Pumpen) einsetzen, die nur über eine verhältnismäßig niedrige Leistungsaufnahme verfügen, da die Fördermittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung praktisch widerstandsfrei arbeiten können. Entsprechend ergeben sich auch nur geringe Differentialdrücke über dem Filtermedium.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet zur Nitrifikation von Prozesswasser mit geringer Partikelbelastung bzw. suspendierten Mikropartikeln mit Größen < 100 μm. Derartige Partikel werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch das Filtermedium nicht filtriert, sondern bleiben als Suspension größtenteils erhalten und können beispielsweise als Nährstoff für die zu züchtenden Kleinlebewesen dienen. Ein (ausreichender) Teil der organischen Last des Prozesswassers wird jedoch von Bakterien hydrolisiert und parallel nitrifiziert, so dass geeignete Zuchtbedingungen erhalten bleiben.
Nach dieser grundlegenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung sei nun speziell noch auf einige besondere Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher eingegangen:
Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filtrationsverfahrens sieht vor, dass das Filtermaterial Schaumstoff oder ein vergleichbares offenporiges oder offenzelliges Material verwendet wird, wie es beispielsweise auch von Aquariumanwendungen bekannt ist. Derartiges Filtermaterial ist leicht und einfach zu handhaben und kann insbesondere in beliebigen Formen und Größen zugeschnitten werden.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Filtermedium Sand, vorzugsweise Korallensand oder ein vergleichbares granulares (schüttfähiges) Material verwendet wird. Insbesondere die hervorragenden Filtereigenschaften von Korallensand sind allgemein bekannt. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass das angesprochene granulare, schüttfähige Filtermaterial als zusätzliches Filtermaterial oder Filtermedium in der Strömungsrichtung vor dem weiter oben angesprochenen offenporigen oder offenzelligen Filtermaterial angeordnet ist, um die Filterleistung noch zu verbessern.
Eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filtrationsverfahrens sieht vor, dass zum Fördern des Fluids relativ schwache Fördermittel, insbesondere Pumpmittel, mit einer Leistung im Bereich von nur etwa 1 bis 100 W werden. Vorzugsweise liegt die Leistungsaufnahme der eingesetzten Fördermittel bei nur etwa 10 W. Gegebenenfalls können mehrere derartige Fördermittel in Kombination verwendet werden, um eine höhere Förderleistung zu erreichen.
Derart schwache Fördermittel können im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, weil das Fluid (Wasser) praktisch widerstandsfrei transportiert wird und hierbei – je nach Bauart des eingesetzten Behältnisses bzw. der Abtrennung – nur geringe Höhenunterschiede zu überwinden sind. Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn Fördermittel in Form von mit Solarstrom betriebenen Fördermitteln eingesetzt werden, was insbesondere in tropischen oder äquatornahen Regionen von Bedeutung sein kann. Aufgrund der klimatischen Bedingungen und insbesondere auch aufgrund der Verfügbarkeit des Futtermittels Vinasse eignet sich die vorliegende Erfindung in besonderem Maße für den Einsatz in derartigen Regionen, in denen die Erzeugung von Solarstrom regelmäßig kein Problem darstellt.
Wieder eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Filtrationsverfahrens sieht vor, dass bei Erreichen eines vorbestimmten Fluidpegels in dem ersten Teilvolumen: 1) das Fördern des Fluids gestoppt und das Filtermedium erneuert oder gereinigt wird; und/oder 2) eine Förderleistung der Fördermittel reduziert wird; und/oder 3) eine Menge Fluids aus dem ersten Teilvolumen abgelassen wird.
Wie bereits erwähnt wurde, eignet sich das beschriebene Filtrationsverfahren zur Reinigung, insbesondere Nitrifikation, von Prozesswasser, insbesondere aus Aquakulturen, mit suspendierten Mikropartikeln in einem Größenbereich kleiner etwa 100 μm.
Mit Blick auf die erfindungsgemäße Filtervorrichtung sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Verbindungsbereich zwischen den ersten Teilbehältnissen und dem zweiten Teilbehältnis in einem Bodenbereich des Behältnisses angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders prozessgünstige Strömungszirkulation erreichen.
Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Abtrennung, welche Abtrennung das Behältnis ein wenigstens ein erstes Teilbehältnis sowie wenigstens ein zweites Teilbehältnis unterteilt, als Trennwand zwischen den beiden Teilbehältnissen ausgebildet ist. Wie vorstehend bereits angesprochen, kann diese Trennwand in einem unteren Abschnitt, der vorzugsweise in einem Bodenbereich des Behältnisses angeordnet ist, wenigstens einen Durchbruch aufweisen, welcher Durchbruch als Teil des Verbindungsbereiches fungiert bzw. diesen definiert.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung sieht vor, dass das Filtermedium in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Durchbruch angeordnet ist. Auf diese Weise lässt es sich insbesondere erreichen, dass der für das Filtermedium zur Verfügung stehende Raumbereich nicht auf die Abmessungen des genannten Durchbruchs beschränkt ist, sondern in geeigneter Weise gewählt bzw. vergrößert werden kann.
In diesem Zusammenhang kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem Behältnis, beabstandet vor der Abtrennung, eine zusätzliche Haltestruktur für das Filtermedium angeordnet ist, so dass das Filtermedium zwischen dieser Haltestruktur und der Abtrennung aufgenommen oder aufnehmbar ist. Auf diese Weise lässt sich der zwischen Haltestruktur und Abtrennung zur Verfügung stehende Bereich für das Filtermedium quasi beliebig an die prozesstechnischen Anforderungen anpassen, insbesondere was Größe und Geometrie des angesprochenen Bereiches anbelangt. Dabei kann die zusätzliche Haltestruktur als von einem Boden des Behältnisses aufragende und/oder von der Seitenwand des Behältnisses abragende Struktur ausgebildet sein, vorzugweise in Form einer Trennwand, höchst vorzugsweise in dem ersten Teilbehältnis, und sie kann verstellbar ausgebildet sein. Als besonders günstig hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen, die zusätzliche Haltestruktur, bezogen auf einen Fluidpegel in dem Behältnis, insbesondere im ersten Teilbehältnis, zumindest teilweise niedriger auszubilden als die Abtrennung. Auf diese Weise bildet die zusätzliche Haltestruktur eine in dem ersten Teilbehältnis vor der Abtrennung angeordnete Unterwasser-Struktur, die zusammen mit der Abtrennung einen Unterwasser-Raumbereich definiert, in dem das Filtermedium anzuordnen ist.
Wie mehrfach bereits (implizit) angesprochenen wurde, sieht eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Fördermittel dazu ausgebildet sind, Fluid aus dem zweiten Teilbehältnis über die Abtrennung hinweg in das erste Teilbehältnis zu fördern. Da die Abtrennung den Fluidpegel in dem Behältnis nur wenig überragen muss, um das Behältnis in zwei Teilbehältnisse zu unterteilen, reicht es aus, wenn die Fördermittel über eine verhältnismäßig geringe Förderleistung verfügen, was sich günstig auf die Herstellungs- und Betriebskosten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung auswirkt.
Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung sieht vor, dass das Filtermaterial ein Schaumstoff oder ein vergleichbares offenporiges oder offenzelliges Material ist, und/oder dass das Filtermaterial Sand, vorzugsweise Korallensand, oder ein vergleichbares granulares (schüttfähiges) Material ist, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Filtermedium um ein kombiniertes Filtermedium, bei dem ein granulares Material in Strömungsrichtung vor einem offenzelligen Material angeordnet ist.
Schließlich sieht eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch vor, dass die Filtervorrichtung Steuermittel aufweist, welche Steuermittel dazu ausgebildet sind, mittels entsprechender Steuersignale zu veranlassen, dass bei Erreichen eines vorbestimmten Fluidpegels in dem ersten Teilbehältnis: 1) das Fördern des Fluids gestoppt und das Filtermedium erneuert oder gereinigt wird; und/oder 2) eine Förderleistung der Fördermittel reduziert wird; und/oder 3) eine Menge Fluids aus dem ersten Teilbehältnis abgelassen wird.
Dies kann entweder automatisch oder durch eine Bedienperson erfolgen, wobei im letztgenannten Falle die angesprochenen Steuersignale zu einer Alarmierung der Bedienperson verwendet werden können. In diesem Zusammenhang umfasst die erfindungsgemäße Filtervorrichtung vorzugsweise noch geeignete Anzeige- oder Alarmierungsmittel. Die angesprochenen Steuermittel wirken vorzugsweise mit geeigneten Sensormitteln zusammen, die das Erreichen des vorbestimmten Fluidpegels detektieren können. Dies ist dem Fachmann bekannt und muss daher weiter ausgeführt werden.
Es liegt auch im Bereich der Erfindung, die ersten und zweiten Teilbehältnisse als baulich getrennte, separate Behältnisse (Becken, Tanks) auszubilden. Das Filtermedium kann dann grundsätzlich entweder in dem einen Teilbehältnis oder in dem anderen Teilbehältnis angeordnet sein, vorzugsweise jedoch in dem ersten Teilbehältnis, in welchem ersten Teilbehältnis vorteilhafter Weise auch die Aufzucht der Kleinlebewesen erfolgt. Zwischen den getrennten Behältnissen kann der Verbindungsbereich nach Art einer Verbindungsleitung oder dgl. ausgebildet sein. Zusätzlich kann vorgesehen sein, das Filtermedium in einem weiteren, dritten Teilbehältnis anzuordnen, welches dritte Teilbehältnis dann sowohl mit dem ersten Teilbehältnis als auch mit dem zweiten Teilbehältnis strömungstechnisch zu verbinden wäre, z. B. über entsprechende Verbindungsleitungen oder dgl. Alle drei Teilbehältnisse können dann als baulich getrennte, separate Behältnisse ausgebildet sein.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
1 zeigt schematisch eine Darstellung eines fluidbefüllten Behältnisses zur Verdeutlichung der physikalischen Grundlagen, die der Erfindung zugrunde liegen;
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Filtrationsverfahrens;
3 zeigt die Filtervorrichtung aus 2 bei Erreichen eines anderen Verfahrenszustands; und
4 zeigt eine Filtervorrichtung aus 2 bei Erreichen eines wieder anderen Verfahrenszustandes.
1 zeigt im Wesentlichen eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, allerdings noch ohne eingesetztes Filtermedium (vgl. 2 bis 4). Dennoch sei anhand von 1 der grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung 1 beschrieben, die sich insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, eignet.
Die Filtervorrichtung 1 umfasst ein Behältnis 2, welches in Form eines Beckens oder Tanks mit einem Fluidinhalt von beispielsweise 6 m³ oder mehr ausgebildet sein kann, was auch von der Art und Größe der betreffenden Aquakultur abhängt. Das Behältnis 2 ist zum Teil mit einem Volumen eines zu filtrierenden Fluids (Aquakultur-Prozesswasser) gefüllt. Dies ist in den Figuren mittels eines schraffierten Bereichs dargestellt, der das genannte Volumen symbolisiert. Das Fluid selbst ist mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet. In dem Behältnis 2 ist eine Abtrennung 4 angeordnet, welche Abtrennung 4 das Behältnis 2 in wenigstens ein erstes Teilbehältnis 2a (links) und ein zweites Teilbehältnis 2b (rechts) unterteilt. Auf diese Weise nimmt das erste Teilbehältnis 2a ein erstes Teilvolumen des Fluids 3 und das zweite Teilbehältnis 2b ein zweites Teilvolumen des Fluids 3 auf. Wie der Fachmann leicht erkennt, ist der Erfindung keinesfalls auf das Vorhandensein von zwei Teilbehältnissen 2a, 2b beschränkt, sondern es können auch mehr als zwei Teilbehältnisse vorhanden sein. Darüber hinaus ist in den Figuren das zweite Teilbehältnis 2b deutlich kleiner als das erste Teilbehältnis 2a dargestellt. Obwohl dies grundsätzlich sinnvoll sein kann, ist die Erfindung auch hierauf nicht beschränkt.
Das erste Teilbehältnis 2a und das zweite Teilbehältnis 2b sind in einem Verbindungsbereich (bei Bezugszeichen VB) strömungstechnisch verbunden, so dass das Fluid 3 aus dem ersten Teilvolumen 2a durch den Verbindungsbereich VB in das zweite Teilbehältnis 2b strömen kann. Der Verbindungsbereich VB ist durch einen Durchbruch der Abtrennung 4 im Bodenbereich des Behältnisses 2 gebildet.
Weiterhin bezeichnet in 1 Bezugszeichen h die Füllhöhe des Fluids 3 in dem Behältnis 2 bzw. in den Teilbehältnissen 2a, 2b. Bei Bezugszeichen 5 ist ein geeigneter Füllstandssensor angedeutet, der mit Steuermitteln 6 zusammenwirkt, um insbesondere bei Erreichen eines Fluidpegels h' in dem Behältnis 2 bzw. dem ersten Teilbehältnis 2a ein entsprechendes Steuersignal an die Steuermittel 6 zu senden, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.
Die Steuermittel 6 stehen außerdem in steuerungstechnischer Wirkverbindung mit Fördermitteln (Pumpe) 7, die zum Fördern von Fluid 3 aus dem zweiten Teilbehältnis 2b das erste Teilbehältnis 2a im Bereich des zweiten Teilbehältnisses 3b angeordnet sind, wie dargestellt. Die Fördermittel 7 sind über eine Förderleitung 8 strömungstechnisch mit dem Behältnis 2 im Bereich des ersten Teilbehältnisses 2a verbunden; insbesondere befindet sich ein Auslass 8a der Förderleitung 8 im Bereich des ersten Teilbehältnisses 2a.
Wie bereits angesprochen, enthält die Filtervorrichtung 1 gemäß 1 noch kein Filtermedium, worauf später anhand der 2 bis 4 näher eingegangen wird.
Die strömungsphysikalischen Zusammenhänge bei der Filtervorrichtung 1 in 1 sind die folgenden:
Die Fördermittel 7 fördern – nach Maßgabe die Steuermittel 6 – Fluid 3 aus dem zweiten Teilbehältnis 2b über die Abtrennung 4 hinweg in das erste Teilbehältnis 2a. Das geförderte Fluid 3 strömt dabei durch die Förderleitung 8 und verlässt diese im Bereich des Auslasses 8a, so dass es in das erste Teilbehältnis 2a gelangt. Der Fluidstrom durch die Förderleitung 8 ist durch Pfeil F symbolisiert, Bezugszeichen F' bezeichnet den Zustrom von Fluid 3 in das erste Teilbehältnis 2a. Aufgrund des eingangs detailliert beschriebenen Paradoxons kommt es nun zu einem Rückstrom von Fluid 3 aus dem ersten Teilbehältnis 2a in das zweite Teilbehältnis 2b, was in 1 (wie auch in allen nachfolgenden Figuren) durch weiße Blockpfeile symbolisiert ist. Das Fluid 3 strömt innerhalb des ersten Teilbehältnisses 2a in Richtung der Abtrennung 4, strömt im Verbindungsbereich VB an der Abtrennung 4 vorbei bzw. unter dieser hindurch und gelangt so wieder in das zweite Teilbehältnis, von wo es durch die Fördermittel 7 über die Leitung 8 wieder in das erste Teilbehältnis 2a gefördert wird, so dass ein Zirkulations-Volumenstrom resultiert. Der Fluidpegel innerhalb des Behältnisses 2 bleibt auf diese Weise überall gleich.
Die Darstellung in 2 entspricht im Wesentlichen der Darstellung gemäß 1 – mit der Ausnahme, dass nun im Verbindungsbereich VB zwischen erstem Teilbehältnis 2a und zweitem Teilbehältnis 2b bzw. unmittelbar davor ein Filtermedium 9 angeordnet ist. Dieses Filtermedium 9 ist zweiteilig aufgebaut und umfasst ein erstes Filtermedium 9a in Form von offenporigem und/oder offenzelligem Schaumstoff und ein zweites Filtermedium 9b in Form von Korallensand oder eines anderen granularen, schüttfähigen Materials. Dabei ist das zweite Filtermedium 9b stromaufwärts bezogen auf das erste Filtermedium 9a angeordnet, wie dargestellt. Um einen definierten Raumbereich zum Einbringen, Anordnen und Halten des Filtermediums 9 zu schaffen, weist die Filtervorrichtung 1 bzw. das Behältnis 2 in dem ersten Teilbehältnis 2a beabstandet vor der Abtrennung 4 eine Haltestruktur in Form einer Trennwand 10 auf, welche Trennwand 10 vom Boden 2c des Behältnisses 2 aufragt, dabei aber deutlich unterhalb des Fluidpegels h endet. Zwischen der Trennwand 10 und der Abtrennung 4 ist nun das Filtermedium 9 angeordnet, wie weiter oben bereits beschrieben. Obwohl eine derartige Ausgestaltung des Behältnisses 2 eine besonders einfache Möglichkeit zur Anordnung des Filtermediums 9 schafft, erkennt der Fachmann ohne weiteres, dass die Erfindung keinesfalls auf eine derartige, spezielle Ausgestaltung des Behältnisses 2 beschränkt ist.
Wenn nun durch die Fördermittel 7 wiederum Fluid 3 durch die Förderleitung 8 aus dem zweiten Teilbehältnis 2b in das erste Teilbehältnis 2a gefördert wird, resultiert ein Fluid-Rückstrom gemäß den weißen Blockpfeilen aus dem ersten Behältnis 2a durch das Filtermedium 9 und den Verbindungsbereich VB in das zweite Teilbehältnis 2b. Auf diese Weise kann das Filtermedium 9 seine weiter oben beschriebene Filterwirkung auf das Fluid 3 (Prozesswasser) entfalten.
Dabei kommt es allerdings über kurz oder lang zu einer Verstopfung des Filtermediums, insbesondere der dort vorhandenen Poren oder Zellen, so dass ein Strömungswiderstand des Filtermediums 9 ansteigt. Dies ist in 3 schematisch dargestellt. Es resultiert ein höherer Fluidpegel in dem ersten Teilbehältnis 2a, was aufgrund der hydrostatischen Grundgleichung den Widerstand beim Durchströmen des Filtermediums 9 im Wesentlichen ausgleicht. Es handelt sich hierbei um einen inkrementellen Prozess, so dass das Zirkulations-Volumenstrom praktisch konstant bleibt. Der Fluidstand im Bereich des zweiten Teilbehältnisses 2b ist gemäß der schematischen Darstellung in 3 entsprechend niedriger. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass der Pegelstand im ersten Teilbehältnis 2a den vorbestimmten Fluidpegel h' noch nicht erreicht hat, so dass der Filtrationsvorgang zunächst ohne weiteres fortgesetzt werden kann.
4 illustriert den Zeitpunkt, in dem der Fluidpegel innerhalb des ersten Teilbehältnisses 2a den bereits mehrfach angesprochenen Fluidpegel h' erreicht hat. Die weiter oben anhand von 1 beschriebenen Sensormittel 5 sprechen an und senden ein entsprechendes Steuersignal bzw. Füllstandsignal FS an die Steuermittel 6. Die Steuermittel 6 senden daraufhin ein Steuersignal SS an die Fördermittel 7, was zu einer Unterbrechung der Förderung von Fluid 3 aus dem zweiten Teilbehältnis 2b in das erste Teilbehältnis 2a führt. Auf diese Weise kann insbesondere verhindert werden, dass Fluid 2 aus dem ersten Teilbehältnis 2a ohne Durchströmen des Filtermediums 9 in das zweite Teilbehältnis 2b überläuft, was in 4 durch einen gestrichelten Blockpfeil P symbolisiert ist. Bei Erreichen eines Betriebszustands gemäß 4 sollte das Filtermedium erneuert bzw. gereinigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch – über eine geeignete, nicht gezeigte Einrichtung – Fluid 3 aus dem ersten Teilbehältnis 2a abgelassen und anschließend der Filtrationsvorgang weitergeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/020797 A1 [0003]

Claims

Filtrationsverfahren, insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Volumens (2) eines zu filtrierenden Fluids (3), insbesondere durch Befüllen eines Beckens oder Tanks mit zu filtrierendem Fluid (3); b) Unterteilen des Volumens (2) in wenigstens ein erstes Teilvolumen (2a) und wenigstens ein zweites Teilvolumen (2b), wobei das erste Teilvolumen (2a) und das zweite Teilvolumen (2b) in einem Verbindungsbereich (VB) strömungstechnisch verbunden sind; c) Anordnen wenigstens eines Filtermediums (9) in dem Verbindungsbereich (VB); und d) Fördern von Fluid (3) aus dem zweiten Teilvolumen (2b) in das erste Teilvolumen (2a); so dass aufgrund des hydrostatischen Drucks eine Strömung des Fluids (3) aus dem ersten Teilvolumen (2a) durch das Filtermedium (9) in das zweite Teilvolumen erfolgt.
Filtrationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtermedium (9) Schaumstoff (9a) oder ein vergleichbares offenporiges oder offenzelliges Material verwendet wird.
Filtrationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtermedium (9) Sand (9b), vorzugsweise Korallensand, oder ein vergleichbares granulares Material verwendet wird, höchst vorzugsweise in Strömungsrichtung vor dem Filtermedium (9a) gemäß Anspruch 2.
Filtrationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fördern des Fluids (3) relativ schwache Fördermittel (7), insbesondere Pumpmittel, mit einer Leistung im Bereich von etwa 1 bis etwa 100 Watt, vorzugsweise etwa 10 Watt, verwendet werden, höchst vorzugsweise in Form von mit Solarstrom betriebenen Fördermitteln.
Filtrationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines vorbestimmten Fluidpegels (h') in dem ersten Teilvolumen (2a): 1) das Fördern des Fluids (3) gestoppt und das Filtermedium (9) erneuert oder gereinigt wird; und/oder 2) eine Förderleistung der Fördermittel (7) reduziert wird; und/oder 3) eine Menge Fluids (3) aus dem ersten Teilvolumen (2a) abgelassen wird.
Verwendung des Filtrationsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Reinigung, insbesondere Nitrifikation, von Prozesswasser, insbesondere aus Aquakulturen, mit suspendierten Mikropartikeln in einem Größenbereich kleiner 100 μm.
Filtervorrichtung (1), insbesondere für Aquakulturen mit sehr kleinen Lebewesen, wie Zooplankton, Artemia oder Fischbrut, aufweisend: a) wenigstens ein Behältnis (2), insbesondere Becken oder Tank, welches Behältnis (2) zumindest teilweise mit einem Volumen eines zu filtrierenden Fluids (3) gefüllt oder befüllbar ist; b) wenigstens eine Abtrennung (4), durch welche Abtrennung (4) das Behältnis (2) in wenigstens ein erstes Teilbehältnis (2a) und wenigstens ein zweites Teilbehältnis (2b) unterteilt ist, welches erste Teilbehältnis (2a) ein erstes Teilvolumen des Fluids (3) und welches zweite Teilbehältnis (2b) ein zweites Teilvolumen des Fluids (3) aufnimmt, wobei das erste Teilbehältnis (2a) und das zweite Teilbehältnis (2b) in einem Verbindungsbereich (VB) strömungstechnisch verbunden sind; c) wenigstens ein Filtermedium (9), welches Filtermedium (9) in dem Verbindungsbereich (VB) angeordnet ist; und d) Fördermittel (7) zum Fördern von Fluid (3) aus dem zweiten Teilbehältnis (7b) in das erste Teilbehältnis (2a); bei der die Abtrennung (4) und der Verbindungsbereich (VB) derart ausgebildet sind, dass aufgrund des hydrostatischen Drucks eine Strömung des Fluids (3) aus dem ersten Teilbehältnis (2a) durch das Filtermedium (9) in das zweite Teilbehältnis (2b) einstellbar ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (VB) in einem Bodenbereich des Behältnisses (2) angeordnet ist.
Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung (4) als Trennwand zwischen den beiden Teilbehältnissen (2a, 2b) ausgebildet ist, welche Trennwand in einem unteren Abschnitt, in einem Bodenbereich (2c) des Behältnisses (2), wenigstens einen Durchbruch aufweist.
Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (9) in Strömungsrichtung des Fluids (3) vor dem Durchbruch angeordnet ist.
Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behältnis (2), beabstandet von der Abtrennung (4), eine zusätzliche Haltestruktur (10) für das Filtermedium (9) angeordnet ist, so dass das Filtermedium (9) zwischen dieser Haltestruktur (10) und der Abtrennung (4) aufgenommen oder aufnehmbar ist.
Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Haltestruktur (10) als von einem Boden (2c) des Behältnisses (2) aufragende und/oder von einer Seitenwand des Behältnisses abragende Struktur ausgebildet ist, vorzugsweise in Form einer Trennwand, höchst vorzugsweise in dem ersten Teilbehältnis (2a).
Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Haltestruktur (10), bezogen auf einen Fluidpegel (h) in dem Behältnis (2), insbesondere dem ersten Teilbehältnis (2a), zumindest teilweise niedriger ausgebildet ist als die Abtrennung (4).
Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (7) dazu ausgebildet sind, Fluid (3) aus dem zweiten Teilbehältnis (2b) über die Abtrennung (4) hinweg in das erste Teilbehältnis (2a) zu fördern.
Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (9) ein Schaumstoff (9a) oder ein vergleichbares offenporiges oder offenzelliges Material ist, und/oder dass das Filtermedium (9) Sand (9b), vorzugsweise Korallensand, oder ein vergleichbares granulares Material ist, wobei höchst vorzugsweise ein granulares Material (9b) in Strömungsrichtung vor einem offenporigen oder offenzelligen Material (9a) angeordnet ist.
Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (7), insbesondere Pumpmittel, eine Leistung im Bereich von etwa 1 bis etwa 100 Watt, vorzugsweise etwa 10 Watt, aufweisen, und höchst vorzugsweise in Form von mit Solarstrom betriebenen Fördermitteln ausgebildet sind.
Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 16, gekennzeichnet durch Steuermittel (6), die dazu ausgebildet sind, mittels entsprechender Steuersignale (SS) zu veranlassen, dass bei Erreichen eines vorbestimmten Fluidpegels (h') in dem ersten Teilvolumen (2a): 1) das Fördern des Fluids (3) gestoppt und das Filtermedium (9) erneuert oder gereinigt wird; und/oder 2) eine Förderleistung der Fördermittel (7) reduziert wird; und/oder 3) eine Menge Fluids (3) aus dem ersten Teilvolumen (2a) abgelassen wird; entweder automatisch oder durch eine Bedienperson.