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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft generell sogenannte Tiefenfilter mit gekörnten Medien,
wie etwa Sandfilter.
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Hintergrund
der Erfindung
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Filter
dieser Art wurden lange dazu verwendet, Flüssigkeit sowie Wasser und Abwässer von Fremdstoffen
zu reinigen. Diese von diesen Filtern entfernten Fremdstoffe sind
ungelöst
und können Feststoffe
oder nicht vermischbare Flüssigkeiten
wie Öl
sein. Zur Vereinfachung wird hierin der Begriff "Feststoffe" verwendet und soll nicht mischbare
flüssige
Fremdstoffe und feste Fremdstoffe umfassen. Der einfachste Aufbau
besteht aus einer einzelnen Schicht oder einem Bett gekörnter Medien
so wie Quarzsand mit einer Tiefe von 30–100 cm, die in einem Aufbewahrungselement
oder Behälter
enthalten ist. Die zu filternde Flüssigkeit strömt durch
das Medienbett unter dem Einfluss der Schwerkraft oder eines aufgebrachten
Drucks nach unten.
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Wenn
der Betriebszyklus fortschreitet, sammeln sich die Feststoffe auf
der Oberfläche
und innerhalb des Medienbetts an den Zwischenräumen der Medienpartikel an.
Feststoffe werden über
die Zeit weiter in das Medienbett hineingetrieben und brechen möglicherweise
durch das Medienbett in das Filtrat hinein durch. Zur gleichen Zeit
erhöht
sich der Strömungswiderstand
des Betts und die Strömung kann
zu langsam werden und/oder der Druckabfall kann zu hoch werden.
Die Medien müssen
gereinigt oder ersetzt werden, wenn dies eintritt. Der einfachste
Weg, die Medien zu reinigen, ist ein Prozess, der "Rückwaschprozess" genannt wird.
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Während des
Rückwaschens
wird die Flüssigkeit,
typischerweise entweder die Beschickung oder vorzugsweise das Filtrat,
durch das Bett hindurch nach oben geführt, wodurch die Filtermedien ausgedehnt
und fluidisiert werden.
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Normalerweise
wird die Gesamttiefe des Medienbetts um 25–100% ihrer frei abgesetzten
Tiefe auf diese Weise ausgedehnt, wodurch ermöglicht wird, dass angesammelte
Feststoffe aus dem Filter weggespült werden. Der Ausfluss von
der Oberseite des Behälters,
der die festen Feststoffe enthält,
wird deponiert. Das Volumen der Rückwaschflüssigkeit muss zumindest größer als
das Hohlraumvolumen des Filterbehälters sein. Dieses Hohlraumvolumen ist
gleich dem oben erwähnten
Flüssigkeitsvolumen der
Medien zusätzlich
zu dem interstitiellen Volumen der Flüssigkeit im Filter-Medienbett,
welches typischerweise etwa 40% des oberflächlichen Medienvolumens beträgt. Normalerweise
sind 2–5
Hohlraumvolumina des Rückwaschwassers
für ein
effektives Rückwaschen
erforderlich, um die Mehrzahl der Feststoffe zu entfernen. Für einen
Filter mit 36 Inches (91 cm) Medien und 36 Inches Freiraum würde das Hohlraumvolumen
etwa 31,5 Gallonen pro Qadratfuß (1,28
m3/m2) Filterbereich
sein. Bei Beendigung des Rückwaschstroms
wird es den Medien ermöglicht, bevor
der Filter wieder in Betrieb genommen wird, sich mittels Schwerkraft
abzusetzen. Die Effektivität des
Rückwaschens
kann durch ein simultanes Hinzugeben von Luft in das Bett erhöht werden,
vorausgesetzt, dass Vorkehrungen getroffen werden, einen Verlust
von Filtermedien aufgrund des Anstiegs der Turbulenzen, welche dieses
sogenannte "Luft-Auswaschen" bereitstellt, zu
verhindern.
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Die
Flüssigkeitsgeschwindigkeit
für das Rückwaschen
wird abhängig
von der Größe und der Dichte
der Medienpartikel gewählt,
ist jedoch typischerweise etwa 15–25 Gallonen pro Minute pro Quadratfuß Filterbereich
(gpm/ft2) (37–61 m/h). Ein Filter mit 36
Inches (91 cm) Medien und 36 Inches (91 cm) Freiraum, der mit 5
Hohlraumvolumina bei 20 gpm/ft2 (48,9 m/h)
rückgewaschen
wird, würde
etwa 8 Minuten für
das Rückwaschen
benötigen.
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Nach
dem Rückwaschen
setzen sich die gereinigten Filtermedien-Partikel durch Schwerkraft
am Boden des Behälters
wieder ab. Die Medienpartikel mit größtem Durchmesser mit der schnellsten
Abschluss-Absetzgeschwindigkeit
setzen sich am Boden des Medienbetts ab, während die feinsten Partikel
mit der langsamsten Abschluss-Absetzgeschwindigkeit sich oben am
Bett absetzen (unter der Annahme, dass sämtliche Partikel die gleiche
Dichte aufweisen). Als Ergebnis hiervon wird dann, wenn der Filter
wieder in Betrieb genommen wird, die Flüssigkeitsbeschickung zuerst
die feinsten Medienpartikel gefolgt von fortschreitend gröberen Medienpartikeln sehen.
Dieses Phänomen
ist jedoch genau das Gegenteil dessen, was als optimal angesehen
würde,
da die meisten Fremdstoffpartikel dazu neigen, sich oben am Bett
abzufiltern und nicht tief in das Bett hinein eindringen.
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Das
Filterverhalten ist abhängig
von der Anzahl unterschiedlicher Parameter, sofern Gestalt und Betrieb
betroffen sind. Die Gesamtkonzentration eingestellter Feststoffe
(TSS) des Filtrats ist beispielsweise stark abhängig von der Geschwindigkeit
der Betriebsflüssigkeit
und dem Partikeldurchmesser der Filtrationsmedien.
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Höhere Betriebsflüssigkeits-Geschwindigkeiten
(d.h. Betriebsströmungsraten)
neigen dazu, die Feststoffe weiter in das Medienbett hinein zu treiben.
Dies führt
zu einer Verwendung eines größeren Abschnitts
des Medienbetts für
die Feststoff-Rückhaltung,
wodurch die Feststoff-Belastungskapazität des Filters
erhöht
wird. Auf der anderen Seite bewirkt eine höhere Betriebsflüssigkeits-Geschwindigkeit generell
eine erhöhte
Leckage der Feststoffe in das Filtrat hinein. Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
von Medien-Tiefenfiltern sind üblicherweise
kleiner als 8 gpm/ft2 (20 m/h) und typischerweise
bei etwa 4 gpm/ft2 (10 m/h).
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Durch
die Verwendung feinerer Medien (d.h. kleinerer Medienpartikel) ist
es möglich,
die TSS des Filtrats zu reduzieren. Der Nachteil bei der Reduzierung
der Medienpartikelgröße ist der,
dass ein größerer Abschnitt
der Feststoffe an der oberen Oberfläche des Filtermedienbetts abgefiltert
wird, anstatt tiefer in das Medienbett hineineinzudringen. Als Ergebnis hiervon
erhöht
sich der Druckabfall über
den Filter sehr schnell oder die Strömung fällt sehr rapide ab. Dies führt zu untragbar
kurzen Filter-Betriebsdauern zwischen
den Rückwaschprozessen.
Die Verwendung gröberer
Medien ermöglicht
es den Feststoffen, tief in das Filtermedienbett einzudringen, wodurch die
Feststoff-Ablagerungskapazität
des Filters maximiert wird. Der Nachteil bei der Verwendung grober Medien
ist der, dass die Feststoff-Entfernungseffizienz im Vergleich zu
feinen Medienbetten gering ist. Das ideale Filter-Design hätte die
gröbsten
Filtermedien oben am Filterbett mit einem schrittweisen Absinken
des Partikeldurchmessers der Medien mit der Tiefe. Theoretisch ergibt
dies eine hohe Filtrationseffizienz eines feinen Medienbetts zusammen
mit der hohen Feststoff-Ablagerungskapazität eines groben Medienbetts.
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Diesem
Ziel kann man sich durch Verwendung zweier oder mehrerer Medienschichten
unterschiedlicher relativer Dichte annähern. Beispielsweise enthält ein sogenannter "Dualmedien-Filter", der bei der Wasserbehandlung
weit verbreitet ist, etwa 30 Inches (75 cm) gecrushten Anthrazits
(Dichte = 1,5, effektive Partikelgröße = 1 mm) oberhalb 6 Inches
(15 cm) Quarzsand (Dichte 2,7, effektive Größe = 0,35 mm). Dieses Konzept
wurde auf einen sogenannten "Multimedien-Filter" ausgedehnt, um etwa fünf unterschiedliche
Dichten von Medien mit sinkender effektiver Größe und ansteigender Dichte
zu verwenden.
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Unter
den Bedingungen einer optimalen Koagulation und dem Systembetrieb
stellen duale und Multimedien-Filter ein angemessen gutes Betriebsverhalten
zur Verfügung.
Auch unter optimalen Bedingungen sind derartige Filter jedoch typischerweise einer
Reifungsdauer unterworfen, wenn sie nach einem Rückwaschen wieder in Betrieb
genommen werden. Während
dieser Zeitdauer ist die Wasserqualität schlecht und das Wasser muss
deponiert werden. Darüber
hinaus ist, da sich die Filterqualität anfänglich verbessert, während der
Zyklus fortschreitet, die Beendigung des Zyklus üblicherweise mittels eines
TSS-Durchbruchs notwendig (der sich dann ergibt, wenn die Trübung ansteigt).
Machmal aber nicht immer ist dieser TSS-Durchbruch mit einem bemerkenswert
erhöhten
Druckabfall und/oder einer Strömungsreduzierung
verbunden.
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Tiefen-Medienfilter
sind in ihrer Feststoff-Ablagerungskapazität beschränkt. Wenn
die TSS des Beschickungswassers ansteigt, sinkt die Dauer des Betriebszyklus
ab. Der Teil des gefilterten Wassers, der für das Rückwaschen verwendet wird, sowie
die Menge an aufgrund einer Filterreifung deponierten Wassers wird
ein bemerkenswerter Teil der Gesamtproduktion. Darüber hinaus
wird die Zeitdauer, die zum Rückwaschen
erforderlich ist, signifikanter, wenn die TSS ansteigt. Letztendlich
erreicht die TSS-Beschickung einen Punkt, wo es nicht länger sinnvoll
ist, einen Filter dieser Art zu verwenden. Normalerweise werden
TSS-Beschickungen von etwa 50 ppm als praktisches Maximum angesehen.
Obwohl die Feststoff-Ablagerungskapazität recht weit abhängig von
der Natur und der Konzentration der TSS-Beschickung sowie vom Filter-Design
und den Betriebsbedingungen abhängt,
ist jedoch eine gute Faustformel etwa 1 Pfund Feststoffe pro Quadratfuß Querschnittsbereich
des Filtermediums, oder etwa 5 kg/m2.
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Wie
oben bereits diskutiert, neigen Filter mit einer einzelnen Sandschicht
dazu, eine Schicht Feststoffe an der oberen Oberfläche des
Medienbetts anzusammeln. Wenn diese Schicht einmal ausgebildet ist,
tritt ein Großteil
der Filtration in dieser Schicht und nicht durch die Tiefe des Medienbetts
hindurch auf. Als Ergebnis hiervon kann der Betriebszyklus vergleichsweise
kurz sein. Die in dieser oberen Schicht angesammelten Feststoffe
neigen dazu, zusammen mit einer Ausbildung einer Kruste über die
Dauer des Filter-Betriebs
komprimiert zu werden. Wenn der Filter rückgewaschen wird, bricht die
Kruste auf und bildet groß agglomerierte
Fragmente aus, die eine deutliche größere Größe als die ursprünglich gefilterten Partikel
aufweisen. In einigen Fällen
sind diese Fragmente so groß und
dicht, dass sie nicht während
des Rückwaschens
vom Filter entfernt werden können. Diese
Fragmente werden manchmal als "Schlammbälle" bezeichnet. Schlammbälle können sich
in dem Filtermediumbett ansammeln und schlußendlich den Filterbetrieb
und dessen Effizienz stören.
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Verschiedene
Erfindungen wurden entwickelt, um die Feststoff-Absetzkapazität von Tiefen-Medienfiltern
zu erhöhen.
Die US-Patente 3,817,378 und 4,693,831 beschreiben einen Filter mit
einzelner Schicht aus Schwerkraftstrom-Sand, der derzeit von der
Firma US Filter unter der Handelsbezeichnung HYDRO-CLEAR hergestellt
wird. In diesem Filter wird eine Lufttasche in das Boden-Unterspülsystem
bei einer Geschwindigkeit unterhalb der Fluidisierung eingeführt, um
das Medienbett während
der Rückwaschprozesse
pulsieren zu lassen. Gemäß diesen
Patenten "entfernt
das gepulste Fluid Feststoffe von der oberen Oberfläche des
Filterbetts und wickelt einen Teil der Feststoffe in das Bett selbst ein". Der Hersteller
beansprucht, dass hierdurch die Filterlaufzeit bis zu viermal verlängert wird,
was die Anzahl von Rückwaschprozessen
pro Tag stark reduziert. Ein wichtiges Merkmal dieses Filters ist,
dass die Feststoffe von der oberen Oberfläche des Medienbetts entfernt
werden, obwohl tatsächlich
keine Flüssigkeit
durch das Filtermedienbett während
des sogenannten "Rückpulses" nach oben hindurchgeführt wird.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein verbessertes Verfahren zum
Erhöhen
der Feststoff-Ablagerungskapazität Tiefen-Medienfiltern
zur Verfügung
zu stellen. Dies hat den Effekt, dass die Menge der Beschickung,
die zwischen den Rückwaschprozessen
auf eine gleiche Weise wie beim Hydro-Clear Filter behandelt wird,
erhöht
werden kann, es bestehen jedoch eine Anzahl signifikanter und wichtiger
Unterschiede, die nachstehend deutlich werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Betreiben eines Tiefenfilters mit gekörnten Medien
zur Verfügung
gestellt, welcher einen Filterbehälter mit einem Bett aus Filtermedien
umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
- (a) Hindurchführen einer Flüssigkeitsbeschickung stromabwärts durch
das Bett während
eines normalen nach unten strömenden
Betriebs des Filters zum Entfernen der Feststoffe aus der Flüssigkeit
durch Ablagern der Feststoffe auf den Filtermedien;
- (b) periodisches Rückwaschen
der Medien, um die Feststoffe von den Filtermedien zu entfernen und
die entfernten Fremdstoffe aus dem Behälter zu verlagern; und
- (c) in Intervallen zwischen den Schritten (a) und (b) Hindurchführen eines
Flüssigkeitsvolumens nach
oben durch das Bett unter Strömungsbedingungen,
die dazu ausgewählt
sind, zumindest einige der Fremdstoffe in dem Bett nach oben zu verlagern,
während
im Wesentlichen keine Fremdstoffe aus dem Behälter entfernt werden.
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Generell
sollten die Strömungsbedingungen so
ausgewählt
sein, dass die Strömungsgeschwindigkeit
hoch genug ist, um die untere Medienschicht (beispielsweise um zumindest
25%) signifikant auszudehnen, jedoch nicht so hoch, dass die Medien oben
aus dem Filterbehälter
verlagert werden, das Volumen sollte größer sein als das Hohlraumvolumen
der unteren Medien, um die Fremdstoffe zu verlagern, jedoch geringer
als das Filter-Hohlraumvolumen, und die Dauer sollte weniger als
60 Sekunden betragen, um die Ausdehnung der oberen Medienschicht
zu verhindern, so dass die Feststoffe darin zurückgehalten werden.
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Das
Medienbett verwendet vorzugsweise zwei oder möglicherweise mehrere Schichten
aus Medien mit absinkender effektiver Größe und ansteigender Dichte.
Feststoffe werden während
eines Betriebszykulus in das Filtermedienbett hinein abgelagert,
wobei die gefilterte Flüssigkeit
durch das Medienbett nach unten geführt wird. Da der Filter bei
vergleichsweise hohen Betriebsströmen betrieben wird und vergleichsweise
grobe Medienpartikel in der oberen Medienschicht verwendet werden,
neigen die in der Beschickungsflüssigkeit
enthaltenen Feststoffe dazu, tief in das Medienbett mit nur geringer
Ansammlung an der oberen Oberfläche
einzudringen.
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Wie
bereits oben diskutiert, ist der Vorteil der groben Medien der,
dass sie eine vergleichsweise große Feststoff-Ablagerungskapazität aufweisen. Der
Nachteil ist der, dass kleine Feststoffe, jedoch eine signifikante
Menge von Feststoffen, ungefiltert hindurchtreten. Um die Feststoffe
aufzufangen, die durch die obere große Medienschicht hindurchtreten, werden
unterhalb eine oder mehrere Schichten mit feinen Medien platziert.
Die feinen Schichten entfernen die verbleibenden Feststoffe effektiver,
werden jedoch schneller belastet, da deren Feststoff-Aufnahmekapazität geringer
ist. Unter diese Bedingungen wird der Betriebszyklus üblicherweise
dann beendet, wenn der Druckabfall ansteigt und/oder die Strömungsrate
auf nicht akzeptable Niveaus absinkt, eher als dann, wenn die TSS
durchbricht. Ein großer Teil
des Anstiegs beim Druckabfall kann aufgrund der Ansammlung von Feststoffen
im oberen Abschnitt der feinen Medienschicht auftreten. Dabei kann
immer noch ein signifikanter Teil der Feststoff-Aufnahmekapazität in der oberen, groben Schicht
trotz des hohen Gesamtdruckabfalls über den Filter hinweg verbleiben.
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Gemäß dem Stand
der Technik würde
der Filter dann rückgewaschen,
wie dies oben beschrieben wurde, um die Feststoffe aus dem Medienbett
zu entfernen und diese vom Filterbehälter wegzuspülen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dann, wenn der Strömungswiderstand im Filter aufgrund
der Ansammlung von Feststoffen erhöht ist, ein sogenannter "back-slip" anstelle eines konventionellen
Rückwaschens
auf den Filter aufgebracht. Der Begriff "back-slip" wird hierin verwendet, um ihn von dem
Standardbegriff "Rückwaschen" sowie dem Begriff "Rückpuls" zu unterscheiden, die in den letzten Prozessen
gemäß dem Stand
der Technik sowie beim Hydro-Kleben-Filter
verwendet wurden, bei dem Luft in einem ähnlichen, jedoch signifikant
verschiedenen Prozess verwendet wird.
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Während des
back-slip wird die Flüssigkeit durch
eine solche Weise nach oben geführt,
dass sich die obere, grobe Medienschicht nicht zu einem merklichen
Ausmaß ausdehnt,
während
die untere(n) feinere(n) Schicht (en) sich auf übliche Weise (d.h. größer als
etwa 25%) ausdehnt(en). Unter diesen Bedingungen werden die Feststoffe,
die sich in der (den) untere(n) Schicht (en) angesammelt haben, von
diesen Medien entfernt und werden in die obere, nicht ausgedehnte
Schicht hineingeführt.
Da ein gewisser Grad an Agglomeration der feinen Feststoffe in den
unteren Medien eingetreten ist, werden sie ausreichend in der oberen,
nicht ausgedehnten Schicht während
dieses Schrittes gefiltert und zurückgehalten. Da die obere Schicht
nicht ausgedehnt ist, werden signifikante Mengen an Feststoffen
nicht von der oberen Medienschicht während des back-slip entfernt.
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Da
das Ziel nicht die Entfernung der Feststoffe aus dem Filterbehälter während des
back-slip ist, wird nur ein vergleichsweise geringes Flüssigkeitsvolumen
von weniger als einem Filter-Hohlraumvolumen benötigt. Das primäre Ziel
ist, nur die in der unteren Medienschicht angesammelten Feststoffe zu entfernen.
Daher kann das Flüssigkeitsvolumen,
das für
den back-slip erforderlich ist, so klein sein wie das Hohlraumvolumen
der unteren Medienschicht. Für eine
untere Medienschicht, die 8 Inches (20,3 cm) tief ist und 40% Porosität aufweist,
würde das
minimale Volumen nur etwa 2 Gallonen pro Quadratfuß (0,7 l/m2) Filterbereich betragen. Bei einer Strömungs-Geschwindigkeit
von 12 gpm/ft2 (29,3 m/h) würde dies
nur etwa 10 Sekunden dauern. Um zu gewährleisten, dass eine ausreichende
Menge an in der unteren, ausgedehnten Schicht enthaltener Feststoffe
entfernt wird, würde
es notwendig sein, etwas mehr als die minimale Menge, jedoch immer
noch ausreichend weniger als das gesamte Hohlraumvolumen des Filters
hindurchzuführen.
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Ein
wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass die obere, grobe Medienschicht
nicht während
des back-slip ausgedehnt wird. Als Ergebnis hiervon werden keine
signifikanten Mengen an Feststoffen aus dieser Schicht entfernt.
Wenn es der oberen, groben Schicht ermöglicht würde sich auszudehnen, würden bemerkenswerte
Mengen an Feststoffen aus den Medien entfernt und diese würden in
das Freeboard überlaufen.
Wenn sie nicht vom Filterbehälter
weggespült
würden,
würden
sie sich direkt an der Oberseite des Filterbetts ablagern, wenn
der Filter wieder zurück
in den Betrieb genommen würde.
Dies würde zwei
schädliche
Effekte aufweisen: zuerst würden diese
Feststoffe, da sie vorher auf den Medien agglomeriert waren, nicht
tief in das Bett eindringen und würden dazu neigen, eine kontinuierliche
Schicht mit niedriger Permeabilität oben auf dem Medienbett ähnlich der
oben beschriebenen "Kruste" ausbilden, die mit
Filtern mit einzelner Schicht gemäß dem Stand der Technik auftreten.
Dies würde
einen hohen anfänglichen
Druckabfall bewirken und die Zeitlänge reduzieren, bevor der Filter
wieder aus dem Betrieb genommen werden müsste. Unter diesen Bedingungen
könnte
der anfängliche
Druckabfall tatsächlich höher als
der Druckabfall über
den Filter vor dem back-slip sein. Der andere schädliche Effekt
ist der, dass diese Schicht aus Feststoffen während des Betriebs komprimiert würde und
dies zur Bildung von Schlammbällen
führen
könnte,
wie es oben bereits beschrieben wurde.
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Die
Ausdehnung der Medien während
der nach oben strömenden
Bedingungen ist hauptsächlich
abhängig
von dem Durchmesser und der Dichte der Medienpartikel sowie der
Flüssigkeitsgeschwindigkeit
nach oben. Die minimale Flüssigkeitsgeschwindigkeit
nach oben, bei der die Fluidisierung (das heißt die Ausdehnung) der Medien
eintritt, steigt mit einem ansteigenden Partikeldurchmesser und
mit ansteigender Dichte an und ist sehr ähnlich der abschließenden Ablagerungsgeschwindigkeit,
wie sie im Stoke'schen
Gesetz definiert ist. Dementsprechend werden sich diejenigen Medien
mit der niedrigsten abschließenden
Ablagerungsgeschwindigkeit an der oberen Schicht absetzen und diejenigen
Medien mit der größeren Abschluss-Absetzgeschwindigkeit
werden sich darunter ablagern. Man könnte daher mit Recht erwarten,
dass die obere Schicht während
des nach oben gerichteten Stroms sich vor der unteren Schicht ausdehnt.
Dies steht jedoch im direkten Gegensatz zum Effekt, der dazu erforderlich ist,
diese Erfindung auszuführen.
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Die
Erfinder haben überraschender
Weise herausgefunden, dass unter bestimmten Bedingungen und für eine kurze
Zeitdauer mit einem besonderen Multischicht-Medienaufbau die untere(n) feinere(n)
Schicht (en) der Medien sich um mehr als 25% ausdehnen kann (können), während die
obere, grobe Schicht sich nicht in einem signifikanten Maße ausdehnt.
Während
dieser Zeit wird die obere Schicht den Filterbehälter in einem nicht ausgedehnten
Zustand als Stopfen vor der (den) feinere(n) untere(n) ausgedehnte(n)
Schicht (en) abschließen.
Wenn der nach oben gerichtete Flüssigkeitsstrom
bei einer konstanten Rate für
eine längere
Zeitdauer fortgeführt
wird, wird schließlich
die obere Schicht einbrechen und fluidisiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist daher die Dauer der back-slip-Zeit begrenzt, so dass ein Einbrechen
und eine Fluidisierung der oberen Schichten nicht eintritt.
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Diese
Verzögerung
bei der Fluidisierung tritt nicht von selbst oder auf andere Weise
den gleichen nach oben gerichteten Strömungsbedingungen unterworfen
ein, wenn die groben Medien im Filterbehälter platziert werden. Eine
vollständige
Fluidisierung der groben Medien tritt in weniger als 20 Sekunden
unter diesen Bedingungen ein. Obwohl die Erfinder nicht wünschen,
auf irgendeine bestimmte Theorie festgelegt zu werden, bewirkt die
Wechselwirkung der groben Medienpartikel mit den feineren Medienpartikeln,
dass das beschriebene "Stopfen-Strömungs"-Phänomen eintritt.
Dabei liegt ein Bereich nahe der Grenzfläche zwischen den zwei Medienschichten
vor, wo eine gewisse Vermischung der Medien eintritt, wobei die
kleinen Medienpartikel die Räume
zwischen den groben Medienpartikeln ausfüllen. Dieser Bereich mit niedriger
Porosität
und Permeabilität
scheint als Art Kolben zu agieren, der die obere Medienschicht als
Stopfen nach oben drückt und
die Fluidisierung und die Ausdehnung unterbindet.
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Diese
verzögerte
Fluidisierung der oberen Schicht tritt jedoch nicht in sämtlichen
Multimedien-Filtern auf. Beispielsweise wird in einem konventionellen
Dual-Medienfilter
gemäß dem Stand
der Technik mit einer Schicht aus Anthrazit (1 mm Partikeldurchmesser),
die oberhalb einer Schicht aus Quarzsand (0,35 mm Partikeldurchmesser)
platziert ist, eine beachtliche Ausdehnung der groben Schicht innerhalb
von 20 Sekunden auftreten. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die 0,69 mm Anthrazit oberhalb von 0,09 mm Zirkon
verwendet, tritt eine Ausdehnung der groben Schicht während der
20 Anfangssekunden nicht auf und mag auch über 60 Sekunden nicht auftreten.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die effektive Größe der feinen Medien
geringer als 25% der effektiven Größe der groben Medien.
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Nach
dem Ausführen
des back-slip kann der Filter wieder zurück in den Betrieb genommen
werden. Gemäß dieser Erfindung
wird eine beachtenswerte Reduzierung des Filterbett-Strömungswiderstands
als Ergebnis der Aufbringung des back-slip bemerkbar sein. Wenn
der Filter unter konstanten Strömungsbedingungen
betrieben wird, wird sich dies in einem reduzierten Druckabfall
niederschlagen. Wenn der Filter unter konstanten Druckbedingungen
betrieben wird, wird sich dies in einem erhöhten Betriebsstrom niederschlagen.
Wenn keine Steuerung aufgebracht ist, werden sowohl der reduzierte Druckabfall
als auch die erhöhte
Strömung überwacht.
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Der
Filter kann für
einige Zeit im Betrieb bleiben, bevor der Strömungswiderstand des Filters
wieder ansteigt (d.h. ein reduzierter Strom und/oder ein erhöhter Druck)
bis zu einem nicht mehr akzeptablen Grenzwert. Zu diesem Zeitpunkt
kann der back-slip-Prozess wiederholt werden, bevor der Filter wieder
in Betrieb genommen wird. Dies kann einige Male wiederholt werden;
jedoch wird eine generelle Reduzierung der Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden
backslips bemerkbar sein. Dies tritt auf, da sich die Hohlräume innerhalb
der oberen Medienschicht sich mit Feststoffen in größerem Ausmaß mit jedem
Absetzbetrieb und back-slip auffüllen.
Schlußendlich
wird die Effektivität
des back-slip minimal werden. Zu diesem Zeitpunkt muss der Filter
aus dem Dienst entfernt werden und auf übliche Weise einem Rückwaschprozess
unterzogen werden, um die angesammelten Feststoffe aus dem Filter
zu entfernen. Es wurde herausgefunden, dass die Feststoff-Ablagerungskapazität des Filters
das Durchführen
eines back-slip-Prozesses gemäß dieser
Erfindung um einen Faktor von einigen Malen erhöht werden kann.
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Wenn
der Filter nach dem back-slip wieder in Betrieb genommen wird, wird
eine kurze Reifezeitdauer bemerkbar sein, während der die Trübung des Filtrats
eher hoch sein wird. Während
dieser Zeitdauer kann es notwendig werden, das Filtrat abzuzweigen.
Dies ist ähnlich
zu dem, was üblicherweise
eintritt, nachdem ein Filter-Rückwaschprozess durchgeführt wurde
und ist dem Fachmann gut bekannt. Tatsächlich kann die Reifezeitdauer
von konventionellen Medienfiltern einen signifikanten Teil des Betriebszyklus
darstellen und des vom Filter erzeugten Abwassers. Dies ist ein
wichtiger Gesichtspunkt. Beispielsweise offenbart die US-Patentanmeldung 2004/0020870A1
eine Erfindung, die besonders dafür gedacht ist, die Konzentration
von Fremdstoffen während
des "Reifens" von Filtern gemäß dem Stand der
Technik zu reduzieren. Dies ist besonders dann ein Gesichtspunkt,
wenn hohes TSS-Beschickungswasser behandelt wird, wobei das Volumen
des erzeugten Filtrats zwischen den Rückwaschprozessen eher klein
ist. Unter solchen Bedingungen muss ein bemerkenswerter Anteil des
Filtrats aufgrund der Reifung abgelassen werden.
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Es
wurde herausgefunden, dass die Verwendung einer feinen Medienschicht,
deren Partikelgröße kleiner
als 25% des Durchmessers der groben Schicht beträgt, zusätzliche Vorteile aufweist.
Insbesondere reduziert dies die Reifungszeit sowie das Volumen des
Filtrats, das deponiert werden muss, deutlich. Infolgedessen ist
die Menge an bei einem back-slip, der vor der Notwendigkeit eines
Rückwaschens
akzeptabel ist, zusätzlich
produzierten Filtrats vergleichsweise klein. In anderen Worten können mehrere
back-slips aufgrund der kurzen Reifezeitdauer, die durch die Verwendung
feinerer Medien ermöglicht
wird, durchgeführt
werden, bevor ein Rückwaschprozess
notwendig wird, wodurch die Feststoff-Ablagerungskapazität des Filters erhöht und die Menge
an Zeit, in der der Filter außer
Dienst ist, reduziert wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zum
deutlicheren Verständnis
der Erfindung wird nunmehr Bezug genommen auf die anhängenden
Zeichnungen, die eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen,
und in denen:
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1 drei
Graphen umfasst, die die Ergebnisse eines typischen Filterlaufs
eines Filters in Übereinstimmung
mit Beispiel 1 zeigen;
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die 2 und 3 schematische
vertikale Querschnittsansichten durch den Filter sind, wobei 2 einen
normalen Betrieb mit nach unten gerichtetem Strom des Filters und 3 den
back-slip illustriert.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Beispiel
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Ein
Dualmedienfilter gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wurde zum Testen mit den folgenden Spezifikationen
zusammengesetzt:
- • Behälterdurchmesser: 16 Inches
(40,6 cm)
- • Behälterhöhe: 96 Inches
(244 cm)
- • Oberes
Medienmaterial: Anthracite
- • Obere
Mediendichte: 1,5 g/cm3
- • Obere
effektive Mediengröße: 0,69
mm
- • Obere
nicht ausgedehnte frei abgesetzte Höhe der Medien: 36 Inches (91
cm)
- • Unteres
Medienmaterial: Zirkonsand
- • Untere
Mediendichte: 4,6 g/cm3
- • Effektive
untere Mediengröße: 0,09
mm (Verhältnis
feiner zu grober Partikelgröße = 0,13)
- • Untere
nicht ausgedehnte/frei abgesetzte Medienhöhe (oberhalb der unteren Strainer):
8 Inches (20 cm)
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Der
Filter ist in 2 gezeigt und beinhaltet einen
Druckbehälter
(d.h. den Filterbehälter) 1,
der zwei Schichten aus Filtermedien enthält, die aus einer oberen, groben
Medienschicht 2 und einer unteren, feinen Medienschicht 3 bestehen.
Die zu behandelnde Flüssigkeit 6 wird
oben in den Filterbehälter 1 aufgegeben.
Ein Flüssigkeitsverteiler 4 wird
dazu verwendet, die Einlass- Flüssigkeitsgeschwindigkeit zu
verteilen und/oder die Flüssigkeit über den
Querschnitt des Behälters
zu verteilen. Die zu behandelnde Flüssigkeit verläuft durch
den Filterbehälter
zuerst durch den freien Bereich oberhalb der Filtermedien 8 und
dann durch die grobe Medienschicht 2 und anschließend durch
die Feinschicht 3 hindurch. Die Medien werden innerhalb
des Behälters
unter Verwendung von Elementen sowie Strainern 5 zurückgehalten.
Abgefiltertes Wasser 7 wird vom Boden des Filterbehälters aufgesammelt.
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Während des
Rückrutsches
(3) wird das Filtrat am Boden des Filterbehälters 1 aufgegeben und
durch den Behälter
zuerst durch die feine Medienschicht 3 und anschließend durch
die grobe Medienschicht 2 hindurchgeführt. Während dieses back-slip-Schritts
dehnt sich die untere, feine Medienschicht aus. Die obere, grobe
Medienschicht bewegt sich vor der feinen Medienschicht im Behälter nach
oben, wird jedoch nicht in signifikantem Ausmaß ausgedehnt. Eine kleine Menge
an Flüssigkeit wird
oben am Behälter 1 aufgesammelt.
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In
dem Beispiel wurde der Behälter
aus klarem Acrylkunststoff hergestellt, um eine Sichtüberprüfung des
Filterverhaltens zu erleichtern. Strainer aus einer Anlagefläche und
mit einem radialen Design (nicht gezeigt) wurden am Boden des Kessels angesetzt,
um die Filtermedien zu stützen
und die Entfernung des Filtrats und die Aufgabe des Filtrats für das Strömen nach
oben während
des back-slip und des Rückwaschprozesses
zu ermöglichen.
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Eine
synthetische Beschickung mit einer Trübung von etwa 80 NTU wurde
durch Aufschlämmen von
50 mg/l ISO-Feinteststaub
in städtischem
Wasser vorbereitet. Sie wurde oben auf den Filter mit einer Zetrifugalpumpe
bei einem maximalen Druck von 59 psi (407 kPa) aufgegeben. Es lag
keine Steuerung der Beschickungspumpe vor und die Strömungsgeschwindigkeit
variierte von 9–16
Gallonen pro Minute pro Quadratfuß Filterbereich (gpm/ft2) (22–39
m/h) abhängig
von der Veränderung
des Strömungswiderstands
des Filterbetts. Die Temperatur des Beschickungswassers betrug 15°C. Die Trübung des
den Boden des Filters verlassenden Filtrats wurde kontinuierlich überwacht
und zusammen mit dem Einlassdruck und -strom aufgezeichnet. Back-slips
wurden unter Verwendung von Leitungswasser bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von 12 gpm/ft2 (29 m/h) und einer Temperatur
von 18°C
durchgeführt.
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Der
ursprüngliche
Druck am Einlass des Filters betrug 45 psi (310 kPa). Wenn sich
die Feststoffe im Filter ansammelten, stieg der Einlassdruck an.
Ein back-slip wurde dann initiiert, wenn der Einlassdruck auf etwa
59 psi (407 kPa) anstieg. Der back-slip wurde dadurch betrieben,
dass gefiltertes Wasser durch den Filter bei einer Geschwindigkeit
von 12 gpm/ft2 (29,3 m/h) über 20 Sekunden
nach oben geführt
wurde. Die Zeitdauer zwischen den back-slips wurde als ein Segment
definiert. Wenn die Dauer eines Segments als zu kurz für den praktischen
Betrieb angesehen wurde, oder nachdem eine vorab bestimmte Anzahl
von back-slips durchgeführt
wurde, wurde ein Rückwaschprozess
initiiert. Die Zeitdauer zwischen den Rückwaschprozessen wird als ein
Zyklus definiert.
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1 zeigt
die Ergebnisse eines typischen Filterlaufs. Der Filter wurde vor
diesem Lauf durch einen Rückwaschprozess
gereinigt. Dieser Graph zeigt die Betriebs-Strömungsrate
(d.h. Geschwindigkeit), den Einlassdruck und die Filtrat-Trübung über die Zeit
für die
ersten 24 Stunden eines kompletten Zyklus. Dabei ist anzumerken,
dass der Betrieb tatsächlich
bei 1 Stunde und 40 Minuten startete. Aus diesem Graph kann ersehen
werden, dass der Einlassdruck bei etwa 45 psi begann und auf etwa
59 psi (407 kPa) anstieg. Während
dieser Zeitdauer begann der Strom bei etwa 16 gpm/ft2 (39,1
m/h) und sank auf etwa 9 gpm/ft2 (22 m/h)
ab. Die anfängliche
Trübung
des Filtrats fiel sehr schnell auf etwa 0,05 NTU ab und verblieb
bei etwa diesem Niveau. Nach etwa 11,5 Stunden (d.h. bei 13,3 Stunden)
erreichte der Druck 59 psi (407 kPa). Zu diesem Zeitpunkt wurde der
Betriebszyklus unterbrochen und ein 20-sekündiger back-slip wurde ausgeführt.
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Nach
dem back-slip wurde der Filter wieder direkt in Betrieb genommen.
Dabei ist anzumerken, dass nach dem back-slip der Einlassdruck auf
50 psi (345 kPa) abfiel und der Strom auf 14 gpm/ft2 (34,2 m/h)
anstieg. Dabei lag kein kurzer Anstieg der Trübung des Filtrats vor, sondern
diese ging in weniger als zwei Minuten wieder auf 0,05 NTU zurück. Der Filter
verblieb für
etwa 2,7 Stunden im Betrieb, bevor der Druck auf 59 psi (407 kPa)
anstieg und wiederum ein anderer back-slip durchgeführt wurde.
Während dieser
Zeitdauer verblieb die Trübung
bei etwa 0,05 NTU.
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Insgesamt
wurden 10 back-slip-Aktionen durchgeführt, wobei jeder back-slip
ein Betriebs-Segment abschloss. Nach sieben Segmenten wurde ein vollständiger Rückwaschprozess
durchgeführt.
Die Gesamtdauer des Betriebszyklus betrug 30 Stunden und während dieser
Zeitdauer wurden insgesamt 29.064 Gallonen (110 m3)
Beschickungswasser bearbeitet. Wenn keine back-slips durchgeführt worden wären, hätten nur
13.860 Gallonen (52,46 m3) Beschickungswasser
behandelt werden können,
wenn der gleiche Druckendpunkt bei 59 psi (407 kPa) verwendet worden
wäre. Somit
wurde die Kapazität
des Filters durch Verwendung des back-slip-Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung
mehr als verdoppelt.
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Es
sollte abschließend
angemerkt werden, dass die voranstehende Beschreibung sich auf eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung bezieht und dass Modifikationen innerhalb des breiten
Schutzbereichs der Erfindung möglich
sind. Beispielsweise betrifft die Erfindung die Verwendung eines
Filtrats als Flüssigkeit
für das
Durchführen
des backslip-Schritts. Es sollte aber angemerkt werden, dass anstelle
dessen ebenso eine externe Flüssigkeit
verwendet werden könnte.
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ZUSAMENFASSUNG:
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Die
Ablagerungskapazität
von Filtern für Fremdstoffe
bei Tiefenfiltern bei gekörnten
Medien wird durch Aufbringen eines sogenannten "back-slip" auf das Filterbett erhöht. In Intervallen
zwischen einem normalen Rückwaschen
wird ein Flüssigkeitsvolumen
durch das Medienbett unter Strömungsbedingungen
nach oben hindurchgeführt,
die so ausgewählt
sind, dass zumindest einige der Fremdstoffe in dem Bett nach oben
verlagert werden, während
im Wesentlichen keiner der Fremdstoffe aus dem Filterbehälter entfernt
werden. Vorzugsweise umfasst das Filterbett zumindest zwei Medienarten
unterschiedlicher, jedoch gleichförmiger Partikelgrößen und
-dichten, wobei die Medienarten jeweils eine ausgeprägte Schicht
ausbilden, in der die effektive Partikelgröße der Medien in jeder nachfolgenden
Schicht in einer Richtung nach unten in dem Behälter absinkt.