DE19546387A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Druckfiltration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckfiltration, vor­ zugsweise zur Trinkwasser-Flockenfiltration in einem Drucksy­ stem, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Druckfiltration, vorzugsweise von Trinkwasser, bei dem unter Druck stehendes Rohwasser über mindestens einen ein Filterbett enthaltenden Druckbehälter ge­ führt wird.

Bei der Aufbereitung von Trinkwasser wird in einem häufigen An­ wendungsfall Wasser von einem hochgelegenen Speicher, beispiels­ weise einem Stausee, einer tiefergelegenen Wasseraufbereitungsan­ lage zugeführt, bevor es einem wiederum höher als die Aufberei­ tungsanlage stehenden Trinkwasserspeicher zugeleitet wird. Zur Aufbereitung des Wassers wird in der Aufbereitungsanlage bei­ spielsweise eine Flockungsfiltration durchgeführt, wie sie im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt ist. Hierbei wird das Rohwasser mit geeigneten Flockungsmitteln und Zuschlagsstof­ fen versehen zunächst durch eine Reaktionsbehälterbatterie gelei­ tet, um dann durch eine Filterbatterie geleitet zu werden, in der die ausgeflockten Bestandteile in einer Filterschüttung zu­ rückgehalten werden, während das Reinwasser austritt. Die Filter­ batterie kann so lange betrieben werden, bis die Filter mit den abgeschiedenen Flocken beladen sind. Nach weitgehender Beladung der einzelnen Filter der Filterbatterie mit der abzufiltrieren­ den Substanz, müssen diese aus dem Wasserkreislauf herausgenom­ men werden und mittels eines Reinigungsfluids rückgespült und regeneriert werden, bevor sie wieder in den Kreislauf zur Rohwas­ serfiltration eingefügt werden können. Zum wirtschaftlichen Be­ treiben einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage ist es unab­ dingbar, daß die Filterlaufzeiten der einzelnen Filter der Fil­ terbatterien hinreichend groß sind, um allzuhäufiges Regenerie­ ren der Filterschüttungen zu vermeiden.

Ein Anlagenschema gemäß dem Stand der Technik wird im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert. Hier ist die Vorrichtung zur Druckfiltration 10 symbolisch durch einen ein Filterbett 22, 24 enthaltenden Druckbehälter 14 dargestellt. Über eine Rohwasser­ leitung 16 wird diesem Druckbehälter 14 Wasser aus einer um eine Höhendifferenz ΔH für angeordneten Talsperre 12 zugeleitet. Das unter Druck stehende Rohwasser wird, wie zuvor beschrieben in einem dem Druckbehälter 14 vorgeschalteten Reaktionsbehälter, der in der Fig. 1 nicht näher dargestellt ist, mit dem Flockungs­ mittel und den anderen Zusätzen zur Reaktion gebracht. Das unter Druck stehende Rohwasser wird dann über die Rohwasserleitung 16 oberhalb des Filterbetts aufgegeben, wie das in Fig. 1 schema­ tisch dargestellt ist. Die ausgeflockten Bestandteile werden im Filterbett 22, 24 zurückgehalten und das Reinwasser tritt über eine Reinwasserleitung 18 aus dem Druckbehälter aus. Das Reinwas­ ser wird im freien Auslauf in Reinwasserbecken oder -behälter geleitet. Der Durchfluß durch den Druckbehälter wird über einen Auslaufmengenregler 20 geregelt. Der Differenzdruck innerhalb des Druckbehälters kann über Druckmeßstellen P1 in der Zulauflei­ tung für das Rohwasser und P2 in der Ablaufleitung für das Rein­ wasser bestimmt werden.

Die Verwendung dieser vorbekannten Technologie führt bei einer Flockenfiltration in einem Drucksystem zu schnellen und unkon­ trollierten Filterdurchbrüchen und geringen Filterlaufzeiten.

Diese unzureichende Funktionsweise der vorbekannten Technologie läßt sich wie folgt erklären. Anfänglich ist der Differenzdruck im Filter zwischen Rohwasser- und Reinwasserseite sehr gering. Mit zunehmender Filterverschmutzung tritt eine Sättigung des Fil­ tervolumens und damit ein Differenzdruckanstieg ein. Mit der Trübstoffrückhaltung, d. h. der Abfiltration der Flocken und son­ stigen Trübstoffe, ist eine Verringerung des Porenvolumens im Filterbett 22, 24 verbunden. Durch die Auslaufregelung erfolgt nun aber eine ständige Nachregelung der Durchflußmenge auf den zuvor eingestellten Sollwert. Bei gleichbleibender Durchflußmen­ ge und sich ständig verkleinerndem Porenvolumen erhöht sich aber die Fließgeschwindigkeit im Fließbett. Gleichzeitig mit der Fließgeschwindigkeit erhöhen sich die Scherkräfte zwischen der jeweiligen Flocke und dem Filterkorn, die soweit gesteigert wer­ den, bis die Flocke vom Filterkorn getrennt wird. Eine Filterver­ stopfung wird nicht stattfinden, da aufgrund der Auslaufmengenre­ gelung ein Differenzdruckanstieg innerhalb des Druckbehälters ermöglicht wird, der bis zum annähernd hydrostatischen Vordruck reicht. Das bedeutet wiederum, daß es zu einem schnellen und un­ kontrollierbaren Filterdurchbruch kommen kann, ohne daß das Fil­ terbett 22, 24 gleichmäßig mit den abzuscheidenden Flocken und Trübstoffen beladen ist. Bei der vorbekannten Technologie kann also nicht über eine bestimmte Betriebszeit mit Sicherheit vo­ rausgesagt werden, daß die Trübung des Reinwassers kleiner als die zu fordernden 0,1 TE/F ist. Bei unkontrollierten Filterdurch­ brüchen kann also das Reinwasser plötzlich verunreinigt werden. Die Filter müssen nach sehr kurzen Laufzeiten bereits wieder re­ generiert werden. Schließlich muß bei der bereits bekannten Tech­ nologie das Reinwasser zu dem höher gelegenen Speicher für das Reinwasser mit zusätzlicher Energie hochgepumpt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Druckfiltration an die Hand zu geben, bei dem die Filterlauf­ zeiten der Aufbereitungsanlage wesentlich erhöht werden können. Gleichzeitig soll sichergestellt werden, daß unkontrollierte Fil­ terdurchbrüche mit Sicherheit verhindert werden könne.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe zunächst ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merk­ male des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Demnach steht das Reinwasser ebenfalls unter Druck und in der Zulauflei­ tung sind zunächst ein Druckbegrenzer und anschließend an diesen vor dem Druckbehälter ein Zulaufmengenregler angeordnet.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann der Druckbe­ grenzer ein Vordruckbegrenzer sein. Nach einer weiteren beson­ ders vorteilhaften Ausführungsform ist der Druckbegrenzer ein Differenzdruckbegrenzer. Bei der Ausführungsvariante, bei der der Durchflußmengenregler im Druckbehälterzulauf nach dem Vor­ druckbegrenzer angeordnet ist, wird ein konstanter Vordruck, der von dem Druckunterschied zwischen dem Rohwasser- und Reinwasser­ druck abhängt, eingestellt. Bei einer derartigen Anordnung wird das Filterbett innerhalb des Druckbehälters gleichmäßig mit den Flocken und Trübstoffen beladen. Ein weiterer Vorteil dieser An­ ordnung besteht darin, daß hydraulische Widerstände in Form von Armaturen, Mischern, Verweilbehältern usw. vor dem das Filter­ bett enthaltenden Druckbehälter korrigiert bzw. kompensiert wer­ den können.

Wird statt des Vordruckreglers gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Differenzdruckbegrenzer eingebaut, so kann mit diesem der Differenzdruck im Filter selbst, vorzugsweise ohne elektrische Hilfsenergie, zur Anlagenregelung herangezogen werden. Der Differenzdruck innerhalb des das Filterbett enthal­ tenden Druckbehälters ist ein Maß für die Beladung des Filterbet­ tes mit Flocken bzw. Trübstoffen. Experimentell kann der maxima­ le zulässige Differenzdruck ermittelt werden, der unter Berück­ sichtigung einer Sicherheitszone, die vollständige Beladung des Filterbetts mit den abzufiltrierenden Stoffen anzeigt. Das bedeu­ tet, daß ein regeneriertes Filter von seinem nahezu differenz­ drucklosen Zustand bis zum Erreichen des als Grenzwert festgeleg­ ten maximalen Differenzdruckes mit dem Rohwasser beaufschlagt werden kann, ohne daß ein Durchbruch von Verunreinigungen zu be­ fürchten ist. Wird dieser Differenzdruck erreicht, wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Rohwasserzulauf automa­ tisch geschlossen und der das Filterbett enthaltende Druckbehäl­ ter kann regeneriert werden. Hier kann also das Filterbett auf­ grund des gleichmäßigen Druckaufbaus gleichmäßig beladen werden und damit vollständig ausgenutzt werden, ohne daß ein unkontrol­ lierter Durchbruch der abzufiltrierenden Stoffe zu befürchten ist. Die Filterlaufzeiten können erheblich vergrößert werden und ermöglichen einen wirtschaftlichen Einsatz der die Filterbetten enthaltenden Druckbehälter. Schließlich geht der Vordruck des Rohwassers nicht verloren, sondern kann zur Zuführung des Rein­ wassers in einen im Verhältnis zur Aufbereitungsanlage höher ge­ legenen Reinwassersammelbehälter genutzt werden.

Zwischen dem Druckbegrenzer und dem Zulaufmengenregler kann zu­ sätzlich noch ein Durchflußmesser angeordnet sein. Mit diesem Durchflußmesser kann der Volumenstrom des zulaufenden Rohwassers überwacht werden. Der über den Durchflußmesser ermittelte Volu­ menstrom ist ein Maß für die Zulaufgeschwindigkeit des Rohwas­ sers.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Differenzdruckbegrenzer über Steuerleitungen vor und nach dem Druckbehälter den Druck ab. Dabei kann der über die Steuerleitungen abgenommene Druck unmittelbar oder mittelbar auf eine Plus- oder auf eine Minusseite einer Steuermembran schalt­ bar sein. Diese Anordnung beinhaltet den Vorteil, daß sie unab­ hängig von elektrischer Energie nur auf der Grundlage der hydro­ statischen Verhältnisse betrieben wird. Hierdurch wird die Be­ triebssicherheit erhöht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch durch die Verfahren gemäß der Ansprüche 7 und 8 gelöst.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schema einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine stark vereinfachte Darstellung einer ersten Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3 eine zweite besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 zeigt, daß die Aufbereitungsan­ lage 10 um die Höhendifferenz Δ H unterhalb einer Talsperre 12 liegt, über die das Rohwasser mittels einer Zulaufleitung 16 zu­ geführt wird. Das Rohwasser, welches in der Aufbereitungsanlage 10 verarbeitet wird, steht also unter dem hydrostatischen Druck, der dem Höhenunterschied Δ H entspricht. Das Reinwasser wird über eine Ablaufleitung 18 einem Reinwasserspeicher 32 zuge­ führt, der um die Höhendifferenz Δ h₁ höher angeordnet ist als die Aufbereitungsanlage 10. Das Reinwasser steht also unter einem hydrostatischen Druck, der der Höhendifferenz Δ h₁ ent­ spricht. Zwischen dem Reinwassersammelbehälter 32 und der Tal­ sperre 12 besteht der Höhenunterschied Δ h₂. Die entsprechenden Höhenverhältnisse sind in Fig. 2 angedeutet. In der vereinfach­ ten Wiedergabe des Anlagenschemas der Aufbereitungsanlage 10 sind die Teile der Anlage, in welcher die Flockungsmittel und sonstigen Reagenzien zugegeben werden, sowie die Reaktionsbehäl­ ter nicht näher dargestellt. Diese sind konventionell ausgeführt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung zur Darstellung der Erfindung.

Als Filterbatterie ist hier stellvertretend ein Druckbehälter 14 mit einem Filterbett gezeigt, das aus einer Anthrazitschicht 22 und einer Sandschicht 24 besteht, die auf einer Stützschicht 25 aufliegen. In der Zulaufleitung 16 ist vor dem Druckbehälter 14 ein Vordruckbegrenzer 28 zur Einstellung eines vorbestimmten Vor­ drucks angeordnet. In Fließrichtung des Rohwassers nachgeschal­ tet ist ein Zulaufmengenregler 26. Zwischen dem Vordruckbegren­ zer 28 und dem Zulaufmengenregler 26 ist ein Durchflußmesser 30 zur Bestimmung des Volumenstroms des Rohwassers eingebaut. Zu­ sätzlich können Druckmeßstellen P1, P2, P3 und P4 an den in der Fig. 2 vorgesehenen Stellen angeordnet sein. Die Durchflußmengen­ regelung befindet sich also im Zulauf zu dem Druckbehälter 14 nach dem Vordruckbegrenzer 28. Man kann beispielsweise davon aus­ gehen, daß durch den Vordruckbegrenzer ein Vordruck von ca. 3 bar eingestellt wird. Demgegenüber kann für ein Ausführungsbei­ spiel der Reinwasserdruck mit ca. 2,5 bis 2,7 bar angenommen wer­ den. Damit ist im Überstauraum 15 des Druckbehälters 14 ein Fließdruck von 0,3 bis 0,5 bar vorhanden. Aufgrund dieses einge­ stellten Fließdrucks wird der Filter 14 gleichmäßig beginnend mit der Anthrazitschicht 22 bis zur Sandschicht 24 belastet.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht nun die Möglich­ keit auch noch die hydraulischen Widerstände in Form von Armatu­ ren, Mischer, Verweilbehälter usw. vor dem Druckbehälter 14 zu korrigieren bzw. zu kompensieren. Der im Zulauf angeordnete Zu­ laufmengenregler 26 kann beispielsweise als geregelter Schieber ausgebildet sein und dient der Einstellung eines konstanten Durchflusses während der Filterlaufzeit und erfüllt gleichzeitig bis zu seiner vollen Öffnung eine Nachregelung des Vordrucks bis auf einen voreingestellten Wert. Mit zunehmender Filterbelastung öffnet der Schieber mehr und mehr und der Druckverlust am Schie­ ber wird im Verhältnis kleiner wie der Differenzdruck im Filter steigt. Damit wird zum ständig steigenden Differenzdruck im Fil­ terbett eine variable dem Differenzdruck entgegengesetzte Regel­ variante möglich. Diesen Vorteil gab es bei dem Stand der Tech­ nik, wie er anhand der Fig. 1 bereits erläutert wurde, nicht. Im Zufluß zum Druckfilter 14 wird der Durchflußvolumenstrom mittels eines elektronischen Reglers geregelt.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind identi­ sche Teile mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Anordnung entspricht weitgehend derjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Es wird hier lediglich statt des Vordrucksbegren­ zers 28 ein Differenzdruckbegrenzer 34 eingesetzt, der über Steu­ erleitungen 36 bzw. 38 mit der Zulaufleitung 16 unmittelbar vor dem Druckbehälter 14 und der Ablaufleitung 18 unmittelbar nach Austreten des Reinwassers aus dem Druckbehälter verbunden ist. Somit kann über die Druckleitungen 36 und 38 innerhalb des Dif­ ferenzdruckbegrenzers der exakte Differenzdruck innerhalb des Druckbehälters 14 bestimmt werden. Mittels des Differenzdruckbe­ grenzers 34 kann der Zulauf des Rohwassers durch die Zulauflei­ tung 16 dann begrenzt werden, wenn innerhalb des Druckbehälters 14 ein vorgegebener Differenzdruck erreicht ist.

Einer der Vorteile des vorgeschalteten Differenzdruckbegrenzers 34 anstelle eines Vordruckbegrenzers 28, wie er anhand des Aus­ führungsbeispiels gemäß Fig. 2 erläutert wurde, besteht nun da­ rin, daß der Differenzdruckbegrenzer 34 den Druck vor und nach dem Druckbehälter 14 mit Hilfe der Steuerleitungen 36 und 38 un­ mittelbar oder mittelbar auf eine Plus- oder auf eine Minusseite einer hier nicht näher dargestellten Steuermembran, die im Dif­ ferenzdruckbegrenzer 34 vorgesehen ist, schaltet. Damit werden die durchflußabhängigen Druckänderungen der Vor- bzw. Nachdruck­ seite während des Filtrationsvorganges berücksichtigt.

Der Durchflußmengenregler 26 im Druckbehälterzulauf übernimmt neben der Durchflußmengenregelung auch die Rohwasserdruckrege­ lung bis zum Erreichen des eingestellten Differenzgrenzdrucks am Druckbehälter. Durch diese Schaltung ist es nun möglich, eine Beladung des Filterbetts 22, 24 innerhalb des Druckbehälters 14 bis in die unteren Schichten zu erreichen, ohne daß es zum Durch­ bruch der Flocken bzw. Trübstoffe ins Reinwasser kommt.

Im Ergebnis werden hier auch nochmals höhere Filterlaufzeiten als beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 erreicht. Beide hier dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen aber unver­ gleichlich bessere Filterlaufzeiten als der Stand der Technik gemäß Fig. 1.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Druckfiltration, vorzugsweise zur Trinkwas­ ser-Flockenfiltration in einem Drucksystem, mit mindestens einem ein Filterbett enthaltenden Druckbehälter, mit einer Zulaufleitung für das unter Druck stehende Rohwasser, und einer Ablaufleitung für das gefilterte Reinwasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinwasser ebenfalls unter Druck steht und daß in der Zulaufleitung ein Druckbegrenzer und ein Zulaufmengen­ regler angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbegrenzer ein Vordruckbegrenzer ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbegrenzer ein Differenzdruckbegrenzer ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Druckbegrenzer und dem Zulaufmen­ genregler ein Durchflußmesser angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Differenzdruckbegrenzer über Steuerleitun­ gen vor und nach dem Druckbehälter den Druck abnimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Steuerleitungen abgenommene Druck unmittelbar oder mittelbar auf eine Plus- und auf eine Minusseite einer Steu­ ermembran schaltbar ist.

7. Verfahren zur Druckfiltration, vorzugsweise von Trinkwasser, bei dem unter Druck stehendes Rohwasser über einen ein Fil­ terbett enthaltenden Druckbehälter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohwasserdruck vor dem Druckbehälter auf einem vorbe­ stimmten Vordruck konstant gehalten wird und daß der Rohwas­ serzulaufvolumenstrom geregelt wird.

8. Verfahren zur Druckfiltration, vorzugsweise von Trinkwasser bei dem unter Druck stehendes Rohwasser über mindestens einen ein Filterbett enthaltenden Druckbehälter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohwasserzulaufvolumenstrom geregelt wird, daß über Differenzdruckermittlung der Druckverlust im Druckbehälter ermittelt wird und daß bei Erreichen eines vorbestimmten Dif­ ferenzdrucks der Rohwasserzulauf geschlossen wird.