DE19546387C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckfiltration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckfiltration, vorzugsweise zur Trinkwas­ ser-Flockenfiltration in einem Drucksystem.

Bei der Aufbereitung von Trinkwasser wird in einem häufigen Anwendungsfall Was­ ser von einem hochgelegenen Speicher, beispielsweise einem Stausee, einer tie­ fergelegenen Wasseraufbereitungsanlage zugeführt, bevor es einem wiederum hö­ her als die Aufbereitungsanlage stehenden Trinkwasserspeicher zugeleitet wird. Zur Aufbereitung des Wassers wird in der Aufbereitungsanlage beispielsweise eine Flockungsfiltration durchgeführt, wie sie im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt ist. Hierbei wird das Rohwasser mit geeigneten Flockungsmitteln und Zu­ schlagsstoffen versehen zunächst durch eine Reaktionsbehälterbatterie geleitet, um dann durch eine Filterbatterie geleitet zu werden, in der die ausgeflockten Be­ standteile in einer Filterschüttung zurückgehalten werden, während das Reinwasser austritt. Die Filterbatterie kann so lange betrieben werden, bis die Filter mit den ab­ geschiedenen Flocken beladen sind. Nach weitgehender Beladung der einzelnen Filter der Filterbatterie mit der abzufiltrierenden Substanz, müssen diese aus dem Wasserkreislauf herausgenommen werden und mittels eines Reinigungsfiluids rückgespült und regeneriert werden, bevor sie wieder in den Kreislauf zur Rohwas­ serfiltration eingefügt werden können. Zum wirtschaftlichen Betreiben einer derarti­ gen Wasseraufbereitungsanlage ist es unabdingbar, daß die Filterlaufzeiten der einzelnen Filter der Filterbatterien hinreichend groß sind, um allzuhäufiges Regene­ rieren 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 Rohwasserleitung 16 wird diesem Druckbehälter 14 Wasser aus einer um eine Höhendifferenz Δ H für angeordneten Talsperre 12 zugeleitet. Das unter Druck ste­ hende Rohwasser wird, wie zuvor beschrieben in einem dem Druckbehälter 14 vor­ geschalteten Reaktionsbehälter, der in der Fig. 1 nicht näher dargestellt ist, mit dem Flockungsmittel und den anderen Zusätzen zur Reaktion gebracht. Das unter Druck stehende Rohwasser wird dann über die Rohwasserleitung 16 oberhalb des Filter­ betts aufgegeben, wie das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die ausgeflockten Bestandteile werden im Filterbett 22, 24 zurückgehalten und das Reinwasser tritt über eine Reinwasserleitung 18 aus dem Druckbehälter aus. Das Reinwasser wird im freien Auslauf in Reinwasserbecken oder -behälter geleitet. Der Durchfluß durch den Druckbehälter wird über einen Auslaufmengenregler 20 geregelt. Der Diffe­ renzdruck innerhalb des Druckbehälters kann über Druckmeßstellen P1 in der Zu­ laufleitung für das Rohwasser und P2 in der Ablaufleitung für das Reinwasser be­ stimmt werden.

Die Verwendung dieser vorbekannten Technologie führt bei einer Flockenfiltration in einem Drucksystem zu schnellen und unkontrollierten 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 Filter­ verschmutzung tritt eine Sättigung des Filtervolumens und damit ein Differenz­ druckanstieg ein. Mit der Trübstoffrückhaltung, d. h. der Abfiltration der Flocken und sonstigen 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 Durchflußmenge und sich ständig verkleinerndem Porenvolumen erhöht sich aber die Fließgeschwindigkeit im Fließbett. Gleichzeitig mit der Fließgeschwindigkeit er­ höhen sich die Scherkräfte zwischen der jeweiligen Flocke und dem Filterkorn, die soweit gesteigert werden, bis die Flocke vom Filterkorn getrennt wird. Eine Filter­ verstopfung wird nicht stattfinden, da aufgrund der Auslaufmengenregelung ein Differenzdruckanstieg innerhalb des Druckbehälters ermöglicht wird, der bis zum annähernd hydrostatischen Vordruck reicht. Das bedeutet wiederum, daß es zu einem schnellen und unkontrollierbaren Filterdurchbruch kommen kann, ohne daß das Filterbett 22, 24 gleichmäßig mit den abzuscheidenden Flocken und Trübstof­ fen beladen ist. Bei der vorbekannten Technologie kann also nicht über eine be­ stimmte Betriebszeit mit Sicherheit vorausgesagt werden, daß die Trübung des Reinwassers kleiner als die zu fordernden 0,1 TE/F ist. Bei unkontrollierten Filter­ durchbrüchen kann also das Reinwasser plötzlich verunreinigt werden. Die Filter müssen nach sehr kurzen Laufzeiten bereits wieder regeneriert werden. Schließlich muß bei der bereits bekannten Technologie das Reinwasser zu dem höher gelege­ nen Speicher für das Reinwasser mit zusätzlicher Energie hochgepumpt werden.

Aus der DE 27 30 404 A ist grundsätzlich ein Verfahren zur Steuerung der einem Anschwemmfilter während des Filterbetriebes pro Zeiteinheit zugeführten Filter­ hilfsstoffmenge bekannt, die unter anderem druckabhängig von dem Druckabfall über den Anschwemmfilter variiert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckfiltration an die Hand zu geben, bei dem die Filterlaufzeiten der Aufbereitungsanlage we­ sentlich erhöht werden können. Gleichzeitig soll sichergestellt werden, daß unkon­ trollierte Filterdurchbrüche mit Sicherheit verhindert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 ergibt sich aus der Merkmalskombination des Anspruchs 2. Demnach steht das Reinwasser ebenfalls unter Druck und in der Zulaufleitung sind zunächst ein Druckbegrenzer und anschließend an diesen vor dem Druckbehälter ein Zu­ laufmengenregler angeordnet.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann der Druckbegrenzer ein Vordruckbegrenzer sein. Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausfüh­ rungsform ist der Druckbegrenzer ein Differenzdruckbegrenzer. Bei der Ausfüh­ rungsvariante, bei der der Durchflußmengenregler im Druckbehälterzulauf nach dem Vordruckbegrenzer angeordnet ist, wird ein konstanter Vordruck, der von dem Druckunterschied zwischen dem Rohwasser- und Reinwasserdruck abhängt, ein­ gestellt. Bei einer derartigen Anordnung wird das Filterbett innerhalb des Druckbe­ hälters gleichmäßig mit den Flocken und Trübstoffen beladen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß hydraulische Widerstände in Form von Arma­ turen, Mischern, Verweilbehältern usw. vor dem das Filterbett enthaltenden Druck­ behälter korrigiert bzw. kompensiert werden 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 her­ angezogen werden. Der Differenzdruck innerhalb des das Filterbett enthaltenden Druckbehälters ist ein Maß für die Beladung des Filterbettes mit Flocken bzw. Trübstoffen. Experimentell kann der maximale zulässige Differenzdruck ermittelt werden, der unter Berücksichtigung einer Sicherheitszone, die vollständige Bela­ dung des Filterbetts mit den abzufiltrierenden Stoffen anzeigt. Das bedeutet, daß ein regeneriertes Filter von seinem nahezu differenzdrucklosen Zustand bis zum Erreichen des als Grenzwert festgelegten maximalen Differenzdruckes mit dem Rohwasser beaufschlagt werden kann, ohne daß ein Durchbruch von Verunreini­ gungen zu befürchten ist. Wird dieser Differenzdruck erreicht, wird mittels der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung der Rohwasserzulauf automatisch geschlossen und der das Filterbett enthaltende Druckbehälter kann regeneriert werden. Hier kann also das Filterbett aufgrund des gleichmäßigen Druckaufbaus gleichmäßig beladen werden und damit vollständig ausgenutzt werden, ohne daß ein unkontrollierter Durchbruch der abzufiltrierenden Stoffe zu befürchten ist. Die Filterlaufzeiten kön­ nen 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 Reinwassers in einen im Verhältnis zur Aufbereitungsanlage höher gelegenen Reinwassersammelbehäl­ ter genutzt werden.

Zwischen dem Druckbegrenzer und dem Zulaufmengenregler kann zusätzlich noch ein Durchflußmesser angeordnet sein. Mit diesem Durchflußmesser kann der Vo­ lumenstrom des zulaufenden Rohwassers überwacht werden. Der über den Durch­ flußmesser ermittelte Volumenstrom ist ein Maß für die Zulaufgeschwindigkeit des Rohwassers.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Diffe­ renzdruckbegrenzer über Steuerleitungen vor und nach dem Druckbehälter den Druck ab. Dabei kann der über die Steuerleitungen abgenommene Druck unmittel­ bar oder mittelbar auf eine Plus- oder auf eine Minusseite einer Steuermembran schaltbar sein. Diese Anordnung beinhaltet den Vorteil, daß sie unabhängig von elektrischer Energie nur auf der Grundlage der hydrostatischen Verhältnisse betrie­ ben wird. Hierdurch wird die Betriebssicherheit erhöht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeich­ nung 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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3: eine zweite besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 zeigt, daß die Aufbereitungsanlage 10 um die Höhendifferenz Δ H unterhalb einer Talsperre 12 liegt, über die das Rohwasser mittels einer Zulaufleitung 16 zugeführt wird. Das Rohwasser, welches in der Auf­ bereitungsanlage 10 verarbeitet wird, steht also unter dem hydrostatischen Druck, der dem Höhenunterschied Δ H entspricht. Das Reinwasser wird über eine Ablauf­ leitung 18 einem Reinwasserspeicher 32 zugeführt, 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 entspricht. Zwi­ schen dem Reinwassersammelbehälter 32 und der Talsperre 12 besteht der Hö­ henunterschied Δ h2. Die entsprechenden Höhenverhältnisse sind in Fig. 2 ange­ deutet. In der vereinfachten Wiedergabe des Anlagenschemas der Aufbereitungs­ anlage 10 sind die Teile der Anlage, in welcher die Flockungsmittel und sonstigen Reagenzien zugegeben werden, sowie die Reaktionsbehälter nicht näher darge­ stellt. Diese sind konventionell ausgeführt und bedürfen hier keiner weiteren Erläu­ terung 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 Druckbe­ hälter 14 ein Vordruckbegrenzer 28 zur Einstellung eines vorbestimmten Vordrucks angeordnet. In Fließrichtung des Rohwassers nachgeschaltet ist ein Zulaufmengen­ regler 26. Zwischen dem Vordruckbegrenzer 28 und dem Zulaufmengenregler 26 ist ein Durchflußmesser 30 zur Bestimmung des Volumenstroms des Rohwassers eingebaut. Zusätzlich können Druckmeßstellen P1, P2, P3 und P4 an den in der Fig. 2 vorgesehenen Stellen angeordnet sein. Die Durchflußmengenregelung befin­ det sich also im Zulauf zu dem Druckbehälter 14 nach dem Vordruckbegrenzer 28. Man kann beispielsweise davon ausgehen, daß durch den Vordruckbegrenzer ein Vordruck von ca. 3 bar eingestellt wird. Demgegenüber kann für ein Ausführungs­ beispiel der Reinwasserdruck mit ca. 2,5 bis 2,7 bar angenommen werden. Damit ist im Überstauraum 15 des Druckbehälters 14 ein Fließdruck von 0,3 bis 0,5 bar vorhanden. Aufgrund dieses eingestellten Fließdrucks wird der Filter 14 gleichmä­ ßig beginnend mit der Anthrazitschicht 22 bis zur Sandschicht 24 belastet.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht nun die Möglichkeit auch noch die hydraulischen Widerstände in Form von Armaturen, Mischer, Verweilbehälter usw. vor dem Druckbehälter 14 zu korrigieren bzw. zu kompensieren. Der im Zulauf angeordnete Zulaufmengenregler 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 Nachre­ gelung des Vordrucks bis auf einen voreingestellten Wert. Mit zunehmender Filter­ belastung öffnet der Schieber mehr und mehr und der Druckverlust am Schieber wird im Verhältnis kleiner wie der Differenzdruck im Filter steigt. Damit wird zum ständig steigenden Differenzdruck im Filterbett eine variable dem Differenzdruck entgegengesetzte Regelvariante möglich. Diesen Vorteil gab es bei dem Stand der Technik, 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 identische Teile mit identi­ schen Bezugszeichen versehen. Die Anordnung entspricht weitgehend derjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Es wird hier lediglich statt des Vor­ drucksbegrenzers 28 ein Differenzdruckbegrenzer 34 eingesetzt, der über Steuer­ leitungen 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 inner­ halb des Differenzdruckbegrenzers der exakte Differenzdruck innerhalb des Druck­ behälters 14 bestimmt werden. Mittels des Differenzdruckbegrenzers 34 kann der Zulauf des Rohwassers durch die Zulaufleitung 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 Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 erläutert wurde, besteht nun darin, daß der Differenzdruckbegrenzer 34 den Druck vor und nach dem Druckbehälter 14 mit Hilfe der Steuerleitungen 36 und 38 unmit­ telbar oder mittelbar auf eine Plus- oder auf eine Minusseite einer hier nicht näher dargestellten Steuermembran, die im Differenzdruckbegrenzer 34 vorgesehen ist, schaltet. Damit werden die durchflußabhängigen Druckänderungen der Vor- bzw. Nachdruckseite während des Filtrationsvorganges berücksichtigt.

Der Durchflußmengenregler 26 im Druckbehälterzulauf übernimmt neben der Durchflußmengenregelung auch die Rohwasserdruckregelung bis zum Erreichen des eingestellten Differenzgrenzdrucks am Druckbehälter. Durch diese Schaltung ist es nun möglich, eine Beladung des Filterbetts 22, 24 innerhalb des Druckbehäl­ ters 14 bis in die unteren Schichten zu erreichen, ohne daß es zum Durchbruch 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 Ausfüh­ rungsbeispiele zeigen aber unvergleichlich bessere Filterlaufzeiten als der Stand der Technik gemäß Fig. 1.

Claims (6)

1. Verfahren zur Druckfiltration, vorzugsweise von Trinkwasser, bei dem unter Druck stehendes Rohwasser über mindestens einen ein Filterbett enthalten­ den Druckbehälter geführt wird, wobei auch das Reinwasser unter Druck steht, wobei der Rohwasserzulaufvolumenstrom in Abhängigkeit vom Diffe­ renzdruck gemessen an der Zu- und Ablaufleitung auf einen konstanten Wert bis zum Erreichen des als Grenzwert festgelegten maximalen Differenzdruc­ kes geregelt wird und wobei mit Erreichen des Grenzwertes über einen Druckbegrenzer (28, 34) der Rohwasserzulauf automatisch geschlossen wird.

2. Vorrichtung zur Druckfiltration nach Anspruch 1, vorzugsweise zur Trinkwas­ ser-Flockenfiltration in einem Drucksystem, mit mindestens einem ein Filter­ bett enthaltenden Druckbehälter, mit einer Zulaufleitung für das unter Druck stehende Rohwasser, und einer Ablaufleitung für das gefilterte Reinwasser, wobei das Reinwasser ebenfalls unter Druck steht und wobei in der Zulauflei­ tung (16) ein Druckbegrenzer (28, 34) zum automatischen Schließen der Zu­ laufleitung (16) und anschließend an diesen vor dem Druckbehälter (14) ein Zulaufmengenregler (26) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbe­ grenzer ein Vordruckbegrenzer (28) ist, dem ein bestimmter Grenzwert des Differenzdrucks im Druckfilter zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbe­ grenzer ein Differenzdruckbegrenzer (34) ist, der über Steuerleitungen (36, 38) mit der Zulaufleitung (16) und der Ablaufleitung (18) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckbegrenzer (28, 34) und dem Zulaufmengenregler (26) ein Druchflußmesser (30) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenz­ druckbegrenzer (34) eine Steuermembran aufweist, deren Plus- und Mi­ nusseite mit den Steuerleitungen (36, 38) verbunden ist, so daß der abge­ nommene Druck aufschaltbar ist.