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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Filtervorrichtung vom Querstromtyp
mit mehreren in einem Stapel angeordneten, in einem Behälter drehbar
gelagerten und mit einer Drehantriebseinrichtung verbundenen, kreisförmigen Filterscheiben
jeweils aus einer Trägerplatte
und beidseitig daran befestigten Filtermembranen.
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Die
Querstrom- oder Cross-Flow-Filtertechnik von Trüben, insbesondere von Abwässern hat
gegenüber
den klassischen Kammerfilterpressen den Vorteil, dass die Filtermedien
weniger schnell blockieren. In diesem Zusammenhang ist aus
EP 0 226 659 B1 eine
Filtervorrichtung bekannt, die mehrere im Abstand zueinander auf
einer gemeinsamen Achse angeordnete, kreisförmige Filterplatten aufweist, zwischen
denen sich jeweils eine Rotorplatte befindet. Die Rotorplatten haben
Rippen und sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, die die
Filterplatten durchdringt. Durch Rotation der Welle wird mittels
der Rotorscheiben die zwischen den Filterscheiben befindliche, unter
einem gewissen Druck stehende Trübe
in eine Umlaufbewegung versetzt, die ein vorzeitiges Blockieren
der auf den Filterplatten befindlichen Filtermembranen verhindert.
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Weiterhin
ist aus der
EP 0 577
854 B1 eine Filtervorrichtung bekannt, bestehend aus einem
zylindrischen Behälter
zur Aufnahme einer zu filternden Trübe unter Druck, wenigstens
einem Rotor, der in dem Behälter
konzentrisch angeordnet und von einem Drehantrieb rotierend angetrieben
ist. Der Rotor besteht aus einer in einer Stirnwand des Behälters drehbar
gelagerten Hohlwelle und einer daran befestigten Tragvorrichtung,
die aus hohlen Speichen und einem davon gehaltenen zur Behälterachse
konzentrischen, hohlen Trägerring
besteht, auf dem eine Vielzahl sich parallel zur Behälterachse
erstreckender Filterkerzen angeordnet sind, deren eine Enden an
dem Trägerring
befestigt sind und deren Innenräume über in der
Tragvorrichtung ausgebildete Kanäle mit
dem Innenraum der Hohlwelle verbunden sind, der seinerseits mit
einem Auslass für
aus den Filterkerzen abfließendes
Filtrat verbunden ist. An der Innenseite der Mantelwand des Behälters sind
im Wesentlichen axial verlaufende Strömungsstörer befestigt, die einem Umlauf
der zu filternden Trübe
mit den Filterkerzen der äußersten
Gruppe entgegenwirken. In Folge eines Umlaufs des Rotors wird an
den Filterkerzen eine Querströmung
erzeugt, die einer vorzeitigen Blockierung der Filterkerzen durch
Sediment entgegenwirken.
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In
der
EP 0951 930 B1 ist
eine ähnliche
Filtervorrichtung beschrieben, bei der die Filterkörper aus
Scheibenstapeln bestehen, die jeweils mehrere in gegenseitigem Abstand
auf gemeinsamer Achse angeordnete Filterscheiben enthalten. Durch
den Umlauf der Rotoren werden die Filterscheiben der Filterelemente
einer Querströmung
der zu filternden Trübe
ausgesetzt.
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Im
Gegensatz zur konventionellen Cross-Flow-Filtration, bei der die
Querströmung
an den Filterflächen
durch eine in der zu filternden Trübe hervorgerufene Bewegung
hervorgerufen wird, beispielsweise durch Umpumpen, ergibt sich bei
der sogenannten Rotationsfiltration, bei der die Filterelemente
in der zu filternden Trübe
umlaufen, eine vergrößerte Filtrationsleistung.
Auf jeden Fall müssen die
dabei eingesetzten Filterelemente an ihren Einsatzzweck angepasst
werden.
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Für die Umsetzung
von vorteilhaften Rotationsfiltrationsverfahren stehen auf dem Markt
keramische Filterelemente zur Verfügung. Es handelt sich dabei
um Filterscheiben aus druckbeständiger Al2O2-Keramik, die
zu Filterstapeln aus einer Vielzahl von in gegenseitigem Abstand
angeordneter Filterscheiben zusammengefasst werden, um Filterflächen von
bis zu mehreren hundert m2 in modular aufgebauten
Anlagen zu erzielen. Diese Filterstapel werden in den Filteranlagen
in Rotation versetzt. Durch die auftretenden Zentrifugalkräfte werden
Ablagerungen an den Filteroberflächen
kontinuierlich abtransportiert, und die Filtratleistung bleibt auf
einem konstant hohen Niveau.
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Keramische
Filterscheiben sind sehr aufwändig
herzustellen und daher teuer. Außerdem sind sie bruchanfällig. In
Abwasserreinigungsanlagen, die rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt
sind, kann es daher häufig
zu einem Ausfall einer oder mehrerer Filterscheiben kommen, die
dann die Leistung der Filteranlage nicht nur beeinträchtigen,
sondern wegen der in das Permeat gelangenden Schmutzreste ganz unmöglich machen
können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Filtervorrichtung
anzugeben, die einfach aufgebaut ist und sich kostengünstig herstellen lässt.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung erlaubt es, die Trägerscheiben für die Filterscheiben
aus thermoplastischem, rezykliertem Kunststoff herzustellen, beispielsweise
aus Polyethylen oder Polypropylen, was die Kosten ganz erheblich
senkt. Die Trägerscheiben
sind in Massenfertigung mit einfachen, teilbaren Spritzformen herstellbar.
Die Spritzformen brauchen lediglich eine der Anzahl der Entwässerungskanäle entsprechende Anzahl
von Schiebern zu enthalten, mit deren Hilfe die Entwässerungskanäle in den
Trägerscheiben ausgebildet
werden. Die Verwendung thermoplastischen Kunststoffs für die Trägerscheiben
in Kombination mit der Wahl eines thermoplastischen Kunststoffs
für die
Herstellung der Filtermembranen erlaubt es auch, letztere durch
einen einfachen Schweißvorgang
schnell und dicht an inneren und äußeren Fügeflächen der Trägerscheibe zu befestigen. Werden
die Entwässerungskanäle an ihren äußeren Enden
für den
Betrieb durch herausnehmbare Stopfen verschlossen, ist es möglich, diese
Kanäle
beispielsweise anlässlich
des Austauschs einer schadhaft gewordenen Filtermembran von außen mit
Druckwasser durchzuspülen,
falls es notwendig sein sollte.
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Ein
Vorteil ist ferner, dass die Filterscheiben im gestapelten Zustand
gemeinsame Ablaufkanäle für das Permeat
bilden, die nur noch an einem Ende durch die tragende Welle hindurch
entwässert
werden müssen,
im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Scheiben einzeln durch
die sie tragende Hohlwelle hindurch entwässert werden. Die Erfindung vereinfacht
auch die Konstruktion, denn die Abdichtung der Ablaufkanalsegmente,
die von den einzelnen Filterscheiben gebildet werden, aneinander
ist durch mechanischen Druck in axialer Richtung leichter zu bewerkstelligen,
als die Abdichtung einer radial entwässerten Scheibe an einer sie
tragenden Hohlwelle.
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Die
Tatsache, dass ein Stapel aus Filterscheiben nur an einem axialen
Ende entwässert
wird, ermöglicht
es ferner, die Filterscheiben mit einer relativ großen Mittenöffnung zu
versehen, in die ein Getriebemotor eingesetzt werden kann, der in
die zu filternde Trübe
eintaucht. Die Bauhöhe
der Gesamtkonstruktion kann dadurch erheblich verringert werden,
was besonders bei im Boden versenkten Kleinkläranlagen von Vorteil ist, weil
der notwendige Aushub dann weniger weit in die Tiefe gehen muss.
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Die
Filtermembranen bestehen vorzugsweise aus einem Polymer. Sie haben
eine dem Einsatzzweck angepasste Porengröße. Die Poren haben bei Kleinkläranlagen
beispielsweise einen Durchmesser von 0,2 μm, bei Brauchwasseraufbereitung
einen Durchmesser von etwa 0,1 μm.
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Die
Filterscheiben sind an ihrem Rand vorzugsweise mit Schaufeln versehen,
um Turbulenzen in der zu filternden Trübe zu erzeugen. Es ist vorteilhaft,
wenn ein einen Scheibenstapel aufnehmender Behälter an seinen Wänden mit
Stromstörern
versehen ist, um die dynamischen Verhältnisse in der zu filternden
Trübe weiter
zu verbessern. Stromstörer können auch
als Finger oder Stäbe
gestaltet sein, die an der Innenwand des Behälters angebracht sind und in
die Zwischenräume
zwischen den Filterscheiben hineinragen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahem auf ein in den Zeichnungen
dargestelltes Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Filtervorrichtung nach der Erfindung, geschnitten
längs der
Linie B-B von 2;
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2 eine
Draufsicht auf die Filtervorrichtung von 1;
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3 eine
Seitenansicht der Filtervorrichtung von 1 und 2;
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4 eine
Schnittdarstellung der Filtervorrichtung nach der Erfindung, geschnitten
längs der
Linie A-A- von 2;
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5 eine
Draufsicht auf eine Filterscheibe nach der Erfindung, und
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6 eine
Axialschnittansicht eines Filterscheibenpakets an einer Tragvorrichtung.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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1 zeigt
in einem im Wesentlichen axial verlaufenden Schnitt längs der
Linie A-A von 2 eine Filtervorrichtung nach
der Erfindung. Diese Filtervorrichtung umfasst eine im Wesentlichen
quadratische obere Rahmenplatte 1, eine ähnliche
untere Rahmenplatte 2 und vier im Bereich der Ecken der Rahmenplatten 1 und 2 angeordnete
Säulen 3,
die die Rahmenplatten 1 und 2 in gegenseitigem
Abstand miteinander verbinden.
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Zwischen
den beiden Rahmenplatten 1 und 2 befindet sich
ein insgesamt mit 4 bezeichneter Rotor, der an den Rahmenplatten 1 und 2 drehbar
gelagert ist.
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Der
Rotor 4 hat einen unteren, wannenförmigen Aufnahmeflansch 5,
nachfolgend als Wanne bezeichnet, von dem bzw. der sich zentrisch
ein Wellenstutzen 6 nach unten erstreckt, der in einer
an der unteren Rahmenplatte 2 ausgebildeten Lagerbuchse 7 drehbar
gelagert ist.
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Von
der Wanne 5 erheben sich im dargestellten Beispiel vier
Einsteckstutzen 8 nach oben, von denen in 1 zwei
Einsteckstutzen 8 erkennbar sind. Auf die Einsteckstutzen 8 ist
eine Filterscheibe 9 kreisförmiger Gestalt aufgesetzt,
die zu diesem Zweck an ihrer Unterseite vier Aufnahmebuchsen 10 aufweist.
Diese Aufnahmebuchsen 10 fluchten mit an der Oberseite
der Filterscheibe 9 ausgebildeten Einsteckstutzen 11,
die eine den Einsteckstutzen 8 vergleichbare Gestalt haben.
Auf diese Weise ist es möglich,
auf die Filterscheibe 9 eine gleichartige Filterscheibe
passend aufzusetzen und auf diese wiederum eine weitere Filterscheibe,
um ein Stapel aus Filterscheiben 9 zu bilden, in dem im
dargestellten Beispiel zwölf
Filterscheiben 9 enthalten sind.
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Die
oberste Filterscheibe 9 ist mittels eines Lagers, hier
eines Schleifrings 12, an der oberen Rahmenplatte 1 drehbar
gelagert. Der Schleifring 12 sitzt in einer Nut, die an
der Unterseite der oberen Gehäuseplatte 1 ausgebildet
ist. Er ist von einem an der obersten Filterscheibe 9 ausgebildeten
Halslager 33 umgeben, das ebenfalls in die genannte Nut
eingreift.
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Wie
man aus den 1 und 5 entnehmen
kann, haben die Filterscheiben 9 eine relativ große Mittenöffnung 13.
Diese ist ausreichend groß, einen
Tauchmotor 14 aufzunehmen, der eine Abtriebswelle hat,
die über
ein Untersetzungsgetriebe und eine flexible Kupplung 15 mit
der Wanne 5 drehfest verbunden ist. Oben, im Bereich der
oberen Rahmenplatte 1, ist ein mit hoher Drehzahl von dem Tauchmotor 14 angetriebener
Luftverdichter 16 für die
Luftversorgung der Trübe
angeordnet, der einen Lufteintritt 17 und einen Luftaustritt 18 hat
und der biologischen Aufbereitung von Haushaltsabwässern dienen
kann, wenn die Filtervorrichtung in einer Abwasserkläranlage
eingesetzt wird.
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An
das untere Ende der Lagerbuchse 7 ist eine Vakuumpumpe 19 angesetzt,
die von dem Tauchmotor 14 über die Wanne 5 und
deren Wellenstutzen 6 und ggf. ein Unter- oder Übersetzungsgetriebe,
je nach Bedarf, angetrieben ist. Diese Vakuumpumpe 19 dient
dazu, im Permeat einen Unterdruck hervorzurufen, der ein für den Filtervorgang
erforderliches Druckgefälle
an den Filterscheiben erzeugt. Details werden später erläutert.
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Die
Filtervorrichtung vereinigt also in einer kompakten, niedrig bauenden
Einheit ein Paket aus drehbaren Filterscheiben, einen in die Filterscheiben eingetauchten
und diese in Drehung versetzenden Tauchmotor, eine von dem Tauchmotor
angetriebene Vakuumpumpe zur Erzeugung des für den Filtrationsvorgang notwendigen
Druckgefälles
und einen Luftverdichter für
die biologische Behandlung der zu filternden Trübe.
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Unter
Bezugnahme auf die 5 und 6 werden
nun Details der Filterscheiben 9, und unter Heranziehung
der 4 wird die Entwässerung der Filterscheiben 9 erläutert.
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Gemäß 5 hat
eine Filterscheibe 9 als Kern eine flache, kreisrunde Trägerscheibe 9a mit
einer relativ großen
Mittenöffnung 13.
Bei einem Durchmesser der Trägerscheibe 9a von
beispielsweise 523 mm hat die Mittenöffnung 13 einen Durchmesser
von 160 mm. Die Trägerscheibe 9a hat
in einem von einem Randbereich 20 definierten Abstand von
der inneren Mittenöffnung 13 eine
erste umlaufende Fügefläche 21 und
hat weiterhin im Bereich des äußeren Randes
eine zweite umlaufende Fügefläche 22.
Zwischen diesen beiden Fügeflächen 21 und 22 ist
die Oberfläche
der Trägerscheibe 9a mit
einer Struktur aus Rippen 23 versehen.
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Auf
den Fügeflächen 21 und 22 ist
gemäß 6 eine
ringförmige
Membran 25 befestigt, vorzugsweise durch Schweißen. Die
Membran kann aber auch aufgeklebt sein. Alternativ ist auch denkbar,
dass in den Fügeflächen 21 und 22 jeweils
eine Ringnut ausgebildet ist, in die die Membran mit Hilfe jeweils
eines Klemmrings eingeklemmt ist. Die Membran 25 ist im Übrigen von
den Rippen 23 abgestützt. Zwischen
der Oberfläche
der Trägerscheibe 9a und der
Membran 25 werden somit von den Rippen 23 begrenzte
Kanäle
ausgebildet, durch die durch die Membran 25 hindurchgetretenes
Permeat strömen kann.
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Um
es dem Permeat zu ermöglichen,
aus dem Raum zwischen der Oberfläche
der Trägerscheibe 9a und
der Membran 25 abzufließen, sind in der Trägerscheibe 9a im
dargestellten Beispiel vier radial verlaufende Entwässerungskanäle 26 ausgebildet,
die sich vom Rand der Trägerscheibe 9a ausgehend
erstrecken. Diese münden
in parallel zur Achse der Trägerscheibe 9a verlaufende
Durchgangsbohrungen 27, die auf der einen Seite von den Aufnahmebuchsen 10 und
auf der anderen Seite von den Einsteckstutzen 11 umgeben
sind. Nahe der zweiten Fügefläche 22 erstrecken
sich Entwässerungslöcher 9b von
beiden Seiten der Trägerscheibe 9a in
deren Entwässerungskanäle 26 hinein,
um eine Fluidverbin dung zwischen dem Raum unter der Membran 25 und
den Entwässerungskanälen 26 herzustellen.
Die Entwässerungskanäle 26 sind
an ihren am Rand der Trägerscheibe 9 liegenden
Enden durch Stöpsel 28 verschlossen,
die gegebenenfalls herausnehmbar sein können.
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In
der unteren Wanne 5 sind gemäß den 1 und 4 in
den vorstehenden Einsteckstutzen 8 jeweils Entwässerungsbohrungen 29 ausgebildet.
Diese münden
jeweils in im Boden der Wanne 5 ausgebildete, radial verlaufende
Entwässerungsbohrungen 30,
die außen
am Rand der Wanne 5 durch Stöpsel verschlossen sind. Diese
radial verlaufenden Entwässerungsbohrungen 30 münden in
eine Axialbohrung, die in dem Wellenzapfen 6 ausgebildet
ist und dort eine Querbohrung 31 hat, die in eine in der Lagerbuchse 7 ausgebildeten
Entwässerungskammer
mündet.
Diese Entwässerungskammer
ist mit der erwähnten
Vakuumpumpe 19 in Fluidverbindung, die somit in der Lage
ist, im Betrieb der Filtervorrichtung im Permeat einen Unterdruck
zu erzeugen.
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Gefiltertes
Permeat kann somit durch die Membranen 25 in den Raum strömen, der
zwischen der Oberfläche
der Trägerscheibe 9a und
der Membran 25 eingeschlossen ist und kann dort zwischen den
Rippen 23 durch die Entwässerungslöcher 9b in die Entwässerungskanäle 26 strömen, von
wo sie in die Entwässerungsbohrungen 27 und
dann durch die in der Wanne 5 ausgebildeten Kanäle 29 und 30 und den
hohlen Wellenstutzen 6 abfließen kann.
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Das
Paket aus den Filterscheiben 9 ist durch Zuganker (in den
Zeichnungen nicht dargestellt) zusammengehalten, die sich im Bereich
des inneren Randes 20 durch die Filterscheiben 9 hindurch
erstrecken. In 5 sind Durchtrittslöcher 34 dargestellt,
die der Aufnahme solcher Zuganker diesen. Die Zuganker halten vorzugsweise
den Filterscheibenstapel nicht nur zusammen, sondern fixieren ihn auch
an der Wanne 5, die in diesem Falle von wenigstens einigen
der Zuganker ebenfalls durchdrungen ist. Durch das Zusammendrücken der
Filterscheiben 9 mittels der Zuganker drücken sich
die Einsteckstutzen 11 und Aufnahmebuchsen 10 einander benachbarter
Filterscheiben 9 fest und dicht ineinander, wobei die dem
Kunststoffmaterial innewohnende Elastizität den Dichtungseffekt unterstützt, ohne
dass weitere gesonderte Dichtungsmaßnahmen getroffen werden müssen. Gleiches
gilt für
die Verbindung zwischen der untersten der Filterscheiben 9 und
der Wanne.
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Es
versteht sich, dass die oberste der Filterscheiben 9 entweder
andersartig ausgestaltet sein muss dahingehend, dass an ihr die
Einsteckstutzen fehlen, d.h. ihre Entwässerungsbohrungen 27 in
den Aufnahmebuchsen 10 als Sacklöcher ausgebildet sind, oder
sie an ihrer Oberseite von einer die Entwässerungsbohrungen verschließenden Scheibe
abgedeckt ist. 1 zeigt hiervon die erstgenannte
Alternative.
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Im
Betrieb wird das Paket aus den Filterscheiben 9 von dem
Tauchmotor 14 über
ein Untersetzungsgetriebe und die flexible Kupplung 15 in
Drehung versetzt, wodurch sich an den Filtermembranen 25 eine
Querströmung
ergibt, die verhindert, dass sich die Filtermembranen 25 vorzeitig
mit ausgefilterten Feststoffen verstopfen. Um die Zentrifugalkraft
zu überwinden,
die auf das Permeat an den Filterscheiben und insbesondere in den
Entwässerungskanälen 26 einwirkt,
muss in dem Permeat ein ausreichend großer Unterdruck erzeugt werden,
was mit Hilfe der Vakuumpumpe 19 geschieht. Der Permeatfluss
ist in 6 durch die dort dargestellten Pfeile gut zu erkennen.
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Die
zu filternde Trübe
wird der Filtervorrichtung achsnah zugeführt. Sie tritt durch Öffnungen
in den Trägerplatten 1 und 2 in
den Kernbereich der Filtervorrichtung ein, von wo sie radial nach
außen
etwa tangential über
die Filtermembranen 25 strömt. Damit findet schon eine
natürliche
Querströmung
statt, die durch die Drehung der Filterscheiben im Betrieb erheblich
intensiviert wird.
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Die
gesamte, in 1 dargestellte Vorrichtung kann
in einen Abwassertank eingesetzt werden, es ist dann lediglich noch
eine Auslassleitung für
das von der Filtervorrichtung abgegebene Permeat vorzusehen.
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Die
Herstellung der Trägerscheiben 9a kann mit
einer einfachen, teilbaren Spritzform erfolgen, die Schieber hat,
die für
die Ausbildung der radial verlaufenden Entwässerungskanäle 26 erforderlich
sind. Nach dem Spritzen einer Trägerscheibe
brauchen nurmehr die Schieber aus dem Erzeugnis entnommen und die äußeren Öffnungen
der Entwässerungskanäle 26 mit
Stopfen 28 verschlossen zu werden. Nach dem Aufschweißen oder
Aufkleben der Membranen 25 auf die Fügeflächen 21 und 22 ist
die Filterscheibe 9 fertig.