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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Filtration von Flüssigkeiten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Filtration und Reinigung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser.
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Die billigsten Vorrichtungen zur Filtration sehr großer Flüssigkeitsmengen
sind übliche Sandfilter mit aufeinanderfolgenden Lagen aus Sand und Kies. Diese
Filter sind aber nicht in der Lage, Wasser klar zu filtrieren, das einen Schwemmstoffgehalt
von im wesentlichen liter 15 ppm aufweist. Flußwasser, wie beispielsweise Mississippi-Wasser,
kann jedoch einen Schwemmstofrgetslt von mehrerer hundert ppm aufweisen.
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Es ist daher vorgeschlagen worden, die Effizienz von Sandfiltern dadurch
zu verbessern, daß die einzelnen Sandpartikel vor der Herstellung des Filterbettes
mit einem Polyelektrolyten beschichtet werden, damit die Verunreinigungen im Wasser
besser an diesen Partikeln hängenbleiben. Dieses Verfahren erfordert jedoch ein
periodisches Auswechseln des so behandelten Filtermaterials. Es ist weiterhin vorgeschlagen
worden, die Flüssigkeit mit Polyelektrolyten zu versetzen und zwar zum Zwecke des
Ausflockens, wobei die Flüssigkeit dann solange in einem Absetztank gelagert werden
muß, bis die koagulierten Flocken ausgefallen sind, und die Flüssigkeit wird erst
dann durch einen üblichen Filter gegeben.
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Die Absetztanks sind riesige Behälter, die sehr viel Platz beanspruchen
und auch nicht für eine schnelle kontinuierliche Reinigung geeignet sind, da sie
im allgemeinen eine maximale Füllgeschwindigkeit von etwa 58 lpro 0,1m² pro min.
aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eins faches
und wirtschaftliches Verfahren und eine Vorrichtung zul kontinuierlichen Filtration
von Flüssigkeiten 5 insbesondere ro.
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Wasser mit Hilfe eines Sandfilters zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch umgekehrte Zuführung
der zu filtrierenden Flüssigkeit zum Filterbett, so daß die Flüssigkeit vom gröberen
zum feineren Material fließt, durch Bedecken der feinkörnigen Schicht mit einem
Gitter zur Verhinderung der Kanalbildung in der feinkörnigen Schicht und durch die
Trennung der Schichten zur Verhinderung der Auswanderung von grobkörnigem Material
in die Schicht des feinkörnigen Materials.
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Yorzugsweise wird dabei der zu filtrierenden Flüssigkeit ein Polyelektrolyt
zugesetzt.
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Durch dieses-Verfahren läßt sich eine kontinuierliche Klarfiltration
in einem Ausmaß und mit einer Schnelligkeit erreichen wie sie durch bisher vorgeschlagene
Maßnahmen nicht zu erzielen war. Das vorgeschlagene Verfahren zeigt besonders gute
Ergebnisse bei der kontinuierlichen Klarfiltration von Wasser mit einem hohen Schwemmstoffgehalt.
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Durch die Zugabe des Polyelektrolyten zu der Flüssigkeit vor dem Filtrieren
kann eine Ausflockung der größeren Schwemmstoffe erreicht werden. Allerdings wurde
festgestellt, daß dann bei der
Filtration des mit dem Polyelektrolyten
versetzten Wassers in einem üblichen-Abstromrilter, also einem Filter, in dem die
Flüssigkeit zuerst durch die Schichten des feinsten Materials fließt, nur unbefriedigende
Resultate erhalten werden, da die verunreinigenden Schwemmstoffe anfangen den Filter
zu passieren, nachdem der Filter ungefähr 0,5 bis 0,9 kg Feststoffe je 2 0,093 m
Filterfläche aufgenommen hat. Wenn dieser "Durch¢ bruch" einmal geschehen ist, muß
das Filterbett gereinigt werden, was zumeist durch Durchpressen von Wasser und Luft
in umgekehrter Richtung erfolgt. Es ist klar, daß der Filter während der Reinigung
aus der Filtrierzone herausbewegt werden muß und daß durch die erforderlichen häufigen
Reinigungen ein derartiges Verfahren wirtschaftlich ungünstig ist.
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Es wurde festgestellt, daß sich bei einem Abstromfilter eine Schicht
des Filtrates oder eine Schmutzdecke oben auf dem Filter absetzt. Zur Verhinderung
dieses Vorganges wird jetzt das Wasser zuerst durch die Schicht des gröberen Materials
filtriert, indem also eine umgekehrte oder Aufstromfiltration angewendet wird. Auch
bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch ohne weitere erfindun#sgemäße Verfahrensschritte
noch "Durchbrüche", wenn der Filter mit ungefähr 0,5 bis 0,86 kg Verunreinigungen
je 0,093 m Filterfläche belastet ist.
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Beim Betrieb eines Filters in Aufstromrichtung, d.h. also beim Fördern
der zu filtrierenden Flüssigkeit zuerst durch die Schicht des gröberen Materials
und dann durch die Schichten des feineren Materials ergeben sich aus folgenden Gründen
Schwierigkeiten: durch die gewählte Strömungsrichtung werden die Schichten feineren
Materials, die sonst durch den Flüssigkeitsdruck zusammengepreßt werden, in verhältnismäßig
kurzer Zeit auseinandergebrochen und abgeschwemmt. Weiterhin wird durch diese Strömungsrichtung
eine Abwanderung des größeren und gröberen Materials in die Schichten feineren Materials
gefördert, wobei sich in dem feineren Material Kanäle ausbilden, die beim weiteren
Filtrieren ständig ihren Durchmesser vergrößern und dadurch zu schlechten Filtrationsergebnissen
führen.
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Diese Schwierigkeiten lassen sich erfindungsgemäß dadurch ausschalten,
daß auf die Schicht des feineren Materials in Aufstromrichtung ein feines Netz oder
Gitter gelegt wird, so daß dieses Material am Ausschwemmen gehindert wird. Zur Behebung
der zweiten Schwierigkeit, wird zwischen der Schicht des gröberen und der Schicht
des feineren Materials ebenfalls ein Gitter gelegt, dessen Öffnungen einerseits
so groß sind, daß eine Beeinträhtigung des freien Fließens der Flüssigkeit vermieden
wird,
und die andererseits klein genug sind, um eine Auswandertng des groberen Materials
in die Schichten des feineren Materials zu verhindern.
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Die erfindungsgemäß zur Reinigung der Flüssigkeit einzusetzenden Polyelektrolyte
können kationische oder anionische Elektrolyte sein, oder es können gegebenenfalls
nichtionische Verbindungen einsetzt werden. Dazu gehören beispielsweise die von
der Dow Chemical Co. unter der Handelsmarke "SEPARAN I4P10'! gehandelten polymeren
Acrylamide, die der allgemeinen Formel
entsprechen. Weiterhin verwendbar sind die von der Dow Chemical Co. unter dem Handelsnamen
SEPARAN AP30" gehandelten hochnolekularen Polymere mit der folgenden allgemeinen
Formel:
Es können für diesen Zweck aber auch andere, eine ausreichende
AusSlockung beirkende polymere Verbindungen eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 - zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Filteranlage.
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Fig. 2 - zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1, wobei
die darunter liegende Filtermasse aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen wurde.
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Fig. 3 - zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 aus Fig. 1#.
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Fig. 4 - zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Trenngitters zwischen
feinem und grobem Material.
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Fig. 5 - zeigt eine Einlaßöffnung in Seitenansicht.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Filteranlage aus einem Tank
10 mit beispielsweise einem Durchmesser von ungefähr 3,6 m, der eine untere Schicht
11 enthält, die aus Kies oder einem anderen groben Material mit einem Durchmesser
zwischen ungefähr 1,2 und 5,0 cm entsprechend einem mittleren
Durchmesser
von ungefähr 3,1 cm besteht und ungefähr 15,2 cm stark st. Darauf folgt eine zweite
Schicht 12, die aus Kies mit einem Durchmesser von ungefähr 0,5 bis 0,7 cm entsprechend
einem mittleren Durchmesser von 0,6 cm besteht und eine Gesamtstärke von ungefähr
15,2 cm hat, worauf eine dritte Schicht 13 folgt, die aus Sand mit einem Durchmesser
von 2 bis 3 mm entsprechend einem mittleren Durchmesser von 2,5 mm und einer Schichtstärke
von ungefähr 39>5 cm besteht, und als vierte oder oberste Schicht 14 ist eine
ungefähr 125 cm starke Filterschicht aus Sand mit einem Durchmesser von 1 bis 2
mm entsprechend einem mittleren Durchmesser von 1,5 mm angebracht. Das Gitter 15
zwischen der zweiten und der dritten Schicht hat eine offene Querschnittsfläche,
die nicht kleiner ist als die Querschnittsfläche der Einlaßöffnungen 16, durch welche
die zu filtrierende Flüssigkeit dem Filter zugeleitet wird, und insgesamt beträgt
die bffnungsfläche des Gitters 9 bis 70 % der Querschnittsfläche des Tanks. Die
einzelnen Öffnungen in dem Gitter 15 sind zu klein, als daß einzelne Kiesteile aus
der Schicht 12 frei passieren können, und sie sollten vorzugsweise auch nicht viel
größer sein als der Querschnitt der Sandpartikel in der Schicht 13, sondern im allgemeinen
etwas kleiner. Ein welter s Gitter 17 auf oder kurz unter der Oberfläche der oberen
Schicht
14 verhütet ein Auseinanderbrechen des Filterbettes während des Filtrationsvorganges
und sollte eine offene Querschnittsfläche in der Größenordnung der effektiven Querschnittsflächen
der Düsen 16 besitzen. Dieses Gitter kann aus in einem Winkel von 30 bis 900 zueinander
angebrachten Stäben mit einer Stärke von ungefähr 0,42 bis 1,26 cm bestehen und
hat eine offene Gesamtdurchtrittsfläche zwischen 9 und 70 % des Tankquerschnittes.
Die Düsen 16 sind an einem Boden 18 befestigt, der die unterste Kiesschicht 11 trägt.
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Die Polyelektrolyte werden dem Wasser in Mengen zwischen 0,1 bis 10,0
ppm zugesetzt. Dieses Wasser wird dem Filter durch die Einlaßöffnung 20 zugeführt
und fließt kontinuierlich durch die Ausflußöffnung 21 ab. Die Einlaßöffnung kann
mit einem Ventil 22 versehen sein, mit dem sich die Zuflußmenge des Wassers regulieren
läßt. Der Filterdruck steigt allmählich an, und zwar von einem Minimum von 305 Torr,
wenn der Filter das erstemal voll arbeitet, bis ungefähr 889 Torr, wenn der Filter
stark verschmutzt ist und gereinigt werden muß. Die Durchströmgeschwindigkeit während
des Reinigungsvorganges ist wesentlich größer als während der Filtration, und während
des Reinigungsvorganges muß der Sand im wesentlichen aufgeschwemmt werden. Dabei
ist festzus#ellen, daß durch wiederholte Reinigungsvorgänge ein "Zusammenbruch"
des Filterbettes eintreten kann, wenn nicht die Wanderung von Kies in dem aufgeschwemmten
Sand verhindert wird
Das Wasser wird durch die in der Mitte des
unteren Bodens angebrachte Leitung in den Tank gepumpt. Das Wasser strömt dann durch
die perforierte Bodenplatte 18 und durch die rohrförmigen Düsen 16, wie in Fig.
1 gezeigt ist. Die Düsen erstrecken sich jeweils von der perforierten Bodenplatte
nach unten. Sie sind symmetrisch angeordnet, so daß sich in dem gezeigten Ausführungs
beispiel jeweils 3,8 Düsen je 0,093 m2 Bodenplatte ergeben.
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Jede Düse hat eine errechnete Öffnungsfläche, die einem Arbeitsradius
von ungefähr 7,6 cm ergibt und dadurch ein gleichmäßiger Flüssigkeitsstrom in die
Kiesschicht ermöglicht. Jede nachfolgende Schicht verbessert die Gleichförmigkeit
der Strömung bis zu der Sandschicht.
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Jede Düse weist drei in achsialer Richtung voneinander entfernte Löcher
31, 32 und auf. Jedes Loch hat jeweils einen größeren /das Durchmesser als das vorangegangene,
wobei kleinste Loch am dichtesten an der unteren Oberfläche der Bodenplatte liegt.
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Die Löcher haben folgende Funktion: Während des Luftdurchblaser: mit
dem der Regenerationszyklus oder der Reinigungsvorgang normalerweise anfängt, ist
es notwendig, die Luft völlig gleien-.assig im Filterbett zu verteilen. In dem Fall,
in dem die Bodenplatte nicht völlig eben ist, kann während des ##ftdurcq: blasens
durch das zu oberst liegende Loch a #ei unebener Bodenplatte nur die vorberechnete
Menge Luft eintre@en. Da
Summe der vorberechneten Luftvolumina,
die jeweils durch-das oberste och jede: Düse eintreten können, insgesamt kleiner
ist als das Gesamtvolumen der in das System gepreßten Luft, wird die Luft gezwungen,
jede Düse zu passieren, wodurch sich ein gleichmässiger Luftstrom ergibt Im Betrieb
eines solchen Filterbettes in Aufstromrichtung unter Verwendung von mit einem Elektrolyten
versetztem Wasser ergibt sich eine wesentlich längere Betriebszeit zwischen den
notwendigen. Regenerationszyklen. Eine derartig lange Betriebszeit ließ sich mit
den bisher verwendeten oder vorgeschlagenen Filterbetten nicht erreichen. Außerdem
wird durch die Aufstromrichtung bei der Filtration'ein wesentlich größerer Teil
des Bettes zum Absetzen der Verunreinigungen ausgenutzt. In Abstromfiltern geschieht
die Filterwirkung überwiegend auf der obersten Schicht des Bettes, wodurch sich
sehr schnell eine Schmutzdecke ausbildet, die dann ihrerseits zu den sehr häufig
vorzunehmenden Reinigungsvorgängen führt. Filtrationsanlagen, die in Abstromrichtung
betrieben werden, sind unzureichend,wenn der Feststoffgehalt der zu filtrierenden
Flüssigkeit mehr als 30 ppm beträgt Durch die erfindungsgeniäße Vorrichtung können
Filtrate mit einem Feststoffgehalt von 1 ppm oder weniger erreicht werden, selbst
wenn die zu filtrierende Flüssigkeit einen Feststoffgehalt von
,10
bis 600 ppm aufweist. Durch die von dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagene
Aufstromrichtung kann der Polyelektrolytzusatz direkt zum Wasser erfolgen, da im
gesamten Filterbett noch eine Ausflockung von Verunreinigungen durch den Polyelektrolyten
stattfinden kann, während bei umgekehrter Durchstromrichtung nur die oberste Schicht
des Filterbettes zum Festhalten der von den Elektrolyten verursachten Ausflockungen
dient. Die Aufstromrichtung wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen zwei
Gitter ermöglicht, die ein Auseinanderbrechen des ins Schwimmen geratenden Teil
des Bettes während der Filtrat Ion und eine Auswanderung des Gießanteils des Bettes
während der Filtration und während der Regeneration verhindern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch ohne Zusatz von Elektrolyten
zum Wasser durchgeführt werden, aber jeder Versuch, eine Filteranlage in Aufstromrichtung.mit
Elektrolyten, aber ohne die beschriebenen Gitter zwischen den Schichten und auf
der oberen Schicht zu betreiben, führt in sehr kurzer Zeit zu einem Zusammenbrechen
des Filterbettes.
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Eine Filteranlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ungefähr
#>1 kg Verunreinigungen je 0,09 m' Filterfläche aufnehmen, bevor eine Regeneration
notwendig wird, während die bisher üblichen Filterbetten ungefähr 1,2 kg je 0>09
m2 Filterfläche aufnehmen
konnten. Die bisher üblichen Filteranlagen
weisen einen Arbeitsdruck von ungefähr 305 Torr auf und verlieren nach Aufnahme
von Verunreinigungen bei einem Arbeitsdruck von ungefähr 355 Torr ihre Filtrierwirkung.
Im Gegensatz dazu arbeitet eine Anlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bis
der Druck auf einen Wert von 889 Torr angestiegen ist. Im allgemeinen gilt ein Druckanstieg
von ungefähr 50 #, d.h. also beispielsweise von 305 Torr bis 457 Torr als Anzeichen
dafür, daß der Filter je Flächeneinheit eine beträchtliche Menge an Verunreinigungen
zurückgehalten hat, und es sind bislang keine Filtersysteme bekannt, die noch eine
ausgezeichnete Filterwirkung haben, wenn der Arbeitsdruck um 50 % des Ausgangsdruckes
zugenommen hat. Die erfindungsgemäßen Anlagen hingegen können mit einem Druck weit
über 457 Torr arbeiten und werden#zumeist bis zu einem Enddruck von ungefähr 889
Torr betrieben. Aber auch dieser Endwert kann durch eine besonders ausgebildete
und sorgfältige Anlage des Filterbettes erhöht werden. Diese in der Beschreibung
genannte Grenze von 889 Torr ist daher nur aus wirtschaftlichen und nicht aus physikalischen
Gründen gewählt worden.
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Die folgenden Beispiele sollen die Wirksamkeit des neuen VerfahrenL
und die Bedeutung der angegebenen Bedingungen näher erläutern.
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Beispiel 1 In diesem Fall wurde eine übliche Filteranlage im Abstromverfahren
betrieben und das zu filtrierende Wasser mit Polyelektrolyten versetzt.
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Durchlauf Nr. Verunreinigungen in kg je 0,09 m² Filterfläche beim
"Durchbrechen des Filters 1 0,73 2 0,#9 3 0,91 4 0,77 Beispiel 2 Beim Einsetzen
einer üblichen Filteranlage im Abstromverfahren ohne vorgehenden Zusatz eines Polyelektrolyten
zum Wasser konnte eine Klarfiltration (1 ppm) des Wassers nicht mehr erreicht werden,
wenn Wasser mit einem Schwerrsnstoffgehalt höher als 30 ppm verwendet wurde. Die
bislang gebräuchlichen Filteranlagen mit vorgeschaltetem Absetztank haben eine Aufnahmefähigkeit
des Filters, die unter 0,45 kg je 0,09 m2 liegt.
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Beispiel 3 In diesem Test wurde ein Filtersystem in Aufstromrichtung
mit Trenngitter zwischen Kies und Sand, aber ohne Gitter über dem feinkörnigen Material
betrieben und das Wasser mit Polyelektrolyven versetzt.
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Durchlauf Nr. Verunreinigungen in kg je 0,09 m2 Filterfläche beim
"Durchbrechen't 1 1,2 2 1,4 3 1,3 4 -1,0 Beispiel 4 Diese Versuche wurden in einer
Filteranlage in Aufstromrichtung mit einem Gitter über dem feinkörnigen Material,
aber ohne Gitter zwischen Kies und Sand betrieben und das zu filtrierende Wasser
wurde mit Polyelektrolyten versetzt.
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Diese Anlage arbeitete bei zweimaliger Regeneration am Tag ungefähr
3 bis 5 Tage mit einer Anfangsfilterwirkung von ungefähr 3,6 bis 4,0 kg Verunreinigungen
je 0>09 m2, allerdings wurde die Filterwirkung ständig geringer. Am Ende des
5. Tages konnten folgende Ergebnisse festgestellt werden: Durchlauf Nr. Verunreinigungen
in kg je 0,09 m2 Filterfläche beim "Durchbruch" 1 1,3 2 1,4 3 1,6 4 0>9
Beispiel
5 In diese, Beispiel wurden die Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt,
indem das Wasser mit Polyelektrolyten versetzt wurde, die Filteranlage in Aufstromrichtung
betrieben und mit einem Trenngitter zwischen Sand und Kies und einem Gitter über
dem feinkörnigen Material ausgerüstet war.
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Dabei zeigten ich folgende Ergebnisse: Durchlauf Nr. Verunreinigungen
in kg je 0,09 m² 4 Filterfläche-bei Testende 1 4,2 2 3,8 3 3,8 4; 3,8 Dieses Filterbett
zeigte keinen "Durchbruch". Die Versuche wurden beendet, als sich nach längerem
kontinuierlichem Laufen der Anlage stets die eindeutig besseren Resultate zeigten.
Die gleiche Anlage wurde nach mehrmoatiger Laufzeit mit jeweils zweimal pro Tag
durchgeführter Regeneration untersucht und ergab sehr ähnliche Resultate.
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Aus den angeführten Beispielen läßt sich entnehmen, daß bei einer
Kombination von drei der vorstehend beschriebenen Merkmale sich noch Resultate erreichen
lassen, die mit einem Zurückhalten von Verunreinigungen in der Größenordnung von
1,6 kg je 0,09 m2 Werte ergeben, die nur etwas unterhalb der doppelten Werte der
besten Resultate liegen, die mit einer Zurückhaltung von 0,9 kg Verunreinigungen
je 0>09 m2 Filterfläche bei Zusatz eines 'Polyelektrolyten zum Wasser und Filtration
durch einen gebräuchlichen Abstromfilter erreicht werden. Durch die Kombination
der von der Anmelderin vorgeschlagenen Maßnahmen läßt sich aber eine Filterwirkung
von wenigstens 3,8 kg erreichen; dies ist eine vierfach bessere Filterwirkung als
sie sich in einem üblichen Abstromfilter mit Zusatz eines Polyelektrolyten zum Wasser
erzielen läßt.