DE2225682A1 - Verfahren und vorrichtung zur mechanischen filtration von fluessigkeiten, insbesondere wasser - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur mechanischen filtration von fluessigkeiten, insbesondere wasser

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur mechanischen Filtration von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die mechanische Filtration zur Entfernung von fein verteilten Fest- und Schwebestoffen aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, bei welchem die zu reinigende Flüssigkeit einen mit Filterstoffen gefüllten Filterbehälter in Aufwärtsrichtung durchströmt.
  • Derartige Filteranlagen dienen beispielsweise der Reinigung von Industriewässern, Trinkwasser, Oberflächenwasser, Badewasser, Kühlwasser usw., allgemein zur Reinigung von Brauchwässern, Weitere Einsatzgebiete der Filteranlagen sind die Vorreinigungsstufen von Industriespül- oder sonstigen Wässern, die in nachgeschalteten Stufen durch konventionell oder kontinuierlich arbeitende lonenaustauscheranlagen weiter aufbereitet werden.
  • Die Schmutzaufnahmefähigkeit und damit die Betriebszeit von Filtern herkömmlicher Bauart ist begrenzt, insbesondere bei Filtration von Flüssigkeiten mit hohem Anteil von Fest- oder Schwebestoffen. Die Betriebsunterbrechung derartiger Filteranlagen zum Zwecke der Reinigung, d. h. Rückspülung, ist insbesondere dann störend, wenn die Aufbereitung des Wassers mittels Ionenaustauscher kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfolgt, bei denen also die Regeneration und Spülung der lonenaustauschermassen ausserhalb des Betriebsbehälters vorgenommen und die frisch regenerierte Ionenaustauschermasse im Kreislauf in den Behandlungsbehälter zurückgeführt wird. In diesem Fall erfolgt nämlich keine Betriebsunterbrechnung zum Zwecke der Regeneration der lonenaustauschermassen wie bei den herkömmlichen Verfahren. Um bei Verwendung von Filtern eine Betriebsunterbrechung zu vermeiden, ist es bis jetzt bei kontinuierlicher Betriebsweise notwendig gewesen, mindestens zwei Filteraggregate aufzustellen, so dass bei einer Rückspülung des Betriebsfilters das in Reserve gehaltene Filter eingesetzt werden konnte.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und eine äusserst wirtschaftlich arbeitende Filteranlage mit hohem Wirkungsgrad sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass das mit Schmutzstoffen beladene Filtermaterial portions- und taktweise in den Bodenraum des Filterbehälters abgelassen, in einen dem Filterbehälter nachgeschalteten Waschbehälter gefördert und nach einem gründlichen Waschprozess im Kreislauf in den Filterbehälter über Kopf zurückgeführt wird, wobei Filter- und Waschbehälter zusammen mit den Verbindungsleitungen ein in sich geschlossenes Drucksystem bilden. Durch dieses Verfahren ist gewährleistet, dass bei einem praktisch kontinuierlichen Betrieb des Filters eine Teilmenge der Filterstoffe aus dem Filterbehälter abgezogen, gewaschen und wieder in den Filterbehälter zurückgefördert wird.
  • Dabei kann erfindungsgemäss der Abzug der Filtermasse aus der Waschkolonne mittels mindestens eines in den Behälterraum hineinragenden Tauchrohres erfolgen, wobei die durch das Tauchrohr abgezogene Filtermasse der am trichterförmigen Boden des Filterbehälters abgesenkten Menge der Filtermasse entspricht und die Länge des Tauchrohres auf das Volumen des Bodenabzugstrichters des Filterbehälters abgestimmt ist. Beim Auslösen eines Taktes wird somit jeweils durch das Tauchrohr im Waschbehälter genau diejenige Menge abgezogen, die der im Filterbehälter abgesenkten Menge entspricht.
  • Um den sich in den Reinwasser-Entnahmesystemen mit der Zeit festgesetzten Filterstoffabrieb zu entfernen, ist nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass unmittelbar vor Einlassen der Filtermasse in den Kopf des Filterbehälters ein in entgegengesetzter Richtung zum Reinwasser fliessender Wasserstoss von oben nach unten kurzzeitig eingelassen wird und das Reinwasser-Entnahmesystem freispült. Die Entlastung dieses Wasserstosses erfolgt gleichzeitig mit dem Absetzen des Filtermaterials in dem Arbeitsbehälter. Der Austritt des Entlastungswassers ist am unteren Teil des Filterbehälters vorgesehen.
  • Die Taktzeit für das Ablassen der verschmutzten Filtermasse aus dem Filterbehälter wird von der Zeit, d. h. Betriebszeit der Filterkolonne, der Dutchflussmenge, dem Differenzdruckanstieg im Filterbehälter oder vom Reinheitsgrad des Filtrats mittels Trübungsmessung bestimmt# bzw. ausgelöst. Die Messwasserströme können sowohl am Eingang als auch in verschiedenen Höhen oder am Ausgang der Filterkolonne entnommen werden.
  • Vorzugsweise ist als Filterstoff ein inaktiver Stoff wie Polystyrol vorgesehen, dessen spezifisches Gewicht nicht wesentlich grösser als 1 ist, so dass beim Aufwärtsstrom des zu filtrierenden Wassers der Filterstoff in der Schwebe gehalten werden kann. Statt dessen kann auch aktives oder inaktives Ionenaustauschermaterial eingesetzt werden, da dieses für die Feinfiltration besonders geeignet ist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung, in welcher Ausführungsbeispiele des Gegenstandes#der Erfindung dargestellt sind. Hierin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Filteranlage mit Betriebs- und Waschkolonne, Fig. 2 ein abgeändertes Ausführungsbeispiel des unteren Teils der Waschkolonne.
  • Die dargestellte Filtrationsanlage enthält zwei Behälter, nämlich einen Filterbehälter 10 und einen Waschbehälter 11. Die zu filtrierende Flüssigkeit, z. B. das Rohwasser, tritt über eine mittels eines Ventils 13 schaltbare Zuleitung 12 von unten über einen Rohwasserverteiler 14 in den mit Filtermaterial 15 gefüllten Filterbehälter ein. Die Flüssigkeit durchströmt die Filterschicht 15 mit einer bestimmten Geschwindigkeit, wobei die in ihr enthaltenen Fest- oder Schwebestoffe je nach Grösse der Partikel im Filterbett zurückgehalten werden. Das Reinwasser wird durch die Leitung 16, in der ein Ventil 17 vorgesehen ist, oben aus dem Behälter herausgeführt und dem Verwendungszweck zugeführt.
  • Mit zunehmender Betriebsdauer ist die Filterschicht 15 insbesondere im Bereich des Rohwassereintritts stark mit Schmutzpartikeln durchsetzt. Diese Verschmutzung ist beispielsweise messbar durch das Ansteigen des Filter-Differenzdrucks zwischen Rohwasse Eintritt und Reinwasser-Austritt. Der Verschmutzungstrad kann auch kontinuierlich oder in Zeitintervallen durch fotometrische Messung der Trübung an Flüssigkeitsproben ermittelt werden, die durch eine oder mehrere in verschiedenen Höhen im Filterbehälter angebrachte Ventile 18 entnommen werden.
  • Beim überschreiten eines vorgegebenen Differenzdrucks oder Trübungswerts oder in vorgegebenen Zeitintervallen bzw. nach Durchlaufen einer bestimmten Flüssigkeitsmenge wird das Filter kurzzeitig durch Schliessen des Ventils 13 in der Rohwasserleitung 12 ausser Betrieb gesetzt. In diesem Zeitintervall wird eine von den Schmutzstoffen durch Spülen im Waschbehälter 11 befreite Filtermaterial-Charge, d. h. eine vorher aus dem Filterbehälter abgezogene Teilmenge des Filtermaterials, dem Filterbehälter 10 über die Leitung 19 und das Ventil 20 zugeführt. Nachdem diese Charge in den Filterbehälter 10 eingetreten ist, wird der Filterbehälter durch öffnen des Ventils 13 und Einströmen der zu filtrierenden Flüssigkeit wieder in Betrieb gesetzt.
  • Während des Beginns dieser Betriebsphase befindet sich eine schmutzbeladene Filtermaterial-Charge in dem Mchterf örmigen Bodenteil 10a des Filterbehälters unterhalb des Rohwasserverteilers 14. Diese Charge wird dann über die Leitung 21 und das Ventil 22 in den Waschbehälter 11 geleitet. Das benötigte Spülwasser strömt in den Waschbehälter 11 über eine mittels eines Ventils 24 schaltbare Leitung 23 von unten in die Waschkolonne 10 ein.
  • Der Waschbehälter ist derart bemessen, dass eine Streckung des Filtermaterialvolumens um 75 - 100 % stattfinden kann, so dass die Schmutzstoffe vollständig gelöst und über die Leitung 25 nach öffnen des Ventils 26 abgelassen werden können.
  • Ist das zu filtrierende Medium, z. B. Wasser, nur mässig verschmutzt, so kann es zum Spülen der verschmutzten Filtermaterialcharge verwendet werden: Kann wegen des Verschmutzungsgrades das Rohwasser nicht zum Spülen benutzt werden, so muss mit Reinwasser gespült werden. Der bei dieser Anlage im Gegensatz zu herkömmlichen Filtern erforderliche geringe Spülwasserbedarf erlaubt auch aus wirtschaftlicher Sicht das Spülen mit Reinwasser, Ist die beschriebene Filteranlage einer kontinuierlich arbeitenden Ionenaustauscher-Vollentsalzungsanlage vorgeschaltet, so besteht auch die Möglichkeit, dass das kontinuierlich anfallende Kationen-oder Anionenregenerat gesammelt und zum Spülen verwendet wird.
  • Dieses ist insbesondere dann zweckmässig, wenn die Schmutzstoffe im alkalischen oder sauren Medium leichter vom Filterstoff abgelöst werden, z. B. Entfernung von Kalkausscheidungen bei Verwendung von saurem Regenerat.
  • Bei einem hohen Verschmutzungsgrad ist es zweckmässig, wenn in den Waschbehälter 11 Spülluft von unten zur Auf lockerung der Filtermasse eingelassen wird. Der insbesondere auch für Grossanlagen vorgesehene Spülluftanschluss ist strichpunktiert eingezeichnet.
  • Das Spülwasser wird über die Leitung 27, in der das Ventil 28 vorgesehen ist, in die Transportleitung 21 eingelassen. Es saugt kontinuierlich über einen Strahisauger 30, vor den ein Ventil 31 geschaltet ist, Spülluft an. Für diesen Fall ist vorgesehen, dass das über der Filtermasse befindliche Wasser in der Waschkolonne 11 über eine Leitung 33, in der ein Ventil 34 liegt, abgelassen wird.
  • Der Abzug der Filterstoffteilmenge erfolgt über ein im Waschbehälter 11 in axialer Richtung angeordnetes Tauchrohr 36. Zum Transport wird durch öffnen des Ventils 38 über die Leitung 37 Transportwasser von oben in den Waschbehälter 10 eingelassen.Dabei wird die Filtermasse in das Tauchrohr 36 gedrückt und in die Transportleitung 19 eingeführt. Da der Waschbehälter zur Aufnahme nur einer einzigen Filtermaterialien-Charge vorgesehen ist, reicht das Rohr bis in den Bereich des Bodens des Waschbehälters 11.
  • Um die im oberen Verteiler- und Abnahmesystem des Filterbehälters angesetzten Filtermaterialien (Abrieb) zu entfernen, ist eine Schockspülung vorgesehen. Zu diesem Zweck ist am Kopfstück des Filterbehälters 10 eine Leitung 39 angeschlossen, die über ein Ventil 44 geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Unmittelbar vor Einlassen des gereinigten Filtermaterials über die Leitung 19 wird über Kopf des Filterbehälters 10 ein dem Reinwasserstrom 16 entgegengesetzter Wasserstrom von oben nach unten in den Filterbehälter eingelassen, der den oberen Düsenraum des Behälters 11 freispült. Das durch die Leitung 39 eingelassene Wasser kann Reinwasser sein. Diese Leitung ist mit der Transportwasserleitung 37 verbunden.
  • An die Rohwasserleitung 12 ist vor Eintritt in den Filterbehälter eine Abflussleitung 41 vorgesehen, in der ein Ventil 42 zum Abfliessen von Entlastungswasser bei der beschriebenen Schockspülung angeordnet ist. Für einige Zwecke. B. bei der Filtration von Trinkwasser, ist es zweckmässig, wenn in der letzten Phase der Rückspülung in den Waschbehälter 11 Entkeimungsmittei, z. B. über eine mittels eines Ventils 48 schaltbare Leitung 49, eindosiert werden, so dass keine Verkeimung des Filtermaterials eintreten kann.
  • Zur gleichmässigen Verteilung des Spülwassers und damit zur Verbesserung des Waschprozesses kann in dem Rückspülbehälter 11 eine Lochplatte 50 eingebaut sein, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
  • Das Waschwasser wird über die Leitung 51 zugeführt, während das Filtermaterial durch den Einlasstutzen 51a eintritt. Diese Lochplatte ist so beschaffen, dass sie öffnungen verschiedenen Durchmessers aufweist, wobei die Grösse des Durchmessers von innen nach aussen abnimmt. Dadurch kann eine Randgängigkeit und eine Kanalbildung in der Waschkolonne vermieden und der Spülwasseranfall reduziert werden. Die Filtermasse wird insbesondere durch die grossen Bohrungen eindringen. Im übrigen sind in Fig. 2 gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1.
  • Als Filtermaterial wird vorzugsweise solches gewählt, das eine kugelige Form besitzt, so dass beim Transport der Filtermasse möglichst kein Abrieb entsteht. Es eignet sich vorzugsweise ein inaktiver Filterstoff wie Polystyrol, Kunststoff-Granulate, Aktivkohle, Koks, Anthrazit, dessen spezifIs-#hes Gewicht nicht wesentlich grösser als 1 ist. Hierdurch wird es beim Aufwärtsstrom des zu filtrierenden Wassers in der Schwebe gehalten bzw. es bildet sich ein Festbett. Auch poröses Austauschmaterial, wie Spezialkohle usw., ist geeignet. Ferner ist auch aktives oder inaktives Ionenaustauschermaterial geeignet, da dieses zur Feinfiltration Vorteile aufweist. Durch Einsatz von sehr feinkörnigem, inaktivem Ionenaustauschermaterial mit einer Korngrösse von 0,3 bis 1 mm Durchmesser wird ein sehr guter Filtrationseffekt erreicht bei Filtergeschwindigkeiten grösser als 30 m/h. Auch kann ein Filtermaterial mit chemischen polaren Gruppen besonders geeignet sein, die zwar das zu filtrierende Medium chemisch nicht beeinflussen, aber trotzdem lurch die elektrische Ladung eine günstige Beeinflussung des Filtrationsvorganges bewirken.
  • Die Beladung mit Schlammstoffen pro Zeiteinheit kann ein Vielfaches betragen gegenüber herkömmlichen Filtern, da das Zuführen des frisch gespülten und das Abführen des verschmutzten Filtermaterials nur durch die Transport- und Waschzeit begrenzt ist.
  • Während bei Filtern herkömmlicher Bauart bei starker Verschmutzung eine häufige Unterbrechung des Betriebs erfolgt, hat das beschriebene Filter den Vorteil, dass ein quasi-kontinuierlicher Betrieb gewährleistet ist. Bei herkömmlichen Filtern dauert die Rückspül- und Einfiltrationszeit etwa 2 bis 4 Stunden, wogegen bei der beschriebenen Filteranlage nur eine äusserst kurzzeitige Unterbrechungsphase erforderlich ist, da das frisch gespülte Filtermaterial im Kreislauf zugeführt und fortlaufend durch Waschen der verschmutzten Teilfiltermatial-Charge ergänzt und aus jeglichen wird. Lange Spule bzw. Einfiltrierzeiten entfallen somit bei dem beschriebenen Filterbetrieb. Auch ist es im Gegensatz zu herkömalichen Anlagen, bei denen für einen kontinuierlichen Betrieb mindestens zwei Filteraggregate vorhanden sein müssen, möglich, mit einem einzigen Filteraggregat die Reinwasserversorgung zu gewährleisten. Das Investitionsvolumen sowie der PLatzbedarf (Einsparung des zweiten Aggregats) sind somit geringer.
  • Trotz höherer Schlammaufnahme ist der Spülwasserverbrauch im Gegensatz zu den konventionellen Filtern auf ein Bruchteil herabgesetzt, da nur die stark verschmutzte Zone abgezogen und gespült wird, nicht aber wie bisher die gesamte Filtercharge. Da die Filtergeschwindigkeit grösser ist als bei herkömmlichen Filtern, ist eine kleinere Bauweise des Filterbehälters bei gleicher Leistung möglich. Auch kann der Wirkungsgrad bei dem beschriebenen Filter gegenüber der bisher bekannten Filtermethode verbessert werden, da durch das Zuführen von frisch gespültem Filtermaterial am Reinwasseraustritt und Abziehen der verschmutzten Filtermasse am Rohwassereintritt die Masse langsam, d. h. takt-und portionsweise, im Gegenstrom zum filtrierenden Medium gefördert wird. Dadurch bleibt das Filtermaterial locker, und es tritt in der Hauptschmutzzone keine Verbackung wie bei herkömmlichen Filtern ein.
  • Die Taktzeit hängt von dem Feststoffgehalt der zu filtrierenden Flüssigkeit (Schwebestoffen) ab und kann in der Grössenordnung zwischen 15 minuten und mehreren Stunden liegen. Wird die beschriebene Filteranlage einer Kontinuierlich arbeitenden Ionenaustauscheranlage zur Auf bereitung, z. B. Teil- und Vollentsalzung,von Wasser vorgeschaltet, so kann die Taktzeit derjenigen der lonenaustauscheranlage angeschlossen werden. Man wird hierbei jedoch zweckmässig die Waschzeit im Waschbehälter 11 entsprechend dem Verschmutzungsgrad der Filterstoffe einstellen, so dass für den Waschvorgang mehrere Taktintervalle vorgesehen werden können.

Claims (13)

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren für die mechanische Filtration zur Entfernung von fein verteilten Fest- und Schwebestoffen aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, bei welchem die Flüssigkeit einen mit Fr1-termaterial gefüllten Behälter in Aufwärtsrichtung durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Schmutzstoffen beladene Filtermaterial portions- und taktweise in den Bodenraum des Filterbehälters abgelassen, in einen dem Filterbehälter nachgeschalteten Waschbehälter gefördert und nach einem gründlichen Waschprozess im Kreislauf in den Filterbehälter über Kopf zurückgeführt wird, wobei Filter- und Waschbehälter zusammen mit den Verbindungsleitungen ein in sich geschlossenes#Drucksystem bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzug der Filtermasse aus der Waschkolonne mittels mindestens eines in den Behälterraum hineinragenden Tauchrohres erfolgt, wobei die durch das Tauchrohr abgezogene Filtermasse der am trichterförmigen Boden des Filterbehälters abgesenkten Menge der Filtermasse entspricht und die Länge des Tauchrohres auf das Volumen des Bodenabzugstrichters des Filterbehälters abgestimmt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor Einlassen der Filtermasse in den Kopf des Filterbenälters ein in entgegengesetzter Richtung zum Reinwasser flessender Wasserstoss von oben nach unten kurzzeitig eingelassen und am Echten des Behandlungsbehalters abgelassen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeit von einer Zeituhr, einem Durchflussmengenmesser, einem Differenzdruckmesser oder einem Messgerät zur Messung des Trübungsgrades der dem Filterbehäl## oder/und dessen Zu- oder Ablauf entnommenen Flüssigkeit gesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Waschprozess das im Waschbehälter oberhalb der Filtermasse befindliche Wasser abgelassen und von unten in den Waschbehälter Luft eingeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gereinigten Filtermasse Entkeimungsmittel, wie Chlor, Chloramin, Ozon, zugesetzt werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch einen dem Filterbehälter (10) nachgeschalteten Waschbehälter (11), in dem ein vom Kopfstück bis in den Bereich des Bodens hineinragendes Abzugsrohr (36) angeordnet ist, sowie zwischen dem Boden Filterbehälters und dem Boden des Wa#chbehälters angeordnete, vom Kopf des WaschbehAlters zum Kop des Filterbeh#iter# führende, durch Ventile (22, 20) schaltbare V#bindungsleitungen (21, 19)
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über Kopf des Waschbehälters (11) eine Transportwasserleitung (37) sowie eine Schmutzwasserablaufleitung (25) angeschlossen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtermaterial poröse aktive oder inaktive Ionenaustauschermasse verwendet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden des Waschbehälters (11) eine Lochplatte (50) mit öffnungen unterschiedlichen Durchmessers angeordnet ist, wobei die Grösse der öffnungen von der Mitte zum Rand hin abnimmt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die zum Waschbehälter (11) führende Spülleitung (27) ein Strahlsauber (30) oder dergl. angeschlossen ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einer kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich arbeitenden lonenaustauscheranlage vorgeschaltet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflussleitungen für das Kationen- oder Anionenregenerat der lonenaustauscheranlage mit der Spülleitung des Waschbehälters (11) verbindbar sind.
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