DE2432443B2

DE2432443B2 - Verfahren zur Rückspülung von Filterbetten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2432443B2
Application number: DE2432443A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dipl.-Ing. 5300 Bonn- Beuel Pacik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-06
Filing date: 1974-07-06
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2432443A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung » der in einem Filterbett aus körnigem Material während des Abwärtsströmens eine«; zu filtrierenden Mediums abgelagerten festen Verunreinigungen durch Rückspülung mit einer Flüssigkeit, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Rückspülflüssigkeit größer als die wi Absetzgeschwindigkeit der abgelagerten Verunreinigungen ist und das körnige Material in den Zustand einer Wirbelschciht überführt wird; ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 6. μ

Einschicht- sowie Mehrschichtbettfilter — unter Druck arbeitend als Druckschneüfilter bezeichnet — müssen nach einer gewissen Betriebszeit gespült werden. Das erfolgt durch Umkehr der Strömungsrichtting. Während der sogenannten Rückspülung wird das körnige Material des Filterbetts angehoben und so durchgewirbelt, daß die Verunreinigungen herausgespült werden. Die Rückspülung, die auch durch zusätzliches Einleiten von Luft unterstützt werden kann, wird abgebrochen, sobald die austretende Spülflüssigkeit geklärt erscheint. Aus Chem. Techn. 14. Jg., Heft 1, S. 11, r. Sp. (Januar 1962), geht hervor, daß bei der Rückspülung ein »Aufschwimmen« des Filterbetts vorteilhaft ist. So soll eine Wasserstarkstromspülung das Aufschwimmen eines Filterbetts aus Kies bewirken, d. h. zu einer Überführung des Filterbetts in den Zustand einer Wirbelschicht führen, und den Rückspülvorgang begünstigen.

Die bisher in der Praxis eingesetzten Verfahren zur Rückspülung von Filterbetten zeigen jedoch beträchtliche Nachteile. So dauert die Rückspülung — selbst unter Anwendung der vorgenannten Wirbelschichttechnik — außergewöhnlich lange, ohne sicherzustellen, daß die im Filterbett abgelagerten festen Verunreinigungen in dem gewünschten Ausmaße ausgetragen werden. Eine mangelhafte Entfernung der Verunreinigungen führt jedoch zu einer schnelleren Einstellung der Durchbruchsbeladung während der sich anschließenden Filtrationspenode.

Auch bei dem in der DT-OS 16 11 096 beschriebenen Verfahren zur Rückspülung von Filterbetten werden diese in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand gehalten. Dieses bekannte Verfahren wird jedoch in einem Aufströmfilter durchgeführt, während die üblichen Filter dem sogenannten Abstromtyp zuzuordnen sind, bei dem das die Feststoffe enthaltende Medium auf die obere Fläche eines Bettes aus Filterstoffen aufgegeben wird, durch das Bett nach unten fließt und von dort als gefiltertes Produkt abgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rückspülverfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine schnellere und vollständigere Entfernung der in einem Filterbett abgelagerten festen Verunreinigungen möglich wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Rückspülung mit wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt wird, wobei die höhere Strömungsgeschwindigkeit das körnige Material des Füterbetts im Zustand einer Wirbelschicht hält und auch die niedrigere Strömungsgeschwindigkeit über der Absetzgeschwindigkeit der abgelagerten Verunreinigungen liegt; ferner durch die kennzeichnenden Merkmale der eingangs genannten Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6.

Grundsätzlich eignet sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedes beliebige körnige Material, das ein höheres spezifisches Gewicht als die zu entfernenden Verunreinigungen hat. Vorzugsweise wählt man diejenigen Materialien, die üblicherweise in Filterbetten verwendet werden. Das sind beispielsweise Quarzkies, Aktivkohle, Kunstharze, wie sie in Ionenaustauschern verwendet werden, und alkalische Filtermaterialien.

Die Körnung des eingesetzten Filtermaterials richtet sich nach der Partikelgröße der mittels Filtration aus der Suspension zu entfernenden festen Verunreinigungen. Liegen diese in'feinster Dispersion vor, so muß das körnige Filtermaterial ebenfalls besonders feinteilig sein. Damit wird das Zwischenkornvolumen der Schüttschicht verringert, und die verbleibenden Hohlräume sind klein genug, um auch ein Zurückhalten von

in Suspensionen feinstverteilten festen Verunreinigungen zu ermöglichen.

Die Rückspülung erfolgt zweckmäßigerweise mit der gereinigten Flüssigkeit, die während des I^:iltrationsprozesses aus der Filteranlage austritt. In verschiedenen "> Fällen kann es von besonderem Vorteil sein, die Rückspülung mit der zu reinigenden Flüssigkeit durchzuführen. Das gilt beispielsweise für die Reinigung von Rohwasscs.

Während der Rückspülung wird die Spülflüssigkeit w mit wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten von unten nach oben durch das beladene Filterbett geleitet. Die höhere Strömungsgeschwindigkeit wird so gewählt, daß das körnige Material des Filterbetts im Zustand einer Wirbelschicht gehalten wird. In einer Wirbel- i> schicht bzw. einem Fließbett befinden sich die Feststoffteilchen in lebhafter Bewegung und Durchmischung und zeigen die für Flüssigkeiten charakteristischen Eigenschaften (siehe Vauck/Müller »Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik«, 2. Auflage, 2» 1966, Seite 166 ff.). Als obere Grenze wird vorzugsweise eine Strömungsgeschwindigkeit etwas unterhalb der Absetzgeschwindigkeit des körnigen Materials des Filterbetts gewählt. Die Absetzgeschwindigkeit des körnigen Materials hängt u.a. von seinem spezifischen n Gewicht sowie dem des Spülmittels ab. Sie kann experimentell in einem Vorversuch ermittelt oder nährungsweise berechnet werden (siehe gleichfalls vorgenannte Literaturstelle). Die Absetzgeschwindigkeit kann auch überschritten werden, sofern durch jo frühzeitiges Umschalten auf die niedrigere Strömungsgeschwindigkeit ein Austrag des körnigen Filtermaterials aus der Filtrationsanlage vermieden wird. Als untere Begrenzung der höheren Strömungsgeschwindigkeit kommt eine Geschwindigkeit in Frage, die nur j5 wenig über der sog. Lockerungsgeschwindigkeit des Filterschüttguts liegt. Wird die Strömungsgeschwindigkeit nur wenig über diese Lockerungsgeschwindigkeit hinausgesteigert, so beginnen sich die Partikeln des körnigen Filtermaterials zu bewegen. Schließlich lok- M) kert sich die gesamte Schicht und fängt an sich auszudehnen. Den Bereich geringer Schichtausdehnung bezeichnet man als Lockerungsbereich, in dem sich schon die charakteristischen Eigenschaften einer Wirbelschichteinstellen.

Vorzugsweise wählt man eine Geschwindigkeit, die etwas über der Lockerungsgeschwindigkeit des Filtermaterials liegt, wodurch eine besonders rasche und weitgehende Entfernung der abgelagerten festen Verunreinigungen erfolgt.

Es ist zweckmäßig, die Rückspülung abzubrechen, sobald der Gehalt der Verunreinigungen in der austretenden Spülflüssigkeit etwa konstant ist. Das Filterbett befindet sich dann in einem Zustand, in dem es für den nachfolgenden Filtrationsprozeß von Beginn an eine nahezu optimale Filtrationswirkung zeigt. Das ist darauf zurückzuführen, daß die geringfügig zurückbleibenden Ablagerungen die für den anschließenden Filtrationsprozeß optimale Porengröße im Filterbett einstellen und damit auch kleinste Feststoffpartikeln aus to der zu filtrierenden Suspension zurückgehalten werden.

Die vorstehend genannten wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten des während der Rückspülung von Filterbetten eingeleiteten Spülmittels bewirken, daß das Filterbett in der Phase höherer Strömungsgeschwindigkeit angehoben wird, jedoch in der Phase geringerer Strömungsgeschwindigkeit wieder abfällt. Die einzelnen Phasen werden vorzugsweise automatisch gesteuert. Die Phase geringerer Durchströmung ist vorzugsweise so bemessen, daß das Filtermaterial gerade absinkt, sich jedoch noch nicht vollständig zum Festbett absetzt. Strömungsgeschwindigkeit und Taktzeit sind so aufeinander abzustimmen, daß das Filterbett absinkt, die festen Verunreinigungen jedoch mit der Strömung ausgetragen werden. Hierdurch wird erreicht, daß in der Phase geringerer Strömungsgeschwindigkeit die Hauptmenge der Verunreinigungen herausgespOlt wird.

In der Phase höherer Strömungsgeschwindigkeit wird zwar ebenfalls ausgewaschen, jedoch lediglich in dem Ausmaße, wie es nach dem herkömmlichen Rückspülverfahren zu beobachten ist.

Die regelmäßige Folge von Phasen höherer und niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit bewirkt, daß die Verunreinigungen mit erheblich verringerten Spülmittelmengen und in verkürzten Zeitspannen im Vergleich zu herkömmlichen Rückspülverfahren ausgetragen werden können. Bei geeigneter Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten und der Taktlänge der beiden Spülphasen kann die eigentliche Filtrationsperiode dadurch optimiert v/erden, daß nach der Rückspülung die Verunreinigungen in solchen Mengen im Filterbett verbleiben, die für eine Ausschaltung bzw. Verkürzung der Einarbeitungsphase der Filtration benötigt werden. Die Einarbeitungsphase stellt den ersten Abschnitt der Filtrationsperiode dar, in der das ablaufende Filtrai noch nicht den gestellten Reinheitsanforderungen genügt. Während dieser Phase wird jedoch infolge der teilweisen Ablagerung der festen Verunreinigungen ein Bett verbesserter Filtrationswirkung aufgebaut. Dieser Aufbau eines wirksamen Filterbettes entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Rückspülung dann abgebrochen wird, wenn gerade dieser besondere Zustand des Filterbetts erreicht ist. Das ist in der Regel dann der Fall, wenn der Gehalt der Verunreinigungen in der austretenden Spülflüssigkeit etwa konstant wird. Wird diese bevorzugte Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens verwirklicht, so wird für die eigentliche Filtrationsperiode erhebliche Zeit gewonnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich bei allen Typen von Bettfiltern, wie Druckschnellfiltern, auch in abgewandelter Form, Anwendung finden. Von besonderem Vorteil ist es, daß der Rückspülvorgang automatisiert werden kann.

Ein Beispiel einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung wiedergegeben. In schematischer Darstellungzeigt

Fig. 1 eine übliche Filtrationsanlage mit vorgeschalteter Einrichtung zur Einstellung verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten,

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform der Einrichtung zur Einstellung verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten,

F i g. 3 gibt einen Zusammenhang zwischen Analysenwerten der Rückspülflüssigkeit und der Rückspülzeit wieder.

In der Vorrichtung nach F i g. 1 tritt die Spülflüssigkeit über das Haupteinlaßrohr 5, die Nebenleitungen 6,7 und 8, das Rückspülrohr 3, die Rohröffnung 17 in den geschlossenen Filterbehälter 1 ein. Der Filtei behälter 1 kann auch in offener Form vorliegen. Die Ventile 13 und 15 sind während des Einleitens der Spülflüssigkeit geschlossen, wohingegen die Ventile 9, 10, 12 und 14 geöffnet sind. Das Ventil 9 stellt ein Drossel'/entil bzw.

Druckminderventil, das Ventil 10 ein über die Kontaktleitung 11 mit einem Kontaktgeber 19 steuerbares Magnetventil dar. Durch das automatische Ein- und Ausschalten des Ventils 10 werden die wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt. Das Spülmedium tritt in dem Filterbehälter 1 durch das auf einen Siebboden 18 lagernde Filtermaterial 22. Es verläßt den Filterbehälter 1 durch die Rohröffnung 16 des Auslaßrohres 20. Bei der der Rückspülung folgenden Filtrationsperiode tritt die verunreinigte Flüssigkeit bei geschlossenen Ventilen 10, 12 und 14 durch die Leitungen 5, 6 und 4 über die Rohröffnung 16 in den Filterbehälter 1 ein, läuft durch das Filterbett 22, den Siebboden 18 und die Rohröffnung 17 über das Auslaßrohr 21 ab. Dabei sind die Ventile 9, 13 und 15 geöffnet.

Die F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß einer üblichen Filtrationsanlage 1 vorgeschalteten Einrichtung 2 zur Einstellung verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten der bei der Rückspülung verwendeten Spülflüssigkeiten. Es handelt sich um eine Pumpe 23, deren Förderleistung mittels Taktgeber 19 über die Kontaktleitung 11 regulierbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Aufbereitung von Rohwasser beispielhaft erläutert.

Beispiel

Die verwendete Anlage besteht aus einem Filterbehälter und ist ein Funktionsteil der Aufbereitungsanlage zur Gewinnung von entmineralisiertem Wasser. Die festen Verunreinigungen sollen von den nachfolgenden Funktionsteilen (Katex, Anex, Mischbett) ferngehalten werden.

Der Füterbehälter hatte folgende technische Parameter:

Durchmesser

Mantelhöhe

Gesamthöhe

Anschluß

Filtermaterial

38 cm 140 cm 160 cm

W NW

Quarzkies

Die auf dem Siebboden aufliegende Tragschicht eines Gewichts von 25 kg hatte eine Körnung von 6 bis 10 mm, die nachfolgende Schicht eines Gewichts von 25 kg eine Körnung von 3 bis 6 mm und die obere Schicht eines Gewichts von 150 kg eine Körnung von 1 bis 3 mm.

Die zuletzt genannte Schicht wurde bei der Rückspülung im wesentlichen in den Zustand eines Fließbetts überführt.

Die Volumenrückspülgeschwindigkeit der Phase I betrug 2,7 mVh, die der Phase 11 2,0 m³/h. Die entsprechenden linearen Rückspülgeschwindigkeiten dieser Phasen betrugen 28 bzw. 22 m/h.

Das vorstehend beschriebene Filterbett wurde in dem bcladcnen Zustand mil dem zu reinigenden Rohwasser rückgespült. Die Kennzahlen dieses Rohwassers ergeben sich aus Spalte 2 der Tabelle I. Nach den daraus ersichtlichen Zeitabschnitten wurden Proben 1 bis 15 entnommen und der KMnOvVerbrauch, der Eisen- und Mangangehalt sowie die Koloniezahl bestimmt. Diese Zahlenwerte machen eine Aussage über den Verunreinigungsgrad der austretenden Spülflüssigkeit und sind in der Tabelle I erfaßt. Der mittleren Entnahmezeit haftet ein Meßfehler von T 10 Sekunden an. Die Phase I dauerte 30 Sekunden, die Phase Il 20 Sekunden, die

ι ο Probeentnahmen 10 bis 15 Sekunden.

Anschließend wurde ein Versuch unter den vorstehend geschilderten Bedingungen durchgeführt, jedoch mit einer Rückspülung nach dem herkömmlichen Verfahren. Die Strömungsgeschwindigkeit des Rückspülmediums entsprach dabei der höheren Strömungsgeschwindigkeit der vorstehend genannten Phase 1. Die Analysenwerte der austretenden Spülflüssigkeit sind in der Tabelle II zusammengefaßt. Die geringfügigen Unterschiede der Kennzahlen des Rohwassers nach Tabelle I und II (sieh Spalte 2) resultieren aus der Meßungenauigkeit der angewandten Analysenmethoden.

Vergleichende Betrachtungen

Werte der Tabelle I und II sind in der graphischen Darstellung der F i g. 3 erfaßt. Es ist ersichtlich, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einer bedeutend kürzeren Rückspülzeit eine Konzentration der austretenden Spülflüssigkeit erreicht wird, die sich in der Spülflüssigkeit eines herkömmlich rückgespülten Filterbetts erst nach einer viel längeren Zeitdauer einstellt. Während nach dem erfindungsgemäßen Verfahren schon nach etwa 4 Minuten das austretende Spülwasser einen KMn(VWert von etwa 7,7 hat, wobei zum Vergleich die mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit ablaufende Phase I herangezogen wird, wird dieser Wert bei einem herkömmlichen Rückspülverfahren erst nach etwa 16 Minuten erreicht. Daraus resultiert ein Zeitgewinn von 12 Minuten. Diese Zeit wird nur geringfügig verkürzt, wenn man den Vergleich auf die Phase II, d.h. die Phase mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit, abstellt. Schließlich zeigt F i g. 3, daß man nach dem erfindungsgemäßen Rückspülverfahren die im Filterbett abgelagerten Verunreinigungen weitgehender entfernen kann. Das wird auch aus Tabelle III deutlich, die die Analysenwerte von Proben enthält, die dem Spülwasser der herkömmlich rückgespülten, vorstehend beschriebenen Filtrationsanlage entnommen wurden (Proben 1 bis 6). Nach der anschließenden Umschaltung auf die erfindungsgemäße Rückspülung stieg der Anteil der Verunreinigungen (Proben 7 bis 9).

Da sowohl der Wasserverbrauch als auch der Energieverbrauch mit der Rückspülung in funktionellem Zusammenhang stehen, wird zwangsläufig bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Spülmittel wie auch Energie gespart.

Tabelle I

Miniere Zeit
der Entnahme
(Minuten)

PIlIItII-

Probe
0 1

0,25 1,04 2,25 2,92 3,25 4

Il Il 10

13

14

4,57 5,54 5,92 6,58 8,83 10,63 12,58 14,42 14,83

Fortsetzung

Probe 0

11 12 13 14 15

KMnOi-Verbrauch 7,3

(mg/l)

Eisen (mg/1) Mangan (mg/1)

Koloniezahl

in 1 ml

Tabelle II

11,1 9,2 10,1 7,9 10,1 9,2 7,6 9,2 7,4 7,6 7,3 7,8 7,6 7,3 7,5

0,03 0,75 0,33 1,50 0,25 1,25 0,65 0,15 0,47 0,09 0,11 0,02 0,03 0,02 0,02 0,02

0,01 0,04 0,02 0,03 0,01 0,05 0,04 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

2 264 36 176 20 101 60 15 36 0 0 0 4 0 0 0

Probe 0

Mittlere Zeit der Entnahme

1'

2'

(Minuten)	(mg/1)	7,6	7,9	10,2	10,8	10,1	8,9
KMnCM-Versuch		0,02	0,09	0,25	0,63	0,60	0,32
Eisen (mg/1)		0,01	0,02	0,04	0,08	0,05	0,05
Mangan (mg/1)	ml	3	7	84	395	214	40
Koloniezahl in 1

8,1
0,19
0,03
35

13'

7,9
0,09
0,02
18

16'

Tabelle III

Probe

Mittlere Zeit der Entnahme	0'	2'	4'	6'	8'
(Minuten)
KM nO4-Verbrauch (mg/1)	8,9	10,4	10,7	8,9	8,2
Eisen (Fe) (mg/1)	0,04	0,27	2,04	0,58	0,27
Mangan (Mn) (mg/l)	0,01	0,02	0,07	0,05	0,02
Keimzahl/ml	6	5	130	7	2
Abdampfrückstand (mg/1)	293	280	285	285	283
Glührückstand (mg/I)	213	217	213	213	219

10'

7,6

0,17

0,01

279

233

13'

8,6

0,57

0,03

284

214

16'

8,9

0,57

0,03

26

284

208

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20' 25'

7,7 7,9 7,8

0,08 0,06 0,05

0,02 0,01 0,01

2 5

22'

8,6

0,51

0,02

290

217

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entfernung der in einem Filterbett aus körnigem Material während des Abwärtsströmens eines zu filtrierenden Mediums abgelagerten festen Verunreinigungen durch Rückspülung mit einer Flüssigkeit, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Rückspülflüssigkeit größer als die Absetzgeschwindigkeit der abgelagerten Verunreinigungen ist und das körnige Material in den Zustand einer Wirbelschicht überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung mit wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt wird, wobei die höhere Strömungsgeschwindigkeit das körnige Material des Filterbetts im Zustand einer Wirbelschicht hält und auch die niedrigere Strömungsgeschwindigkeit über der Absetzgeschwindigkeit der abgelagerten Verunreinigungen liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigere Strömungsgeschwindigkeit etwas über der Lockerungsgeschwindigkeit und die höhere Strömungsgeschwindigkeit etwas unter der Absetzgeschwindigkeit des körnigen Materials gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung abgebrochen wird, sobald der Gehalt der Verunreinigungen in der austretenden Spülflüssigkeit etwa konstant ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung mit der zu reinigenden Flüssigkeit durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung mit Wasser durchgeführt wird, wenn die im Filterbett abgelagerten festen Verunreinigungen aus wäßrigen Suspensionen stammen.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aus einem üblichen Filterbehälter, in dem auf einem Siebboden Filtermaterial lagert und der an seinem unteren Ende ein Rückspülrohr zur Einleitung von Rückspülflüssigkeit und an seinem oberen Ende ein Auslaßrohr zum Abführen der Rückspülflüssigkeit und ein Filterablaufrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (2) zur Einstellung verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten der Rückspülflüssigkeit an dem Rückspülrohr (3) des Filterbehälters (1) angeordnet ist.