DE3413551C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Filter zum Behandeln von Flüssigkeiten
und/oder Gasen, welche aus mindestens zwei in Form
einer Spirale gemeinsam aufgewickelten, in radialer Richtung
abwechselnd groben und feinen Filtermaterial-Lagen, von
denen die grobe Filterlage eine Durchlässigkeit für größere
und die feine Filterlage eine Durchlässigkeit für kleinere
Partikel besitzt, besteht, sowie dessen Verwendung.
Ein derartiger Filter ist aus der Japanischen Patentanmeldung
56 087 415 (Figur 2) bekannt. Das bekannte Filter dient
zum Reinigen von Wasser eines Aquariums, wobei die Anschlüsse
zum Zuführen und Abführen des zu behandelnden bzw. des behandelten
Wassers an den gegenüberliegenden Kopfenden des
nahezu zylindrischen Spiralfilterpakets angeordnet sind. Das
bekannte Filter ist derart aufgebaut, daß die grobe Filterlage
zum Abfiltern der feinen Partikel dient. Ein Nachteil
dieses bekannten Filters ist, daß der größte Teil der zu
behandelnden Flüssigkeit lediglich in der Fläche der
groben Filterlage strömt, weil die Neigung des Wassers
gering ist, durch die feine Filterlage zu strömen.
Diese Neigung wird mit anwachsender Verschmutzung während
des Betreibens des Filters immer kleiner. Insofern werden
die kleineren Partikelchen nicht aus der Flüssigkeit abgefiltert.
Das bekannte Filter arbeitet also nicht zufriedenstellend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die
Effektivität der Filtration und Behandlung der Flüssigkeiten
und/oder Gase durch die feine Filterlage wesentlich zu
steigern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes
Filter dadurch gelöst,
- - daß die Filterlagen überwiegend aus Vliesen aus synthetischen Fäden und/oder Fasern bestehen,
- - daß jede grobe Filterlage (7) eine Dicke von 5 bis 50 mm, jede feine Filterlage (8) eine Dicke von 1 bis 20 mm aufweist,
- - daß die groben Filterlagen (7) im reinen unverschmutzten Zustand einen Strömungswiderstand R₁ in tangentialer Richtung von 0 < R₁ < 25 kPa · sec/m²aufweisen,
- - daß die feinen Filterlagen (8) im reinen unverschmutzten Zustand einen Strömungswiderstand R₂ in radialer Richtung von 0 < R₂ < 3000 kPa · sec/m²aufweisen.
- - daß der Grad der Offenheit O₁ der groben Filterlagen im reinen, unverschmutzten Zustand zwischen 0,95 und 1, und O₂ der feinen Filterlagen (8) im reinen unverschmutzten Zustand zwischen 0,8 und 1 liegt,
- - daß im reinen, unverschmutzten Zustand des Filters die Durchlässigkeit der groben und feinen Filterlagen, gemessen für nahezu kugelförmige Teilchen des Durchmessers D₁ für die groben bzw. D₂ für die feinen Filterlagen, derart ist, daß D₁ < 10 mm und D₂ < 1 mm ist, und
- - daß das Filter derart aufgebaut ist, daß die zu behandelnden Flüssigkeiten und/oder Gase in das Spiralfilterpaket von der äußersten Manteloberfläche her zugeführt und im Kern des Spiralfilterpakets abgeführt werden oder umgekehrt.
Bei Einhalten dieser Bedingungen hat sich überraschend
herausgestellt, daß die zu behandelnden Flüssigkeiten
und/oder Gase überall im Filter geteilt werden in radiale
und tangentiale Ströme, abhängig vom Verschmutzungsgrad,
wonach die beiden Ströme wieder zusammengeführt und aufs
Neue geteilt werden usw. Dies wird dadurch verursacht,
daß im reinen Filter der Widerstand gegenüber der radialen
Strömung quer zu den Filterlagen wesentlich kleiner ist
als der Widerstand gegenüber dem tangentialen Fluß. Der
Widerstand der feinen Filterlagen ist lediglich abhängig
vom Verschmutzungsgrad nach einer gewissen Betriebszeit,
während der Widerstand der groben Filterlagen nicht
wesentlich von der Verschmutzung des Filters beeinflußt
wird. Auf diese Weise überwiegt automatisch in den reinen
Windungen die radiale Strömung und in den verschmutzten
Windungen die tangentiale Strömung.
Hierdurch wird erreicht, daß bei Auftreten einer Verschmutzung
in einem Teil des Filters die mechanische
Filtration von sich aus von einem anderen Teil des Filters
übernommen wird. Dabei wird die zu behandelnde Flüssigkeit
zum Ende hin in stets geringerem Maße durch die verschmutzten
Teile strömen, so daß kein großer Druckaufbau
erfolgt.
In dem erfindungsgemäßen Filter stellt sich von selbst
die gewünschte Veränderung des Strömungsprofils in den
Teilen starker Verschmutzung ein. Die Flüssigkeit wird
in stets geringerem Maße durch die dichtere Lage
hindurchströmen und in stets größerem Maße längs dieser
Lage mit einer viel größeren Geschwindigkeit entlangströmen.
Insofern wird das Absetzen von Schmutz in bereits
verschmutzte Teile immer geringer werden, so daß diese
Teile nicht vollständig verstopfen und über lange Zeit
in Funktion bleiben.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filterpakets
besteht darin, daß je nach Menge der zu behandelnden
Flüssigkeit und der Beschaffenheit und der Menge des
Schmutzes, welcher in dieser zu behandelnden Flüssigkeit
enthalten ist, und je nach zulässigem Widerstand über das
gesamte Filterpaket die Anzahl der Windungen und die axiale
Länge des Filters auf einfache Weise optimiert werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Filters zeichnet sich dadurch aus, daß pro Windung des
Spiralfilterpakets das Verhältnis der Strömungswiderstände
R₁ zu R₂ und der Lagendicken der groben zu den feinen
Filterlagen derart ist, daß der Anteil der Flüssigkeits-
und/oder Gasströme, welcher in radialer Richtung durch
eine Windung im reinen, unverschmutzten Zustand fließt,
größer als 50%, vorzugsweise größer als 90% ist. Der genannte
Anteil vom gesamten Flüssigkeits- und/oder Gasstrom
pro Windung kann durch folgende Formel annähernd berechnet
werden:
wobei
R₁ und R₂definierte Strömungswiderstände,
S₁ und S₂die Lagendicken der groben bzw. feinen Filterlagen
in m, und
rder Radius der Windung in m ist.
Günstige Ergebnisse können erreicht werden durch ein Filter,
welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die
grobe Filterlage überwiegend von einem Flächengebilde aus
synthetischen, beispielsweise aus Polyamid oder Polyester
bestehenden, schmelzgesponnenen Fasern, welche hauptsächlich
in stark gekrümmtem Zustand vorliegen, in ihren Kreuzungspunkten
miteinander verbunden sind und einen Durchmesser von
0,2 bis 1,5 mm aufweisen, gebildet wird. Derartige Flächengebilde
und ein Verfahren zur Herstellung dieser Flächengebilde
ist in der DE-PS 25 30 499 beschrieben und im Handel
unter der Bezeichnung ENKAMAT® erhältlich. Die feine Filterlage
wird erfindungsgemäß überwiegend von einem Faservlies
gebildet, bei dem die, beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat
bestehenden, bevorzugt gekräuselten Fasern
einen Titer von 1 bis 50 decitex besitzen, derart willkürlich
zueinander angeordnet sind, daß die Dichte 0,01
bis 0,25 g/cm² beträgt, und diese Fasern mit Hilfe eines
Bindemittels, beispielsweise auf Basis Polyacrylat, miteinander
verbunden sind. Eine zweckmäßige erfindungsgemäße
Ausführungsform des Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß
das Spiralfilterpaket 3 bis 100 Windungen enthält, und die
Länge des Spiralfilterpakets parallel zur Windungsachse der
Spiralform 5 bis 500 cm beträgt.
Das feine Filtermaterial kann auch Mikroorganismen
enthalten und so zur Realisation von verschiedenen Prozessen
eingesetzt werden. Hierbei können Mikroorganismen künstlich
oder spontan erzeugt werden, welche spezielle Stoffwechselfunktionen
besitzen, beispielsweise Erzeugung von Methan,
Wasserstoff, Alkohol, Denitrierung, Nitrierung und Biodegradition.
Eine besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß das Filter
eine mit den zu behandelnden Flüssigkeiten und/oder Gasen
in Kontakt kommende organische Substanz, welche unter Einfluß
von den als Katalysator wirkenden Mikroorganismen vorhandene
Nitrate denitriert, beispielsweise Substanzen auf
Basis von Methanol oder Calciumstearat, enthält. Eine einfache
Ausführungsform hiervon ist erfindungsgemäß dadurch ausgezeichnet, daß
das Filter Methanol enthält, welches in einen Behälter mit
einer flüssigkeitsdurchlässigen, beispielsweise aus Nylon 6
bestehenden Wand eingebracht ist. Das Methanol wird auf diese
Weise über die flüssigkeitsdurchlässige Wand allmählich
freigelassen und reagiert mit dem in dem zu behandelnden
Fluid anwesenden Nitrat derart, daß Stickstoffgas und CO₂
gebildet werden. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß in ihm
Calciumstearat enthaltende Granulate verteilt sind. Dadurch,
daß das Calciumstearat nur schwer löslich ist, wird es auch
nur allmählich freigesetzt und reagiert dann mit dem anwesenden
Nitrat, so daß Stickstoffgas und CO₂ gebildet
werden.
Das erfindungsgemäße Filter ist besonders geeignet zum
Reinigen von Wasser aus Aquarien, speziell aus Seewasseraquarien,
aus Fischweihern oder anderen, Fische, Schildkröten
oder andere Wassertiere enthaltenden Behältnissen.
Das erfindungsgemäße Filter kann auch vorteilhaft zum Entfernen
von Staubpartikeln aus Gasen eingesetzt werden.
Vor allen Dingen kann das erfindungsgemäße Filter mit
Vorteil verwendet werden zum Ausführen von biochemischen
Umsetzungen, beispielsweise das Umsetzen von Ammonium
zu Nitrat, das Umsetzen von Zucker zu Methan oder von Zucker
zu Alkohol, und bei ähnlichen Prozessen. Auch kann das
erfindungsgemäße Filter dazu eingesetzt werden, daß auf
biologischem Wege unerwünschte, beispielsweise stark
Gestank verbreitende Substanzen aus einem Gasstrom entfernt
werden. Sowohl bei den beiden letztgenannten Prozessen
als auch bei der beschriebenen Dinitrierung wirken die
Mikroorganismen als Katalysator.
Das erfindungsgemäße Filter besteht aus einer optimalen
Kombination und Anordnung von zwei verschiedenen Filtermaterialien
mit speziellen Strömungswiderständen. Das
grobe Filtermaterial hat nunmehr keine oder nahezu keine
filtrierende Funktion. Die Filtration von groben und feinen
Partikeln wird hauptsächlich im feinen Filtermaterial derart
erreicht, daß die Filtration von kleinen Partikeln
in der nach einiger Betriebszeit mäßig verschmutzten Lage
mit Mikroorganismen stattfindet, während die größeren Partikel
an einem anderen Platz im Filterpaket in den noch relativ
reinen Gebieten des feinen Filtermaterials gebunden werden.
Das erfindungsgemäße Filter unterscheidet sich von den
bekannten Filtern speziell dadurch, daß der Träger aus einer
in einer speziellen Anordnung vorliegenden Faserstruktur
besteht, welche gewährleistet, daß die Flüssigkeit durch sie
und durch einen großen Teil der Lage einer in der Faserstruktur
enthaltenen Biomasse hindurchfließt, anstatt an
einer auf einem nicht permeablen Träger befindlichen
Schleimmasse vorbeizufließen. Das Ergebnis ist ein sehr
intensiver Kontakt während des Betriebes und außerdem eine
effektivere mechanische Filtration.
Nach einer gewissen Anlaufphase des erfindungsgemäßen
Filters strömt in einigen Teilen des Filters in die Flüssigkeit
hauptsächlich längs einer Lage Biomasse strömen, in
anderen Teilen strömt das Medium durch eine weniger dichte
Lage Biomasse und in wieder anderen Teilen durch eine
relativ reine Struktur mit gröberen Poren hindurch.
Der Vorteil hiervon ist, daß die erfindungsgemäßen Filter
eine relativ lange Standzeit aufweisen, bevor eine
Reinigungsspülung erforderlich wird, wobei während der
Standzeit der Druckanstieg über das gesamte Filter nur
wenig zunimmt. Darüber hinaus ist zur gleichen Zeit eine
sehr intensive biologische Funktion und eine starke
mechanische Filtration für Partikel sehr unterschiedlicher
Größe möglich. Die lange Standzeit des erfindungsgemäßen
Filters ist günstig für die biologische Behandlung, weil
dadurch eine günstige Lebenszeit des Biomasse gewährleistet
ist.
Wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen Filters sind:
- - lange Standzeit als Folge einer großen Schmutzaufnahmekapazität bei geringem Druckabfall,
- - gute Kombination einer biologischen mit einer mechanischen Filtration für grobe und feine Partikel,
- - kein Auftreten von sogenannten "Kurzschlußströmen" und toten Ecken,
- - intensive Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit, Gas und festem Stoff,
- - sehr variabel in der Dimensionierung und optimierbar für ein weiteres Anwendungsgebiet,
- - das Filter kann auf einfache Weise mit bewegungsunfähigen Mikroorganismen oder anderen Partikeln und Substanzen, welche spezielle Funktionen aufweisen, beladen werden,
- - die erfindungsgemäße spiralenförmige Filterpatrone kann leicht aus dem Filtergehäuse herausgenommen werden und läßt sich leicht reinigen.
Weitere wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen Filters
sind das geringe Gewicht und die steife selbsttragende
Struktur des Filterpakets, so daß kein Einknicken des
Filterträgermaterials auftritt, wie auch, soweit erforderlich,
die einfache Regeneration des Materials bei auftretender
starker Verschmutzung. Ein weiterer Vorteil dieses
Filters ist, daß durch richtige Auswahl des Materials mit
Hilfe einer einfachen Immobilisationsprozedur spezifische
Mikroorganismen in den Träger eingebracht werden können.
Die Erfindung wir anhand der beigefügten schematischen
Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein in ein Gehäuse eingebautes erfindungsgemäßes
Filter,
Fig. 2 das Filter gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt
quer zum Einlauf,
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungswiderstandes
des groben Filtermaterials,
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungswiderstandes
des feinen Filtermaterials.
In Fig. 1 wird das Gehäuse von einer soliden, aus Kunststoff
bestehenden zylindrischen Hülse 1 gebildet, welche an ihrem
äußeren Umfang einen Einlaufschlitz 2 für die zu behandelnde
Flüssigkeit aufweist. An den beiden Kopfenden der Hülse 1
sind Deckel 3 und 4 vorgesehen. Durch den Deckel 4 hindurch
erstreckt sich eine Auslaßröhre 5. Die Auslaßröhre 5 steckt
in nicht dargestellter Weise mit dem anderen Ende im Deckel 3.
Die Auslaßröhre 5 weist auf dem Teil, welcher sich innerhalb
der Hülse 1 befindet, über die gesamte Länge eine große Anzahl
von Einlaßöffnungen 6 auf. Innerhalb der Hülse 1 befindet
sich das Spiralfilterpaket, welches in dieser Ausführungsform
hauptsächlich aus einer groben, schematisch
mit sinusförmigen Linien angegebenen Filterlage 7 und einer
feinen Filterlage 8 besteht, die hier mit einer dicken
schwarzen Linie angegeben ist. Die grobe und die feine Filterlage
sind zusammen spiralenförmig aufgewickelt. Zur Vereinfachung
sind in der dargestellten Ausführungsform lediglich
sieben Windungen dargestellt. In Wirklichkeit kann die Zahl
der Windungen zwischen 5 und 100 liegen. In der vorhergehenden
Beschreibung und in den Ansprüchen werden verschiedene Ausdrücke
benutzt, die im folgenden näher definiert werden
sollen.
Der Strömungswiderstand R₁ der groben Filterlage im reinen,
unverschmutzten Zustand wird für Wasser unter Zuhilfenahme
einer Vorrichtung gemessen, welche schematisch in Fig. 3
dargestellt ist. In dem zylindrischen Gefäß 9 ist zentral
eine transparente, mit einer vertikalen Meßeinteilung versehene
Röhre 10 eingesetzt, um welche ein Stück des groben
Filtermaterials 11 zusammen mit einer flüssigkeitsdichten
Kunststoffolie in 10 Windungen gewickelt ist. Zur Vereinfachung
sind in Fig. 3 lediglich 5 Windungen dargestellt.
Der Anfang der auf diese Weise hergestellten doppelten
Spiralwicklung ist mit der Röhre 10 verbunden, wobei die
Röhre 10 an der Verbindungsstelle eine axiale Nut 13 aufweist.
Die Röhre 10 ist zusammen mit der doppelten Spiralwicklung
auf dem Boden des Gefäßes 9 in eine Schicht Sand
14 eingesetzt, welche als Abdichtung für das untere Ende
der Röhre 10 und der doppelten Spiralwicklung dient. Wird
nun eine konstante Menge reinen Wassers pro Zeiteinheit
der zentralen Röhre 10 in Richtung des Pfeiles 15 zugeführt,
strömt das Wasser über die Nut 13 in Form einer Spirale durch
das grobe Filtermaterial 11. Das Gefäß 9 ist mit einer Auslaßöffnung
16 in einer Höhe A über der Sandoberfläche ausgestattet,
so daß das Wasser das Gefäß 9 durch diese Öffnung
16 (Pfeil 17) verläßt. Das Flüssigkeitsniveau 27 in dem
Gefäß 9 außerhalb der aufgewickelten Spirale ist durch den
Ort der genügend groß dimensionierten Auslaßöffnung 16
festgelegt. Infolge des auf das das grobe Filtermaterial
spiralförmig durchströmende Wasser wirkenden Widerstandes
steigt das Flüssigkeitsniveau 18 in den einzelnen Windungen
der Spirale sukzessive von außen nach innen an. Die Höhendifferenz
B zwischen dem Zulaufniveau 26 in der Röhre 10
und dem Flüssigkeitsniveau 27 in Gefäß 9 außerhalb der
Spirale ist ein Maß für den Druckverlust des durch das
spiralig aufgewickelte grobe Filtermaterial 11 fließenden
Wassers. Der Druckverlust B kann in Zentimeter Wassersäule
gemessen werden und durch Umrechnung in kPa ausgedrückt
werden. Der Wert des Strömungswiderstandes R₁ ist definiert
durch die Formel
worin B die in Fig. 3 angegebene Höhendifferenz in kPa,
L die gesamte Länge des groben Filtermaterials, gemessen
in Richtung der Spirale, in m, und V die Geschwindigkeit
des Wassers in m/sec ist, mit welcher das Wasser
spiralförmig durch das spiralförmig aufgewickelte grobe
Filtermaterial 11 strömt. Die Geschwindigkeit V kann berechnet
werden mit Hilfe der Formel
wobei Q der in Richtung des Pfeiles 15 zugeführte konstante
Wasserstrom in m³/sec, und S₁ die Dicke der groben
Filtermateriallage 11, gemessen in einer Richtung senkrecht
zur Oberfläche dieses Filtermaterials, in m ist (siehe
auch Fig. 3). Erfindungsgemäß ist nun gefunden worden,
daß der auf diese Weise bestimmte Strömungswiderstand R₁
dieses groben Filtermaterials im Bereich von
0 < R₁ < 25 kPa · sec/m²
liegt.
Der Strömungswiderstand R₂ für Wasser der feinen Filterlage
im reinen, unverschmutzten Zustand wird mit einer Vorrichtung
gemessen, welche in Fig. 4 schematisch dargestellt
ist. Hierbei ist in einem Gefäß 19 eine aus zwei Teilen
20 und 21 bestehende Röhre angeordnet. Zwischen die Flansche
der beiden Röhrenteile 20 und 21 ist ein Stück des feinen
Filtermaterials 22 eingespannt. Oberhalb dieses Filtermaterials
22 wird in Richtung des Pfeiles 25 eine konstante
Menge reinen Wassers pro Zeiteinheit zugeführt. Die zugeführte
Wassermenge pro Zeiteinheit wird mit Q bezeichnet
und m³/sec angegeben. Nachdem das Wasser das Filtermaterial
22 durchlaufen hat, erreicht es über die Röhre 21 das
Gefäß 19, in welcher eine Abflußöffnung 23 vorgesehen ist.
In Richtung des Pfeiles 24 läuft dann das Wasser aus dem
Gefäß 19. Die Höhe E der Wassersäule (siehe Fig. 4) ist
abhängig von dem Widerstand des Filtermaterials 22. Die
Größe des Strömungswiderstandes R₂ des feinen Filtermaterials
ist nun definiert durch die Formel
wobei E der in Fig. 4 angegebenen Niveauunterschied, gemessen
in cm Wassersäule und umgerechnet in kPa,
V die Wassergeschwindigkeit in m/sec, mit welcher das Wasser
durch das feine Filtermaterial 22 strömt, und S₂ die Dicke
des Filtermaterials 22 in Meter ist. Die Wassergeschwindigkeit
V wird berechnet mit Hilfe der Formel
worin Q die beschriebene Wasserzuführmenge in m³/sec,
und F der Durchmesser des eingespannten Filtermaterials ist.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß der auf diese
Weise bestimmte Strömungswiderstand R₂ dieses feinen Filtermaterials
im Bereich von
0 < R₂ < 3000 kPa · sec/m²
liegt.
Der Grad der Offenheit O₁ bzw. O₂ des groben bzw. des feinen
Filtermaterials kann durch die Formel
(dimensionslos) bestimmt werden, wobei V t das
gesamte Umfangsvolumen des entsprechenden Filtermaterials,
das heißt Länge×Breite×Dicke, und V o das darin
enthaltene Offenvolumen ist, welches dem gesamten Umfangsvolumen
(V t ) des betreffenden Filtermaterials vermindert
um das Volumen der Fasern des betreffenden Filtermaterials
entspricht. Das Volumen V t der Filtermateriallagen wird
also dadurch bestimmt, daß die äußeren Dimensionen der
entsprechenden Teile des Filtermaterials gemessen werden.
Das Volumen der Fäden wird dadurch bestimmt, daß dasselbe
Stück des entsprechenden Filtermaterials in Wasser in einem
Meßbecher oder einem Meßglas derart eingetaucht wird, daß
keine Luft eingeschlossen ist, und der Wasserstand vor und
nach dem Eintauchen des Filtermaterials abgelesen wird.
Zur weiteren Erläuterung werden nachfolgend einige
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Filters beschrieben.
Zur Reinigung des Wassers eines Aquariums mit 400 dm³
Inhalt, welches mit 15 ausgewachsenen Sumpfschildkröten
bevölkert ist, wird ein erfindungsgemäßes Filter mit einer
Länge von 40 cm und einem Durchmesser von 15 cm
in eine zylindrische PVC-Röhre mit denselben Abmessungen
eingesetzt. Die PVC-Röhre ist mit einem 30 cm langen und
etwa 3 cm breiten Schlitz versehen. Die PVC-Röhre war an
dem einen Kopfende mit einem dichten Deckel abgeschlossen,
und am anderen Kopfende mit einem Deckel versehen, durch
welchen eine Ablaufröhre mit 3 cm Innendurchmesser eingeführt
war. Diese Ablaufröhre erstreckte sich in das hohle
Zentrum des Filterpakets über eine Strecke von etwa 5 cm.
Im Filterpaket bestand die grobe Filtermateriallage aus
ENKAMAT® mit einer Dicke von 0,7 cm und die feine Filtermateriallage
aus einem Polyester-Faservlies mit einer
Dicke von 0,3 cm. Die beiden Filtermateriallagen waren
spiralförmig miteinander zusammengewickelt, und zwar derart,
daß im Zentrum ein Hohlraum von 3 cm Durchmesser gebildet
wurde, um welchen 7 Windungen jeder Lage gewunden
waren. Die innerste Windung bestand aus dem Faservlies
und die äußerste Windung aus ENKAMAT®. Das Filter wurde nach
unten in das Aquarium gelegt und an eine Pumpe mit 600 dm³/h
Durchsatz angeschlossen, wobei das Wasser über eine Sprühdüse
und gegebenenfalls über ein biologisches Filter zurückgeführt
wurde. Nach ein bis zwei Tagen war das stark verschmutzte
Aquarium volständig klar. Bei dem mit Sumpfschildkröten
dicht bevölkerten Aquarium hatte das Filter eine Standzeit
von zwei bis drei Monaten. Zur Reinigung wird das
Filterpaket einfach aus dem Gehäuse geschoben und aufgerollt.
Mit einem harten Wasserstrahl auf das Filtermedium wird der
Schmutz abgespült. Danach werden die Lagen wieder aufgerollt
und in das Gehäuse geschoben, so daß das Filter wieder gebrauchsfähig
ist. Der gesamte Strömungswiderstand dieses
Filterpakets bewegte sich bei dem genannten Durchsatz
von 5 cm Wassersäule im reinen Zustand bis zu 30 cm Wassersäule
im Verschmutzungszustand, wobei im Verschmutzungszustand
insgesamt 150 g Schmutz, bezogen auf Trockensubstanz,
ermittelt wurde. Hierbei war die Schmutzverteilung
im Filter derart, daß in den äußersten Windungen
300 g/m² Filterlage und in den innersten Lagen lediglich
etwa 50 g/m², jeweils bezogen auf Trockensubstanz, enthalten
waren.
Eine abgewandelte Ausführungsform des oben beschriebenen
Filters wurde zur Reinigung von einem Aquarium oder Weiher
von 5 bis 10 m³ Inhalt eingesetzt.
Hierzu wurden zwei vergleichbare Filter hergestellt, welche
jeweils ein Meter Länge und 15 cm Durchmesser aufwiesen.
Der gesamte Durchsatz durch die Pumpe über beide Filter
betrug ca. 3000 dm³/h. Gegebenenfalls kann das Wasser über
eine Fontäne zurückgeführt werden. Das große Aquarium war
bevölkert mit etwa 10 ausgewachsenen Karpfen und anderen
großen Fischen. Nach drei Tagen hatte die Sichttiefe von
10 auf 300 cm zugenommen. Die Fontänendüse wurde gegen Verstopfung
geschützt. Die Reinigung des Filters war nach
zwei Monaten notwendig.
Im Weiher, welcher in der freien Natur lag und stark mit
Algen bewachsen war, wurde mit ca. 1000 dm³/h zirkuliert.
Nach einer Woche hatte die Sichttiefe von 15 cm bis zur
Sicht auf den Boden (75 cm) zugenommen. Die Reinigung war
in den Sommermonaten einmal pro Monat erforderlich, in der
übrigen Zeit einmal pro drei Monate.
In einer anderen Ausführungsform wurde ein Filter an ein
Aquarium mit 200 dm³ Inhalt und ca. 60 kleinen tropischen
Fischen angeschlossen. Dieses Filter war 20 cm lang und
hatte einen Durchmesser von 18 cm. Das Wasser wurde über
dieses Filter zirkuliert mit einem Durchsatz von ca. 150 dm³/h.
Die Standzeit dieses Filters betrug mehr als ein
Jahr, bevor eine Reinigung notwendig wurde.
Für ein tropisches Seewasseraquarium wurde eine Kombination
von drei verschiedenen Filtereinheiten eingesetzt. Das
Aquarium war mit einer Gemeinschaft von Korallen, Korallenfischen,
Seeanemonen und verschiedenen krebsartigen Tieren
bevölkert. Eine derartige Gemeinschaft ist sehr empfindlich
gegenüber Verschmutzungen. Beim Einsatz einer biologischen
Filtration kann sich mit der Zeit Nitrat bilden, welches
für die feinfühligen Tiersorten schädlich ist. Auch ist eine
intensive Belüftung erforderlich, um für eine ausreichende
Sauerstoffversorgung des Wassers zu sorgen. Außerdem muß
dafür gesorgt werden, daß ein relativ hoher Zirkulationsfluß
das Wasser in Bewegung hält. Das Filter besteht aus
drei Einheiten, wovon eine für die mechanische Filtration
(A), eine andere für die biologische Denitrierung (B)
und eine weitere für die biologische Oxidation von Kohlenstoff-
und Stickstoffverbindungen (Nitration) (C) vorgesehen
ist. In einer der Ecken dieses Aquariums war eine schräge
Abschottung mit einem Überlaufrand vorgesehen. In der Mitte
des abgeteilten dreieckigen Raumes war ein Überlaufloch
von 4 cm Durchmesser. Die Höhe des Randes war 50 cm. An das
Überlaufloch war eine Röhre dicht angeschlossen. Die Oberkante
der Röhre war offen. Diese Öffnung befand sich 1 cm
unterhalb der Abflußecke. Die Röhre wies etwa 20 Löcher
mit einem Durchmesser von 2 cm über ihre Länge auf. Auf
dieser Röhre waren zwei separate, erfindungsgemäße Spiralfilterpakete
angeordnet. Jedes Paket enthielt sieben
Windungen, wobei die äußerste grobe Filtermateriallage aus
ENKAMAT® die drei Wände des abgetrennten Raumes berührte.
Das untere und das obere Ende der Pakete waren durch runde
PVC-Scheiben verschlossen, welche über die Abführrohre
geschoben werden konnten. Das untere Paket war 10 cm hoch
und das obere Paket 37 cm hoch. Im Anschluß an das untere
Paket war eine Plastikröhre angeordnet. In dieser Röhre
befand sich eine kleine Öffnung von ca. 0,5 cm Durchmesser,
wodurch der Wasserabfluß durch das untere Filter auf etwa
15 dm³/h begrenzt war, während durch das obere Paket ca.
400 dm³/h abgeführt werden konnten. Das obere Paket hatte
die Funktion der mechanischen Filtration. Bei einer zu
großen Verschmutzung konnte das Wasser direkt über die obere
Öffnung der Abflußröhre strömen. In diesem Fall war es
erforderlich, das mechanische Filter zu reinigen.
Das untere Filterpaket hatte die Funktion der biologischen
Denitrierung. Um dies zu erreichen, wurde in einen Teil
der groben Filterlage ein Plastiksack eingesetzt, in welchem
sich 100 ml Methanol befand. Das Material des Plastiksackes
war derart permeabel, daß diese 100 ml Methanol in ca.
3 Monaten aus dem Sack herausdifundierten. Die feine Filterlage
war mit 1 g Bakterien beladen, die in Salzwasser in
Anwesenheit von Methanol für die Umsetzung von Nitrat zu
Stickstoffgasen sorgten. Die in Flocken gebundenen Bakterien
werden in die Poren dieses feinen Filtermaterials durch
Eintauchen des Filtermaterials in eine diese Flocken enthaltende
Suspension und in Salzwasser eingebunden. Danach
kann das Filterpaket montiert werden. Das Wasser aus den
beiden Spiralfiltern wird unter dem Aquarium über eine
Röhre zu einer rotierenden Sprühdüse geführt. Der Düsenarm
war mit Löchern versehen, und zwar in der Weise, daß
er infolge des Wasserdruckes rotierte. Dieser Sprüharm
war oberhalb eines dritten Doppellagenspiralfilterpaketes
mit einer Höhe von 30 cm und einem Durchmesser von 30 cm
montiert. Dieses Paket war in eine PVC-Röhre mit dem
gleichen Durchmesser eingesetzt und am oberen Ende verschlossen.
Am unteren Ende dieser PVC-Röhre war ein
Verschluß mit einer Abflußröhre von 2,5 cm Durchmesser
angeordnet. Auf dem Verschluß unterhalb des Pakets war
eine Lage von grobem Filtermaterial eingesetzt. Die obere
Seite des Paketes war mit einigen Lagen des Filtermaterials
abgedeckt. Die Abflußröhre erstreckte sich etwa
10 cm nach unten und endete über einem Wasserreservoir
mit 25 dm³ Inhalt, dessen Abmessung 20×40×40 cm
betrug. In dieses Reservoir war eine Tauchpumpe gesetzt,
die das Wasser über einen Schlauch mit einem Durchsatz
von 420 dm³/h in das Aquarium zurückpumpte. Durch das freie
Abtropfen des Wassers durch die Abflußröhre über 10 cm
wurde Luft mitgezogen. Diese Luft wurde über das erfindungsgemäße
Spirallfilterpaket, vorzugsweise über die grobe
Filtermateriallage, und über Zuführöffnungen an den Außenmantel
des Filterpaketes geleitet. Auf diese Weise wurde
das Filter automatisch belüftet. Durch die Kombination von
Sprüharm und Belüftung durch das Filterpaket wird das
Wasser vollständig mit Sauerstoff gesättigt. In der Struktur
der feinen Matrix (Polyesterfaserflies) siedelten sich
spontan verschiedene Mikroorganismen zur Oxidation von
organischen Stoffen, Ammonium und Sulfiden, an. Damit die
Filterkombinationen sicher arbeiten, ist es erforderlich,
daß zunächst das mechanische Filter und das biologische
Filter mit dem Sprüharm installiert werden. Nach einigen
Wochen kann dann unter das mechanische Filter das anaerobe
denitrierende Filter angebracht werden. Sollten
eventuell Sulfide, Nitride oder organische Stoffe aus dem
aneroben Filter freikommen, werden diese dann durch das
belüftete biologische Filter zurückgehalten. Abhängig
von der Ammoniumproduktion im Aquarium war die Standzeit
des denitrierenden Filters zwei bis drei Monate. Danach
muß in dieses Filter ein neues Säckchen mit Methanol eingebracht
werden. Die beiden anderen Filtereinheiten hatten
eine Standzeit von mehr als einem Jahr. Der Raum im Wasserreservoir
kann teilweise mit kleinen Korallen oder Muschelstückchen
befüllt werden, wodurch die Wasserhärte und der
Säuregehalt des Wassers auf konstantem Niveau gehalten
werden. Sollte die Pumpe ausfallen, läuft das Reservoir
solange voll mit Wasser, bis das Wasserniveau im Aquarium
unter den Überlaufrand abgesackt ist. Der Einsatz von
Methanol als organische Substanz hat den Vorteil, daß dabei
keine Umsetzung von Sulfat zu Sulfid auftritt.
Das erfindungsgemäße Filter kann auch vorteilhaft bei einer
Biogasvorrichtung eingesetzt werden. Beispielsweise wird
hierfür ein erfindungsgemäßes Doppellagenspiralfilterpaket
mit 15 Windungen, einem Durchmesser von 34 cm und
einer Länge von 50 cm eingesetzt. Die feine Filtermateriallage,
beispielsweise ein Faservlies, wird mit ca. 100 g
Methan-Fermentations-Bakterien pro Quadratmeter durch eine
Immobilisationsprozedur beladen. Das Filterpaket wird
senkrecht einige Zentimeter tief in einen zylindrischen
Wassertank eingetaucht. Vom unteren Ende des Filterpakethohlraumes
wird über einen Überfluß Wasser abgeführt.
Die Flüssigkeitszufuhr erfolgte über die Außenseite des
Tanks. Mit einem umgekehrten zylindrischen Tank wird das
Filterpaket von der Luft abgeschlossen, und das Biogas
aufgefangen und über ein nasses Gasmeter abgeführt. Die
Rückführung des Wassers kann über eine Pumpe bewerkstelligt
werden.
Bei einer solchen Vorrichtung werden pro Tag 30 cm³
Abwasser mit einem Gehalt von etwa 20 g/dm³ Glykose,
Acetylsäure oder einer anderen gärfähigen organischen
Verbindung zugefügt. Zum Wasser wird Natronlauge hinzugefügt,
um die entstehenden Kohlendioxide und Mineralien
für das Wachstum der Bakterien zu neutralisieren. Beim
Durchlauf durch das Filter sanken die Werte des chemischen
Sauerstoffverbrauches (CZV-Werte gemäß NEN 3235-5.3)
des Wassers von 21 g/dm³ auf 0,8 g/dm³, wobei 200 dm³
Biogas pro Tag mit einem Gehalt von ca. 80% Methan produziert
wurde. Der Ausfluß dieser Vorrichtung enthielt weniger als
110 mg/dm³ suspendierte Substanzen. Die Leistung einer
solchen Vorrichtung betrug etwa 2 bis 5 m³ Biogas pro
m³ Reaktorvolumen pro Tag.
Claims (12)
1. Filter zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen,
bestehend aus mindestens zwei in Form einer Spirale gemeinsam
aufgewickelten, in radialer Richtung abwechselnd
groben und feinen Filtermaterial-Lagen, von denen die
grobe Filterlage eine Durchlässigkeit für größere und die
feine Filterlage eine Durchlässigkeit für kleinere
Partikel besitzt, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Filterlagen (7, 8) überwiegend aus Vliesen aus synthetischen Fäden und/oder Fasern bestehen,
- - daß jede grobe Filterlage (7) eine Dicke von 5 bis 50 mm, jede feine Filterlage (8) eine Dicke von 1 bis 20 mm aufweist,
- - daß die groben Filterlagen (7) im reinen unverschmutzten Zustand einen Strömungswiderstand R₁ in tangentialer Richtung von 0 < R₁ < 25 kPa · sec/m²aufweisen,
- - daß die feinen Filterlagen (8) in reinen unverschmutztem Zustand einen Strömungswiderstand R₂ in radialer Richtung von 0 < R₂ < 3000 kPa · sec/m²aufweisen.
- - daß der Grad der Offenheit O₁ der groben Filterlagen (7) im reinen, unverschmutzten Zustand zwischen 0,95 und 1, und O₂ der feinen Filterlagen (8) im reinen unverschmutzten Zustand zwischen 0,8 und 1 liegt,
- - daß im reinen, unverschmutzten Zustand des Filters die Durchlässigkeit der groben und feinen Filterlagen, gemessen für nahezu kugelförmige Teilchen des Durchmessers D₁ für die groben bzw. D₂ für die feinen Filterlagen, derart ist, daß D₁ < 10 mm und D₂ < 1 mm ist, und
- - daß das Filter derart aufgebaut ist, daß die zu behandelnden Flüssigkeiten und/oder Gase in das Spiralfilterpaket von der äußersten Manteloberfläche her zugeführt und im Kern des Spiralfilterpakets abgeführt werden oder umgekehrt.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Windung
des Spiralfilterpakets das Verhältnis der Strömungswiderstände
R₁ zu R₂ und der Lagendicken der groben zu den
feinen Filterlagen derart ist, daß der Anteil der Flüssigkeits-
und/oder Gasströme, welcher in radialer Richtung
durch eine Windung im reinen, unverschmutzten Zustand
fließt, größer als 50% ist.
3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß pro Windung
des Spiralfilterpakets das Verhältnis der Strömungswiderstände
R₁ zu R₂ und der Lagendicken der groben zu den
feinen Filterlagen derart ist, daß der Anteil der Flüssigkeits-
und/oder Gasströme, welcher in radialer Richtung
durch eine Windung im reinen, unverschmutzten Zustand
fließt, größer als 90% ist.
4. Filter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die grobe Filterlage (7) überwiegend von einem Flächengebilde
aus synthetischen, beispielsweise aus Polyamid
oder Polyester bestehenden, schmelzgesponnenen Fasern,
welche hauptsächlich in stark gekrümmtem Zustand vorliegen,
in ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden
sind und einen Durchmesser von 0,2 bis 1,5 mm aufweisen,
gebildet wird.
5. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die feine Filterlage (8) überwiegend
von einem Faservlies gebildet wird, bei dem die,
beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat bestehenden
Fasern einen Titer von 1 bis 50 decitex besitzen, derart
willkürlich zueinander angeordnet sind, daß die Dichte
0,01 bis 0,25 g/cm² beträgt, und diese Fasern mit Hilfe
eines Bindemittels, beispielsweise auf Basis Polyacrylat,
miteinander verbunden sind.
6. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spiralfilterpaket 3 bis
100 Windungen enthält und die Länge des Spiralfilterpakets
parallel zu der Windungsachse der Spiralform 5
bis 500 cm beträgt.
7. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die feine Filterlage (8)
Mikroorganismen enthält.
8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Filter eine mit den zu behandelnden Flüssigkeiten und/oder
Gasen in Kontakt kommende organische Substanz, welche
unter Einfluß von den als Katalysator wirkenden Mikroorganismen
vorhandene Nitrate denitriert, enthält.
9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Filter Methanol enthält, welches in einen Behälter mit
einer flüssigkeitsdurchlässigen, beispielsweise aus
Nylon 6 bestehenden Wand eingebracht ist.
10. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in
ihm Calciumstearat enthaltende Granulate verteilt sind.
11. Verwendung von Filtern gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 10 in Aquarien oder Fischweihern.
12. Verwendung eines Filters gemäß einem oder mehreren der
Ansprüche 7 bis 10 für biochemische Umsetzungen, wie
beispielsweise Umsetzung von Ammonium zu Nitrat,
Umsetzung von Zucker zu Methan, Umsetzung von organischen
Substanzen zu CO₂ und anderen Substanzen, oder Umsetzungen
von Zucker zu Alkohol, und für ähnliche Prozesse.
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