DE3903608A1

DE3903608A1 - Hochleistungsfiltrationsverfahren

Info

Publication number: DE3903608A1
Application number: DE19893903608
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Biol Czekalla
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1989-02-08
Publication date: 1990-08-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktenteisenung und -entmanganung von Grund- und Oberflächenwässern (Rohwasser) in geschlossenen Schnellfilteranlagen, insbesondere zur Aufberei tung von Rohwasser mit mittleren und hohen Eisen- und Mangange halten, wobei das zuvor mit Sauerstoff angereicherte Rohwasser mit einer bestimmten Filtergeschwindigkeit ein Filtermedium durchströmt, das durch die Fällung der Schwermetalle verschlammt und daher nach einer bestimmten Durchströmzeit (Filterperiode) durch eine Luftspülung aufgebrochen und eine sich anschließende Wasserspülung von Schlamm gereinigt wird (Filterrückspülung), worauf sich die nächste Filterperiode mit nachfolgender Filter rückspülung anschließt.

Oberflächenwässer, insbesondere aber reduzierte Grundwässer, wei sen häufig Gehalte an Eisen und Mangan auf, die für die Nutzung als Trink- oder Brauchwasser eine Aufbereitung erforderlich ma chen. In den meisten Fällen erfolgt die Entfernung von Eisen und Mangan in rückspülbaren Festbettfiltern, sogenannten Schnellfil tern. Diese Schnellfilter können auf zweierlei Weise betrieben werden:

1) als Flockenfilter: In diesem Fall sind Eisen und Mangan be reits vor der Filtration überwiegend in den oxidierten Zu stand (Eisen (III), Mangan (IV)), in dem sie nahezu unlös lich sind, überführt, und das Fällungsprodukt, Eisen- und Manganoxidhydrate, wird mechanisch im Filterbett abfil triert.
2) als Kontaktfilter: Nach Belüftung des Rohwassers treten Eisen und Mangan in noch überwiegend reduziertem Zustand (als Eisen (II) bzw. Mangan (II)) in das Filterbett ein und werden durch Kontakt mit dem Filtermaterial und bereits ab gelagertem Schlamm durch mikrobiologische und chemische Pro zesse zur Fällung gebracht und im Filterbett zurückgehalten. Hier bewirken die Oberflächenschicht des eingearbeiteten Filtermaterials sowie bereits im Porenraum abgelagerter Schlamm, - im wesentlichen bestehend aus Mikroorganismen, mikrobiell gebildeten Strukturen wie Schleim- und Kapsel substanzen sowie Eisen- und Manganoxidhydraten, - den Ent eisenungs- und Entmanganungsprozeß.

Schnellfilter werden in der heutigen Aufbereitungspraxis mit konstanter Filtergeschwindigkeit betrieben, die bei Anlagen, die als geschlossene Druckfilter ausgeführt sind, in der Re gel 10-20 m/h beträgt (DIN 2000). Schwankungen der Filter geschwindigkeit können allenfalls betriebstechnisch bedingt sein, beispielsweise durch Zu- oder Abschalten von Förder brunnen. Es ist auch bekannt, Kontaktfilter in besonderen Fällen mit Filtergeschwindigkeiten bis zu 40 m/h zu betrei ben (siehe zum Stand der Technik DIN 2000, Zentrale Trink wasserversorgung, 1973; Kratzenstein, K. und Henke, H. (1970). Einsatz von offenen oder geschlossenen Filtern bei der Enteisenung von Grundwässern, gwf, 111, pp. 117-123).

Durch den bei der Filterrückspülung erfolgenden Austrag des Schlammes mit dem Spülwasser steht anschließend wieder die volle Kapazität des Filtermediums für einen Filterlauf zur Verfügung. Das am weitesten verbreitete Filtermaterial ist Quarzsand, bei dem mittlere Korngruppen von 0,71 bis 1,25 mm und 1,0 bis 1,6 mm am häufigsten Verwendung finden. Zur Erhöhung der Feststoffkapa zität und Verbesserung der Raumfilterwirkung dient die heute für die Enteisenung in zunehmendem Maße angewandte Mehrschichtfiltra tion. Hierbei befindet sich über einer Quarzsandschicht eine Deckschicht aus gröberem Material (z. B. Anthrazitkohle, Bims, Aktivkohle u. a.), das zur Vermeidung einer Durchmischung der Fil terschichten bei der Spülung aus spezifisch leichterem Material bestehen muß, und dessen erforderliche Rückspülgeschwindigkeit ca. 80 bis 90% der Spülgeschwindigkeit des unteren Materials betragen sollte.

Das Ende einer Filterperiode kann entweder durch den Anstieg des Filterwiderstandes über einen Grenzwert, bedingt durch die Ver schlammung des Filterbettes, oder aber durch einen Filterdurch bruch, den Anstieg der Konzentration von Eisen oder Mangan auf der Filtratseite, angezeigt sein.

Die wichtigsten Parameter für den Filtrationsprozeß sind die Fil tratgüte, die Filtergeschwindigkeit sowie der Druckverlust. Dabei ist die zu erreichende Filtratgüte durch die Trinkwasserverord nung (TVO vom 28.5.1986) festgelegt. Demnach betragen die Grenz werte 0,2 mg/l für Eisen und 0,05 mg/l für Mangan. Die Angabe der Filtergeschwindigkeit (V _f; Dimension m/h) dient nicht der Be schreibung der realen Strömungsgeschwindigkeit im Filterbett son dern ergibt sich aus der Gleichung:

Geschlossene Filter werden nach DIN 19605 mit 10 bis 20 m/h be trieben.

Der ferner genannte Druckverlust läßt sich auch als Anstieg des Filterwiderstandes bezeichnen und ist definiert als Anstieg des Differenzdruckes zwischen Zu- und Ablauf eines Filters.

Ein weiteres Maß für die Leistung eines Filters ist die spezifi sche Filterkapazität, die die je Filterperiode erzielte Schwer metallbeladung bezogen auf das Filterbettvolumen angibt.

Eingehende Versuche haben gezeigt, daß höhere Filtergeschwindig keiten als 10 bis 20 m/h nur dann eine sichere Rohwasser-Aufbe reitung erlauben, wenn im Rohwasser nur geringe Eisen- und Man gangehalte vorliegen. Schon bei nur mittleren Eisen- und Mangan gehalten kann zu Beginn einer Filterperiode bei konstanten Fil tergeschwindigkeiten oberhalb des heute üblichen Bereichs in der Regel keine sichere Aufbereitung mit guter Filtratqualität er reicht werden, da durch die vorangegangene Rückspülung der abge lagerte Schlamm, dem als Kontaktschlamm eine wesentliche Rolle bei der Reinigungsleistung zukommt, ausgetragen wird. Ferner konnte durch Versuche belegt werden, daß eine Filtration mit kon stanter Filtergeschwindigkeit im Verlauf einer Filterperiode zu einer Verminderung der Raumfilterwirkung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschrie bene Verfahren hinsichtlich seiner Leistung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den vorstehend erläuterten Ver suchserkenntnissen gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wäh rend einer Filterperiode, also zwischen zwei Filterrückspülungen, die Filtergeschwindigkeit angehoben wird.

Dabei kann die End-Filtergeschwindigkeit mehr als 50% höher lie gen als die Anfangs-Filtergeschwindigkeit. Es wurde festgestellt, daß selbst Steigerungen um weit über 100% ohne deutliche Ver schlechterung der Filtratqualität möglich sind. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Filterperiode mit konstanter Filtergeschwin digkeit von 15 m/h läßt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im gleichen Zeitraum die doppelte Wassermenge aufbe reiten. Dabei läßt sich ein - bezogen auf die produzierte Rein wassermenge - deutlich verlangsamter Anstieg des Filterwider standes feststellen.

Die zu Beginn einer Filterperiode ausgeprägte Raumfilterwirkung, als deren Ursache der Rückgang der Eliminationsleistung des obe ren Bereiches des Filterbettes durch den Austrag von Biomasse und mikrobiell sowie chemisch gebildeten Produkten durch die Spülung anzusehen ist, kann jedoch bei Rohwässern mit hohen Eisenkonzen trationen bei hohen Filtergeschwindigkeiten zu Beginn der Filter periode erhöhte Eisenwerte des Filtrats zur Folge haben. Erfin dungsgemäß ist es daher vorteilhaft, wenn zu Beginn einer Filter periode eine übliche Filtergeschwindigkeit von etwa 10-20 m/h eingestellt wird. Die sich daran anschließende Steigerung der Filtergeschwindigkeit kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen und zwar bis in einen aus Gründen der Filtratgüte und Filterhydraulik vertretbaren Bereich zur Kompensation der Vermin derung der Raumfilterwirkung, zur Verlangsamung des Filterwider standsanstiegs und Erhöhung der Aufbereitungsleistung des Fil ters.

Der Rückgang der Raumfilterwirkung ist bei der erfindungsgemäßen dynamischen Filtergeschwindigkeit bedeutend geringer als bei dem vorbekannten Verfahren. Die verbesserte Tiefenfiltration führt mit der Beladung des Filterbettes zu einem deutlich langsameren Anstieg des Filterwiderstandes.

Eine wichtige Forderung an die Filtration ist die Eignung für die intermittierende Betriebsweise der Filter. Nach bis zu 5tägigen Betriebspausen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst bei einer Filtergeschwindigkeit von 45 m/h stets eine einwandfreie Filtratqualität festzustellen. Lediglich eine zu rasche Steige rung der Filtergeschwindigkeit (z. B. um mehr als 10 m/h in weni gen Minuten) kann zu einer Verschlechterung der Filtratgüte füh ren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet

- für die Ein- und Mehrschicht-Filtration;
- bei aerober Aufbereitung (Sauerstoffkonzentration im belüfteten Rohwasser < 1,5 mg/l) wie auch bei mikro aerober Aufbereitung (Sauerstoffgehalt 1,5 mg/l);
- bei intermittierender Betriebsweise der Filteranlage und
- wenn nur Eisen oder Mangan im Rohwasser vorliegen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren weist das erfindungsge mäße Verfahren im wesentlichen folgende Vorteile auf:

- Die Aufbereitungsleistung bestehender Filteranlagen kann er heblich gesteigert werden, in besonderen Fällen um 100% und mehr;
- neu zu installierende Filteranlagen können erheblich kleiner dimensioniert werden;
- bei abgestimmtem Betrieb der Filtereinheiten ist das erfin dungsgemäße Verfahren hervorragend geignet zur Abdeckung von Bedarfsspitzen, insbesondere in der Aufbereitung von Trinkwasser;
- da die je Filterperiode produzierte Filtratmenge deutlich erhöht ist, sinkt der Spülwasserverbrauch - bezogen auf die produzierte Filtratmenge - erheblich.

In dem Diagramm ist die Entwicklung der Raumfilterwirkung bei der Aufbereitung von verdüstem Rohwasser (O₂-Gehalt 6,5 mg/l; Fe 3,4 bis 3,5 mg/l) dargestellt und zwar während einer Filterperiode T (h) von 72 Stunden mit steigender Filtergeschwindigkeit V _f. Die Filtergeschwindigkeit wurde in diesem Beispiel diskontinuierlich erhöht. Die ersten 24 Stunden wurden mit einer Filtergeschwindig keit von 15 m/h gefahren, Kurve A zeigt die Raumfilterwirkung 0,5 Stunden nach Beginn der Filterperiode (V _f von 15 m/h). Wäh rend der zweiten Phase von ebenfalls 24 Stunden wurde mit einer V _f von 30 m/h gefahren, Kurve B zeigt die Raumfilterwirkung unmittelbar nach der Anhebung der Filtergeschwindigkeit von 15 m/h auf 30 m/h nach einer Filterlaufzeit von 24 h. Während der letzten Phase von 24 h betrug die Filtergeschwindigkeit 45 m/h. Kurve C zeigt die Raumfilterwirkung unmittelbar nach Anhebung der Filtergeschwindigkeit von 30 m/h auf 45 m/h nach einer Filter laufzeit von 48 Stunden. Kurve D schließlich zeigt die Raumfil terwirkung bei der Filtergeschwindigkeit von 45 m/h nach 72 Stun den Filterlaufzeit, unmittelbar vor der Filterrückspülung.

Ein Vergleich mit entsprechenden Meßkurven für ein herkömmliches Verfahren zeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rückgang der Raumfilterwirkung bedeutend geringer ist. Die ver besserte Tiefenfiltration führt mit der Beladung des Filterbettes zu einem deutlich langsameren Anstieg des Filterwiderstandes. Die Beladung des Filterbettes ist bei der erfindungsgemäßen Filtra tion am Ende erheblich höher, da aufgrund der gegenüber einem herkömmlichen Verfahren, z. B. verdoppelten mittleren Filterge schwindigkeit, auch die doppelte Rohwassermenge aufbereitet wird.

Claims

1. Verfahren zur Kontaktenteisenung und -entmanganung von Grund- und Oberflächenwässern (Rohwasser) in geschlossenen Schnellfilteranlagen, insbesondere zur Aufbereitung von Roh wasser mit mittleren und hohen Eisen- und Mangangehalten, wobei das zuvor mit Sauerstoff angereicherte Rohwasser mit einer bestimmten Filtergeschwindigkeit ein Filtermedium durchströmt, das durch die Fällung der Schwermetalle ver schlammt und daher nach einer bestimmten Durchströmzeit (Filterperiode) durch eine Luftspülung aufgebrochen und eine sich anschließende Wasserspülung von Schlamm gereinigt wird (Filterrückspülung), worauf sich die nächste Filterperiode mit nachfolgender Filterrückspülung anschließt, dadurch ge kennzeichnet, daß während einer Filterperiode, also zwi schen zwei Filterrückspülungen, die Filtergeschwindigkeit angehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn einer Filterperiode eine übliche Filtergeschwindig keit von etwa 10-20 m/h eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die End-Filtergeschwindigkeit 1,5× Anfangs-Filter geschwindigkeit ist.