DE4130722C2 - Filterapparat zur periodischen Suspensionstrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Chemischen Technik und hat einen Apparat zur periodischen Trennung von Suspensionen in ein feststoffarmes Filtrat und einen feststoffreichen Schlamm infolge Filtration und Sedimentation zum Gegenstand.

Apparate zur periodischen Filtration von Suspensionen unter Nutzung von Rückspül- und Absetzvorgängen (Eindickfilter) sind bekannt (z. B. MOORE-Filter, s. Coulsen, J. M. und J. F. Richardson, Pergamon Press. 1960, Bd. 2, S. 436; Blattfilter mit Feststoffaustrag in den Filtertank, s. Perry′s Chemical Engineers′s Handbook, 6th ed., New York: McGraw-Hill, 1984; andere Apparate s. Brociner, R. E.: Filtration & Separation (1972) 5, S. 562-565 und Mitsugi Mirua: Filtration & Separation (1967) 6, 551-565). Sie nutzen den Vorteil einfacher und schneller Rückspülung und Filterkuchenentfernung aus, um durch kurze Zyklendauer weitgehend im Anfangsbereich der Kuchenfiltration zu verbleiben und damit im Mittel große flächenbezogene Filtratströme zu gewährleisten.

Ihr Nachteil besteht darin, daß der Filterkuchen während des Absetzvorganges relativ lange Wege in der Nähe der üblicherweise vertikalen Filterflächen zurücklegen muß, während derer er infolge der Relativbewegung zur umgebenden Suspension teilweise redispergiert wird. Damit wird ein Teil des bereits einmal abfiltrierten Feststoffes im nächsten Filtrationstakt erneut abfiltriert, und außerdem führt die Redispergierung des Filterkuchens zur Minderung des Feststoffgehaltes im Schlamm. Eine Reduzierung der Sedimentationsstrecke ist bei vertikaler Anordnung der Filterflächen in naheliegender Weise nur durch Reduzierung der vertikalen Abmessungen der Filterflächen möglich, wodurch allerdings auch die Gesamtfilterfläche reduziert werden würde, die je Flächeneinheit an Apparategrundfläche installierbar ist.

Filterelemente mit schräger statt vertikaler Anordnung der Filterflächen sind bekannt. So wird eine Preßfilteranlage beschrieben (DE 38 02 415 A1), bei der eine voreingedickte Suspension im Spalt zwischen einem hin- und herschwingenden Preßwerkzeug und einer schräg angeordneten perforierten Platte periodisch gepreßt und entwässert wird. Die schräge Lage der filtrierenden Fläche begünstigt dabei den zwangweisen Transport des Filterrückstandes schräg nach oben, wobei er ständig oberhalb der filtrierenden Fläche verbleibt, die vom Preß­ filtrat schräg von oben nach unten durchströmt wird. Auch in der "Filteranordnung zum Entfernen von Verunreinigungen aus Abwasser" (DD 291 980 A5) sind die Filterelemente geneigt zur Vertikalen angeordnet, werden aber auch hier beim Filtrieren schräg von oben nach unten durchströmt, und der Filterrückstand verbleibt ebenfalls auf der schräg nach oben zeigenden Seite der geneigten Filterflächen. Bei beiden vorgenannten Erfin­ dungen ist also ein freies Sedimentieren des Filterkuchens bzw. Filterrückstandes nach seinem Ablösen vom Filtermittel durch Rückspielen desselben weder vorgesehen noch möglich.

In dem "Niederdruckabscheider zum Abscheiden von Naßstäuben, die von Gasen mitgeführt werden (DE-GM 75 25 299) wird der staubbeladene Gasstrom dagegen schräg von unten nach oben durch das geneigt angeordnete Fließmattenfilter gefördert. Die Anordnung ist für die Gasreinigung gedacht, läßt sich jedoch möglicherweise auch zur Suspensionstrennung einsetzen. Eine geeignete Anordnung der Filterfläche oder andere geeignete Vorrichtungen, die die schonende, kontrollierte Sedimentation eines mittels Rückspülung abgelösten Filterkuchens sowie die Abführung des Feststoffes aus dem Prozeßraum ermöglichen würden, sind jedoch nicht vorgesehen. Stattdessen würde der durch Rückspülen des Filtermittels abgelöste Feststoff über eine große vertikale Distanz absinken müssen und dabei zu erheblichen Teilen redispergiert werden. Die damit verbundene lange Absetzzeit würde den Zeitraum verlängern, der bis zum Beginn des nächsten Filtrationszyklus abzuwarten wäre, um erneutes Abfiltrieren von unvollständig abgesetztem Feststoff zu vermeiden. Die beschriebene Anordnung besitzt also keine wesentlichen Vorteile gegenüber der oben beschriebenen vertikalen Anordnung der Filterflächen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine leichte Ablösung und schonende Sedimentation des Filterkuchens ohne wesentliche Redispergierung zu ermöglichen, den Ab­ transport des abgesetzten Feststoffes in hinreichender Entfernung von der Filterfläche zu gewährleisten und so ein erneutes Abfiltrieren des abgesetzten Feststoffes zu verhindern. Dieses Problem wird durch den Filterapparat gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß durch geneigte Anordnung der semipermeablen Filterflächen (Fig. 1, Pos. 1), die während des Filtrationstaktes schräg von unten nach oben durchströmt werden, eine leichte Ablösung des Filterkuchens vermittels kurzzeitiger Umkehr der Strömungsrichtung des Filtrates erzielt werden kann. Die abgelösten Filterkuchen sedimentieren über eine kurze Strecke bis auf geneigte Gleitflächen (2), die unter den Filterflächen angeordnet sind, und gleiten dann mit mäßiger Geschwindigkeit unter Schwerkrafteinfluß in den Schlammsammelraum (3), aus dem sie in Schlammform durch hydrostatische oder Druckwirkung, vermittels Pumpen oder mechanischer Austragsvorrichtungen abgezogen werden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wie im Anspruch 2 angegeben, durch die Kombination von Filterflächen und Gleitflächen. Dadurch erhält man Filterelemente (Fig. 2, Pos. 4), die zusammengepreßt werden können, so daß eine druckfeste oder vakuumfeste Anordnung von Filterelementen entsteht und die undurchlässigen Oberseiten der Filterelemente als Gleitflächen für die Filterkuchen der jeweils darüberliegenden Filterflächen dienen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 3 angegeben und besteht darin, daß die suspensionsseitigen Kammern der parallelgeschalteten kombinierten Filterelemente in einen gemeinsamen Schlammsammelraum münden, in dem die einzelnen Filterkuchen in Schlammform gesammelt und aus dem sie gemeinsam abgezogen werden können.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die geneigte Filterfläche (5) in den Abmessungen 200 mm×50 mm steht in einem festen Winkel von 135° zur Vertikalachse des angeflanschten Schlammsammelraumes (6). Der Apparat ist an der Oberkante drehbar in einem Gestell aufgehängt, so daß der Winkel von Filterfläche (5) und Gleitfläche (7) zur Horizontalen in einem Bereich von 30 . . . 80° variiert werden kann. Die Wände der Filterkammer (8), die Suspensionsstutzen (9) und die Filtratstutzen (10) bestehen aus Polyacrylat, der Schlammsammelraum (6) wurde aus PVC gefertigt und mit Polyacrylatfenstern (11) versehen.

Der Apparat wurde in einer Versuchsanordnung gemäß Fig. 4 für die Trennung einer wäßrigen Suspension aus Cellulosepartikeln (Medianwert der massenmäßigen Durchmesserverteilung 14,5 µm) bei einer Konzentration von 20 g/l und einer Temperatur von 20°C eingesetzt. Als Filtermittel diente ein monofiles, beidseitig kalandriertes Polypropylen-Atlasgewebe auf einem stützenden Siebgewebe (12). Die verfügbare Filtrations-Druckdifferenz von 2,55 kPa ergab sich aus der Höhendifferenz von 26 cm zwischen dem Suspensionsüberlauf (13) und dem Überlauf im Filtratbehälter (14). Die Rückspülung erfolgte durch Förderumkehr der Flügelradpumpe (15) in Richtung Suspensionsvorlage (16) mit einem Rückspülvolumen von 40 ml je Zyklus. Der Schlamm wurde hydraulisch-periodisch in die Schlammvorlage (17) abgeleitet und das Filtrat in der Filtratvorlage gesammelt.

Bei einer Zyklusdauer von 30 s stellte sich im stationären Betriebszustand ein mittlerer Suspensionsvolumenstrom von 96,4 ml/min und ein mittlerer Filtratvolumenstrom von 82,5 ml ein. Der Schlamm erreichte eine Feststoffkonzentratin von 139 g/l, das Filtrat war leicht getrübt und enthielt weniger als 0,1 g/l Feststoff.

Die Trennung einer gleichen Suspension in einem Schwerkrafteindicker würde einen klärflächenbezogenen Suspensionsdurchsatz von 0,256 cm/min ermöglichen (Ermittlung aus Absetzreihenversuchen nach COE und CLEVENGER), während der im Filterapparat erzielte flächenbezogene Suspensionsdurchsatz mit 0,964 cm/min nahezu das Vierfache dieses Wertes betrug.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß während der freien Sedimentation des Filterkuchens wegen der kurzen Wegstrecke und der verfestigenden Wirkung der vorangegangenen Filtration nur eine mäßige Redispergierung möglich ist. Während des Herabgleitens auf den geneigten Gleitflächen ist eine Redispergierung nur auf der Kuchenoberseite möglich und bleibt auch dort infolge der geringen Geschwindigkeit relativ zur Umgebung begrenzt, zumal die Kuchenoberseite während der Filtration an das Filtermittel angrenzte und dort am stärksten verdichtet wurde. Das Herabgleiten wird durch die Bewegung der einströmenden Suspension in den folgenden Filtrationstakten unterstützt. Der einmal abgeschiedene Feststoff verbleibt während des Austrages ständig in ausreichender Entfernung zu den Filterflächen, so daß ein erneutes Abfiltrieren vermieden wird.

Der Apparat ist zur Trennung von Suspensionen in allen Wirtschaftsbereichen, insbesondere aber in der Kommunalwirtschaft sowie in der chemischen und artverwandten Industrie verwendbar. Typische Einsatzfälle in der Kommunalwirtschaft sind die Reinigung von Rohwässern und Abwässern und die Abtrennung von Belebtschlamm in biologischen Kläranlagen. Die abzutrennenden Feststoffe können geflockt sein oder teilweise bzw. vollständig dispergiert vorliegen.

Claims (3)

1. Filterapparat zum periodischen Trennen von Suspensionen in den Takten "Filtrieren", "Ablösen des Filterkuchens" und "Absetzen des Filterkuchens", bei dem die Suspension dem Filterapparat oben zugeführt und der abgesetzte Filterkuchen unten abgezogen werden, und die Filterflächen in einem Winkel von 30 . . . 80° zur Horizontalen angeordnet sind, so daß sie beim Filtrieren schräg von unten nach oben durchströmt werden, und daß sich exakt oder näherungsweise parallel zu besagten Filterflächen in einer Entfernung von 5 . . . 200 mm von ihnen undurchlässige Gleitflächen befinden, auf denen die abgesetzten Filterkuchen unter Schwerkrafteinfluß nach unten gleiten können.

2. Filterapparat nach Anspruch 1, bei dem die Filterflächen Bestandteile von flachen, kastenförmigen Filterelementen sind, deren undurchlässige Oberseiten als Gleitflächen für den Filterkuchen des jeweils darüberliegenden Filterelementes dienen, und daß besagte Filterelemente durch ihr Zusammenpressen druckfeste oder vakuumfeste Anordnungen mehrerer parallel geschalteter Filterflächen und Gleitflächen bilden.

3. Filterapparat nach Anspruch 1 und Anspruch 2, bei dem die suspensionsseitigen Kammern zwischen den Filterflächen und den Gleitflächen in einen gemeinsamen Schlammsammelraum münden, in dem die herabgleitenden Filterkuchen als Schlamm gesammelt und aus dem sie durch hydrostatische Wirkung, Druckwirkung, Pumpen­ wirkung oder mittels mechanischer Austragsvorrichtungen abgezogen werden können.