DE69711436T2

DE69711436T2 - Hochleistungsfiltrationssystem

Info

Publication number: DE69711436T2
Application number: DE69711436T
Authority: DE
Inventors: Frederick Dew
Original assignee: Schreiber Corp Inc
Current assignee: Schreiber Trussville Ala Us LLC
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2017-12-10
Also published as: JP2000511823A; EP0949947A1; AU729854B2; DE69711436D1; WO1998025681A1; EP0949947B1; CA2274778C; AU729854C; ATE214965T1; AU5374598A; CA2274778A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Filtersysteme einschließlich Filtersystemen, die im Zusammenhang mit der tertiären Behandlung von Abwasser zur Verringerung suspendierter Feststoffe verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Entsorgung und Wiederverwendung von Abwasser aus rohem städtischen Abwasser sind problematisch. Strenge Anforderungen an die Behandlung von Abwasser sind erlassen worden, um die Gesundheit der Menschen zu schützen, insbesondere in Gegenden mit beschränkter Wasserversorgung oder hoher Bevölkerungsdichte. Zum Beispiel schreibt Titel 22 der Kalifornischen Verwaltungsordnung strenge Kriterien für die Wiederverwertung des Wassers fest, wenn es wahrscheinlich ist, dass Menschen mit behandeltem Abwasser in Kontakt kommen.
Typischerweise wird Abwasser mittels Chlorierung oder ultravioletten Strahlung desinfiziert, wenn behandeltes Abwasser in Oberflächenwasser im Binnenland eingebracht wird. Eine derartige Desinfektion bewirkt typischerweise eine vollständige Zerstörung pathogener Bakterien und eine wesentliche Deaktivierung von Viren, aber sie bewirkt keine vollständige Zerstörung von Viren. In Sekundärabwässern sind Viren entdeckt worden.
Titel 22 der Kalifornischen Verwaltungsordnung bezieht sich auf die Anforderungen an eine tertiäre Behandlung. Virenüberwachung wird in Titel 22 nicht spezifiziert, weil Viren typischerweise in geringen Konzentrationen in behandeltem Abwasser auftreten. Virenüberwachung ist teurer. Virenassays erfordern eine spezielle Expertise. Laborverfahren sind gewöhnlich off-line und zeitaufwändig. Kosten für die Analytik sind hoch. Daher legt der Titel 22 - statt Messungen der Virenkonzentrationen aufzuerlegen - ein tertiäres Behandlungssystem offen, das aus chemischer Koagulation, Sedimentation, Filtration und Desinfektion besteht, wenn die Öffentlichkeit dem behandelten Wasser ausgesetzt werden könnte, wie in einem Erholungsgebiet.
Unter den Bestimmungen des Titel 22 darf die Trübheit des behandelten Abwassers normalerweise einen mittleren Betriebswert von 2 NTU nach der abschließenden Filtration nicht übersteigen, und sie darf nicht länger als 5 Prozent während irgendeiner 24-stündigen Periode 5 Trübheitseinheiten übersteigen. Chlorierung nach diesem Behandlungsniveau stellt typischerweise eine Virenzerstörung sicher, die ausreichend ist, die öffentliche Gesundheit zu schützen. Direkte Filtration unter Zusatz von Chemikalien ist als Alternative zu den in Titel 22 spezifizierten kompletten Behandlungssystemen dort erlaubt, wo gezeigt worden ist, dass die Ergebnisse der beiden Behandlungssysteme vergleichbar sind und die angemessenen Kriterien erfüllen.
Es ist festgestellt worden, dass die Desinfizierungsraten typischerweise mit den Partikelgrößenverteilungen im Abwasser korrelieren und dass die Fähigkeit, einen einzelnen Abwasserpartikel zu deaktivieren eine Funktion von der Größe des Partikels ist. Direkte tertiäre Filtration alleine steigert normalerweise die Desinfektionsrate nicht, außer wenn die Partikelgrößenverteilung des sedimentierten Abwassers modifiziert wird. Tertiäre Filtrationssysteme, die arbeiten, indem sie größere Partikel entfernen, sollten die beim Abwasserrückgewinnungsverfahren typischerweise angewandten langen Kontaktzeiten und hohen Chlordosierungen sicher verringern. Entsprechend ist ein körniges Filtrationsmedium fast universell als Teil der Abwasserrückgewinnung gefordert. Filtration mit körnigem Material ist zeitaufwändig und kann der begrenzende Faktor für ein Abwasserbehandlungssystem sein.
Masuda et al. offenbaren im US-Patent Nr. 5,248,415 eine Filtrationsvorrichtung mit Aufwärtsströmung, von der es heisst, dass sie als tertiärer Filter für Systeme zur Abwasserbehandlung nützlich ist, und dass sie bei einer relativ hohen Durchflussrate arbeitet. Eine Ausführungsform des im Masuda-Patent beschriebenen Gegenstandes ist in Fig. 24 allgemein als 28 dargestellt und wird als Stand der Technik bezeichnet.
Das im Masuda-Patent beschriebene Filtermedium umfasst eine Vielzahl versteifter Faserbündel. Die Faserbündel befinden sich in der Filtrationsvorrichtung mit Aufwärtsströmung zwischen dem ersten und dem zweiten perforierten Blech 36 und 38, respektive. Das Abwasser fließt durch die Faserbündel aufwärts und suspendierte Stoffe werden von den einzelnen Faserbündeln abgefangen.
Das erste perforierte Blech 36 ist innerhalb der Vorrichtung unbeweglich befestigt und das zweite perforierte Blech ist innerhalb der Vorrichtung beweglich befestigt und befindet sich mit einem Abstand unterhalb des ersten perforierten Blechs. Das untere bewegliche perforierte Blech 38 oder die Grundplatte wird angehoben, um die Faserbündel zu komprimieren, um Luftschichten zu eliminieren und eine dichte Filterschicht zu bilden. Das Abwasser tritt nach oben durch die bewegliche Grundplatte und die Filterschicht und verlässt die obere unbewegliche Platte 36. Von feinen Feststoffen in der Aufwärtsströmung heisst es, dass sie vom unteren Bereich des Filters zum oberen zunehmend stärker an diesen anlagern. Mit einer progressiven Filtration wird der Filtrationswiderstand erhöht. Die bewegliche Grundplatte wird von Zeit zu Zeit abgesenkt und sie soll eine Reinigungskammer definieren, wenn die Filtrationsleistung verringert ist und es nötig wird, die Faserbündel zu reinigen.
Jedoch hat die im Patent von Masuda et al. beschriebene Vorrichtung mit der beweglichen Grundplatte einige damit verbundene Schwierigkeiten. Ein Stempel oder eine Schraube 40 zum Bewegen der Grundplatte durchquert das Abwasser, das Medium und die obere stationäre Platte 36. Die Schraube verringert den für das Medium vorhandenen Raum und kann eine Kanalbildung durch das Medium im Bereich der Schraube verursachen. Das Medium besteht aus einer lockeren Faser und kann sich in der Schraube verfangen, wenn sie sich dreht. Eine Dichtung wird dort verwendet, wo die Schraube durch die Deckplatte tritt, was den Betrieb der Vorrichtung weiter kompliziert.
Wenn die Grundplatte angehoben wird, um das Medium zu komprimieren, werden die unteren Schichten des Mediums komprimiert. Das komprimierte Filtermedium des unteren Bereichs des Bettes ist dann der erste Bereich des Mediums, der in Kontakt mit dem Abwasser kommt, weil das Filter in einem Modus mit Aufwärtsströmung betrieben wird. Der Filter verstopft schnell, weil große sowie feine Partikeln beide von den komprimierten ersten Schichten des Filtermediums abgefangen werden. Die gesamte Einheit ist außer Betrieb gesetzt, für gewöhnlich, bevor die oberen Filterschichten vollständig beladen sind, und das Filtermedium wird gewaschen, bevor der nächste Zyklus begonnen wird.
Das Filtermedium wird gewaschen, indem die Grundplatte nach unten vom Medium wegbewegt wird und eine Reinigungskammer definiert. Jedoch macht es die Durchflussrate der Waschwassers schwierig, eine Trennung zwischen dem Medium zu erzielen und eine effiziente Reinigung durchzuführen. Die Masuda-Vorrichtung hat typischerweise ein häufiges Waschen des Filtermediums bei voller Durchflussrate von Waschwasser, entsprechend der Durchflussrate von Abwasser, erfordert. So ist die Gesamteffektivität der im Masuda-Patent beschriebenere Vorrichtung stark verringert.
Es wäre wünschenswert, als eine brauchbare Alternative zu körnigen Filtrationsmedien ein Filtrationssystem zu entwickeln, dass für die tertiäre Abwasserbehandlung verwendbar ist und das zumindest einige mit der Masuda-Vorrichtung verbundene Probleme wesentlich verringert oder eliminiert und dennoch ein Hochleistungsfiltrationssystem ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Hochleistungsfiltrationssystem zur Verfügung, bei dem die Kollektorengröße und die effektive Porengröße des Filtrationsmediums entsprechend der Bedingungen des Eintragstoffes angepasst werden können und eine effiziente Reinigung des Mediums gefördert wird. Das Fluid bewegt sich durch aufeinanderfolgende Schichten des Filtrationsmediums, wobei jede Schicht zunehmend stärker komprimiert wird, mit einer kleineren effektiven Porengröße und Kollektorgröße zur Filtration, und immer kleinere Partikeln entfernt. Der Komprimierungsgradient fördert eine einheitlichere Beladung des Mediums über das Filterbett. Der Komprimierungsgradient kann während der Filtration verändert werden, um den Druckverlust über das Medium anzupassen und die Zeit für die Filtration auszudehnen, während die Filtrationseffizienz innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wird.
Bei der Anwendung für häusliches Abwasser können Austragstoff- Trübungswerte von 2 NTU oder darunter ohne Zusatz von Chemikalien bei Eintragstoff-Trübungswerten von bis zu etwa 8 NTU erzielt werden, wenn der Durchfluss zwischen etwa 820 bis 1230 L/m²·min (20 bis 30 gal/ft²·min) liegt, bei einem Bett-Komprimierungsverhältnis von etwa 15 bis 40%. Der Prozentsatz an Rückspülwasser, das bei Filtrationsraten von 820 bis 1230 L/m²·min (20 bis 30 gal/ft²·min) und bei Bett-Komprimierungswerten von 20 und 30% erforderlich ist, liegt zwischen etwa einem bis 3 Prozent.
Abhängig von der Qualität des Eintragstoffs und der gewünschten Qualität des Austragstoffs sollte das erfindungsgemäße Filtrationssystem bei erhöhten Durchflussraten über 1230 L/m² min (30 gal/ft²·min) betrieben werden können, so lange der Druckverlust über den Filter nicht zu einem unwirtschaftlichen Betrieb führt. Durchflussraten von 1640 L/m² min (40 gal/ft²·min) bis 2050 L/m²·min (50 gal/ft2.min) oder darüber sollten sinnvoll sein, abhängig von den gewünschten Ergebnissen.
Die erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung ist für eine Vielzahl unterschiedlicher flüssig/fest-Trennungen verwendbar, einschließlich der Reduzierung suspendierter Feststoffe in städtischem und Industrieabwasser, Wiederverwertung von Betriebsflüssigkeiten von Maschinen, und eine Menge anderer Trennungen. Ein komprimierbares Faserbündelfiltermedium wie im US- Patent Nr. 5,248,415 von Masuda et al. beschrieben, ist zwischen einem oberen und einem unteren perforierten Blech enthalten, von denen zum Betrieb in die Aufwärtsströmungsrichtung das obere Blech oder die Deckelplatte beweglich ist, um die Porosität und Kollektorgröße des Mediums anzupassen. Ein Porositätsgradient wird über das Filterbett eingerichtet, bei dem die Porosität von oben nach unten vergrößert wird, was zur Strömungsrichtung des Fluids entgegengesetzt ist.
Das zu filtrierende Fluid erreicht im Stromaufwärtsmodus das Filtermedium am weniger komprimierten Boden. Größere Partikeln werden im unteren Bereich des Bettes, in dem das Fluid eintritt, abgefangen. Kleinere Partikeln treten durch bis zu folgenden Schichten des Filtermediums. Die abschließende oberste Schicht des Filtrationsmediums entfernt die kleinsten Partikeln, für die eine Filtration erfolgt. Die komprimierte Schicht des Filtermediums ganz oben verstopft weniger häufig als wenn die Bodenschicht des Filtermediums komprimiert wäre, weil die obere Schicht nur die feinen und nicht zusätzlich die großen Partikeln filtert.
Das erfindungsgemäße Hochleistungsfiltrationssystem wird typischerweise weniger häufig abgeschaltet und erfordert weniger Waschen des Mediums als frühere Vorrichtungen. Die Filtrationseffizienz ist mit derjenigen anderer Filter vergleichbar, aber die Filtrationsdurchflussraten sind typischerweise um ein Mehrfaches schneller.
Es besteht keine Notwendigkeit für eine Dichtung in einer oberen beweglichen Platte, für einen Stempel oder eine Schraube, die dafür da sind, die untere bewegliche Platte zu bewegen. Eine Kanalbildung kann verringert werden und das Filterbett wird nicht unterbrochen. Es gibt keine mechanischen Mittel, in denen sich das Filtermedium verfangen kann.
Es können mehrere Zellen in jedem der Filter gebaut werden, die unabhängig voneinander gesteuert werden können, so dass eine Filterzelle stillgelegt und gereinigt werden kann, während eine andere in Betrieb ist. Der Waschzyklus kann mit einer relativ niedrigen Durchflussrate mit weniger Wasser, das rezykliert werden muss, durchgeführt werden, was heisst, dass das Verfahren effizient betrieben werden kann.
Der vorherige und andere Gegenstände und Eigenschaften der Erfindung und die Art, in der dieselben erreicht werden, werden offensichtlicher, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung zusammen mit den angefügten Zeichnungen, die bevorzugte und exemplarische Ausführungsformen darstellen, in Betracht gezogen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schemazeichnung einer repräsentativen Belebtschlammanlage, die das tertiäre Behandlungssystem entsprechend der Erfindung einschließt;
Fig. 2 ist ein teilweiser Ausschnitt eines perspektivischen Blicks auf eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung;
die Fig. 3A bis 3C sind Längsschemata im Querschnitt, die die Filtrationsvorrichtung der Fig. 2 in drei unterschiedlichen Betriebsarten darstellen: Fig. 3A stellt einen stromaufwärts-Filtrationsmodus dar, Fig. 3B stellt einen stromaufwärts-Waschmodus zum Reinigen des Filtermediums dar und Fig. 3C stellt einen stromaufwärts-Spülmodus zum Entfernen verbliebenen losen Materials aus dem Filterbett vor dem Starten eines Filtrationsmodus dar.
Fig. 4 ist eine Darstellung eines Filtermediums nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einer Filtrationsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung wie beschrieben;
die Fig. 5A bis 5D sind Auftragungen der Trübung des Austragstoffs gegen die Trübung des Eintragstoffs für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die bei vier unterschiedlichen Strömungsraten und vier unterschiedlichen Komprimierungsgraden des Filterbetts betrieben wird;
Fig. 6 ist eine Auftragung des Druckverlusts gegen die Filtrationsströmungsrate für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, beginnend mit einem sauberen Filterbett und bei vier unterschiedlichen Komprimierungsgraden des Filterbetts betrieben;
Fig. 7 ist eine Auftragung der Trübung des Austragstoffes gegen die Trübung des Eintragstoffes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die bei 30% Komprimierung und zwei unterschiedlichen Strömungsraten betrieben wird, verglichen mit verschiedenen Beispielen aus dem Stand der Technik, die bei niedrigeren Strömungsraten betrieben werden;
die Fig. 8A bis 23C sind Auftragungen der Zeit gegen drei unterschiedliche Parameter zur Bestimmung der Leistung einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung bei vier unterschiedlichen Strömungsraten des Eintragstoffs und vier unterschiedlichen Prozentsätzen der Komprimierung eines Filterbettes bei fester Eingangstiefe für jede Strömungsrate: die Figuren A sind Auftragungen der Zeit gegen die Trübheit von Eintragstoff und Austragstoff; die Figuren B sind Auftragungen der Zeit gegen die Effizienz der Entfernung suspendierter Feststoffe und die Figuren C sind Auftragungen der Zeit gegen den Druckverlust über das Filtermedium; und
Fig. 24 ist eine Darstellung des im US-Patent Nr. 5,248,415 von Masuda et al. beschriebenen Hochgeschwindigkeitsfiltrationssystem nach dem Stand der Technik.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 allgemein bei 50 in hochgradig schematischer Form dargestellt, ist eine repräsentative Belebtschlammanlage, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zur tertiären Behandlung von rohem städtischen Abwasser zur gesteigerten Entfernung suspendierter Feststoffe einschließt. Es sollte erkannt werden, dass die Konfiguration der Anlage für Belebtschlamm, so wie sie dargestellt ist, nur ein Beispiel für eine Anlage für Belebtschlamm ist und dass zahlreiche Alternativen verfügbar sind. Es sollte ebenso erkannt werden, dass während die Erfindung im Zusammenhang mit einen tertiären Behandlungssystem für städtisches Abwasser, das mittels eines Belebtschlammverfahrens behandelt wird, beschrieben wird, die hier beschriebene Erfindung nicht darauf begrenzt ist.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Konfigurationen oder Betriesmodi von Belebtschlammanlagen oder auf die Verwendung in Verbindung mit einer Belebtschlammanlage beschränkt. Zum Beispiel kann die erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung dazu verwendet werden, Abwasser zu behandeln, das keinem Abbau durch Schlamm unterzogen wird. Wenn gewünscht wird, das Wasser wegen seines Gehalts an Nährstoffen, z. B. als Dünger, zu verwenden, kann das Abwasser vor der Filtration in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ohne einen Abbau durch Schlamm einer Klärung vorab unterzogen werden. Das Abwasser kann gesiebt werden und vor dem Filtrieren in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Wirbelseparator behandelt werden, um große, nicht suspendierte Feststoffe zu entfernen, einschließlich Becher, Lumpen, Bretter und anderem Abfall.
Die Erfindung ist nicht auf die Behandlung von Siedlungs- oder anderem städtischen oder industriellem Abwasser begrenzt. Im Gegenteil sollte die hier beschriebene Erfindung in Verbindung mit einer weiten Spanne unterschiedlicher Filtrationsverfahren nützlich sein, bei denen Feststoffe mit einer für die effektive Porengröße des Filtermediums passenden Partikelgröße aus Fluiden, sowohl aus Gasen wie aus Flüssigkeiten, entfernt werden. Zum Beispiel sollte die erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung als Vorfilter zum Entfernen kleiner fester Partikeln aus Seewasser nützlich sein, die sonst eine Membran zur reversen Osmose beim Verfahren zur Herstellung von Trinkwasser aus Salzwasser belegen könnten. Maschinenbetriebsflüssigkeiten, hydraulische Flüssigkeiten und verschiedene Erdöle oder Lebensmittelöle sollten mit der erfindungsgemäßen Filtrationsapparatur sinnvoll behandelt werden können, um wirtschaftlich und effizient kleine Partikeln aus ihnen zu entfernen.
Entsprechend sollte verstanden werden, dass, während die Erfindung im Detail im Zusammenhang mit der Verringerung von suspendierten Feststoffen in Abwasser in Verbindung mit dem Belebtschlammverfahren beschrieben wird, die detaillierte Beschreibung zum Zwecke der Darstellung und nicht der Beschränkung gegeben wird.
Zurück zu Fig. 1 und der von 50 repräsentierten Belebtschlammanlage: Abwasser, einschließlich z. B. rohem städtischem Abwasser wird gesammelt und mittels einer Pumpe 54 durch eine Leitung 52 gepumpt, damit es in einen Klärschlammreaktor 56 gelangt, damit durch den im Reaktor enthaltenen biologischen Schlamm organische Kohlenstoffverbindungen, Nitrate und Phosphate in einer Weise, wie sie dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt sein sollte, abgebaut werden. Verbrauchter oder überschüssiger Schlamm wird zur Deponierung durch eine Leitung 58 abgezogen. Der Belebtschlammreaktor kann ein Einzeltankreaktor sein, in dem die oxidische, anoxidische und anaerobe Phase der Reaktion nacheinander in dem einzigen Tank stattfinden können. Diese Reaktionen können auch in getrennten Tanks stattfinden. Abbau mit Klärschlamm wird manchmal auch als primäre Abwasserbehandlung bezeichnet.
Das Gemisch aus Belebtschlamm und behandeltem Abwasser wird dann typischerweise in eines oder mehrere Klärbecken 60 geleitet, damit sich der Schlamm vom behandelten Abwasser mittels Schwerkraft abtrennt, was manchmal als sekundäre Behandlung bezeichnet wird. Der abgetrennte Schlamm wird gewöhnlich durch eine Leitung 62 aus dem Klärbecken in den Belebtschlammreaktor rückgeführt. Der geklärte Austragstoff 64 wird das Eintragstoff-Abwasser für ein tertiäres Behandlungssystem, wenn eine tertiäre Behandlung zur weiteren Verringerung suspendierter Festkörper verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Stromaufwärts-Hochleistungsfiltrationssystem, dargestellt als 66, ist als tertiäres Filtrationssystem nutzbar und erhält als Einsatzstoff den sekundären Austragstoff 64 aus einem Klärbecken 60, zur weiteren Verringerung suspendierter Feststoffe. Der filtrierte Austragstoff 67 aus dem Hochleistungsfiltrationssystem 66 kann, wenn notwendig, weiter mit Chlor oder ultraviolettem Licht behandelt werden, und in einen Bach oder ein Wasserreservoir entsorgt werden.
Der Filter 66 wird von Zeit zu Zeit mit seinem eigenen durch die Leitung 64 zugeführten Eintragstoff, wie unten beschrieben, gewaschen, um den Filter zu reinigen und die vom Filter abgefangenen suspendierten Feststoffe zu entfernen, Normalerweise wird das Waschwasser dann durch eine Leitung 68 zum Eintragstoff 52 in den Belebtschlammreaktor zurückgeführt und damit vermischt. Ein Abfluss 70 ist ebenfalls im Filter eingerichtet, der normalerweise in einen Abwasserkanal entwässert, wenn es nötig wird, den Filter von der Rückführleitung 68 zu trennen.
Eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung ist allgemein als teilweiser Ausschnitt eines perspektivischen Blicks als 72 in Fig. 2 dargestellt. Das Filtrationssystem schließt ein Gehäuse 74 und ein Filtrationsbett 76 ein, das sich innerhalb des Gehäuses zwischen zwei perforierten Platten, einer beweglichen oberen Platte 76 und einer festen unteren Platte 80, befindet. Die perforierten Platten umfassen eine Vielzahl von Öffnungen 82, durch die Abwasser in und aus dem Filterbett fließen kann. Die Öffnungen sind so groß, dass das Wasser ungehindert in das Filterbett hinein und aus ihm herausfließen kann, während die einzelnen Komponenten des Filtermediums 84 im wesentlichen daran gehindert werden, aus dem Filterbett zu gelangen. Die einzelnen Komponenten des Filtermediums 84 sind in einer vergrößerten Ansicht allgemein unter 86 dargestellt.
Die obere Platte 78 ist eine vertikal bewegliche Platte und ihre Bewegung nach oben und unten wird durch einen Kolben 88, der sich über der Platte befindet, ausgelöst. Die Platte wird wenn nötig bewegt, um den Komprimierungsgrad des Filtermediums im Bett zu steuern. Wie vom Durchschnittsfachmann bemerkt werden sollte, kann der Mechanismus zum Bewegen der oberen Platte nach oben und nach unten so ausgelegt werden, dass vermieden wird, dass er sich wesentlich über den obersten Teil des Filtergehäuses erstreckt, was den freien vertikalen Raum, der nötig ist, den Filter aufzunehmen, verringern kann.
Der Betrieb des Filters in unterschiedlichen Modi ist in den Fig. 3A bis 3C als Längsschema im Querschnitt durch das Filtergehäuse 74 dargestellt. Im Filtrationsmodus, Fig. 3A, wird das Filterbett 76 durch die obere bewegliche Platte 78 komprimiert. Eintrags-Abwasser tritt durch einen Verteiler 79 im untersten Teil des Filtergehäuses durch eine Leitung 64 ein. Das durch den Verteiler einheitlich über das Filterbett verteilte Abwasser bewegt sich durch das Gehäuse nach oben und gelangt durch die Öffnungen in der unteren Platte 80 in das Filterbett 76. Das filtrierte Austrag-Abwasser verlässt das Filterbett durch die Öffnungen in der oberen Platte und wird durch die Leitung 67 aus dem Filtergehäuse geleitet. Suspendierte Feststoffe werden durch das Medium abgefangen.
Es sollte bemerkt werden, dass ein Durchtritt von Abwasser um das Medium im Bereich der Gehäusewand, wenn es auftritt, gelindert werden kann, indem benachbart zu der Wand der Vorrichtung eine Vorrichtung zur Strömungsverteilung eingerichtet wird, die die Strömung des Abwassers von der Wand weg in das Filterbett leitet. Zum Beispiel kann eine kurze Blende, die sich etwa zwei Inch in das Filterbett hinein erstreckt und einen Winkel von etwa 45 Grad aufwärts hat, in regelmäßigen Abständen an der Wand des Gehäuses befestigt werden, damit die Strömung des Abwassers von der Wand weg in das Filterbett geleitet wird.
Wenn es Zeit wird, das Filtermedium zu reinigen, wird die Austragstoffleitung 67 geschlossen und die Leitung 68 geöffnet (Fig. 3B), um den Abwasser- Austragstoff aus dem Filtrationssystem zum Belebtschlammreaktor 56 oder einem anderen Ort der Primärbehandlung zurückzuführen. Die obere bewegliche Platte 78 wird vertikal aufwärts bewegt, um das Filter mechanisch in einen unkomprimierten Zustans zu entspannen. Luft oder ein anderes Gas wird durch Leitungen 92 und 94 (Fig. 2) unterhalb des Filters eingespritzt, um beim Expandieren des Filterbetts und dem mechanischen Abscheren der abgefangenen Feststoffe vom Filtermedium zu helfen. Typischerweise wird Luft erst auf einer Seite und dann auf der anderen Seite des Filterbetts eingespritzt, um den mechanischen Effekt durch die zwischen den Leitungen 92 und 94 alternierende Luftinjektion zu verstärken.
Nachdem das Filtermedium ausreichend gereinigt worden sind, wird das Filterbett eine sinnvolle Zeit lang gespült, um vor der erneuten Filtration verbleibende Feststoffe zu entfernen (Fig. 3C). Das Filterbett wird wie beim Filtrationsmodus komprimiert und die Luftzufuhr abgestellt. Jedoch wird im Spülmodus das Spülwasser durch die Leitung 68 in den Belebtschlammreaktor zur zusätzlichen Behandlung geführt, statt durch die Austragstoff-Leitung 67 entfernt zu werden.
Die Hauptparameter, die die Filtrationsleistung beeinflussen, sind die Filtrationsrate, die Dicke das Mediums, die Kollektorgröße, die Porosität und die Qualität des Eintragstoffs. Typischerweise können im Eintrag- und Austragabwasser suspendierte Feststoffe mit der Trübheit korreliert werden, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Geräte zur Bestimmung der Trübheit können auf konventionelle Weise verwendet werden, deren Verständnis beim Durchschnittsfachmann vorauszusetzen sein sollte, um die Trübheit des Eintragstoffs zu bestimmen und die Trübheit des Eintragstoffs mit der Trübheit des Austragstoffs zu vergleichen und so die Leistung des Filters zu überwachen.
Porosität und Kollektorgröße des Filtermediums haben insbesondere Einfluss auf die Qualität des Austragwassers und die Entwicklung des Druckverlustes über das Filtermedium. Als Porosität wird typischerweise das in Prozent ausgedrückte Verhältnis der freien Räume oder Zwischenräume des Filtermediums zu dem Gesamtvolumen des Filtermediums betrachtet. Die Kollektorgröße wird typischerweise als der mittlere Durchmesser der Körner im Filterbett in einem typischen Filter angenommen, das ein kornförmiges Filtermedium enthält. Die Kollektorgröße ist normalerweise als der durchschnittliche Abstand zwischen den Poren im Filterbett definiert.
Das zu filtrierende Fluid fließt in konventionellen Sand- oder Anthracitfiltern, die in Verbindung mit tertiärer Abwasserbehandlung verwendet werden, um das Filtermedium herum. In der Praxis wurden für diese Erfindung solche Filtermedien als nützlich befunden, in denen das Fluid durch das Medium sickert, statt um es herum, anders als konventionelle Filtermedien. In der Praxis der vorliegenden Erfindung nützliche Filtermedien sind auch komprimierbar, anders als bei konventionellen Medien aus Sand oder Anthrazit.
Die Kollektorgröße und die Porosität oder die relative Porenzahl des Mediums können entsprechend der Kennzeichen des Eintrag-Abwassers modifiziert werden, weil das Filtermedium komprimierbar ist. Die Bettporosität und die Kollektorgröße des Mediums werden durch Anpassen der Position der oberen beweglichen Platte angepasst.
Die Porosität und Kollektorgröße des Filtermediums können während der Filtration verändert werden, um den Effekt der Qualitätsschwankungen des täglichen Eintrags-Wassers auf die Qualität des Austragstoffes auszugleichen und die Nutzungsdauer des Filtrationsmediums zwischen den Waschschritten zu verlängern. Das Filterbett kann mechanisch während der Filtration etwas expandiert werden, wenn sich der Druckverlust aufbaut, ohne dass die Filtrationseffizienz verringert wird. Der Druckverlust über das Medium kann unter Verwendung von Geräten zur Druckmessung verfolgt werden, wie in der Technik bekannt ist. Die Rückwäsche der Filter kann besonders effizient sein, weil die Größe des Filterbetts und seine Porosität mechanisch vergrößert werden können.
Das Filtrationsmedium hat eine geringe Dichte, die typischerweise gerade leicht über derjenigen von Wasser liegt. Die Porosität des Filtermediums wird zwischen 88 und 90 Prozent angenommen und die Porosität des unkompaktierten Filterbettes (Fig. 3B) liegt zwischen 92 und 94 Prozent.
Ein Beispiel für ein Filtrationsmedium, das in der Praxis der hier beschriebenen Erfindung nützlich ist, ist im US-Patent Nr. 5,248,415 von Masuda et al. beschrieben. Dieses Medium ist hier in Fig. 4 allgemein als 30 dargestellt. Die Faserbündel haben viele gebündelte gekräuselte Fasern 32, die aus synthetischen Fasern von 20 bis 200 denier mit 2 bis 10 Wellen pro Inch gebildet werden. Die gebündelten gekräuselten Fasern werden gewalkt und an ihrem innern Teil mittels eines Bindedrahts 34 gebündelt. Die gebündelten gekräuselten Fasern werden gerundet, um die Faserbündel in Form einer soliden Kugel mit einem Durchmesser von 10 bis 50 mm zur Verfügung zu stellen. Eine Faser mit einem größeren spezifischen Gewicht als Wasser, z. B. eine Polyvinylidenchloridfaser, wird als optimale synthetische Faser bezeichnet, aus der die gekräuselte Faser bestehen kann. Die Fasern können auch aus Polyvinylchlorid, Polyethylenfaser oder anderen synthetischen Fasern herstellt sein.
Ein Filter wie oben beschrieben, wurde untersucht, um einen Bereich sinnvoller Betriebsparameter durch Anpassen des Komprimierungsgrads des Filterbettes bei verschiedenen Strömungsraten und unter Berücksichtigung der Trübungen des Eintrag- und des Austragstoffes, der Entfernungseffektivität für das Entfernen suspendierter Feststoffe aus dem Abwasser durch den Filter und die Entwicklung des Druckverlusts über das Filterbett zu bestimmen. Die Testeinheit hatte die folgenden, in Tabelle 1 gezeigten Kennzeichen. Tabelle 1
Die Trübheit des Austragstoffs wurde gegen die Trübheit des Eintragstoffs in Reihen von 16 Läufen bei vier unterschiedlichen Filterraten und vier unterschiedlichen Bettkomprimierungsgraden aufgetragen. Die Filtrationsraten variierten zwischen 205 und 1230 L/min² · min (5 bis 30 (gal/ft² · min) und die Komprimierungsraten variierten zwischen 0 bis 40% Komprimierung, um die Trübheit des Eintrags- und des Austragstoffs, den Druckverlust über das Filtermedium und den Bruchteil der entfernten Trübheit bezogen auf die Trübheit des Eintrag- und des Austragstoffes zu bestimmen. Das unkompaktierte Filterbett bei 0% Komprimierung war annähernd 30 inch (760 mm) tief. Filtrationsraten, Komprimierungsniveaus und mittlere Tiefen für jeden Lauf sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2
Die Rückspülströmungsrate für die Filtrationseinheit wurde auf eine konventionelle Weise festgelegt, unter Verwendung einer sich in der Leitung befindenden Bypassschleife, die der Filtrationseinheit Eintragstoff zuführt. Die Bypassschleife war mit einem Kugelventil ausgestattet, das verwendet wurde, die Rückspülströmungsrate zu regulieren. Die Leitung für den Eintragstoff war mit einem Schieberventil, gefolgt von einem automatischen Kugelventil gegenüber der Bypasseinheit ausgestattet. Das Schieberventil wurde dazu verwendet, die Filtrationsrate zu regulieren und das automatische Kugelventil wurde dazu verwendet, Strömung zur Bypassschleife zu lenken, wo die Rückspülströmungsrate eingestellt werden konnte, sobald der Rückspülzyklus begann. Die Rückspülströmungsrate wurde für alle 16 Läufe auf annähernd 410 L/min² · min (10 gal/ft² · min) gesetzt.
Ein terminaler Druckverlustwert von 2540 mm (100 inch) für Wasser wurde für alle Läufe ausgewählt. Die Probennahme für die Trübheit wurde für alle Läufe bei etwa 400 ml/min durchgeführt. Suspendierte Feststoffe wurde zu Trübheitswerten entsprechend den Standard-, beim Stand der Technik bekannten, Verfahren korreliert.
Die Ergebnisse der 16 Läufe sind in den Fig. 8A bis 23C aufgetragen. Die Figuren A sind Auftragungen der Trübheit von Eintragstoff und Austragstoff gegen die Zeit. Die Figuren B sind Auftragungen der Effizienz der Entfernung von suspendierten Feststoffen (Trübheit) gegen die Zeit. Die Daten des Anteils entfernter Trübheit gegen die Zeit wurden unter Verwendung der in den Figuren A erhaltenen Daten für die Trübheit der Eintragstoffe und der Austragstoffe unter Berücksichtigung des folgenden Zusammenhangs erhalten:
Entfernungseffizienz = 1 - (Trübheit des Austragstoffs/Trübheit des Eintragstoffs).
Anfänglicher Druckverlust und die Entwicklung des Druckverlusts über das Filtermedium wurden kontinuierlich aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in den Figuren C der Abb. 8 bis 23 aufgezeichnet.
Die Fig. 8 bis 11 gelten für die Filtration von Abwasser mit einer Rate von 205 L/min² · min (5 gal/ft² · min). Fig. 8 zeigt eine anfängliche Betttiefe von 30 inch bei 0 Prozent Komprimierung. Fig. 9 ist bei 15 Prozent Komprimierung, Fig. 10 ist bei 30 Prozent Komprimierung und Fig. 11 ist bei 40 Prozent Komprimierung. Die Fig. 12 bis 15 sind bei einer Filtrationsrate von 410 L/min² · min (10 gal/ft² · min) bei vier unterschiedlichen Bettkomprimierungen von 0 Prozent, 15 Prozent, 30 Prozent und 40 Prozent. Die Fig. 16 bis 19 sind bei einer Filtrationsrate von 820 L/min² · min (20 gal/ft² · min) bei vier unterschiedlichen Bettkomprimierungen von 0 Prozent, 15 Prozent, 30 Prozent und 40 Prozent aufgenommen. Die Fig. 20 bis 23 sind bei einer Filtrationsrate von 1230 L/min² · min (30 gal/ft² · min) bei vier unterschiedlichen Bettkomprimierungen von 0 Prozent, 15 Prozent, 30 Prozent und 40 Prozent aufgenommen.
Es wird in diesen Figuren gezeigt, dass dann, wenn der Komprimierungsgrad des Bettes erhöht wird, sich die Gesamtmenge an entfernter Trübung vergrößert. Tatsächlich wurde bei einer geringen Strömungsrate von 205 L/min² x min (5 gal/ft² · min) Filterreifung beobachtet und die Strömung trat in erster Linie um das Filtermedium herum, statt durch das Medium aus, so wie es bei größeren Filtrationsraten der Fall ist. Die Entfernungseffizienz ist verringert, wenn die Strömung um das Filtermedium erfolgt, weil sich die suspendierten Feststoffe und die Flüssigkeit durch die relativ größeren Zwischenräume zwischen den einzelnen Filterknoten bewegen können, Wenn das Material jedoch anfängt, sich innerhalb des Filterbettes anzureichern und sich an der Filtration zu beteiligen, steigt die Filtrationseffizienz an. Reifen ist bei größeren Filtrationsraten nicht so signifikant, weil das Entfernen suspendierter Feststoffe in erster Linie durch das Medium und nicht um das Medium herum erfolgt.
Wenn der Fluss durch das Medium erfolgt, kann die Kollektorgröße, die in einem körnigen Filtermedium als die Größe der Körner definiert werden kann, für das Filtermedium, wie es in der Erfindung verwendet wurde, als der durchschnittliche Porenabstand innerhalb der Struktur des einzelnen Filterknotens definiert werden. Abgefangene Partikeln neigen dazu, die Kollektorgröße des Mediums zu verkleinern und führen zu einer Steigerung der Entfernung zusätzlicher Partikeln durch Abfangen und Durchsieben. Wenn die Strömung um das Filtermedium herum erfolgt, ist die Kollektorgröße als der nominelle Durchmesser eines Faserbündels definiert. Der Unterschied zwischen der anfänglichen Kollektorgröße und der Kollektorgröße zu irgendeiner Zeit ist als der nominelle Durchmesser eines Faserbündels definiert. Der Unterschied zwischen der anfänglichen Kollektorgröße und der Kollektorgröße zu irgendeinem Zeitpunkt während des Filtrationszyklus ist viel größer, wenn die Strömung um das Medium herum stattfindet, und daher wird Filterreifung bei niedrigen Filtrationsraten wichtiger.
Die Porosität, Tiefe des Filterbetts und Kollektorgröße können verändert werden, sogar während des Filtrationszyklus, weil das Filtermedium komprimierbar ist. Die maximale Entfernungseffizienz, die erzielt werden kann, ist in irgend einer Weise von den Kennzeichen des zu filtrierenden Materials, das in erster Linie kolloidal ist, abhängig. Die Entfernungseffizienz steigt typischerweise an, wenn das Filterbett komprimiert wird, bis irgend ein maximaler Wert erreicht ist. Zum Beispiel, wie in den Fig. 8B bis 11B gezeigt wird, wird die effektive Entfernungseffizienz des Filters von etwa 55 Prozent bei 0% Bettkomprimierung auf etwa 61 Prozent bei 30 Prozent Bettkomprimierung gesteigert, wenn die Strömungsrate 205 L/min² · min (5 gal/ft² · min) betrug. Bei 410 L/min² · min (10 gal/ft² · min) stieg die Entfernungseffizienz des Filters von 48 Prozent bei 0 Prozent Bettkomprimierung auf 65 Prozent bei 30 Prozent Bettkomprimierung.
Die maximale Entfernungseffizienz in der Praxis der Erfindung liegt, wenn die Filtrationsrate gesteigert wird, bei unterschiedlichen Komprimierungsgraden, und die Kennzeichen des Eintragstoffs zum Filter verändern sich. Es wurde beobachtet, dass die maximale Entfernungseffizienz bei 40 Prozent Bettkomprimierung bei einer Filtrationsrate von 410 L/min² · min (10 gal/ft² · min) auftrat. Bei Strömungsraten von 820 bis 1230 L/min² · min (20 bis 30 gal/ft² · min) jedoch trat die maximale Entfernungseffizienz bei 30 Prozent Bettkomprimierung auf.
Es sollte erkannt werden, dass das erfindungsgemäße Filtersystem bei Strömungsraten über 1230 L/min² · min (30 gal/ft² · min) betrieben werden kann, abhängig von der Qualität des Eintragstoffes, der gewünschten Qualität des Austragstoffes und dem Druckverlust über den Filter. Wenn der Austragstoff z. B. zur Verwendung als Dünger gewisse Nährstoffqualitäten behalten soll, wird der Filtereintragstoff typischerweise aus dem ersten Klärbecken genommen. Abhängig von der Qualität des Eintragstoffes und der gewünschten Qualität des Austragstoffes, sollte der Filter bei gesteigerten Strömungsraten von über 1230 L/min² · min (30 gal/ft² · min) betrieben werden können, solange wie die erhöhte Rate des Druckverlusts über den Filter einen wirtschaftlichen Betrieb erlaubt. Strömungsraten von etwa 1640 L/min² · min (4 gal/ft² · min) bis 2050 L/min² · min (50 gal/ft² · min) sollten unter diesem Gesichtspunkt sinnvoll sein.
Wie in den Fig. 8B bis 23B gezeigt wird, wird die Entfernungseffizienz durch die Filtrationsrate nicht signifikant beeinflusst. Stattdessen wird die Entfernungseffizienz mehr durch die Komprimierung des Filtermediums beeinflusst.
Es sollte bemerkt werden, dass die Entfernungseffizienz niedriger zu sein scheint, wenn die Trübheit des Eintragstoffes im Bereich von 1.5 bis 3 NTU liegt. Bei geringer Trübheit des Eintragstoffs ist die Partikelgröße der Feststoffe im Eintragstoff mehr in Richtung kleinerer Partikeln kolloidaler Größe verschoben als sie der typischen Partikelgrößenverteilung entspricht, die beobachtet wird, wenn die Trübheit des Eintragstoffes größer als 3 NTU ist. Die Trübheit des sekundären Austragstoff einer typischen Belebtschlammkläranlage liegt im Bereich von 3 bis 8 NTU. Entsprechend kann im Falle, in dem die Trübheit im Bereich von 1.5 bis weniger als 3 NTU liegt, die Leistung des Filters nicht allein auf Grund der Daten der Entfernungseffizienz bewertet werden.
Es wurde eine Analyse der Trübheit des Austragstoffes gegen die Trübheit des Eintragstoffes durchgeführt, um die unterschiedlichen Trübheitswerte des Eintragstoffs zu bestimmen, die mit dem erfindungsgemäßen Filter ohne die Verwendung von Chemikalien und ohne ein Überschreiten der Trübheit des Austragstoffs von 2 NTU, was der gegenwärtigen Anforderung des Titel 22 der Kalifornischen Verwaltungsordnung ist, filtriert werden können. Die Ergebnisse der Analyse sind bei vier unterschiedlichen Filtrationsraten von 205 bis 1230 L/min² · min (5 bis 30 gal/ft² · min) in den Fig. 5A bis 5D aufgetragen. Wie in den Fig. 5A bis 5D gezeigt wird, können bei allen untersuchten Filtrationsraten die geforderten Trübheitswerte aus zunehmender Trübheit der Eintragstoffe erreicht werden, wenn die Komprimierung des Filterbetts steigt.
Bei der Untersuchung ergab sich, dass für Trübheitsgrade des Eintragstoffs von bis zu 8 NTU die Trübheit des Austragstoffes typischerweise gleich oder kleiner ist als 2 NTU, wenn die Strömungsrate zwischen 410 und 1230 L/min² · min (10 bis 30 gal/ft² · min) liegt. Wenn die Trübheit des Eintragstoffes zwischen 7 und 10 NTU liegt, ist normalerweise der Zusatz von Chemikalien nötig, um einen Austragstoff mit einer durchschnittlichen Trübheit von 2 NTU oder darunter herzustellen.
Es sollte bemerkt werden, dass diese Leistung ausgedrückt als Trübheitswerte von Eintragstoff und Austragstoff mit derjenigen für den Betrieb konventioneller Filter vergleichbar ist, wie in Fig. 7 wiedergegeben ist. Die grundlegenden Typen konventioneller Filtrationstechnologien schließen 1) konventionelle Mono-, Dual- und Multi-Medium-Abwärtsströmungsfilter, 2) Tiefbett- Abwärtsströmungs- und/oder Aufwärtsströmungs-Monomediumfilter 3) Nachbett-Monomedium-Aufwärtsströmungsfilter, 4) Flachbett- Einzel- und Doppelmedium-Abwärtsströmungsbrückenfilter und 5) kontinuierliche ungeschichtete Rückspül-Aufwärtsströmungsmonomedium-Tiefbettfilter ein. Jedoch erreicht der hier beschriebene Filter dieses Leistungsniveau bei Filtrationsraten, die zwischen 6 bis 15 mal größer sind als diejenigen für konventionelle Filter. So ist die Gesamteffizienz der Filtration bei der Anwendung der Erfindung viele Male größer als diejenige von konventionellen Filtern.
Der Druckverlust über den sauberen Filter, die Entwicklung des Druckverlusts während der Filtration und die Entwicklung des Druckverlusts mit der Akkumulation von Feststoffen wird durch die Filtrationsrate und die Komprimierung des Bettes beeinflusst. Der Druckverlust des sauberen Filters wird für vier Filtrationsraten, die bei vier unterschiedlichen Bettkomprimierungen in Fig. 6 ausgewertet worden waren, gegen die Filtrationsrate aufgetragen. Wie in Fig. 6 gezeigt wird, beträgt der anfängliche Druckverlust bei einer Strömungsrate von 205 L/min² · min (5 gal/ft² · min) und bei 0 Prozent Bettkomprimierung 63 mm (2.5 inch) Wasser. Dieser Anfangswert steigt linear bis zu einem Wert von 127 mm (5 inch) Wasser bei einer Strömungsrate von 410 L/min² · min (10 gal/ft² · min) bei 0 Prozent Komprimierung. Der lineare Anstieg des Druckverlusts scheint anzuzeigen, dass das Fließregime durch das Filter laminar ist.
Der Einfluss der Komprimierung des Bettes ist in den in Fig. 6 aufgetragenen Kurven klar ersichtlich. Der Anstieg des Druckverlustes bei irgendeiner gegebenen Filtrationsrate ist jedoch keine lineare Funktion des Komprimierungsgrads. Eine Vergrößerung des Grades der Bettkomprimierung vergrößert sowohl die Entfernungseffizienz wie den über das Filtermedium auftretenden Druckverlust. So ist es wichtig, ein Komprimierungsniveau zu ermitteln, bei dem die gewünschte Qualität des Austragstoffes erzielt wird, während der über das Filtermedium stattfindende Druckverlust innerhalb vernünftiger Grenzen gehalten wird.
Die Entwicklung des Druckverlusts über die Zeit für die verschiedenen Filtrationsraten und Bettkomprimierungswerte ist in den Fig. 8C bis 23 C dargestellt. Wie in diesen Figuren gezeigt wird, findet abhängig von der Filtrationsrate ein gradueller Aufbau von Druckverlust mit der Zeit statt, wenn sich suspendierte Feststoffe innerhalb des Filters ansammeln. An irgendeinem kritischen Punkt beginnt der Druckverlust gekrümmtlinear anzusteigen, was charakteristisch für das Entfernen durch Sieben ist.
Die Beziehung der Entwicklung des Druckverlusts über das Filtermedium zur Ansammlung suspendierter Feststoffe im Medium wurde wie folgt untersucht. Die Akkumulation suspendierter Feststoffe im Filter wurde unter Verwendung von Daten der Trübheit Eintragstoff/Trübheit Austragstoff gegen die Zeit, dargestellt in den Fig. 8A bis 23A, und der folgenden mathematischen Beziehung berechnet:
Suspendierte Feststoffe (g/L) = 0.0023 · Trübheit (NTU)
Die Akkumulation suspendierter Feststoffe im Medium zu irgendeiner Zeit wird mittels der folgenden Massenverteilungsfunktion berechnet:
wobei SSacc = Akkumulation suspendierter Feststoffe zur Zeit t, g/m³
Q = Filtrationsrate, L/min
V = Volumen des Filtermediums, m³
At = Frequenz der Datensammlung
Turbinf, = Trübung des Eintragstoffs
Turbeff = Trübung des Austragstoffs
i = Zeitindex der gesammelten Daten
Die Entwicklung des Druckverlusts über die Zeit wird in den Fig. 8B bis 23B gezeigt. Die entsprechende Entwicklung des Druckverlusts bezogen auf die Menge im Filter zurückgehaltener suspendierter Feststoffe wird in den Fig. 8C bis 23C gezeigt. Es ist auch wichtig, die Menge an verwendetem Rückspülwasser relativ zur verarbeiteten Menge Wasser zu untersuchen, um die Effizienz des Filters zu bestimmen. Zusammengefasste Daten für den Betrieb des beschriebenen Filters, einschließlich Rückspülwasser, Wasserverbrauch und Wasserherstellung sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3
Sekundärer Austragstoff, der als Eintragstoff für den Filter für die tertiäre Behandlung verwendet wird, kann als Rückspülwasser verwendet werden. Es wurde beobachtet, dass eine Rückspülrate von 410 L/min² · min (10 gal/ft² · min) ausreichend ist, um das Medium zu reinigen. Die Reinigung des Filters dauerte etwa 30 Minuten, obwohl kürzere Rückspülzykluszeiten erzielbar sein sollten. Der Prozentsatz des gesamten für das Rückspülen des Filters verwendeten Wassers, wie in Tabelle 3 zusammengefasst, wurde unter Verwendung des folgenden Ausdrucks berechnet:
Rückspülwasser; % = WB/WF - WB · 100
wobei WB = zum Rückspülen des Filters verwendetes Wasser WF = gesamtes gefiltertes Wasser
Die Fähigkeit die Menge an Rückspülwasser zu verringern, hat signifikante Auswirkungen auf die Kosten für das Wasserbehandlungsverfahren. Ein typischer Rückspülwasserprozentsatz für die meisten konventionellen Austragstofffilter liegt bei 6 bis 15 Prozent, so werden durch die Verwendung der hier beschriebenen Erfindung merkliche Einsparungen erzielt. Es sollte auch festgestellt werden, dass die im Masuda et al. US-Patent Nr. 5,248,415 beschriebene Filtervorrichtung typischerweise ein häufiges Waschen des Filtermediums mit voller Strömungsrate, äquivalent zu der Strömungsrate des Abwassers, erfordert.
Das hier beschriebene Filtrationssystem wurde im Hinblick auf die pro Tag produzierte Wassermenge untersucht. Unter Berücksichtigung des zum Rückspülen verwendeten Wassers ist die Wasserproduktionsrate für unterschiedliche Filtrationsraten und Bettkomprimierungsverhältnisse in den letzten beiden Spalten der Tabelle 3 zusammengefasst. Wie gezeigt wird, ist es möglich 1 672 800 L/m² · Tag (41 000 gal/ft² · Tag) bei einer Filtrationsrate von 1230 L/m² · min (30 gal/ft² · min) bei einer Bettkomprimierung von 15% zu produzieren.
Die Fähigkeit, das Filtermedium zu komprimieren, ist ein signifikanter Faktor beim Betrieb der beschriebenen Erfindung. Die Porosität des Bettes kann modifiziert werden, um den Kennzeichen des flüssigen Eintragstoffes zu begegnen. Die Porosität des Bettes kann ohne merkliche Beeinflussung der Filtereffizienz verändert werden, um das Einsetzen eines inakzeptablen Druckverlusts über das Filtermedium zu verzögern und so die Nutzungsdauer des Filters zwischen Rückspülzyklen zu verlängern. Weil das Bett so hoch porös ist, können signifikant höhere Filtrationsraten, verglichen mit konventionellen Filtern mit körnigen Medien, die zwischen 80 und 410 L/m² · min (2 bis 10 gal/ft² · min) filtrieren, verwendet werden. Es sind im Gegenteil in der Praxis der Erfindung Filtrationsraten von 820 bis 1230 L/m² · min (20 bis 30 gallftP x min) erreichbar. Die optimale Filtrationsrate scheint im Bereich zwischen 820 bis 1230 L/m² · min (20 bis 30 gal/ft² · min) bei einer Bettkomprimierung zwischen 15 und 30 Prozent zu legen. Trübheitswerte des Austragstoffes von 2 NTU oder darunter können ohne den Zusatz von Chemikalien bei Trübungswertern des Eintragstoffes von bis zu ungefähr 8 NTU erzielt werden, wenn die Strömung zwischen 820 bis 1230 L/m² · min (20 bis 30 gal/ft² · min) bei einer Bettkomprimierungsrate von 15 bis 40 Prozent liegt.
Sekundärer Austragstoff kann als Rückspülwasser verwendet werden. Eine Strömungsrate von 410 L/m² · min (10 gal/f9 · min) wurde als ausreichend zum Reinigen des Filtermediums beobachtet. Der Prozentsatz an Rückspülwasser, der bei Filtrationsraten von 820 bis 1230 L/m² · min (0 bis 30 gal/ft² · min) und bei Bettkomprimierungswerten zwischen 20 und 30 Prozent nötig ist, variierte zwischen etwa 1.1 bis 3.1 Prozent, was im Vergleich zu konventionellen Technologien extrem effizient ist.

Claims

1. Filtervorrichtung (72), die Folgendes umfasst:

- ein Filtergehäuse (74) mit einem Einlass (64) für Fluide und einem Auslass (67) für Fluide;

ein komprimierbares Filtrationsmedium (30) aus Faserbündeln mit anpassbarer Porosität, die definiert ist als das Verhältnis (%) freier Stellen oder Zwischenräume des Filtermediums zum Gesamtvolumen des Filtermediums, und einer Kollektorgröße, die definiert ist als durchschnittlicher Abstand zwischen den Poren im Filtermedium, das sich in einem Filterbett (76) innerhalb des besagten Filtergehäuses (74) zwischen dem besagten Einlass (64) für Fluide und Auslass (67) für Fluide befindet;

Mittel zum Anpassen der Porosität und der Kollektorgröße des Filtrationsmediums (30), wobei die besagten Mittel Mittel zum Komprimieren einschließen, die in einer Weise angeordnet sind, dass sie das besagte Filtrationsmedium (30) mit einem Komprimierungsgradienten von komprimierter zu weniger komprimiert in einer Richtung entgegengesetzt zur Strömung des Fluids komprimieren, so dass die Filtration in einer Richtung von einem poröseren Filter zu einem weniger porösen Filter stattfindet.

2. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, bei der die besagten Mittel zum Komprimieren des besagten Filtrationsmediums (30) Folgendes umfassen:

eine erste perforierte Platte (80), die innerhalb der besagten Vorrichtung (72) unbeweglich befestigt ist, eine zweite perforierte Platte (78), die beweglich innerhalb der besagten Vorrichtung (72) befestigt ist und sich in einem Abstand von der besagten ersten perforierten Platte (80) befindet, wobei das besagte Filtrationsmedium sich zwischen den besagten zwei Platten befindet; und

Mittel, um die besagte beweglich befestigte zweite perforierte Platte (78) selektiv zu der ersten perforierten Platte (80) oder von ihr weg zu bewegen, wobei sich die besagten Mittel überhalb der besagten zweiten perforierten Platte (78) befinden.

3. Vorrichtung (72) nach Anspruch 2, die weiterhin Mittel zum Durchrühren des besagten Filtermediums (30) in unkomprimiertem Zustand zum Reinigen des besagten Filtermediums (30) umfasst.

4. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, bei der sich der besagte Einlass für Fluide (64) unterhalb des besagten Auslasses (67) für Fluide befindet und der besagte Filter in einem Aufwärtsströmungsmodus betrieben wird.

5. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, bei der die besagten Mittel zum Einstellen der Porosität und der Kollektorgröße des Filtrationsmediums (30) während der Filtration anpassbar sind.

6. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, bei der das besagte Filterbett (76) eine Porosität von etwa 92 bis 94% vor der Komprimierung besitzt und eine Porosität von etwa 87 bis 90%, wenn es komprimiert ist.

7. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, bei der das besagte Filterbett (76) vor der Komprimierung eine Tiefe von mindestens 30 inch (760 mm) hat.

8. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, bei der die besagte Vorrichtung (72) zur Filtration mit einer Strömungsrate des Fluids von etwa 205 bis 1230 L/m² · min (5 bis 30 gal/ft² · min) bei einer Bettkomprimierungsrate von etwa 0 bis 40 Prozent und einer Rückspülrate von etwa 1 bis 6 Prozent, bezogen auf das gesamte durch das Filter strömende Fluid, betrieben werden kann.

9. Vorrichtung (72) nach Anspruch 8, bei der die besagte Strömungsrate des Fluids zwischen 410 und 1230 L/m² · min (10 bis 30 gaL/ft² · min) liegt.

10. Vorrichtung (72) nach Anspruch 8, bei der die besagte Strömungsrate des Fluids zwischen 820 und 1230 L/m² · min (20 bis 30 gal/ft² · min) liegt.

11. Vorrichtung (72) nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, bei der die Porosität des besagten Filterbetts (76) von einer Porosität von etwa 92 bis 94% vor der Komprimierung auf eine Porosität von etwa 87 bis 90%, wenn es komprimiert ist, eingestellt werden kann.

12. Vorrichtung (72) nach Anspruch 1, wobei die besagte Vorrichtung (72) zur Filtration bei einer Strömungsrate von 820 und 1230 L/m² · min (20 bis 30 gal/ft² · min), bei einer Bettkomprimierungsrate von etwa 15 bis 40% und bei einer Rückspülrate von etwa 1 bis 6 Prozent, bezogen auf das gesamte durch den Filter strömende Fluid, betrieben werden kann.

13. Filtrationsvorrichtung (72) zur Abwasserbehandlung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, bei der das besagte Filtermedium (30) zwischen ersten und zweiten perforierten Platten (80, 78) liegt und das besagte Filterbett (76) definiert, bei der das besagte Filterbett (76) zum Reinigen expandiert wird;

bei der Mittel zum Einleiten eines Gases in das besagte Abwasser zur Verfügung stehen, wenn das besagte Filterbett (76) zum Reinigen expandiert ist.

14. Vorrichtung (72) nach Anspruch 13, bei der der besagte Einlass (64) weiterhin einen Verteiler (79) umfasst, um das Abwasser gleichmäßig durch die besagte erste perforierte Platte (80) zu verteilen.

15. Vorrichtung (72) nach Anspruch 14, wobei die besagte Vorrichtung (72) zur Filtration zum Reduzieren der Trübheit von Abwassereintragstoff von etwa 8 NTU auf etwa 2 NTU bei einer Abwasserströmungsrate von etwa 820 und 1230 L/m² · min (20 bis 30 gal/ft² · min), bei einer Bettkomprimierungsrate von etwa 15 bis 40 Prozent und bei einer Rückspülrate von etwa 1 bis 6 Prozent, bezogen auf das gesamte durch das Filter strömende Abwasser, betrieben werden kann.

16. Vorrichtung (72) nach Anspruch 15, bei der die Rückspülströmungsrate zwischen 1 und 3 Prozent, bezogen auf das gesamte durch den Filter strömende Abwasser, beträgt.

17. Verfahren zum Filtrieren eines Fluids, das folgende Stufen umfasst:

a) Komprimieren eines komprimierbaren Filtermediums aus Faserbündeln, das sich in einem Filterbett befindet, um einen Porositätsgradienten im Filterbett zu definieren, der sich von poröser zu weniger porös in eine der Flussrichtung des Fluids entgegengesetzte Richtung erstreckt, so dass die Filtration in eine Richtung von einem poröseren Filterbett zu einem weniger porösem Filterbett stattfindet; und

b) Strömen von Fluid durch das besagte Filterbett;

c) periodisches Expandieren des Filterbetts während weiterhin Fluid durch das Filterbett strömt, um das Filtrationsmedium zu reinigen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Fluid eine Flüssigkeit ist und zur zusätzlichen Reinigung des Mediums ein Gas in die Flüssigkeit gespritzt wird, bevor sie in das Filterbett eintritt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, das weiterhin den Schritt umfasst, bei dem beim Verlauf der Filtration von einem poröseren zu einem weniger porösen Medium zunehmend kleinere Partikeln aus dem Fluid entfernt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 17, das weiterhin einen Schritt umfasst, bei dem die Komprimierung des Mediums während der Filtration als Reaktion auf den Zustand des hereinkommenden Fluids verändert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 17, das weiterhin die Schritte der Überwachung des Druckverlusts über das Filterbett und die Änderung der Komprimierung des Filtermediums während der Filtration zur Verringerung des Druckverlusts und zum Vergrößern der Zeit zwischen periodischen Reinigungsvorgängen umfasst.

22. Verfahren zum Filtrieren einer Flüssigkeit, um aus ihr Partikeln zu entfernen, nach Anspruch 17, das weiterhin folgende Schritte umfasst:

b1) Entfernen zunehmend kleinerer Partikel aus der Flüssigkeit, während die Filtration von einem poröseren zu einem weniger porösem Medium verläuft;

b2) Überwachen des Druckverlustes über das Filterbett;

c) periodisches Expandieren des Filterbetts, wenn ein maximaler Druckverlust erreicht worden ist, während weiterhin Flüssigkeit durch das Filterbett strömt, um das Filtrationsmedium zu reinigen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Flüssigkeit durch das exparrdierte Filterbett mit einer Strömungsrate von etwa 1 bis 6% der Gesamtflüssigkeitsströmung strömt.

24. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Filterbett auf eine Komprimierungsrate von etwa 15 bis 40 Prozent komprimiert wird, Flüssigkeit durch das komprimierte Filterbett mit einer Strömungsrate von etwa 205 bis 1230 L/m² · min (5 bis 30 gal/ft² · min) strömt, und eine Rückspülflüssigkeit durch das Filter mit einer Rückspülrate von etwa 1 bis 6 Prozent, bezogen auf das gesamte durch das Filter strömende Fluid, strömt.

25. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Filterbett von einer Porosität von etwa 92% bis 94% zu einer minimalen Porosität von etwa 87 bis 90 % komprimiert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die maximale Effizienz des Entfernens bei einer Bettkomprimierung von 40% bei einer Flüssigkeitsströmungsrate von 820 L/m² · min (20 gal/ft² · min) und einer Bettkomprimierung von 30% bei einer Strömungsrate von 1230 L/m² · min erzielt wird.

27. Verfahren zur tertiären Behandlung von Abwasser, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Behandlung von Abwasser in einem Belebtschlammreaktor, um einen primären Austragstoff zur Verfügung zu stellen;

b) Behandlung des primären Austragstoff in einem Klärbecken, um einen sekundären Austragstoff zur Verfügung zu stellen

c) Filtration des sekundären Austragstoffs entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 17, um einen tertiären Austragstoff zur Verfügung zu stellen.

28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Filtrationsvorrichtung zur Filtration zum Reduzieren der Trübheit von Abwassereintragstoff von etwa 8 NTU auf etwa 2 NTU bei einer Abwasserströmungsrate von etwa 820 und 1230 L/m² · min (20 bis 30 gal/ft² · min), bei einer Bettkomprimierungsrate von etwa 15 bis 40 Prozent und bei einer Rückspülrate von etwa 1 bis 6 Prozent, bezogen auf das gesamte durch das Filter strömende Abwasser, betrieben werden kann.

29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Rückspülströmungsrate zwischen etwa 1 bis 3 Prozent liegt, bezogen auf das gesamte durch das Filter strömende Abwasser.

30. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Wasserproduktionsrate eines Filters von mindestens 76 cm (30 inch) unkomprimierter Tiefe und bei einer Qualität des Austragstoffes von 2 NTU oder darunter, bezogen auf eine Qualität des Eintragstoffes von bis zu 8 NTU, über 1 000 000 Lm² · Tag (28000 gal/ft² · Tag) beträgt.