NO314291B1 - Kombinasjon av fraksjoner av lettklinkerkorn av ekspandert leire for tilberedning av en filterseng - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse, vedrører en kombinasjon av lettklinkerkorn av ekspandert leire for tilberedning av en filterseng for nedstrømsfiltrering av væsken, der filtersengen omfatter ett eller flere granulerte materialer. Oppfinnelsen beskri-ver også en anvendelse av et filtermateriale i en anordning for rensing av væske omfattende en filterseng for nedstrøms filtrering væsken. Lettklinkerkornenes densitet øker når de går fra tørr tilstand til våt tilstand.

Ved fjerning av partikler fra væsker ved hjelp av dybdefiltre, er det kjent at en filterseng fungerer optimalt når filtreringseffektiviteten (filterkoeffisienten) øker i væskens strømningsretning, noe som kan oppnås ved at filterkornstørrelsen avtar i væskens strømningsretning gjennom filtersengen. Denne idealsituasjonen forsø-ker man i dag å tilnærme seg enten ved anvendelse av oppstrøms filtre eller to-eller flermedia nedstrøms filtre. Oppstrøms filtrering kan ha visse driftsmessige ulemper og skal ikke omtales nærmere. Nedstrøms filtersenger baseres på kom-binasjoner av to eller flere ulike filtermaterialer med ulike kornstørrelse og densitet, eksempelvis anthrasittkull, silikasand og granatsand. Under selve filtersengen anvendes normalt et eller flere relativt tynne støttelag av trinnvis grovere materialer. Støttelagene er ikke en del av selve filtersengen og har ingen annen funksjon enn å holde filtersengen på plass, bidra til en jevn fordeling av spylevann, etc. og skal ikke omtales nærmere.

For å kunne beholde den ønskede lagdeling og komgradering fra grov til fin i ned gjennom slike filtersenger som jevnlig rengjøres ved tilbakespyling og tilhørende ekspansjon, etterfulgt av kornenes sedimentering tilbake på plass i filtersengen, er det nødvendig at de grove kornene har lavere synkehastighet enn de mindre kornene. Dette muliggjøres ved at de valgte filtermaterialer i ulike lag av en filterseng foruten ulik kornstørrelse også har ulik densitet, f.eks. grovkornet anthrasittkull med lav densitet i øvre filterlag, og finkornet sand med høyere densitet i lavere filterlag.

To- eller flermedia filtre av slik type er godt beskrevet i faglitteraturen som eksempelvis Ives, K.J.: Basic Concepts of Filtration, Degrémont: Water Treatment Hand-book, B.Eikebrokk: Dr.lng.avhandling, NTH 1982. Også i patentlitteraturen er slike tradisjonelle filtertyper beskrevet, jfr. eksempelvis EP 0163 531 B1, US 3 814 247, og US 3 343 680.

US 4 225 443 viser et filtermedium med sintrede glassgranuler. De sintrede glassgranulene har en hovedsakelig avtagende partikkelstørrelse med økende tetthet der filtermediet varierer fra store granuler eller pellets ved innløpet opp-strøms og har mindre pellets ved utløpet nedstrøms. Pelletene er laget ved granu-lering av finmalt glass med et passende bindemiddel og sintring av dette materiale. Materialet er tenkt laget av resirkulert glass fra avfall.

Imidlertid innehar materialene i henhold til den viste kjente teknikken en høy densitet og romvekt selv i tørr tilstand hvilket er en ulempe ved frakt og håndtering. Denne densiteten er nødvendig for at filtermediet skal inneha de nødvendige egenskaper når disse er plassert i en filterseng.

Fordelene med to- eller flermediafiltre fremfor én-medium filtre er også grundig beskrevet, og det finnes mange gode beskrivelser av hvordan to- eller flermediafiltre bør konstrueres med hensyn til materialvalg som kan gi gunstige kombina-sjoner av densitet og kornstørrelse. Et eksempel på dette er vist på figur 1 (Ives, K. J., ZeitschriftfurWasser- und Abwasser-Forschung, 12, Nr. 3/4/79, pp 108). Med utgangspunkt i denne figuren kan man sette sammen et to- eller flermediafil-ter bestående av to eller flere ulike materialer (filterlag) der densitet og kornstør-relse er valgt for å oppfylle to helt sentrale funksjonskriterier: for det første at filter-lagene må være satt sammen av materialer med slik kornstørrelse og densitet at væsken på sin vei ned gjennom filtersengen først møter filterlag med de største filterkorn og deretter lag med avtagende filterkornstørrelse, og for det andre at materialene (fiiterlagene) må ha ulik synkehastighet slik at materialene (lagene) be-holder sine respektive plasser i filtersengen selv etter mange sekvenser med tilbakespyling, ekspansjon og etterfølgende sedimentering av filterkornene. Som angitt på figuren må valg av materialer for ulike lag av filtersengen skje langs en linje som faller mot høyre (multilayer), slik at kornstørrelser og synkehastigheter derved blir forskjellige fra lag til lag.

Den ønskede ideelle, kontinuerlig avtagende korngradering fra grov til fin i væskens strømningsretning er tidligere tilnærmet oppnådd ved bruk av oppstrøms filtre, eller i nedstrøms filtre med to eller flere ulike materialtyper (filtermedia), der man tilnærmer seg den beskrevne idealsituasjonen ved å anvende filtersenger bestående av to eller flere lag med ulike materialer. Sistnevnte filtertyper benev-nes henholdsvis to- eller flermedia (multimedia) filtre. Her skapes en tilnærmet grov til fin kornstørrelsesfordeling fra filterlag til filterlag i væskens strømningsret-ning ved å anvende filtermaterialer av ulik type, kornstørrelse og densitet, og der hvert materiale utgjør et eget lag. Filtersengen utformes med et øverste lag med de største korn med lavest densitet, etterfulgt av et neste lag med noe mindre kornstørrelse og noe høyere densitet, osv. Summen av disse lagene utgjør filtersengens totale dybde.

Typiske eksempler på vanlig brukte filtre av slik type for behandling av drikkevann er tomedia filtersenger med grovkornet anthrasitt (1-2 mm) med lav densitet (1,4 kg/dm<3>), over finkornet sand (0,5-1,0 mm) med høyere densitet (2,7 kg/dm<3>), eller tremedia filtre der man i tillegg anvender et lag med grovere og lettere plastmate-riale over anthrasitten og sanden. Alternativt kan et tremediafilter bestå av et lag av finkornet granatsand med høy densitet, plassert under anthrasitt- og sandlage-ne. Man kan også finne multi media filtersenger bestående av flere enn 3 ulike materialer, men som er sammensatt etter de samme prinsipper.

Ved anvendelse av de nevnte tradisjonelle filtermaterialer i henhold til kjent teknikk må filterkonstruktøren forholde seg til gitte materialegenskaper og kjenne materia-lenes innbyrdes egenskaper. Dette forårsaker i visse tilfeller at materialvalg og sammensetning av filtersengen ikke blir optimale, noe som for eksempel kan gå ut over renseeffektivitet, funksjonalitet og lagringskapasitet, og som kan forårsake at tilbakespylingen må skje hyppigere og med høyere spylevannsforbruk. Ugunstig valg av materialer i filtersengen kan også medføre at tilbakespylingen må foregå med større væskemengder for å fluidisere filtersengen enn det som ideelt sett er nødvendig.

Samtidig har enkelte filtermaterialer en høy densitet og romvekt, selv i tørr tilstand, noe som er en ulempe ved frakt og håndtering. I tillegg blir filtermaterialer i dag laget og levert av flere forskjellige produsenter og leverandører, og det er derfor nødvendig for konstruktørene av filteranleggene (evt. rådgiver, anleggseier) å fremskaffe nødvendige data fra flere hold om de ulike filtermaterialer, å velge de rette materialtyper og kombinasjonsforhold for å utforme en optimal filterseng, å skaffe de forskjellige materialene som anvendes i riktig mengdeforhold, etc. Dette stiller en del krav til rådgivere, konstruktører, anleggseiere og operatører av denne typen filtre.

Det finnes derfor et behov for å lage et bedre tilpasset filtermedium som er lettere å frakte og håndtere under tilberedningen av en filterseng, og der filterkonstruktø-ren i større grad kan velge materialegenskaper uavhengig av og ut over de natur-gitte egenskaper til naturlige filtermaterialer som eksempelvis anthrasitt og sand, et medium som gir en mer optimal filtrerings- og tilbakespylingsprosess, og som stiller små krav til anleggseier og operatør i forbindelse med håndtering, bestilling og sammensetning av filtersengen.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører derfor i samsvar med det selvstendige krav 1, en kombinasjon av fraksjoner av lettklinkerkorn av ekspandert leire for tilberedning av en filterseng for nedstrøms filtrering av væsker. Kornenes størrelse og densitet varierer og er avpasset slik at jo større de er desto lavere er densiteten, og tilsvarende, jo mindre de er desto høyere er densiteten og derved synkehastighet ved tilberedning av en filterseng. Kombinasjonens densitet øker når denne går fra en tørr tilstand til en våt tilstand, og kombinasjonens korn med varierende densitet og kornstørrelse har en densitet i våt tilstand i størrelsesorden fra 1,2 kg/dm<3>til 2,6 kg/dm<3>. Lettklinkene er produsert av ekspandert leire brent ved 1100°C-1200°C.

Videre vedrører oppfinnelsen en anvendelse, som angitt i det selvstendige krav 5, av kombinasjonslettklinkerkorn som angitt over i en anordning for rensing av væske omfattende en filterseng for nedstrøms filtrering av væsken.

På denne måten kan man med utgangspunkt i ett og samme råmateriale skape en nedstrøms filterseng med tilnærmet kontinuerlig eller trinnvis (lagvis) gradering fra større til mindre korn i væskens strømretning. Dette gir i følge filtreringsteori og erfaring en optimal filtreringsprosess ved at de partikler som fjernes fra væsken, lagres mest mulig jevnt over filtersengens totale dybde. Dette gir igjen minimale trykktap, maksimale filtersykluslengder og lagringskapasiteter, minimale spylevannsmengder, etc. Ved å redusere tilbakespylingsfrekvensen reduseres slitasjen på filtermediet og tilknyttet filterutstyr. En vil derfor også kunne øke filtermediets og de øvrige filterkomponentenes levetid.

Oppfinnelsen er ment å omfatte filtersenger med det beskrevne materialet alene eller i kombinasjon med andre filtreringsmaterialer eksempelvis sand eller antrasittkull.

Filtermaterialet kan leveres fra én og samme produsent, det kan tilpasses ulike filtreringsformål, og filterkonstruktør eller anleggseier kan selv bestemme filtersengens utforming og sammensetning. Filtersengen kan i sin helhet leveres ferdig pakket og blandet fra en produsent, med komstørrelser, densiteter og mengder som er spesielt tilpasset ulike filtreringsanvendelser, eksempelvis til rensing av vann, avløpsvann eller andre væsker.

Filtermediet kan så tilbakespyles og deretter sedimenteres på plass i filterbeholde-ren av filteroperatøren selv.

Tilbakespylingen (rengjøring) av filtersengen kan skje ved lavere spylehastigheter og mindre spylevannsmengder enn det som normalt anvendes, muliggjort ved at filtersengen består av lett fluidiserbart materiale med lav densitet og lav synkehastighet.

Oppfinnelsen skal nå beskrives på eksempels form og med henvisning til figurene hvor: Figur 1 viser synkehastigheter for korn av ulike filtermaterialer, med eksempel på sammensetning av flermedia (Mehrschicht/multilayer) filtre, der filterkornenes synkehastighet angis som funksjon av kornstørrelse og densitet. Figur 2 viser et typisk dybdefilter med granulert materiale i henhold til oppfinnelsen.

Tabell 1 viser et eksempel på oppnådde resultater ved direktefiltrering av koagu-lert drikkevann i parallelle filtre bestående av filtermaterialet ifølge oppfinnelsen og med et tradisjonelt tomedia antrasitt-sand filter som referanse.

Fra figur 1 fremgår det hvordan man kan sette sammen multimedia filtre med hensyn til kornstørrelse og materialtype (densitet) for å oppnå en riktig sedimentering av filtermaterialet etter tilbakespyling, slik at grove kom legger seg over (dvs. syn-ker langsommere enn) finere korn.

Fra figur 2 fremgår det et tomediafilter 1 ifølge oppfinnelsen med et innløp 4 og et utløp 5. Over filteret ligger væsken 6, som skal filtreres. Filteret omfatter et filtermateriale som har grove korn med lav densitet 2 over finere kom med høyere densitet 3. Kornene er laget av det samme materiale. Filteret har to tynne støttelag 7 i bunnen.

Tabell 1 viser et eksempel på resultater ved direktefiltrering av humusholdig koa-gulert drikkevann i to parallelle filtre med filtersenger bestående av henholdsvis det granulerte kommaterialet av lettklinker (LK) i følge oppfinnelsen i to kornstør-relses- og densitets-fraksjoner, og en tradisjonell tomedia filterseng med antrasitt over sand (A/S). Det fremgår av tabellen at LK-filteret gir resultater som med god margin oppfyller kvalitetskravene i den gjeldende norske drikkevannsforskriften, og videre at resultatene fra LK-filteret er sammenlignbare med et parallelt drevet tradisjonelt antrasitt-sand filter under ellers like forhold. Filtersengene har samme totale dybde, mens kornstørrelsene er som følger: To lag av materialet i følge oppfinnelsen, der det første har korndiameter på 1 til 2 mm som ligger over et lag med korndiameter på 0,8 til 1 mm, og der kornene i de to lagene har ulik densitet eksempelvis 1,2 og 2,0 kg/dm<3>'Filtermediet er laget av lettklinker.

Til sammenlikning har det benyttede tomediafilteret i henhold til kjent teknikk et lag av antrasittkull med kodiameter på 0,8 til 1,6 mm over et lag av sand med korndiameter 0,4-0,8 mm.

Claims (5)

1. Kombinasjon av fraksjoner av lettklinkerkorn av ekspandert leire, for tilberedning av en filterseng for nedstrøms filtrering av væsker, hvor kornenes størrel-se og densitet varierer og er avpasset slik at jo større de er desto lavere er densiteten, og tilsvarende, jo mindre de er desto høyere er deres densitet og derved deres synkehastighet ved tilberedning av en filterseng, hvor kombinasjonens densitet øker når denne går fra en tørr tilstand til en våt tilstand, og hvor kombinasjonens korn med varierende densitet og kornstørrelse har en densitet i våt tilstand i størrelsesorden fra 1,2 kg/dm<3>til 2,6 kg/dm<3>og hvor lettklinkene er produsert av ekspandert leire, brent ved 1100-1200°C.

2. Kombinasjon i henhold til et av de foregående krav, hvor kombinasjonens kom med varierende densitet og størrelse har en korndiameter i størrelsesorden fra 0,5 mm til 8,0 mm.

3. Kombinasjon i henhold til et av de foregående krav, hvor kombinasjonens korn, etter avsluttet tilbakespyling og tilhørende ekspansjon av filtersengen, primært sedimenter med slike hastigheter at de minste komene kommer nederst i filtersengen og de største kornene kommer øverst.

4. Kombinasjon i henhold til et av de foregående krav, hvor væsken som skal filtreres er vann, herunder drikkevann, prosessvann eller avløpsvann fra kommunal eller industriell virksomhet.

5. Anvendelse av en kombinasjon av lettklinkerkorn som angitt i krav 1 i en anordning for rensing av væske omfattende en filterseng for nedstrøms filtrering av væsken.