DE3924658A1 - Verfahren zur filtration feststoffhaltiger fluessigkeiten - Google Patents

Verfahren zur filtration feststoffhaltiger fluessigkeiten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration feststoffhaltiger Flüssigkeiten mittels mindestens einer Filterfläche.
Es sind zahlreiche Verfahren zur Raum- und Flächenfiltration bekannt, um z.B. Suspensa aus physikalisch/chemisch oder biologisch vorgereinigtem Abwasser bzw. Trinkwasser zu entnehmen. Flächenfilter bestehen üblicherweise aus einem Becken, das mittels mindestens einer Filterfläche in mindestens eine Klarwasserkammer und mindestens eine Schmutzwasserkammer unterteilt ist. Die zu filtrierende Flüssigkeit wird in die Schmutzwasserkammer eingeleitet, strömt durch die Filterfläche hindurch und wird als gereinigte Flüssigkeit in der Klarwasserkammer gesammelt. Die Filterfläche besteht herkömmlicherweise aus einem Filterrahmen, der mit einem Filtertuch bespannt ist. Durch die Beladung des Filtertuchs mit Feststoffen erhöht sich der Filterwiderstand, es kommt zur sogenannten Filterkuchenbildung, so daß schließlich immer weniger Flüssigkeit durch die Filterfläche strömen kann. Daher muß das Filter von Zeit zu Zeit gereinigt werden, um die am Filtertuch haftenden Feststoffe wieder zu entfernen. Die Reinigung erfolgt beispielsweise über Rückspülbalken, die über die Filterfläche bewegt werden. Derartige Filter sind daher apparativ aufwendig und störanfällig. Außerdem erfordern die bekannten Filtrationsverfahren hohe Filterdrücke, d.h. hohe Druckgefälle von der Schmutzwasserseite zur Klarwasserseite, um eine ausreichende Filtrationsgeschwindigkeit zu erreichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Filterkuchenbildung und Verlegung von Filterporen weitgehend verhindert wird sowie eine Filtration mit niedrigen Filterdrücken ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während des Filtriervorgangs die Filterfläche in Bewegung versetzt wird und/oder in der zu filtrierenden Flüssigkeit eine Strömung erzeugt wird, die eine tangential zur Filterfläche gerichtete Geschwindigkeitskomponente von mindestens 0,1 m/sec aufweist.
Auf diese Weise wird die Filterfläche von Feststoffablagerungen freigehalten und der Filterwiderstand gesenkt. Eine Filterkuchenbildung und eine Verlegung der Filterporen wird zuverlässig verhindert. Bei herkömmlichen Filtern wird dieser Effekt nicht erreicht, da diese mit wesentlich geringeren Strömungsgeschwindigkeiten arbeiten. Bei den bekannten Querstromfiltrationsverfahren weist die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit beispielsweise eine Geschwindigkeit tangential zur Filterfläche von einigen Metern pro Stunde auf. Im Gegensatz zu allen bekannten Filtrationsverfahren arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren nahezu drucklos, d.h. das Druckgefälle von der Schmutzwasserseite zur Klarwasserseite beträgt höchstens ca. 0,02 bar (entspricht 20 cm WS), vorzugsweise höchstens ca. 0,01 bar (entspricht 10 cm WS).
Bevorzugt wird in der zu filtrierenden Flüssigkeit eine turbulente Strömung erzeugt, wodurch der Freihalteeffekt der Filterfläche noch verstärkt werden kann. Die Bewegung der Filterfläche bzw. die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit wird vorteilhafterweise durch ein an der Filterfläche vorbeiströmendes Gas-Flüssigkeits-Gemisch erzeugt. Hierzu wird beispielsweise unmittelbar vor der Filterfläche auf der Schmutzwasserseite ein Gas vom Boden der Filterkammer in die zu filtrierende Flüssigkeit eingeblasen. Sollen in der Filterkammer zusätzlich aerobe biologische Abbaureaktionen stattfinden, wird vorzugsweise ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeblasen. Sind dagegen anaerobe bzw. anoxische Bedingungen erwünscht, wird bevorzugt Stickstoff eingeblasen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit mittels Pumpen und/oder Düsen und/oder Rühraggregaten zu erzeugen. Auf diese Weise können auch Turbulenzen in der Flüssigkeit erzeugt bzw. verstärkt werden. Als Alternative bzw. Ergänzung ist weiterhin vorgesehen, die Flüssigkeitsströmung mittels Schikanen und/oder Leitblechen so umzulenken, daß Turbulenzen in der zu filtrierenden Flüssigkeit erzeugt bzw. verstärkt werden. Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit mittels rotierender Walzen erzeugt bzw. verstärkt.
Gemäß einer besonders interessanten Variante der Erfindung wird vorgeschlagen, die Filterfläche mittels einer Vibrationsvorrichtung bzw. eines Frequenzgebers in Schwingungen zu versetzen. Bei Verwendung einer flexiblen Filterfläche wird auf diese Weise ein Flattern bzw. Oszillieren der Filterfläche ähnlich einer Lautsprechermembran erreicht. Zusätzlich oder als Alternative wird die zu filtrierende Flüssigkeit mittels einer Vibrationsvorrichtung bzw. eines Frequenzgebers, wie z.B. eines Ultraschallgenerators in turbulente Strömung versetzt.
Weiterhin ist es möglich, die Filterfläche durch Erzeugung von oszillierenden Druckdifferenzen in der Flüssigkeit in Schwingung zu versetzen. Hierzu wird die vor oder nach der Filterfläche anstehende Flüssigkeitssäule einer oszillierenden Druckdifferenz unterworfen. Dabei wird gleichzeitig der Durchfluß durch die Filterporen verstärkt. Die Druckdifferenz kann beispielsweise über Gaspolster erzeugt werden, die mittels eines Verdichters aufgebaut werden. Eine bevorzugte Methode besteht darin, in einer Tiefe von 1/4 bis 1/2 der Flüssigkeitssäule ein Gas, z.B. Luft, einzublasen. Eine andere Variante sieht vor, mittels Strömungsschikanen an der Flüssigkeitsoberfläche Flüssigkeitsberge und -täler zu erzeugen. Es ist auch möglich, kurzzeitige Anstauungen vor der Filterfläche zu provozieren.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn als Filterfläche eine aus elastischem Material mit verstellbaren, sich selbst dehnenden Poren aufgebaute Schicht verwendet wird. Eine derartige, beispielsweise aus porösem Gummi bestehende, Filterfläche wirkt insbesondere bei verformenden Bewegungen der Filterfläche oder bei Aufbau eines Filterdrucks infolge Porendehnung selbstreinigend.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Filterfläche in einer Ebene senkrecht zur Flächennormale zu bewegen. Die Filterfläche kann beispielsweise ähnlich einem Förderband in der Filterkammer gleichförmig bewegt werden.
Gemäß einer anderen Variante der Erfindung wird die Filterfläche auf einer Kreisbahn bewegt. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Filterfläche als Wandung einer sich drehenden Trommel ausgebildet ist. Die zu filtrierende Flüssigkeit wird in das Innere der Trommel eingeleitet, während die filtrierte Flüssigkeit außerhalb der Trommel abgezogen wird. Die Trommel kann zusätzlich noch mit Träger- bzw. Putzkörpern gefüllt sein.
Es können auch mobile Tauchelemente als Filterflächen in die zu filtrierende Flüssigkeit eingetaucht werden. Diese können beispielsweise aus einem Filterrahmen bestehen, der mit einem Filtertuch bespannt ist.
Um den Freihalteeffekt der Filterfläche noch zu verstärken, ist es besonders günstig, in die zu filtrierende Flüssigkeit leichtbewegliche Festkörper, insbesondere Schaumstoffkörper und/oder bürstenähnliche Putzkörper, zuzugeben. Auch die Zugabe von feinkörnigen Materialien, wie Sägemehl, Sand, Kunststoffpartikelchen, ist wegen der niedrigen Kosten und großen spezifischen Oberflächen dieser Stoffe von Vorteil. Diese Festkörper werden mit der an der Filterfläche vorbeiströmenden Flüssigkeit mitgenommen und reiben an der Filterfläche, so daß es zu keiner Filterkuchenbildung kommen kann. Die Festkörper dienen außerdem als Aufwuchskörper für Biomasse, so daß simultan noch eine biologische Behandlung der Flüssigkeit ermöglicht wird. Auf diese Weise wird die Filteranordnung zusätzlich zu einem Bioreaktor. Durch entsprechende Verfahrensführung können gewünschte Bioreaktionen durchgeführt werden. Beispielsweise können bei Abschluß der Filterkammer gegen die Atmosphäre anaerobe bzw. anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden, die z.B. eine Denitrifikation der zu filtrierenden Flüssigkeit erlauben. Andererseirs können durch Begasung der zu filtrierenden Flüssigkeit mit Luft oder einem mit Sauerstoff angereicherten Gas aerobe Bedingungen in der Filterkammer aufrechterhalten werden, so daß sich auf den Festkörpern aerobe Mikroorganismen ansiedeln, die beispielsweise einen Kohlenstoffabbau bewirken. Es entsteht somit also eine Kombination aus Filter und Bioreaktor mit besonders günstigen Eigenschaften. Einerseits wird eine Filteranordnung geschaffen, bei der es zu keiner Filterkuchenbildung und zu keiner Verlegung der Filterporen kommt, wobei eine praktisch drucklose Filtration ermöglicht wird. Andererseits wird in der als Bioreaktor wirkenden Filterkammer eine hohe Aufkonzentrierung von Biomasse erreicht, da praktisch keine Biomasse über den Ablauf verlorengehen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also sowohl eine Optimierung der Filtrationseigenschaften als auch der biologischen Reinigungseigenschaften erreicht.
Die Festkörper werden günstigerweise in einer Konzentration von ca. 2 bis ca. 40 Vol.% zur zu filtrierenden Flüssigkeit zugegeben. Bei diesen Konzentration ergeben sich hydraulische Verhältnisse, die besonders ein Freihalten der Filterflächen von Verstopfungen und Filterkuchenbildung erleichtern. Auf den Festkörpern kann es mit der Zeit auch zu einer Beladung mit Feststoffen aus der zu filtrierenden Flüssigkeit kommen. Die Festkörper werden daher von Zeit zu Zeit oder ständig aus der Filterkammer abgezogen und in einer separaten Regenerierzone von Feststoffen befreit. In dem Raum vor der Filterfläche kommt es zu einer Anreicherung von Feststoffen, die abzuschlämmen sind. Es wird daher vorteilhafterweise ein Volumenstrom der mit Feststoffen angereicherten Flüssigkeit einer herkömmlichen Feststoffabtrennung zugeführt.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die zu filtrierende Flüssigkeit durch mehrere parallel oder hintereinandergeschaltete Filtereinheiten geleitet. Besonders interessant ist eine Variante der Erfindung, bei der die einzelnen Filtereinheiten unterschiedliche Filtergewebe aufweisen. Bei einer Hintereinanderschaltung immer feiner werdender Filtergewebe kann eine Separation von Feststoffen nach deren Größe erreicht werden.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, der zu filtrierenden Flüssigkeit Reaktionsstoffe zuzusetzen. Beispielsweise können Eisensalze zur Phosphatfällung zugesetzt werden. Soll in der Filterkammer eine Denitrifikation durchgeführt werden, ist es günstig, ein Kohlenstoffsubstrat zuzugeben. Zur Verstärkung des Reinigungsprozesses oder Entfernung von schwer abbaubaren Stoffen ist die Zugabe von Adsorptionsstoffen, z.B. Aktivkohle oder Braunkohlenkoks, und/oder die Zugabe von Flockungsmitteln von Vorteil.
Der Freihalteeffekt der Filterfläche wird gemäß einer Fortführung des Erfindungsgedankens dadurch verstärkt, daß die Filterfläche mit einer elektrischen Ladung versehen wird. Weisen beispielsweise die meisten Feststoffe in der zu filtrierenden Flüssigkeit eine negative elektrische Ladung auf, so wird auch die Filterfläche mit einer negativen elektrischen Ladung versehen. Dies bewirkt eine Abstoßung der Feststoffe von der Filterfläche, so daß sich kein Filterkuchen bilden kann und einer Verlegen der Filterporen entgegengewirkt wird. Es ist auch günstig, unmittelbar hinter der Filterfläche auf der Klarwasserseite die filtrierte Flüssigkeit in Bewegung zu versetzen. Dies kann auf analoge Weise geschehen, wie es für den Fall der Schmutzwasserseite oben beschrieben wurde. Dadurch wird die Filterfläche von der Rückseite her von Ablagerungen freigehalten.
Um eine Algenbildung in der Filterkammer zu unterbinden, ist es zweckmäßig, die gesamte Filterkammer samt Filterfläche abzudunkeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Filtration aller denkbaren Flüssigkeiten, die Feststoffe enthalten. Insbesondere ist an eine Anwendung bei der Filtration von Fluß-, See- und Brauchwasser gedacht. Die Erfindung kann mit Vorteil auch bei der Filtration von Abläufen von Kläranlagen angewendet werden. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen Filtratiosverfahren kombiniert werden. Beispielsweise kann die Abschlämmung mit einem herkömmlichen Querstromfilter zur Gewinnung eines Schlammkonzentrats behandelt werden. Besonders interessant ist eine Kombination mit einem Bioreaktor. Durch entsprechende Verfahrensführung, wie Zugabe von Aufwuchskörpern für Biomasse und Schlammrückführung, wird die Filterkammer zu einem Reaktor mit besonders günstigen Eigenschaften sowohl hinsichtlich der biologischen Reinigungsleistung als auch der Filtrationsleistung. Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Spaltung von Emulsionen, wie z.B. zur Fettabscheidung, anwendbar.
Als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die hohe Wirtschaftlichkeit zu nennen. Da die Filterfläche nicht mit aufwendigen Regenerierapparaten immer wieder gereinigt werden muß, können Investitionskosten und Wartungskosten gespart werden. Die Erfindung ermöglicht eine apparativ einfache Ausgestaltung der Filteranordnung, wodurch sich eine geringe Störanfälligkeit ergibt. Die praktisch drucklose Filtration ist ein weiterer Vorteil. Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Die Figur zeigt eine aus drei parallel geschalteten Filterkammern bestehende Filtereinheit. Die Filtereinheit besteht aus einem Becken 1, das mittels sechs Filterflächen 2 (a 3 m×5 m) in drei Schmutzwasserkammern A (a 3 m×1,5 m×5 m) und vier Klarwasserkammern B (a 3 m×0,5m×5 m) unterteilt ist. Die Filterflächen bestehen aus einem Polyestergewebe. Die zu filtrierende Flüssigkeit, im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Ablauf einer Kläranlage, wird über Leitungen 3, 4 und 5 den parallel geschalteten Schmutzwasserkammern A zugeführt. Mittels gelochten Rohren 6 wird ca. 750 m3 Luft/h in die Flüssigkeit eingetragen, so daß eine tangential zu den Filterflächen 2 gerichtete Strömung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/sec. erzeugt wird.
Das an den Filterflächen vorbeiströmende Gas-Flüssigkeits-Gemisch bewirkt, daß sich kein Filterkuchen bilden kann und keine Verlegung der Filterporen eintritt. In den Schmutzwasserkammern A befinden sich Schaumstoffwürfel in einer Konzentration von ca. 20 Vol.%. Die Schaumstoffwürfel werden von der Strömung des Gas-Flüssigkeits-Gemisches mitgetragen und streifen an den Filterflächen entlang. Dadurch wird der Freihalteeffekt der Filterflächen noch verstärkt. Die Filtration erfolgt nahezu drucklos, d.h. der Flüssigkeitsspiegel in den Klarwasserkammern B liegt lediglich ca. 10 cm unter dem Flüssigkeitsspiegel in den Schmutzwasserkammern A. In den Schmutzwasserkammern A kommt es vor den Filterflächen zu einer Anreicherung von Feststoffen in der Flüssigkeit, die über Leitungen 7, 8 und 9 und Pumpe 12 abgeschlämmt werden. Die Abschlämmung erfolgt in Abhängigkeit von der Trübung der Flüssigkeit in den Schmutzwasserkammern. Die Trübung wird von einer Meßsonde 13 an ein Regelgerät 11 gemeldet, das die Pumpe 12 steuert. Die filtrierte Flüssigkeit wird aus den Klarwasserkammern B über Leitung 10 abgezogen.

Claims (21)

1. Verfahren zur Filtration feststoffhaltiger Flüssigkeiten mittels mindestens einer Filterfläche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Filtriervorgangs die Filterfläche in Bewegung versetzt wird und/oder in der zu filtrierenden Flüssigkeit eine Strömung erzeugt wird, die eine tangential zur Filterfläche gerichtete Geschwindigkeitskomponente von mindestens 0,1 m/sec. aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zu filtrierenden Flüssigkeit eine turbulente Strömung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtration nahezu drucklos durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vor oder nach der Filterfläche anstehende Flüssigkeitssäule einer oszillierenden Druckdifferenz unterworfen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Filterfläche bzw. die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit durch ein an der Filterfläche vorbeiströmendes Gas-Flüssigkeits-Gemisch erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit mittels Pumpen und/oder Düsen und/oder Rühraggregaten erzeugt bzw. verstärkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit mittels Schikanen und/oder Leitblechen erzeugt bzw. verstärkt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit mittels rotierender Walzen erzeugt bzw. verstärkt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Filterfläche und/oder die Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit mittels einer Vibrationsvorrichtung und/oder eines Frequenzgebers erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfläche in einer Ebene senkrecht zur Flächennormale bewegt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfläche auf einer Kreisbahn bewegt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß in die zu filtrierende Flüssigkeit leicht bewegliche Festkörper, insbesondere Schaumstoffkörper und/oder bürstenähnliche Putzkörper, zugegeben werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Festkörpern Biomasse zur biologischen Behandlung der Flüssigkeit angesiedelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper in einer Konzentration von ca. 2 bis ca. 40 Vol.% zur Flüssigkeit zugegeben werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Feststoffen beladenen Festkörper in einer separaten Regenerierzone behandelt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Volumenstrom der mit Feststoffen angereicherten Flüssigkeit einer herkömmlichen Feststoffabtrennung zugeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch mehrere parallel oder hintereinandergeschaltete Filtereinheiten mit unterschiedlichen Filtergeweben geleitet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zu filtrierenden Flüssigkeit Reaktionsstoffe und/oder Adsorptionsstofe und/oder Flockungsmittel, zugesetzt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfläche mit einer elektrischen Ladung versehen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet daß die filtrierte Flüssigkeit unmittelbar hinter der Filterfläche in Bewegung versetzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Filterfläche eine aus elastischem Material mit verstellbaren Poren aufgebaute Schicht verwendet wird.
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