Filtration über körnige Materialien

Achim Gulde, Sabine Leuschner

Für das rund 250 m³ beinhaltende Rückkühlsystem in einem Chemieunternehmen wird Wasser aus einem nahegelegenen Teich entnommen. Der Betrieb des Rückkühlsystems erfordert auf jeden Fall eine Wasseraufbereitung, denn je nach Herkunft des verwendeten Wassers und der Zusammensetzung seiner Inhaltsstoffe kommt es sonst zu Korrosion, Ablagerungen, Kalkausfällungen und mikrobiologischem Wachstum.

Das Chemieunternehmen entschied sich für eine Kiesfilteranlage (Abb. 1) von Infilco, also einen zylindrischen Drucktank mit Filtration über körnige Materialien, dessen Ober- und Unterteil jeweils in einem Klöpperboden endet. Bei der Filtration über körnige Materialien spielen Transportvorgänge, Anlagerungsmechanismen und Abreißvorgänge eine wichtige Rolle. Die zu entfernenden Schwebstoffe und Schmutzpartikel müssen zunächst in die Nähe des Filtermaterials gelangen, wo sie durch Anlagerungskräfte festgehalten werden. Diese Anlagerungsmechanismen bewirken die Abtrennung von Schwebstoffen und körnigen Partikeln aus der Flüssigkeit. Das Filtermaterial eines Einschichtfilters besteht aus einer Schicht desselben körnigen Materials, je nach Verwendungszweck und Rohwasserqualität meist Filterkies mit Korngrößen zwischen 0,63 und 2,2 mm bei einer Schichthöhe von 1,5 bis 2,5 m. Am Filterboden befindet sich zusätzlich eine Schicht Stützkies, die für eine bessere Verteilung des Rückspülwassers aus den dort angebrachten Filterdüsen sorgt (Abb. 2) und sie gleichzeitig auch schützt. Als Stützkies wurden in diesem Fall zwei Schichten Kies verschiedener Körnung verwendet.

Da die Raumhöhe am Aufstellungsort nur 2,5 m betrug, mussten Filtergröße und -dimensionierung sowohl nach technischen als auch nach räumlichen Gegebenheiten optimal geplant werden. Unter Berücksichtigung des benötigten Rückspülraums wurde die Filterschichthöhe für den Sand und für den Stützkies so festgelegt, dass bei gleichbleibender Rohwasserqualität nicht zu viele Rückspülungen notwendig werden. Aufgrund der verhältnismäßig guten Rohwasserqualität konnte auf eine Flockung verzichtet werden.

Ist der Filter mit Schmutzstoffen so zugesetzt, dass zwischen Filtereingang und -ausgang ein erhöhter Druckverlust herrscht, muss das Filtermaterial durch eine geeignete Rückspülung gereinigt werden. In den meisten Anlagen wird ein Differenzdruckmesser eingebaut, der dem Steuergerät die Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes meldet und dadurch die Rückspülung auslöst. Als Rückspülmedien werden Luft und Wasser verwendet, die während des Spülvorgangs den Filter entgegen der Filtrationsrichtung durchströmen. Diese Spülmedien können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Die zur Rückspülung von Filtern aus körnigem Material am häufigsten verwendeten Spülprogramme sind die reine Wasserspülung, die Luft-Wasser-Spülung und die kombinierte Luft-Wasser-Spülung. Die Wasserspülung benötigt sehr hohe Wassergeschwindigkeiten, um die Schmutzstoffe aus dem Filter auszuwaschen, und der Spülwasserverbrauch ist mit 15% des erzeugten Filtrats sehr hoch. Bei der Luft-Wasser-Spülung erfolgt zuerst eine Spülphase mit Luft, bei der sich das über dem Filterbett befindliche Wasser mit Schmutzstoffen anreichert, und einer anschließenden Wasserspülung, die die Schmutzstoffe austrägt. Der Spülwasserverbrauch liegt bei 6 bis 10 % der Reinwassermenge.

Die kombinierte Luft-Wasser-Spülung ist durch einen Spülwasserverbrauch von nur 3% des erzeugten Fitrats sehr wirtschaftlich und effektiv. Dieses Verfahren wurde auch für den Chemiebetrieb ausgewählt und erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird der Wasserstand im Filter abgesenkt, um Raum für die Spülung zu schaffen. Dann erfolgt eine Luftspülung, um das Filterbett aufzulösen und die am Korn eingelagerten Schmutzteilchen oder Fremdstoffe durch Reibung abzulösen (Abb. 3). Die anschließende kombinierte Luft-WasserSpülung setzt die Zerkleinerung des Filterkuchens durch intensive Bewegung des Filtermaterials fort und trägt gleichzeitig die gelösten Schmutzstoffe aus. Um eine Aufwirbelung der Stützschichten zu vermeiden, darf die Luftspülgeschwindigkeit nur etwa 40% der nachfolgenden reinen Wasserspülung betragen. Die abschließende Wasserspülung trägt die abgelösten Fremdstoffe sowie die von der Luftspülung verbliebene Spülluft aus. Die Angaben zur Zeitdauer der Spülphasen eines Spülprogramms beruhen auf Erfahrungswerten der Ingenieure. Die jeweiligen Spülgeschwindigkeiten wurden abhängig von der Korngröße, der Korngrößenverteilung und der Dichte des Filtermaterials berechnet. Im Anschluss an die Wasserspülung erfolgt eine Anfiltrierung, damit sich das Filtermaterial wieder richtig absetzt. Das dabei entstehende Filtrat wird jedoch erst wieder verwendet, wenn die Wasserqualität den Vorgaben entspricht. Eine gute Spülwirkung kann nur erzielt werden, wenn sich das Filterbett ausdehnen kann. Deshalb wurde bei der Konstruktion des Filterbehälters über der Filtermaterialschicht ein Rückspülraum abhängig von Filterschichthöhe und Spülwassergeschwindigkeit eingeplant.

Um die geforderte Wasserqualität bezüglich gelöster Inhaltsstoffe für das Rückkühlsystem zu erreichen, wird ein Teil des aus dem Kiesfilter kommenden Filtrats durch eine sensorgesteuerte Doppelenthärtungsanlage der Standardproduktpalette enthärtet. Eine Verschneideeinrichtung vermischt dieses Weichwasser mit Filtrat, bis die Sollwasserhärte erreicht ist. Anschließend kann das Wasser dem Kühlsystem zugeführt werden. Nach dem Kühlprozess wird das erwärmte Wasser durch Verdunstung in einem Kühlturm rückgekühlt. Die dadurch entstehenden höheren Salzgehalte werden durch eine Absalzvorrichtung reduziert, die Verdunstungsverluste durch Zusatzwasser aus dem Teich ausgeglichen, das zunächst durch den beschriebenen Kiesfilter läuft. Die Umlaufkühlung, bei der das Kühlwasser wieder rückgekühlt wird und im Kühlkreislauf verbleibt, ist wesentlich wirtschaftlicher und ökologisch sinnvoller als die Durchflusskühlung, bei der das Kühlwasser nur einmal über den Wärmetauscher läuft, sich erwärmt und meist direkt wieder in den Schluckbrunnen oder einen Vorfluter zurückgeleitet wird.

E cav 237

• Rohwasser: 10 m³/h

• Spülwasser: 12 m³/h

• Spülluft: 30 Nm³/h

0,5-0,4 bar

• Filterbehälter: d = 800 mm, h = 2500 mm

• Füllung: 1. Schicht Stützkies, h = 3,0-5,6 mm

• Anschlüsse: Rohwasser DN 50

Filtrat DN 50

Spülwasser DN 50

Abwasser DN 65

Spülluft DN 40