Filtration Basiswissen

Filtration Basiswissen

Allgemein gesehen ist die Filtration in der Wasseraufbereitung ein Verfahren zur Abtrennung von Feststoffen aus einer Suspension. Die Filtration gehört zu den mechanischen Trennverfahren, welche ausschließlich auf physikalischer Basis beruhen.

Die Begriffe Filtration, Filtrierung, Filterung und Filtern werden synonym verwendet. Die filtrierte Flüssigkeit wird Filtrat genannt, im Filter verbleibt der Rückstand oder auch Filterkuchen. Der Druckverlust ist der bei der Filtration auftretende Druckabfall, der auch als Filterwiderstand bezeichnet wird. Durch die Filtrierung bilden die abfiltrierten Feststoffe eine immer dichter werdende Schicht auf dem Filtermedium.

Abb. 1 Filterprinzip (Klick zum vergrößern)

In der Wasseraufbereitung durchläuft das zu trennende Gemisch einen Filter, der aus Filtermasse, in der Regel Filtersand bzw. Filterkies (AQUAGRAN®) besteht. Das Filtermaterial stellt einen Widerstand gegenüber allen Partikeln des zu trennenden Gemisches dar. Durch den Prozess werden auch Partikel zurückgehalten, die erheblich kleiner sind, als das durch die Schüttung entstehende Porenvolumen zwischen den einzelnen Körnern.

 

Die Poren der Filtermasse werden durch die Ablagerung der zurückgehaltenen Stoffe verkleinert. Nach dem Aufbau eines ausreichend dicken Filterkuchens wäre eine vollständige Abscheidung der Partikel gegeben, allerdings steigt auch der Strömungswiderstand des Filters deutlich an, so dass bei technischen Anwendungen lange vorher eingegriffen werden muss. Möglich ist auch, dass die zu entfernenden Partikel nicht mehr zurück gehalten werden. In diesem Fall spricht man vom Filterdurchbruch. Um beides zu verhindern, müssen der Filterkuchen bzw. die Rückstände regelmäßig durch Rückspülen entfernt werden. Dabei wird der Filterprozess umgekehrt und die Verunreinigungen des Filters werden ausgespült.

 

In der Wassergewinnung häufig verwendete Begriffe sind:

 

Erstfiltrat:           (Auch Vorfiltrat genannt) ist das erste direkt nach einer Spülung ankommende Wasser, in der Regel nicht den hohen Ansprüchen genügend.

Fluidisierung:    Übergang des Filtermediums von einem Festbett in ein Schwebebett bei der Filterspülung.

Filtrations- und Reinigungsprinzip (Quarzkörnungen AQUAGRAN® )

In den Abbildungen 2 und 3 sind die beiden grundsätzlichen Betriebsarten einer Wasserfiltration dargestellt.

Das verunreinigte Rohwasser wird auf den Filter gegeben, die Schmutzpartikel scheiden sich auf dem Filtersand ab, und erhöhen nach und nach den Druckverlust (sie „verstopfen“ den Filter). In den technischen Anlagen wird der Druckverlust gemessen. Ist ein Wert erreicht, der einen sinnvollen Betrieb des Filters nicht mehr gewährleistet, wird eine Rückspülung eingeleitet.

 

Beim Rückspülen wird je nach Anlagenart von unten mit Frischwasser und/oder Luftimpulsen gearbeitet. Durch den von unten aufgebauten Druck „schwimmen“ die einzelnen Körner auseinander (technisch = sie „fluidisieren“). Man spricht hier auch von einer Ausdehnung des Filterbettes.

 

Im Mehrschichtfilter liegt die leichtere Filterkohle (Filterkohle N - AQUAZIT®, Filterkohle H - AQUALIN®  oder die Aktivkohle  AQUARBO® )oben. Die Filterkohle filtert die gröbsten Partikel und hat bei gleicher Anströmung eine erheblich größere Ausdehnung (daher sind gröbere Schmutzpartikel auch besser ausspülbar).

Abb. 2 Prinzip Filterbetrieb (click zum vergrößern)
Abb. 3 Prinzip Spülbetrieb (click zum vergrößern)
Abb. 4
Klassierung

Aufgrund des Ausdehnungsprozesses passieren zwei Dinge im Filterbett.

 

Zum einen vergrößert sich das Porenvolumen zwischen den „schwimmenden“ Körnern. Dadurch können die in den Zwischenräumen verklemmten Schmutzpartikel frei mit der Strömung aufschwimmen. Über unterschiedlich ausgeführte Abzugsorgane werden die Schmutzpartikel mit dem Schmutzwasser ausgetragen und extern abgelagert oder verarbeitet.

Zum anderen klassieren sich die Körner während des Absinkprozesses. Nach einer Anzahl von Spülungen gibt es eine von oben nach unten stetig ansteigende Korngröße.

 

Im Mehrschichtfilter sind unterschiedlich große Filtersande und Filterkiese unter einer Schicht an Filterkohle eingebaut. Die gröberen Körnungen liegen unten im Filter.

Einbau und Abschälen

Bei allen Filtermaterialien die lose geschüttet werden, entsteht durch Transport und Einbau auch bei sorgfältigster Handhabung ein Abrieb.

EUROQUARZ empfiehlt alle Produkte möglichst hydraulisch einzubauen (siehe www.euroquarz.de/Hiweise zum Einbau von Filtersand und –kies).

Dennoch entsteht auch bei dieser Methode ein Abrieb. Nach dem Einbau sollten diese „Feinstoffe“ entfernt werden. Dazu spült man den Filter – je nach Lage der Dinge nach jeder Stützschicht oder spätestens nach dem Einbau des Filtersandes – mehrfach sorgfältig zurück. Durch den oben beschriebenen Vorgang des Klassierens lagern sich die Feinststoffe nach und nach vollständig an der Oberfläche des Filtersandes ab.

Abb. 5 Prinzip Rückspülung und Abschälen

Im Anschluss wird das Wasser abgesenkt (so dass die Fläche begehbar ist) und die feine Schicht wird mechanisch (z.B. mit einer Schaufel) abgetragen. Diesen Vorrang nennt man „Abschälen“. Unterlässt man das Abschälen, so befindet sich immer eine mehr oder weniger störende Trennschicht über dem Filtersand (ggf. unter der Filterkohle). Der Filter hat von vornherein einen (unnötig) erhöhten Druckverlust, welcher keinerlei Vorteile bei der Filtration hat.

 

Beim Einbau von porösen Produkten ist darauf zu achten, dass diese vor Einbau ausreichend stark gewässert werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Produkte beim Rückspülen ausgespült werden.

Trübung

Jede Trübung des Wassers wird durch darin enthaltene Partikel verursacht. Partikel sind vor allem im Trinkwasser grundsätzlich unerwünscht, daher ist eine Minimierung der Partikelkonzentration u.a. durch die beschriebenen Verfahren anzustreben.

 

Als enthaltene Schwebstoffe kommen in Frage:

Agglomerate, Aggregate, mineralische Feststoffe oder organische Feststoffe. Diese werden gemeinsam als „Partikel“ oder „Teilchen“ bezeichnet und sind in Wasser nicht löslich. Sind die Partikel aufgrund ihrer Dichte oder Größe so geartet, dass sie nicht sedimentieren, bezeichnet man sie als „Schwebstoffe“.

 

Alle Partikel führen dazu, dass ein durch die Flüssigkeit geschickter Lichtstrahl nicht „glatt“ hindurchläuft, sondern gestreut wird. Wird das Licht gestreut, spricht man von einer Trübung. Zu beachten ist dabei, dass auch das Vorhandensein kleiner Luftblasen zu einem Trübungseffekt führt. Diese müssen ausgeschlossen werden.

 

In der praktischen Anwendung ist lediglich die Trübungsmessung mit optischen Verfahren möglich. Es gibt zwei wesentliche und unterschiedliche Verfahren, wobei vor allem die Wellenlänge des verwendeten Lichtes und der Messwinkel bei beiden eine große Rolle spielt.

 

Bei einem Verfahren wird die Lichtstreuung gemessen und die Angabe des Ergebnisses erfolgt in FNU (Formazine Nephelometric Units). Bei dem anderen Verfahren wird die Partikelkonzentration (und –größe) gemessen, die Angabe erfolgt in Partikel je mL. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile und lassen sich nicht ineinander umrechnen. Man kann sagen, dass die Partikelanalyse sich eher für den laufenden Betrieb eignet, während die Streulichtmessung eher eine Labormethode ist.

 

In der Trinkwasserverordnung (2001) beträgt der Grenzwert an NTU am Ausgang des Wasserverteilers 1,0 NTU. Angestrebt werden Werte von 0,1 – 0,2 NTU.

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DORSTEN
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