Kiesfilter

Ein Kiesfilter dient zur Entfernung von ungelösten Feststoffen aus Wasser oder Prozessflüssigkeiten. Er besteht aus einem mit Kies gefüllten Behälter. Das Wasser wird durch den Kies im Behälter gepresst, dabei werden die Schmutzpartikel bevorzugt in der oberen Kiesschicht abfiltriert. Sind die zu entfernenden Schmutzpartikel voluminös und/oder klebrig, so kann sich auch eine Filterhaut auf der oberen Kiesschicht bilden. Dies führt schnell zu hohen Druckverlusten und einer vorzeitig erforderlichen Reinigung des Filters, die Rückspülung genannt wird.

Kiesfilter finden ihre Anwendung unter anderem in der Wasser- und in der Abwasseraufbereitung. Zwei verschiedene Bauweisen werden verwendet. Für große Durchsatzleistungen, die zum Beispiel für die Trinkwasseraufbereitung erforderlich sind, werden häufig sogenannte „Offene Filter“ verwendet, die aus Beton errichtet werden. Dies sind drucklose Filter, bei denen nur der Höhenunterschied zwischen Rohwasserniveau und Reinwasserbereich den erforderlichen Druck für die Überwindung des Filterwiderstandes erzeugt. „Druckfilter“ dagegen sind Filter mit geschlossenen Behältern, die überwiegend aus Stahl hergestellt sind. Der erforderliche Betriebsdruck wird meistens mit Pumpen erzeugt.

1=Rohwasser, 2=Reinwasser,3=Behälter, 4=Eintritt Spülwasser, 5=Spülwasseraustritt, 6=Einfahrleitung, 7=Spülluft, 8=Düse mit Düsenboden, 9=Kies/Stützschichten, 10=Filtersand/-kies, 11=Spültrichter, 12=Entlüftung

Die nebenstehende Verfahrensskizze zeigt einen Druckfilter und deren generellen Aufbau. Die erforderlichen Qualitäten für die zu verwendeten Filtersande und Filterkiese sind in einer DIN angeführt^[1]. Unter anderem sind besonders Vorgaben für die nachfolgende Punkte darin aufgelistet:

• zusammengehörige Körnungen für Stütz- und Filterschichten
• zulässiges Porenvolumen mit 25-35 %
• weitgehend frei von Ton, Kalk, Glimmer (zusammen < 4 %) und org. Substanzen (< 0,5 %), Quarzanteil um 96 %
• möglichst glatte Kornoberfläche
• Begrenzung des Anteiles an Über- und Unterkorn

Um die Funktionsfähigkeit zu bewahren muss ein Kiesfilter regelmäßig gereinigt werden. Dazu werden sauberes Wasser und Druckluft von unten nach oben durch die Kiesschicht gespült (Filterrückspülung). Eine normale Rückspülung besteht aus drei Phasen. In der ersten wird mit nur Luft das Kiesbett aufgelockert und danach in der zweiten mit Luft und gleichzeitig einer geringen Wassermenge der Hauptteil des Schmutzes aus dem Kies ausgespült. Danach folgt die dritte Phase mit einer großen Wassermenge ohne Luft zur Endreinigung der Kiesschicht und Klarspülung.

Raumfilter

1=Roh-/Spülwasser, 2=Reinwasser, 3=Spülluft, 4=Düse mit Düsenboden, 5=Kies/Stützschichten, 6=Filtersand/-kies, 7=Behälter, 8=Spültrichter, 9=Spülwasseraustritt, 10=Entleerung, 11=Gittersystem

Neben normalen Kiesfiltern, mit einer Durchflußrichtung der Flüssigkeit bei Betrieb von oben nach unten, werden auch sogenannte Raumfilter verwendet. Diese Filter werden bei Betrieb von unten nach oben durchflossen. Da die groberen Kieskörner bevorzugt im unteren und die feineren im oberen Kiesbett angeordnet sind, können diese Raumfilter größere Schmutzmengen aufnehmen als normale Filter bevor der Druckverlust zu stark ansteigt.

Um die Gefahr eines Strömungsdurchbruches im Filterbett zu verringern, wurde nach einem niederländischen Patent der 1960er Jahre im oberen Schüttbereich des Filtermediums ein festverankertes Gittersystem angeordnet. Filter mit dieser Bauweise werden Immediumfilter^[2] genannt. Die nebenstehende Verfahrensskizze zeigt den generellen Aufbau für diese Immediumfilter. Besonders bei sehr stark verschmutztem Rohwasser werden diese Filter zur Entfernung ungelöster Schmutzteilchen verwendet.

Schichtbettfilter

Bei den vorgenannten Filtern wird als Filtermedium überwiegend nur Kies verwendet. Einen ähnlichen Effekt wie bei Raumfilter erreicht man mit den Mehrschichtfiltern auch Schichtbettfilter genannt. Bei diesen Filtern wird auf einer feinkörnigen unteren Schicht aus bevorzugt Kies, eine Schicht mit einem spezifisch leichteren und gröberen Material aufgebracht. Das Aufnahmevermögen für Schmutz wird hierdurch deutlich vergrößert. Für die 2. gröbere Schicht sind zum Beispiel Filtermaterialien wie Hydroanthrazit oder Aktivkohle geeignet.

Neben diesen 2-Schichtfiltern werden auch 3-Schichtfilter verwendet. Hinsichtlich dem Schmutzaufnahmevermögen bestehen zwischen diesen beiden Typen keine große Unterschiede. Deutliche Vorteile ergeben sich aber, wenn neben suspendierten Partikeln (z.B. Lehm und Ton) auch feindisperse Verunreinigungen wie Algen und Bakterien abfiltriert werden müssen^[3]. Derartige Filter sind gut geeignet für die Reinigung von Oberflächenwässern, die sowohl in Hochwasserperioden höhere Gehalte an Trübstoffen wie auch zeitweise größere Algenmengen in der wärmeren Jahreszeit enthalten^[4].

Der Filteraufbau eines derartigen 3-Schichtfilters ist beispielsweise wie folgt^[3]:

• unterste grobkörnige Wasserverteilungsschichten aus Kies
• 1. feinkörnige Filterschicht aus feinem Sand
• 2. mittelkörnige Filterschicht aus Hydroantrazit
• 3. grobere Filterschicht aus leichter Aktivkohle (beispielsweise auf Torfbasis)

Voraussetzung für einen störungsfreien Dauerbetrieb der Mehrschichtfilter ist die Verwendung der richtigen Körnung und Schüttgewichte für die Filtermaterialien. Nur bei der richtigen Auswahl ist eine dauerhafte saubere Schichtung erreichbar. Anderenfalls führen die notwendigen Rückspülungen mehr oder weniger schnell zu einer Vermischung, wodurch die Filterwirkung und das Schmutzaufnahmevermögen sich stark verschlechtern.

Bei einem Vergleich von 2- zu 3-Schichtbettfiltern wurden für letztere Filter in einer Versuchanlage Verlängerungen der Laufzeiten bis zur Verstopfung oder zum Feststoffdurchbruch von 59 - 63% erreicht^[5].

Einzelnachweise

1. ↑ Filtersande und Filterkiese DIN 4924
2. ↑ http://www.urbaner-metabolismus.de/strom.html in Kapitel 5, Abschnitt 5.7
3. ↑ ^{a b} Heinz Bernhardt, Helmut Schell in:Erfahrungen mit dem Betrieb von Mehrschichtfiltern, gwf, 129. Jg., 1988, Heft 6, S. 403
4. ↑ Heinz Bernhardt, Helmut Schell in:Erfahrungen mit dem Betrieb von Mehrschichtfiltern, gwf, 129. Jg., 1988, Heft 6, S.404
5. ↑ Heinz Bernhardt, Helmut Schell in:Erfahrungen mit dem Betrieb von Mehrschichtfiltern, gwf, 129. Jg., 1988, Heft 6, S.405