Schnelle Schwerkraftsandfilter: Entwicklungen im Filterbodendesign

Es gibt unterschiedliche Ausführungen für Unterrohre – wichtig bei der Entfernung von Schwebstoffen aus Trinkwasser. David Shepherd von Severn Trent Services Ltd führt uns durch einige aktuelle Entwicklungen.

Die Leistung von Trinkwasserfiltern bei der Entfernung suspendierter Feststoffe hängt entscheidend von der Gestaltung des Filterunterlaufs und der Unterstützung des Filtermediums ab. Derzeit gibt es eine Reihe unterschiedlicher schneller Schwerkraftfilter-Bodentechnologien, darunter den TETRA LP-Block (Low Profile), der in ganz Europa immer häufiger installiert wird.

Die vollständige Medienreinigung ist die wichtigste Voraussetzung dafür, dass ein Schnellkraftfilter unter allen Belastungsbedingungen effektiv und effizient funktioniert. Die Rückspülung von Schwerkraftfiltern ist erforderlich, um die Feststoffe zu entfernen, die während des Filtrationslaufs von den Medien gesammelt werden. Zur Fluidisierung und Reinigung des Mediums ist ein aufsteigender Wasserstrom oder eine Kombination aus Luft und Wasser erforderlich.

Während das richtige Filtermedium für die Leistung von Schwerkraft-Schnellfiltern wichtig ist, gibt es Hinweise darauf, dass die Filtrations- und Rückspülleistung in hohem Maße von der Konstruktion des Filterunterlaufs und der Unterstützung des Filtermediums abhängt. Die jüngste Entwicklung eines doppelten parallelen seitlichen Unterabflusses sorgt nachweislich für eine gleichmäßige Verteilung von Rückspülwasser und Luft. Bei der doppelten parallelen seitlichen Unterdrainage werden gesinterte Kunststoffplatten verwendet, um die Kiesstützschichten in den Filtern zu ersetzen. Es werden auch Verbundplatten unterschiedlicher Porosität verwendet.

Der Filter-Underdrain: Funktionen und Typen

Die Hauptkomponenten eines schnellen Schwerkraftsandfilters sind das Filtermedium, die Kiesstützschichten und die Filterunterdrainage. Der Unterboden dient zur Unterstützung des Filtermediums und des Kieses; um gefiltertes Wasser gleichmäßig vom Boden des Filters zu sammeln; und um Luft und Wasser beim Rückspülen gleichmäßig über den Boden des Filters zu verteilen. Der Schlüssel zu diesen Funktionen liegt in der Gleichmäßigkeit der Filterung und der Verteilung von Rückspülluft und Wasser. Von besonderer Bedeutung ist die gleichmäßige Verteilung des Rückspülwassers. Die Effizienz des Filters hängt von der Wirksamkeit des Rückspülzyklus ab.

Im Vereinigten Königreich werden hauptsächlich die Arten von Unterdrainagen verwendet: der Kopf- und Seitenkanaltyp, der Plenum-Boden- oder Düsentyp und der Block-Unterkanaltyp mit zwei parallelen Seitenkanälen. Letzteres ist eine relativ neue Entwicklung auf dem Markt, die zunehmend genutzt wird.

Kopf- und Seitentyp

Der einfachste Underdrain-Typ ist der Header- und Lateral-Typ (Abbildung 1). Bei dieser Art von Unterdrainage gelangt das Rückspülwasser durch ein Rohr oder ein unter Druck stehendes Gerinne, das als Sammler bezeichnet wird, in den Filterboden. Rohre, sogenannte Seitenleitungen, sind im rechten Winkel mit dem Sammelrohr verbunden und im Filterkies vergraben. Die Seitenanschlüsse verteilen das Rückspülwasser durch eine Reihe von Öffnungen.

Der größte Nachteil des Sammelrohrs und der seitlichen Unterdrainage ist die Schwierigkeit, eine gleichmäßige Verteilung des Rückspülwassers zu erreichen. Die hohe Geschwindigkeit des Rückspülwassers im Sammelrohr führt dazu, dass der statische Druck des Sammelrohrs am Ende am höchsten ist. Aus diesem Grund erhalten die Seitenanschlüsse am Ende des Sammelrohrs den größten Teil des Durchflusses. Dies lässt sich beheben, indem der Druckverlust vom Sammler auf die Öffnungen in den Seitenleitungen umverteilt wird. Damit dies wirksam ist, muss der Druckverlust über die Öffnungen in der Größenordnung von 2 bis 3 m liegen – ein Wert, der die Pumpkosten erhöht. Ein weiteres Problem bei dieser Art von Underdrain besteht darin, dass im Sammelrohr keine Öffnungen vorhanden sind. Ohne Rückspülfluss wird dieser Bereich nicht richtig gereinigt.

Plenumbodentyp

Plenumboden- oder Düsenunterentwässerungen bestehen aus einem Zwischenboden, der von Düsen oder Sieben durchdrungen ist (Abbildung 2). Düsensysteme haben große Öffnungen und erfordern die Verwendung von Kies, um das Medium von der Düse fernzuhalten. Siebsysteme verwenden feine Öffnungen, um das Filtermedium zurückzuhalten. Bei der Gestaltung von Plenumböden können ähnliche hydraulische Verteilungsprobleme auftreten wie bei Sammel- und Seitenkonstruktionen. Die Geschwindigkeit des einströmenden Wassers ist so, dass die Strömung am Einlass und in der Nähe der Seiten am größten ist, es sei denn, das Plenum ist sehr groß. Darüber hinaus ist der Abstand der Düsen oft recht groß (bis zu 200 mm) und beträgt 40 bis 60 pro m3 Filtergrundfläche, und beim Rückspülen können tote Stellen entstehen.

Es gibt noch weitere Herausforderungen bei der Verwendung der Bodenentwässerung mit Plenumboden. Der Zwischenboden des Underdrains ist von Natur aus anfällig für strukturelles Versagen. Während einer Rückspülung wird ein erheblicher Aufwärtsdruck auf die Unterseite des Plenums ausgeübt. Dies wird noch schlimmer, wenn die Siebe durch Schwebstoffe oder Sand- und Kiesstücke verstopft werden, die sich möglicherweise im Rückspülwasser befinden. Wiederholte Rückspülzyklen können aufgrund wiederholter Durchbiegung zum Reißen des Bodens führen. Die Reinigung der Siebe kann nur durch Entfernen des Filtermediums erfolgen. Die Wartung wird dadurch erschwert, dass der Zugang des Personals zum Plenumsbereich ein Gesundheits- und Sicherheitsrisiko darstellt. Schließlich werden die Düsen des Bodenabflusses des Sammelraums während der Systeminstallation häufig beschädigt.

Seitliches Design mit zwei Durchgängen

Die seitliche Unterdrainage mit zwei Durchgängen wurde entwickelt, um die Probleme der häufiger verwendeten Systeme zu überwinden. Die Probleme einer gleichmäßigen Verteilung werden durch die Verwendung von zwei parallelen Seitenteilen gelöst (Abbildung 3). Die zentrale (Zubringer-)Seitenwand weist entlang ihrer Länge Öffnungen auf, die sich zu einer zweiten parallelen Seitenwandung erstrecken, die als Kompensationsseitenwandung bezeichnet wird. Während der Rückspülung gelangt Wasser über ein Rohr oder eine Druckrinne in den zentralen Zulauf seitlich und wird dann über Öffnungen in diesem Anschluss in den Ausgleichszulauf verteilt. Wie bei jedem einzelnen Seitenkanal erfolgt die höchste Durchflussrate durch die Öffnungen, die am weitesten vom Eintrittspunkt entfernt sind. Diese Schwankung der Durchflussmenge wird in der Ausgleichsseite ausgeglichen, sodass das System eine gleichmäßige Verteilung des Rückspülwassers über den gesamten Filterboden gewährleisten und gleichzeitig den Druckverlust minimieren kann.

Bei der praktischen Anwendung dieses Designs werden vorgeformte Blöcke aus hochdichtem Polyethylen verwendet (Abbildung 4), in die die Zuführung und die Ausgleichsseitenteile integriert sind. Die Blöcke greifen ineinander und werden in Reihen aneinandergereiht, so dass die Seitenteile durchgehend über den gesamten Filter ausgerichtet sind (Abbildung 5). Die Blockreihen werden über die gesamte Breite des Filters nebeneinander platziert, die Blöcke über dem Gerinne werden mit speziellen Ankerstangen verankert und der kleine Raum zwischen den Reihen wird mit Mörtel gefüllt. Dadurch werden die Blöcke miteinander verbunden und bilden einen flachen, ebenen Boden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Underdrain-Designs sorgt das seitliche System mit zwei Durchgängen für eine gleichmäßigere Verteilung von Rückspülwasser und Luft; Die einfache Konstruktion des Filterfachs ermöglicht einen ebenen Boden; Es gibt keinen Hohlraumboden, der versagen könnte, und keine Düsen oder Siebe, die blockiert werden könnten. und die Installation ist einfach.

Einsatz von Luftreinigern

Eingeschlossene Feststoffe und Wasseraufbereitungschemikalien können stark am Filtermedium haften. Die traditionelle Methode zur Reinigung eines Filters besteht darin, sauberes Wasser vom Boden des Betts mit einer Geschwindigkeit nach oben zu pumpen, die ausreicht, um das Medium zu verwirbeln. Die anhaftenden Feststoffe werden abgeschert und entfernt. Das Problem bei dieser Methode besteht darin, dass die Scherwirkung möglicherweise nicht ausreicht, um chemische Flocken aus allen Medien zu entfernen. Wenn das Medium nicht vollständig gereinigt wird, können sich durch die Ansammlung von Feststoffen Schlammbälle bilden, die zu Verstopfungen im Filter und damit zu einer Verschlechterung der Leistung führen können. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, eine Luftreinigung oder eine kombinierte Luft- und Wasserwäsche in den Rückspülzyklus einzubeziehen.

Bei der Blockkonstruktion mit zwei Durchgängen gelangen Luft und Wasser seitlich in den Zuführkanal. Die Öffnungen nahe der Oberseite der seitlichen Zuführung leiten Rückspülluft in die Ausgleichsseite ab. Größere Öffnungen, die tiefer in der seitlichen Zuleitung angeordnet sind, leiten das Rückspülwasser in die seitliche Ausgleichsleitung ab. Das Luft-Wasser-Gemisch wird dann über Öffnungen oben an der Ausgleichsleitung abgeführt.

Stützschichten aus Kies

Die Kiesstützschichten verhindern, dass das feine Filtermedium in den Unterabfluss gelangt und diesen verstopft, und tragen zur Verteilung des Rückspülwassers und der Luft im Filter bei. Normalerweise werden mehrere Lagen Kies verwendet. In der einfachsten Form befindet sich der größte Kies (ca. 20 mm) am Boden. Darüber liegen feinere Kiesschichten bis zu einer Dicke von 2 mm im oberen Bereich. Jede Schicht ist etwa 50 mm dick und die gesamte Kiestiefe kann bis zu 300 mm betragen. Wenn beim Rückspülen eine Luftreinigung verwendet wird, ist es üblich, eine „Sanduhr“-Konfiguration zu verwenden. Diese Konfiguration begrenzt wirksam das Eindringen von Medien in den Unterabfluss und verhindert die Anhäufung von Kies aufgrund von hydraulischen Stößen während der Rückspülung.

Kürzlich wurden Medienrückhalteplatten entwickelt, die die Funktionen der Kiesschichten in deutlich geringerer Tiefe übernehmen können. Medienrückhalteplatten sind poröse Formplatten aus hochdichtem Polyethylen, die mit selbstschneidenden Schrauben am Unterablaufblock befestigt werden. Die Kanten der Platte sind mit einem zugelassenen Polyurethan-Dichtmittel versiegelt, und die freiliegenden Kanten sind ebenfalls versiegelt, um ein seitliches Auslaufen zu verhindern. Die Platte ist etwa 30 mm dick und dient zum Ersatz von bis zu 300 mm dicken Kiesschichten. Dadurch kann entweder der Filter flacher sein oder es kann eine größere Medientiefe verwendet werden. Der Druckverlust über eine Medienrückhalteplatte ist gleich oder geringer als bei dem Kies, den sie ersetzt.

Es stehen drei Arten von Halteplatten zur Verfügung. Die Einzelporositätsplatte ist von zwei Herstellern erhältlich. Es verfügt über eine einzelne Porositätsschicht von 500 oder 700 Mikrometern. Eine Bi-Platte, bestehend aus zwei Schichten von 300 Mikrometern (obere Schicht) und 500 Mikrometern, und eine Tri-Platte mit einer Schicht von 300 Mikrometern, die zwischen zwei äußeren Schichten aus 500-Mikrometer-Material liegt, sind von einem Hersteller erhältlich. Die größere Porengröße dient dazu, das feinere Material vor Verstopfung zu schützen. Die größere Porengröße eignet sich hervorragend für die meisten Filtrationsanwendungen und eignet sich besonders für Anwendungen mit feinem Granat und Aktivkohle.

Kommerzielle Nutzung

Der duale seitliche Underdrain wurde erstmals in den 1970er Jahren in den Vereinigten Staaten entwickelt. Die ursprünglichen Blöcke bestanden aus einem einzigen primären Seitenteil und zwei sekundären Seitenteilen und hatten eine Höhe von 300 mm und eine Breite von 250 mm.

Das aktuelle Design wurde Ende der 1990er Jahre entwickelt und wird als Low-Profile-Block (LP-Block) bezeichnet. Dies ist ein einzelner Block mit den Maßen 412 mm breit und 225 mm hoch. Der Block ist in zwei Kanäle aufgeteilt. Das niedrigere Profil des Blocks ermöglicht einen flacheren Filter oder eine größere Medientiefe. Darüber hinaus ist die primäre seitliche Fläche des Blocks größer als bei anderen Blöcken, sodass die Verteilung bei größeren Längen bis zu 10 m hervorragend ist. Der breitere Block erfordert im Vergleich zu anderen Blöcken auch weniger Installationszeit und weniger Fugenmasse zwischen den Reihen. Das Design des doppelten seitlichen Unterablaufblocks kann sowohl für Nachrüstungsanwendungen als auch für Neubauten angepasst werden.

Betriebsergebnisse

Das Ausmaß der Fehlverteilung in einem Filter wird bestimmt, indem der Druck von Anzapfungen in den Sekundärkammern der Blöcke entlang der Länge eines Seitenteils gemessen wird. Die prozentuale Fehlverteilung wird anhand der Formel berechnet: Fehlverteilung (%) = (1-√(Min Press/Max Press)) × 100. Die prozentuale Fehlverteilung sollte weniger als 10 % betragen.

Schlussfolgerungen

Der duale parallele seitliche Unterdrain ist ein modularer Unterdrain in Blockbauweise, der dem Benutzer mehrere Vorteile bietet, darunter einfache Installation, gleichmäßige Verteilung, kompakteres Filterdesign und verbesserte Bedienersicherheit.