Derartige Filtriervorrichtungen und-verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus den Druckschriften DE 42 10 571 C1, DE 27 08 340 C3, US 4,720, 347-A, DE 16 42 879, DE 593 364 und DE 32 12 398 Al. Bei den bekannten Filtervorrichtungen ist das Filtermedium, beispielsweise Quarzkies oder Sand, in einen im wesentlichen zylindrischen Filterbehälter eingebracht. Das zu reinigende Schmutzwasser durchströmt das Filtermedium mit konstanter Geschwindigkeit entweder in Aufwärtsrichtung (entgegen der Schwerkraft) oder in Abwärtsrichtung, wobei Schmutzpartikel aus dem zu reinigenden Abwasser entfernt werden, indem sich diese am Filtermedium anlagern.

Bei den bekannten Filtriervorrichtungen und-verfahren ergibt sich folgendes Problem : Um eine ausreichende Qualität des Filtrats (gereinigtes Wasser) zu erreichen, muß die Durchflußgeschwindigkeit des Abwassers durch das Filtermedium niedrig gehalten werden oder es muß die effektive Filtrierstrecke verlängert werden. Letzteres scheidet schon häufig wegen der damit verbundenen Vergrößerung der Bauhöhe des Filterbehälters aus. Bei Einstellung einer vergleichsweise niedrigen Filtriergeschwindigkeit ergibt sich jedoch andererseits die Gefahr einer Filterverblockung, da bei niedrigen Filtriergeschwindigkeiten insbesondere in den zuerst durchströmten Schichten des Filtermediums sich in einem relativ kleinen Volumen eine große Menge von Schmutzpartikeln festsetzt. Um diese Gefahr der Filterverblockung auszuschließen und dennoch mit akzeptabler Filtriergeschwindigkeit arbeiten zu können, wird häufig zur Verbesserung der Filtratqualität dem zu reinigenden Abwasser ein Flockungsmittel zugesetzt. Der Zusatz von Flockungsmittel bewirkt, daß die bei hohen Filtriergeschwindigkeiten nicht ausfiltrierbaren Kleinpartikel sich zu größeren Flockungen zusammenlagern, wodurch auch Kleinpartikel filtrierbar werden. Die Zugabe von Flockungsmitteln verteuert jedoch das Filtrierverfahren und stellt eine zusätzliche Umweltbelastung dar.

Insbesondere bei der Reinigung von Abwasser aus Fahrzeugwaschanlagen hat sich gezeigt, daß die Gefahr der Filterverblockung aufgrund der im Abwasser enthaltenen Wachsbestandteile erhöht ist. Daher muß bei der Verwendung der bekannten Filtriervorrichtungen und-Verfahren für diesen Zweck die Filtriergeschwindigkeit entsprechend erhöht werden, woraus jedoch eine schlechtere Qualität des Filtrats resultiert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser bereitzustellen, bei welchem bei gleichbleibender Filtrierleistung (Filtratvolumen pro Zeit) auch ohne die Zugabe von Flockungsmitteln eine hohe Filtratqualität gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen : Figur 1 : Schematische Darstellung einer Abwasser-Reinigungsanlage ; Figur 2 : Querschnitt durch einen Filterbehälter der Vorrichtung von Figur 1, im Filtrierbetrieb (links) bzw. im Rückspülbetrieb (rechts) ; Figur 3 : Querschnitt durch einen Filterbehälter gem. Figur 2 mit einer Detailansicht ; Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Filtrationsanlage zur Reinigung von Abwasser. Diese umfaßt einen Schlammfang 16, ein Entnahmebecken 17, zwei Filterbehälter 1A und 1B sowie einen Brauchwassertank 15. Das zu reinigende Abwasser kommt von einer Verbraucherstelle 18, beispielsweise einer Fahrzeugwaschanlage. Das dort erzeugte Abwasser wird über eine Schmutzwasserleitung 19 in den Schlammfang 16 geleitet. Dort setzen sich die groben Schmutzteilchen durch Sedimentation am Boden ab. Das so vorgereinigte Wasser fließt über einen Überlauf 20 in das Entnahmebecken 17. Im Entnahmebecken 17 ist eine Tauchpumpe 21 eingelassen, welche das vorgereinigte Wasser 3 aus dem Entnahmebecken zu den Filterbehältern 1A und 1B fördert.

Die Förderung des vorgereinigten Schmutzwassers 3 erfolgt zunächst über die Leitung 22, durch das geöffnete Ventil A3 und durch das Drosselventil Aa in den Filterbehälter 1A.

Während des Einleitens des Schmutzwassers 3 zur Reinigung in den Filterbehälter 1A bleibt das Ventil Al geschlossen. Das eingeleitete Schmutzwasser 3 durchströmt sowohl den Filterbehälter 1A als auch den Filterbehälter 1B, in welchen eine Kiesschüttung als Filtermedium eingebracht ist, von unten nach oben, entgegen der Schwerkraft. Oberhalb des Kiesbetts sammelt sich das gereinigte Wasser. Unterhalb des Wasserspiegels des Reinwassers ist in dem Filterbehälter 1A eine Öffnung 24 angeordnet, durch welche das Reinwasser entnommen werden kann. Der Filterbehälter 1B weist eine entsprechende Öffnung 25 auf. An die Öffnungen 24 und 25 sind jeweils Reinwasser-Entnahmeleitungen 26 bzw. 27 angeflanscht. Diese Leitungen 26 bzw. 27 verzweigen sich jeweils einerseits in Zufuhrleitungen 29 und 30 zum Brauchwassertank 15 und andererseits in eine gemeinsame Abfuhrleitung 28, welche in den Schlammfang 16 mündet. Zwischen den Verzweigungspunkten in den Leitungen 26 und 27 zu den Leitungen 28,29 und 30 sind jeweils verschließbare Ventile A5, A6 bzw. B5 bzw. B6 angeordnet.

Zur Einleitung von in den Filterbehältem 1A und 1B gereinigtem Wasser in den Brauchwassertank 15 wird das Ventil A6 bzw. B6 geöffnet, so daß das gereinigte Wasser über die Leitungen 26, 27,29 und 30 in den Brauchwassertank 15 fließen kann, während die Ventile A5 und B5 geschlossen bleiben. Vom Brauchwassertank 15 führen Reinwasserleitungen 34 und 35 zum Verbraucher 18.

Sobald die Filtrierleistung, also das pro Zeiteinheit filtrierte Brauchwasser, nachläßt und unter einen vorgegebenen Wert abfällt oder nach einer voreingestellten Zeit erfolgt eine Reinigung des Filtermedfiums im Filterbehälter 1A durch einen Rückspülvorgang. Hierfür bleibt das Ventil A3 und das Drosselventil A2 geöffnet. Zusätzlich wird das By-Pass-Ventil Al geöffnet.

Hierdurch erhöht sich bei gleichbleibendem Druck in der Leitung 22 der dem Filterbehälter 1A zugefihrte Volumenstrom pro Zeiteinheit auf etwa den doppelten Wert wie beim Filtrationsvorgang. Typische Werte des einem Filterbehälter pro Zeiteinheit zugeführten Volumenstroms an Abwasser sind beispielsweise 2 m3/h beim Filtrationsvorgang und entsprechend ca. 4 m3/h beim Rückspülvorgang. Zum Rückspülen wird das vorgereinigte Abwasser 3 benutzt. Beim Rückspülvorgang durchströmt das Wasser das Filtermedium in derselben Richtung wie beim Filtrationsvorgang, also von unten nach oben. Aufgrund des größeren Volumenstroms erfolgt eine Expansion und damit eine Fluidisierung des Filtermediums, wodurch sich die an den Filterpartikeln angelagerten Schmutzteilchen ablösen.

Wegen des größeren Volumenstroms und der Verwirbelung des Filtermediums steigt der Wasserspiegel im oberen Teil des Filterbehälters 1A an und übersteigt die Höhe einer Öffnung 31. Der Filterbehälter 1B ist mit einer entsprechenden Öffnung 32 versehen. An die Öffnungen 31 bzw. 32 ist eine gemeinsame Abfuhrleitung 33 angeschlossen. Diese Abfuhrleitung 33 führt in die Leitung 28 und schließlich in den Schlammfang 16. Dadurch werden die beim Rückspülvorgang von den Filterpartikeln abgelösten Schmutzpartikel im oberen Bereich des Filterbehälters 1A fluidisiert und schließlich über die Leitungen 33 und 28 in den Schlammfang 16 transportiert. Der Rückspülvorgang ist so lange durchzuführen, bis eine vollständige Reinigung des Filtermediums erfolgt ist. Je nach Verschmutzungsgrad des zu reinigenden Abwassers ist eine Rückspülung in Intervallen von ca. 1 bis 4 Stunden mit einer Rückspüldauer von 3 bis 10 Minuten durchzuführen.

Während des Rückspülvorgangs des Filterbehälters 1A kann der Filterbehälter 1B in den Filtrationsvorgang geschaltet werden, indem die Zufuhrleitung 23 durch Öffnung der Ventile B3 und B2 bei geschlossenem Ventil B, geöffnet bleibt, so daß vorgereinigtes Abwasser 3 in den Filterbehälter 1B eingeführt wird. Der Filtrationsvorgang im Behälter 1B erfolgt in derselben Weise wie vorhergehend im Behälter 1A. Das im Filterbehälter 1B gereinigte Wasser wird schließlich über die Leitungen 27 und 30, bei geöffnetem Ventil B6 und geschlossenem Ventil B5, in den Brauchwassertank 15 eingeleitet.

Wenn das Filtennedium des Filterbehälters 1A greinigt ist, wird zur Beendigung des Rückspülvorgangs zunächst das By-Pass-Ventil Al und das Ventil A3 geschlossen um die Wasserzufuhr zu unterbrechen. Gleichzeitig wird das die Leitungen 26 und 28 verbindende Ventil A5 geöffnet. Durch die Unterbrechung der Wasserzufuhr setzt sich das aufgewirbelte Filtermedium im Behälter AI wieder ab und oberhalb des Filtermediums sammelt sich das mit den aus dem Filtermedium herausgelösten Schmutzpartikeln stark verschmutzte Abwasser. Dieses wird über die Öffnung 24 in die Leitung 26 und über das geöffnete Ventil As in die Leitung 28 zum Schlammfang 16 geleitet. Etwa 20 bis 50 Sekunden nachdem die Ventile Ai und A3 geschlossen wurden, wird das Ventil A3 geöffnet um den Filtrationsvorgang im Behälter 1A wieder einzuleiten. Zunächst bleibt jedoch das Ventil As geöffnet und das Ventil As geschlossen, um das zunächst noch unzureichende Filtratqualität aufweisende Erstfiltrat nicht in den Brauchwassertank 15 sondern in den Schlammfang 16 zu leiten. Dieser Vorgang dauert etwa 2 Minuten. Danach wird das Ventil As geschlossen und das Ventil A6 geöffnet, so daß das im Behälter 1A gereinigte Wasser über die Leitungen 26 und 29 in den Brauchwassertank 15 fließen kann.

Da während des gesamten Rückspülvorgangs im Behälter 1A der Filterbehälter 1B im Filtrationsmodus betrieben werden kann, ist zur Regenerierung des Filtermediums keine Unterbrechung des Filtrationsvorgangs erforderlich. Die beschriebene Filtrationsanlage eignet sich deshalb besonders für solche Anwendungen, bei denen ständig gereinigtes Brauchwasser zur Verfügung zu stellen ist. Durch die Anordnung der beiden Filterberhälter 1A und 1B, welche entweder beide im Filtrationsvorgang oder wechselweise im Filtrations-bzw.

Rückspülvorgang betrieben werden können, ist eine Fremdwassereinspeisung oder eine entsprechend großvolumige Brauchwasservorlage entbehrlich.

Mit der beschriebenen Anordnung mit zwei Filterbehältern, welche sowohl beim Filtriervorgang als auch beim Rückspülen jeweils von unten nach oben von Abwasser durchströmt werden, ergibt sich eine energiesparende und apparativ einfache Anlage, mit der eine kontinuierliche Reinigung von Abwasser ermöglicht ist.

In Figur 2 ist der Filterbehälter 1A (bzw. der hierzu identische Filterbehälter 1B) im Querschnitt dargestellt und zwar sowohl während des Filtrationsvorgangs (linke Seite) als auch während des Rückspülvorgangs (rechte Seite). Der Filterbehälter 1A besteht im wesentlichen aus einem konischen Unterteil 11, einem daran anschließenden konischen Mittelteil 12 und einem zylindrischen Oberteil 13. Das Unterteil 11 und das Mittelteil 12 weisen jeweils eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Geometrie auf, wobei der Konuswinkel des Unterteils (a) größer ist als derjenige des Mittelteils (ß). Der Durchmesser des zylindrischen Oberteils 13 entspricht dem Durchmesser des konischen Mittelteils an seinem oberen Ende (Kegelboden 6).

Im Bereich des konischen Unterteils 11 und des konischen Mittelteils 12 ist in dem Behälter 1A ein Filtermedium 2a, 2b eingebracht. Als Filtermedium wird ein granulöses Material, wie z. B. Kies, Aktivkohle, Hydroanthrazit oder andere als Filtermedien geeignete Materialien verwendet. Bevorzugt wird das granulöse Filtermedium nach Art eines Mehrschichtfilters mit von unten nach oben abnehmender Körnung eingeschichtet. Die Körnung kann kontinuierlich ausgehend von der unteren, abgeflachten Kegelspitze 5 bis zum Kegelboden 6 hin abnehmen.

Bevorzugt ist jedoch ein Zweischicht-Filtermedium ausgebildet, indem im unteren Bereich 7 des Filterbehälters ein erstes Filtermedium 2a mit einer groben Körnung und daran anschließend im oberen Bereich 8 ein zweites Filtermedium 2b mit einer feinen Körnung eingeschichtet ist. Hierfür wird beispielsweise Kies mit einer Körnung von 8-16 mm im unteren Bereich 7 und mit einer Körnung von 0,4-0, 8 mm im oberen Bereich 8 verwendet.

Am Übergang 9 vom unteren Bereich 7 zum oberen Bereich 8 ist in dem Filterbehälter 1A ein nach innen vorstehender, Ring 10 angeordnet, welcher bevorzugt einen keilförmigen Querschnitt aufweist. Figur 3, rechte Darstellung, zeigt diesen Bereich mit dem Ring 10 im Querschnitt in einer Detailansicht.

Beim Filtrationsvorgang wird das zu reinigende Abwasser im Bereich der abgeflachten Kegelspitze 5 in den Filterbehälter 1A in eine Filtrierrichtung F eingeführt. Im Bereich 7 mit grobkörnigem Filtermedium 2b erfolgt eine räumliche Homogenisierung des eintretenden Abwassers, wodurch sich eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstroms über den sich senkrecht zur Filtrierrichtung F erstreckende Filtrierfläche ergibt. Aufgrund der kegelstumpfförmigen Geometrie des konischen Unterteils 11 und des konischen Mittelteils 12 ergibt sich bei Beschickung des Behälters mit einem konstanten Volumenstrom eine entlang der Filtrierrichtung F von unten nach oben abnehmende Geschwindigkeit des durchgeleiteten Abwassers (Filtriergeschwindigkeit). Diese Abnahme der Filtriergeschwindigkeit entlang der Filtrierrichtung ergibt sich aufgrund der hierzu proportionalen Zunahme der Filtriertfläche von unten nach oben. Im Bereich des konischen Unterteils 11 ergeben sich typische Strömungsgeschwindigkeiten von ca. 255 m/h im Einlaßbereich nahe der abgeflachten Kegelspitze 5 bis zu ca. 25 m/h im Bereich des Übergangs 9. Im Bereich des konischen Mittelteils 12 nehmen die Strömungsgeschwindigkeiten des durchgeleiteten Wassers dann auf bis zu. 7 m/h im Bereich des Kegelbodens 6 ab.

Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des konischen Unterteils 11 und aufgrund der groben Körnung des Filtermediums 2b im Bereich 7 des Behälters ergibt sich keine nennenswerte Gefahr der Verblockung des Filtermediums in diesem Bereich. Die Durchströmung im unteren Bereich 7 dient vor allem zur gleichmäßigen Verteilung des eingeführten Abwassers über die gesamte zur Verfügung stehende Filtrierfläche. Eine nennenswerte Reinigung des Abwassers findet in diesem Bereich nicht statt. Die Reinigung des Abwassers erfolgt erst im oberen Bereich 8 durch das feinkörnige Filtermedium 2a.

Aufgrund der kontinuierlichen Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Filtrierrichtung F nimmt die Filtriereffizienz von unten nach oben stetig zu. Dies führt dazu, daß im Gegensatz zu herkömmlichen Filtern die gesamte Filterlänge entlang der Filtierrichtung F bestmöglich ausgenutzt wird, da ein Verblocken bzw. eine Übersättigung des Filtermediums mit Schmutzpartikeln im Eintrittsbereich aufgrund der dort höheren Filtriergeschwindigkeit weitgehend vermieden wird. Auf diese Weise läßt sich die Filtratqualität bei ansonsten gleichbleibenden Parametern erheblich steigern.

Der an der inneren Behälterwand angeordnete und nach innen vorstehende Ring 10 dient einerseits beim Filtrationsvorgang zur Homogenisierung des durchströmenden Wassers. Das sich aus der Geometrie des Filterbehälters und des Rings 10 ergebende Strömungsprofil beim Filtrationsvorgang ist in Figur 2, linke Darstellung gezeigt.

Die Figur 2, rechte Darstellung, zeigt den Filterbehälter im Querschnitt beim Rückspülvorgang. Hierbei wird, wie oben erläutert, das Filtermedium 2a, 2b in Filtrierrichtung F mit erhöhter Geschwindigkeit durchströmt, so daß es zu einer Aufwirbelung des Filtermediums kommt. Der an der Innenseite des Filterbehälters angeordnete und ins Behälterinneren hinein ragende Ring 10 bewirkt dabei in Verbindung mit der konischen Form des Mittelteils 12 eine Umwälzung des fluidisierten Filtermediums 2a. Das sich beim Rückspülvorang ergebende Strömungsprofil ist der Figur 2, rechte Darstellung, sowie der Figur 3 zu entnehmen.

Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit wird das Filtermedium 2a im Bereich der Behälterachse aufgewirbelt und vom Wasser nach oben transportiert und schließich auf der Kiesbettoberfläche aufgeschichtet. Gleichzeitig erfährt das aufgewirbelte Filtermedium 2a bedingt durch die Schwerkraft an der Behälterwand eine Abwärtsbewegung und gelangt schließlich in den Bereich des Rings 10. Dort werden die nach unten gleitenden Filterpartikel in den zentralen Bereich des Behälters nahe seiner Achse umgelenkt, wo sie erneut durch die Wasserströmung nach oben transportiert werden. Auf diese Weise wird während des Rückspülvorgangs eine kontinuierliche Umwälzung des feinkörnigen Filtermediums 2a und dadurch ein effektiver Austrag der dort angelagerten Schmutzpartikel gewährleistet. Der Austrag der von den Filterpartikeln abgelösten Schmutzteilchen erfolgt letztendlich über das durchströmende und sich im zylindrischen Bereich 13 oberhalb des fuidisierten Kiesbetts sammelnde Wasser, welches über die Öffnung 31 abfließen kann.

Die beschriebene Vorrichtung und das Verfahren zur Reinigung von Abwasser ermöglichen eine gute Filtratqualität auch ohne Einsatz von Flockungsmitteln, wobei die Gefahr einer Verblockung des Filtermediums im Zulaufbereich weitgehend vermieden wird. Aufgrund der geometrischen Ausgestaltung der Filterbehälter 1A und 1B, insbesondere deren konischer Form und der Abflachung im Bereich der Konusspitze, ist die Bauhöhe der Vorrichtung minimiert. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine gleichmäßige Ausnutzung des zur Filtrierung zur Verfügung stehenden Volumens des Filtermediums, wodurch sich eine bessere Filtriereffizienz ergibt. Daneben erweist sich die gewählte Geometrie des Filterbehälters auch beim Rückspülvorgang als vorteilhaft, weil ein effizienter Austrag der Schmutzpartikel durch eine kontinuierliche Umwälzung des Filtermediums während des Rückspülvorgangs erzielt wird, wodurch das gesamte Volumen des Filtermediums von Schmutzpartikeln befreit werden kann.

Ferner ist ein effektives Verfahren zur Reinigung des Filtermediums durch Rückspülen aufgezeigt, welches einerseits einen effektiven Austrag der Schmutzteilchen ermöglicht und andererseits die Fördereffizienz des Reinigungsvorgangs nicht beeinträchtigt. Dieses Rückspülverfahren kann auch bei herkömmlichen Filterbehältern mit zylindrischem Querschnitt zum Einsatz kommen.