Polstofffiltration

Grundprinzip und Bedeutung

Die Polstofffiltration ist ein mechanisches Verfahren, das organische und anorganische Feststoffe aus Flüssigkeiten entfernt. Sie gehört zur Tuchfiltration und wird vor allem in der Wasser- und Abwasseraufbereitung eingesetzt. Im weitesten Sinne handelt es sich um eine Oberflächen-, Kuchen- oder Anschwemmfiltration mit fixiertem Hilfsmittel. Neben dem Siebeffekt wirken echte Filtrationseffekte in der Tiefe der Faserschicht.

Als Filtermedium dient ein dreidimensionales Gewebe, der sogenannte Polstoff. Während des Betriebs lagern sich Feststoffe in seiner Faserschicht ab und bilden einen Filterkuchen. Die Flüssigkeit strömt durch das vollständig eingetauchte Filtermedium, während die Feststoffe zurückgehalten werden. Eine Besonderheit ist, dass die Filtration während der automatischen Filterreinigung nicht unterbrochen wird.

Aufbau und Eigenschaften des Filtermediums

Der Polstoff besitzt einen mehrdimensionalen Aufbau aus einer filteraktiven, fluidisierbaren Polfaserschicht und einem Rückengewebe. Das Rückengewebe besteht aus Endlosfilamenten und hat große, nicht filteraktive Poren. Es trägt die Polfaserschicht, die aus mehrfach übereinanderliegenden, in das Stützgewebe eingewebten Filamenten oder Fasern besteht. Der Feststoffrückhalt wird ausschließlich durch die Polfaserschicht bestimmt: Je feiner ihre Einzelfilamente sind, desto kleinere Partikel können abgeschieden werden.

Wichtige Merkmale des Polstoffes sind die Höhe der aufgerichteten Polfasern in Millimetern, der Durchmesser der Einzelfilamente in Mikrometern, die spezifische Oberfläche der Polfasern in m²/m², das Flächengewicht des Gewebes in g/m² und die Größe der strömungsrelevanten Poren des Rückengewebes in Millimetern. Eine definierte Porengröße der Polfaserschicht oder des gesamten Polstoffes existiert per Definition nicht. Je nach Anwendung werden Standardfasern, Mikrofasern oder Ultrafasern verwendet. Übliche Werkstoffe sind Polyester (PES) und Polyamid (PA).

Für einen störungsfreien Dauerbetrieb muss die Polfaserschicht wirksam abgesaugt werden. Die Reinigung beansprucht den Stoff mechanisch, verursacht aber keinen messbaren Verschleiß der Polfaserschicht. Die Standzeit hängt vor allem von der Anwendung und vom Fouling des Rückengewebes ab. Fouling bezeichnet hier Ablagerungen oder Bewuchs, die den Strömungswiderstand erhöhen. Bakterieller Bewuchs und mineralische Ablagerungen können trotz Absaugung entstehen. Sie zeigen sich durch einen allmählich steigenden Tuchwiderstand und kürzere Spülintervalle. Weniger Reinigungszyklen verlängern die Zeit bis zur Wartung oder zum Austausch. Die Ablaufqualität wird durch die Alterung des Polstoffes nicht beeinträchtigt.

Filtration, Reinigung und Bauformen

Bei der Filtration lagern sich Feststoffe in der Polfaserschicht an. Dadurch steigt der hydraulische Widerstand und damit der Wasserspiegel beziehungsweise der Differenzdruck. Weil der Polstoff bei Filtration und Reinigung permanent vollständig untergetaucht bleibt, werden 100 % der Filterfläche genutzt.

Erreicht der Rohwasserspiegel oder der Differenzdruck einen festgelegten Wert, beginnt die Filterreinigung. Filterreinigungspumpen beziehungsweise der Differenzdruck saugen Filtrat in umgekehrter Fließrichtung durch das Filtermedium. Absaugbalken entfernen dabei die außen gebildete Feststoffschicht. Dieses Verfahren heißt Inside-Out-Reinigung. Der Unterdruck richtet die flexiblen Polfasern auf; diese Fluidisierung erleichtert das Absaugen des Filterkuchens. Im Normalbetrieb legen sich die Fasern wieder auf das Stützgewebe, und ein neuer Filterkuchen entsteht. Gereinigt wird entweder an einer drehenden Scheibe oder Trommel oder mithilfe einer beweglichen Reinigungseinheit an einem statischen Filterträger. Bei biologischen oder mineralischen Ablagerungen kann zusätzlich eine manuelle oder chemische Reinigung nötig sein. Extern zugeführtes Spülwasser und ein Spülabwasserspeicher sind nicht erforderlich.

Polstofffilter arbeiten als offene Freispiegelsysteme oder als geschlossene Drucksysteme. Hauptbauformen sind Scheiben- und Trommelfilter. Sonderformen sind Drucktrommel-, Diamond- und Plattenfilter; beim Diamondfilter besitzen die Gitterträger einen rautenförmigen Querschnitt. Scheibenfilter bestehen aus demontierbaren Filtersegmenten an einem Zentralrohr. Ein Reinigungssystem aus Absaugbalken und Pumpe kann mehrere Scheiben gleichzeitig reinigen; möglich sind auch eine zentrale Pumpe und jeweils ein Ventil pro Reinigungssystem.

In Freispiegelsystemen strömt das Wasser von außen nach innen durch den Polstoff in die vollständig getauchte Filterkonstruktion. Diese Betriebsweise heißt Outside-In-Filtration. Das Filtrat fließt anschließend durch Steigschacht und Ablaufwehr. Zulauf- und Ablaufwehr entkoppeln die Filtermaschine hydraulisch von den benachbarten Prozessen. Der Filterbehälter besitzt außerdem einen Notüberlauf und eine Niveaumessung; der Nullwasserspiegel dient als Referenz für die Steuerung. Geschlossene Systeme verwenden Drucktrommelfilter und werden über den Behälterdruck gesteuert. Freispiegelsysteme nutzen Differenzdrücke bis zu 60 mbar, Drucktrommelfilter gegebenenfalls mehr als 1 bar.

Auslegung und Leistungsdaten

Die Verfahrensauslegung richtet sich nach der polstoff- und fluidspezifischen Feststoffbeladung σ in g/m², der Feststoffflächenbelastung SLR (Solids Surface Loading Rate) in g/m²/h, der Filtergeschwindigkeit v_F in m/h sowie dem Feststoffgehalt bei durchschnittlicher und maximaler Belastung. Der Polstoff wird entsprechend dem Feststoffgehalt im Zulauf und den Anforderungen an den Ablauf ausgewählt. Seine Eigenschaften und die Wirksamkeit des Absaugsystems bestimmen die mögliche SLR.

Polstofffilter erreichen Feststoffflächenbelastungen bis zu 800 g/m²/h und benötigen dadurch gegenüber Sedimentation, Flotation oder Sandfiltration wenig Platz. Scheibenfilter können eine spezifische Filterfläche von mehr als 9 m² je m² Grundfläche erreichen. Die hydraulischen Verluste betragen maximal etwa 50 cm. Abhängig von Anwendung, Feststoffbelastung und Anzahl der Reinigungsintervalle liegt der Energiebedarf bei etwa 0,3 bis 20 Wh je m³ behandeltem Abwasser.

Die maximale Filtergeschwindigkeit wird von der Filterkonstruktion und nicht vom Filtermedium begrenzt. In Freispiegelsystemen beträgt sie etwa 8–16 (20) m/h, bei Drucktrommelfiltern bis zu 60 m/h. Die Filtergeschwindigkeit beeinflusst die Ablaufqualität nicht direkt. Polstofffilter sind außerdem unempfindlich gegenüber kurzfristig stark erhöhten stofflichen Belastungen.

Die Menge des anfallenden Schlammwassers ist direkt proportional zur Häufigkeit der Reinigungszyklen. Sie hängt außerdem vom eingesetzten Polstoff, der aktuellen Feststofffracht und dem Verhalten der herausgefilterten Stoffe ab. Berechnet werden kann sie aus Filteranzahl, Filterfläche sowie Dauer und Häufigkeit der Reinigung. Die Beschaffenheit des Schlammwassers wird von der Spülhäufigkeit sowie Art und Menge der zurückgehaltenen Feststoffe bestimmt.

Anwendungsbereiche und Entwicklung

Polstofffilter werden in der kommunalen und industriellen Abwasseraufbereitung, der Wasserwiederverwendung, der Straßen- und Mischwasserbehandlung, der Trinkwasseraufbereitung und der Meerwasserentsalzung eingesetzt. Je nach Aufgabe halten sie unter anderem Schwebstoffe, Algen, Helmintheneier, Mikroplastik, Reifenabrieb, Phosphor oder Pulveraktivkohle zurück und verringern die Trübung.

Typische Anwendungen sind die Industrieabwasserreinigung, die Behandlung von Mischwasser und Regenüberläufen, die Oberflächen- und Trinkwasseraufbereitung, der Ersatz der Nachklärung bei Biofilmverfahren sowie die Schlussfiltration. Bei der Fällungs- und Flockungsfiltration kann beispielsweise Phosphor entfernt werden. Weitere Einsatzgebiete sind die Rohwasser- und Rohabwasserfiltration sowie die Behandlung von Straßenabwasser.

Bei Verfahren zur Spurenstoffentfernung scheiden Polstofffilter Pulveraktivkohle ab oder dienen als Vorfiltration vor Ozonierung und Aktivkohleadsorbern. Sie werden außerdem vor und nach granulierter Aktivkohle im Schwebebettverfahren sowie vor Desinfektionsstufen mit UV oder Ozon eingesetzt. Aufbereitetes Wasser kann als Prozesswasser, Betriebswasser oder zur Bewässerung wiederverwendet werden. Weitere Aufgaben sind die Vorfiltration für Entsalzungsanlagen, Kühlwasser und Wärmetauscher, etwa bei der Wärmerückgewinnung aus Abwasser oder Oberflächenwasser, sowie die Ernte von Algenbiomasse.

Die Entwicklung der Tuchfiltration begann bei der Mecana S.A. in der Schweiz Ende der 1970er Jahre mit Nadelfilzen. Diese mit einem Stützgewebe vernadelten Wirrfaservliese wurden schrittweise durch flexiblere gewebte Polstoffe ersetzt, die sich wirksamer reinigen lassen. Aus einem ursprünglich für Farbroller entwickelten dreidimensionalen Gewebe entstand ein technisch gestaltetes Filtermedium. Forschungen an der Leibniz-Universität Hannover führten 1996 zur Patentanmeldung der Polstofffiltration durch Ulrich Grabbe und Carl Franz Seyfried. Die ersten Polstofffilteranlagen gingen 1997 als Scheibenfilter bei der Mecana Umwelttechnik GmbH, heute Mecana AG, in Weinfelden in der Schweiz zur Behandlung von Abwasser aus der Papierherstellung sowie bei der Wismut AG in Schlema Hartenstein in Betrieb. Seit 2005 werden für bestimmte Anwendungen auch Filter mit vertikaler Achse eingesetzt. In den 2010er Jahren kamen auswechselbare und profilierte Absauglippen hinzu.