Unter Filtration versteht man die Konzentrationsänderung von Wasserinhaltsstoffen beim Durchströmen eines Filtermediums. Das Filtersystem besteht aus einem durchlässigen Porensystem, das häufig aus festem geschüttetem Filtermaterial besteht (z.B. Filtersand).

Man unterscheidet Filter nach folgenden Kriterien:

Die Konzentrationsänderung der Wasserinhaltsstoffe kann durch chemische, physikalische und biologische Wirkmechanismen an der Filteroberfläche erfolgen. Häufig wirken aber mehrere Mechanismen zusammen. Wichtig ist, dass die Wasserinhaltsstoffe mit dem Filtermaterial in Kontakt kommen. Sind die abzutrennenden Wasserinhaltsstoffe gegenüber dem Porensystem zu groß, so entsteht in der oberen Filterschicht eine unerwünschte Siebwirkung. Wird eine chemische Filtration erwünscht (z.B. chemische Entfernung von CO2 mit Jurakalk oder Dolomit), so darf die Oberfläche nicht durch andere Beläge blockiert sein. In anderen Fällen können Beläge eine kontaktkatalytische Wirkung auf die Entfernung von Wasserinhaltsstoffen haben (Entfernung von Eisen und Mangan). Durch den Filtervorgang und die damit verbundene Konzentrationsänderung der Wasserinhaltsstoffe wird Filtermaterial entweder beladen oder verbraucht (bei der chem. Bindung von CO2 geht Filtermaterial als "Kalk" in Lösung). Hierdurch ändert sich die Filterwirksamkeit im Laufe der Zeit.

Im günstigsten Fall sollte sich ein Filter von oben nach unten mit Feststoffen beladen. Dies ist aber kaum zu erreichen, da sich im oberen Teil der Porenhohlraum durch Beladung verringert und die effektive Filtergeschwindigkeit und der Filterwiderstand zunehmen. Hierdurch werden bereits angelagerte Feststoffe einem stärkeren Strömungsdruck ausgesetzt und in tieferen Schichten verlagert. Nach einer bestimmten Zeit treten die Feststoffe im unteren Bereich des Filters aus, und die gewünschte Filtratqualität wird nicht mehr erreicht. Die Druckverluste steigen mit der Beladung immer mehr an, dies kann eine Rückspülung oder eine Reinigung des Filters zur Folge haben. Wird dies zu spät eingeleitet, so kann dies im ungünstigsten Fall ein Unterdruck im Filterbett entstehen. Dieser Unterdruck führt zu Ausgasungen, die den Filterquerschnitt weiter einengen, die effektive Filtergeschwindigkeit erhöhen und somit die Filtergüte weiter verschlechtern.

Die Druckentwicklung in einem Filter soll in folgender Abbildung aufgezeigt werden.

Abb.1: Filterwiderstandsdiagramm

Durch die Überstauhöhe wird die unter 45° verlaufende Drucklinie erzeugt, so lange der Filter nicht durchströmt wird. Bei einem neuen sauberen Filter (0 Std.) stellt sich im Filterbetrieb ein Druckverlust durch den Eigenfilterwiderstand des Filtermaterials ein (Kurve A-C). Mit fortschreitender Filterzeit wird im oberen Filterdrittel die zunehmende Belegung durch einen verstärkten Druckverlust sichtbar. Bereits nach 9 Stunden beginnt im oberen Teil die Unterdruckbildung. Durch höheren Überstau oder Druckfiltration kann die Unterdruckbildung hinausgezögert werden. Für den technischen Filterbetrieb ist es wesentlich , die Filtrationsperiode möglichst lang zu gestalten. Ein Idealzustand ist dann erreicht, wenn der maximal vorhergesehene Druckverlust und die zulässige Filtratgüte zum gleichen Zeitpunkt eintritt (Abb.2).

Zusammenhang zwischen Filtrationsdauer (t) und der Filterwirksamkeit (Anfangskonzentration c, Endkonzentration co) sowie dem Filterwiderstand

Ist die zulässige Filterwirksamkeit überschritten, muß das Filtermedium von der Beladung befreit, insgesamt verworfen oder ergänzt werden. Eine Wiederherstellung des Porensystems wird durch eine Filterückspülung hergestellt. Hierbei müssen die eingelagerten Stoffe aus dem Filtermedium befreit werden. Neben festen Einlagerungen werden auch gasförmige Stoffe und Verklebungen des Filterbettes beseitigt. Zur Reinigung wird Wasser und Luft oder auch beide verwendet. Dies Spülung bei der alle drei Medien verwendet werden, nennt sich 3-Phasen Spülung.

Bei der Luft - Wasserspülung wird eine Filterbettausdehnung von ca. 25% angestrebt, damit sich die Filterkörner gegeneinander bewegen können. Bei Mehrschichtfiltern wird auf eine kombinierte Luft- Wasserspülung verzichtet, da durch den großen Auftrieb die verschiedenen Körner durchmischt werden, und so eine optimale Filterleistung nicht mehr gewährleistet ist.

Filterbauarten

Langsamsandfilter

Die ersten Filter, die zur Wasseraufbereitung verwendet wurden, waren Langsamfilter, mit ihnen sollte die Reinigungswirkung der Bodenpassage nachgeahmt werden. Langsamfilter besitzen eine Reinigungswirkung an der Oberfläche. Sie werden mit Quarzsand (0,5-1mm ) gefüllt und haben eine Höhe von 70-120cm. Da die Filter eine geringe Filtergeschwindigkeit besitzen (0,1-0,2m/h), müssen diese groß angelegt werden, um einen gewünschten Durchsatz zu ereichen. Die größten Filter besitzen eine Oberfläche von bis zu 5000 m2.

Abb.3: Langsamfilter in Betrieb	Abb.4: Langsamfilter während der Reinigung

Unterhalb des Langsamfilter befinden sich Dränrohre in einer Kies-Stützschicht. Bei einer gewissen Vorklärung des Wassers können die Filter eine Laufzeit von 100-300 Tagen durchlaufen. Langsamfilter sind in der Regel nicht Rückspülbar. Bei der Filterreinigung wird die oberste Schmutzschicht mit speziellen Geräten auf eine Tiefe von 10-30 cm abgeschält (Abb.4). Das abgeschälte Filtermaterial wird in Anlagen vom Schmutz befreit und wieder in den Filter eingebracht. Die Langsamfilter bieten ein sauberes, meist keimarmes Wasser, müssen aber wegen ihrer langsamen Filtergeschwindigkeit sehr groß gebaut werden.

Schnellfilter

Schnellfilter gibt es in offener oder geschlossener Bauweise und werden als Naßfilter betrieben. Sie haben eine Filtergeschwindigkeit von 5-15 m/h, Aktivkohlefilter 25-50 m/h. Die mikrobiologische Wirkung ist wegen der kürzeren Kontaktzeit geringer als bei den Langsamfiltern. Ein weitere Vorteil dieser Filter ist die Rückspülbarkeit.

offene Einschicht Schnellfilter

Diese arbeiten Drucklos und werden mit Überstau im freien Gefälle durchflossen. Sie werden als Stahlbetonbecken mit rechteckigem Grundriß, bis etwa 100m2 je Filter ausgeführt. Als Filtermaterial wird Quarzsand 0,8-1,2 mm Korngröße mit möglichst gleichmäßigen Korn verwendet. Die Höhe der Filterschicht beträgt ca. 0,8-1,2m. Durch seitliche Einlaufrinnen wird eine gleichmäßige Beschickung des Filters gewährleistet. Durch diese Rinnen werden in der Rückspülphase auch die Schmutzstoffe abgeleitet( hierbei sind Rohr 1 und 3 zusammengefaßt). Der Boden des Filters besteht aus einem Düsenboden, mit ca. 70-90 Düsen/m2. Die Düsen sind aus Kunststoff oder Porzellan gefertigt, und lassen bei dem Filterbetrieb das gefilterte Wasser hindurch, halten den Filterkies aber zurück. Während des Spülbetriebes wird durch die Kammer unterhalb des Düsenbodens die Spülluft und das Spülwasser durch die Düsen in das Filterbett geleitet.

Bedienungsplan AUF ZU Betrieb 1 , 2 3 , 4 , 5 , 6 Rückspülung 3 , 4 , 5 1 , 2 , 6 Filtratablauf 1 , 6 2 , 3 , 4 , 5

Geschlossene Schnellfilter

Die geschlossenen Schnellfilter werden mit Filtergeschwindigkeiten von 10-20m/h betrieben. Der Vorteil gegenüber offenen Schnellfilter besteht darin, dass das Wasser während der Filterung keinen offenen Wasserspiegel hat und dabei nicht verunreinigt werden kann. Außerdem müßte bei einer offenen Filteranlage das Wasser nochmals zum nächsten Aufbereitungsschritt gepumpt werden, was bei einem geschlossenen Filter nicht der Fall ist. Von Vorteil ist ferner, dass die Filtration mit höheren Filtergeschwindigkeiten und höherem Filterwiderstand betrieben werden kann. Die geschlossenen Schnellfilter werden heute hauptsächlich als Zweischichtfilter betrieben, wobei die Filterschichten meistens gleiche Höhe besitzen. Der zulässige max. Filterwiderstand bei diesem Filtertyp beträgt ca. 6m Wassersäule. Die Filterrückspülung wird wie bei den offenen Schnellfilter durchgeführt.

Die geschlossenen Schnellfilter werden bei der Oberflächenwasserfiltration auch häufig als Dreischichtfilter angewendet. Hierbei ist die oberste Schicht eine Aktivkohleschicht, die eventuell vorhandene Stoffe aus dem Wasser entfernt.

Blick unter dem Düsenboden mit eingebauten Düsen. (BILD 4)
Rohwassereinlauf, Tulpe (BILD 3)				Blick unterhalb des Filters (BILD 2)
Blick in einen unbeladenen (ohne Kies) geschlossenen Schnellfilter. Auf dem Düsenboden sind noch keine Düsen eingebaut. (BILD 1)