IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 4/2000, Seite 27 ff.


SANITÄRTECHNIK


Richtiger Betrieb von geschlossenen Schnellfiltern in Schwimmbädern

Dipl.-Ing. Eberhard Wistuba    Teil 1

Filter sind das Kernelement in jeder Aufbereitungsanlage von Schwimm- und Badebeckenwasser. Ob Sand- oder Anschwemmfilter, ohne diese Komponenten aus Stahl oder Kunststoff wäre eine Wasseraufbereitung unvorstellbar und nicht durchzuführen. Trotzdem wird dem Thema Filter und Filtration immer noch viel zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt.

Auch in der Praxis erfolgt der Betrieb vielerorts gegen jede Vorschrift zum Teil völlig falsch. So wissen die Betreiber oft nicht, wie deren Filter aufgebaut sind oder sein sollten. Stellt die richtige Betriebsweise hinsichtlich maximaler Filtergeschwindigkeit meist noch kein Problem dar, herrscht im Gegensatz dazu bei der Art und Weise der richtigen Rückspülung meist blankes Unwissen vor. Zwar existieren bereits einschlägige Vorschriften und - falls diese noch nicht vorhanden sein sollten - entsprechende Hinweise und Vorschläge. Diese werden in der Praxis jedoch häufig nicht berücksichtigt. Vielleicht liegt es daran, dass diese Vorschriften und die meist aus praktischen Erfahrungen stammenden Hinweise, nirgends in gebündelter Form vorliegen.

Da gibt es die viel zitierte, heftig diskutierte und speziell für dieses Thema entscheidende DIN 19643 Teil 1-4, welche beim Thema Schnellfilter wiederum auf die Normen DIN 19605 und DIN 19623 verweisend, diverse Angaben macht. Allerdings sind diese für den Praktiker, sei es nun der Planer, der Wassertechniker oder der im Bad Zuständige, durch die meist allgemeinen Angaben viel zu unpräzise. Da wird beispielsweise in der erstgenannten Norm darauf hingewiesen, dass "der Einfluss der Spülwassertemperatur auf die Spülwassergeschwindigkeit" zu berücksichtigen ist. Wie das gehen soll, darüber schweigt sich die Norm dezent aus. Auch zum Thema Spülprogramm sind die Angaben oder wie hier bezeichnet "Richtwerte" eher als unverbindliche Empfehlungen zu verstehen. Festlegen will man sich auch hier nicht. Vorbildlich hingegen sind die Angaben zum Filtrationsbetrieb. Hier werden Zahlen und Fakten genannt, die aus praktischen Erfahrungen und Untersuchungen resultieren und auch in der Praxis zu vertreten sind. So ist der hier bei Schnellfiltern nach DIN 19 605 für Süßwasser angegebene maximale Wert von 30 m/h Filtergeschwindigkeit mittlerweile akzeptiert worden. Dies gilt auch für die 20 m/h bei Meer- und Brackwasser. Da aus den gesamten Untersuchungen bekannt ist, dass die Filterleistung unter Einhaltung der eben genannten Werte sehr gut ist, sind diese Werte zur Auslegung neuer und zu sanierender Filteranlagen heranzuziehen. Sicherlich wird der Platzbedarf für diese größeren Filter speziell bei Sanierungsmaßnahmen zum Teil erhebliche Probleme aufwerfen. Geht man hier jedoch auf Kompromisse ein, wird das in der Regel schiefgehen.

Filterarten

Auf dem Schwimmbadmarkt gibt es eine Fülle verschiedener Filtersysteme, die nachfolgend kurz vorgestellt werden sollen.

Kunststofffilter

Die einfachste Form der Filtration kann durch sogenannte Kunstofffilter erfolgen. Hier unterscheidet man zwischen Schaumstoff- sowie Kerzen- oder Kartuschenfilter. Die Verunreinigungen des Schwimmbeckenwassers werden hier durch Weichschaumstoff bzw. bei den Kartuschenfiltern durch großflächige, feinporige Kunststoff-Vlies-Elemente abgetrennt.

Aufgrund bisheriger Erfahrungen können diese Filtertypen aus wirtschaftlicher Sicht die Anforderungen der Vorschriften für öffentliche Bäder (noch) nicht erfüllen, sind allerdings in privaten Bädern häufig anzutreffen.

Anschwemmfilter

Diese mittlerweile auch häufiger in Deutschland anzutreffende Filterstufe unterscheidet sich von allen anderen Filtern erheblich. Das Grundprinzip dieser, vor allen Dingen in der Schweiz weit verbreiteten Filtertechnik ist - wie es bereits der Name aussagt - die Anschwemmung von Filterhilfsmittel. Dabei werden in der Regel Diathomeen (Kieselgur), aber auch andere Filterhilfsmittel wie Perlite alleine oder in Kombination mit Pulver-Aktivkohle auf die Oberfläche einer Trägermatrix angeschwemmt. Das sehr feine, poröse Material bildet auf diesen Kunststoff- bzw. Metallmatrizes zum Teil mit Pulver-Aktivkohle dünne Filterschichten, die über Druck bzw. Vakuum aufgebaut wurde. Diese Filter werden im 2. Teil ausführlich beschrieben. Aufbau und Funktion sind in DIN 19624 erläutert.

Filter für die Wasseraufbereitung

Zur Wasseraufbereitung sind entsprechend DIN 19605 die sogenannten Langsamfilter (Filtergeschwindigkeiten Vf < 0,2 m/h) und die sogenannten Schnellfilter in geschlossener und offener Ausführung (Vf < 20 m/h) zugelassen. Diese Filter sind alle ähnlich aufgebaut und im Falle der Langsamfilter eher selten in öffentlichen Bädern anzutreffen.

Im Gegensatz dazu die Schnellfilter. Nach DIN 19643 sind beide Typen, offen und geschlossen, sowohl als Einschicht als auch als Mehrschichtfilter für die Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser technisch zugelassen. Allerdings hat man in der DIN die maximal zulässige Filtergeschwindigkeit bis auf 30 m/h erhöht.

Die Filtration selbst erfolgt beim Einschichtfilter über gleichartiges Filtermaterial einheitlicher Körnung und beim Mehrschichtfilter über verschiedenartiges Material unterschiedlicher Dichte bzw. Körnung.

Details über Aufbau und Art dieser Filter sind der DIN 19643 Teil 2 sowie DIN 19603 zu entnehmen.

Bild 1:Darstellung von drei idealisierten Sandkörnern in dichtester Packung.

Schnellfilter allgemein

Filter von Schwimmbädern haben die Aufgabe, möglichst viel Schmutzstoffe wie Trübstoffe, Kolloide und auch Mikroorganismen aus dem Schwimmbeckenwasser zu entfernen. Das klingt einfacher als es in der Praxis ist. Betrachtet man beispielsweise die komplette Schadstoffmatrix eines Schwimmbeckenwassers, so wird die komplexe Aufgabe des Filtersystems sehr deutlich. So ist die Entfernung von Schwimm- und Schwebstoffen im Bereich > 10-3 m (1 mm) Korngröße kein größeres Problem. Wählt man beispielsweise Filtersande 0,71 - 1,25 mm, so lassen sich durch die dort vorhandenen maximalen Zwischenräume Teilchen bis 10-4 m oder 0,1 mm problemlos abscheiden (siehe Bild 1). Das hier gewählte Beispiel verdeutlicht allerdings auch, dass bei der neuen Verfahrensstufe der Adsorption an Pulver-Aktivkohle ein zu schnelles Verstopfen des Schnellfilters stattfindet, wenn hier zu grobe Pulver-Aktivkohle eingesetzt wird (Korngrößen > 0,1 mm oder 100 m). Es ist daher wichtig, nur Ware aus dem Fachhandel nach DIN 19643/19603 einzusetzen. Weiter wird hier deutlich, dass bei schlechter Qualität des Filtermaterials und einem sehr hohen Feinanteil das Filter sehr schnell Widerstand aufbaut. Die feinen Kornfraktionen scheiden sich bei der Filterspülung oben im Filter ab, die freien Durchgänge reduzieren sich erheblich, und es baut sich sehr schnell eine Sperrschicht auf der Filteroberfläche auf. Es ist also dringend bei der Beschaffung darauf zu achten, dass der Anteil an Feinfraktion gegen Null geht (Filtersand besser als nach DIN).

Bei den kleineren Teilchen der kolloiddispersen Stoffe mit Korngrößen <10-4 - 10-6 m, aber auch den feinsten Pulver-Aktivkohleteilchen sowie den echt gelösten Stoffen (10-7 m), ist eine Abtrennung nicht mehr so trivial. Hier müssen erst durch Zugabe von Flockungsmitteln wie Aluminium und Eisen(III)-Salzen größere, abtrennbare Flocken gebildet werden. Diese kann nun das Filter aufnehmen und so aus dem Wasser entfernen. Zu betonen ist hier, dass die richtige Menge des Flockungsmittels am geeigneten Ort dosiert werden muss. Dies muss unter Aufbringung maximaler Mischenergieeffekte geschehen, z.B. durch möglichst hohe Turbulenzen und Quervermischungen im Rohwasserrohr (z.B. durch statische Mischer oder andere Störglieder). Weiter ist darauf zu achten, dass die eben gebildeten Flocken nicht wieder - meist durch Bögen, T-Stücke und Reduzierungen - strömungstechnisch induziert - vernichtet werden.

So ist es nach den Erfahrungen des Autors auch bei Einsatz von Pulver-Aktivkohle wichtiger, eine homogene Strömungsverteilung im Filter zu erzielen, als die geforderten 10 s Reaktionszeit bis ins Filter einzuhalten, was auch oft gar nicht möglich ist. Denn ist das Filter entsprechend allen Vorschriften gebaut und aufgebaut, erhält man im Filterüberstau eine Reaktionszeit t als Quotient aus der Höhe des Stauraums (hier 0,5 m) und der maximalen Filtergeschwindigkeit (30 m/h):

t = 0,5 m / 30 (m/h) = 0,016 h = 1 Minute

also eine ausreichend lange Zeit von 1 Minute, bis die Flocke auf die Filteroberfläche auftrifft.

Filterrückspülung

Die DIN 19643 Teil 2 schlägt im Wesentlichen zwei Spülprogramme vor, die sowohl im Betrieb mit Pulver-Aktivkohle als auch ohne Pulver-Aktivkohle geeignet sind. Diese Richtwerte beziehen sich auf Korngrößen der meistens verwendeten Korngruppe 0,71-1,25 und auf eine definierte Referenztemperatur von 25C. Wie man bei anderen Wassertemperaturen zu verfahren hat wird leider nicht deutlich. Um dies verständlich zu machen, müssen wir jetzt etwas in die Theorie gehen.

Bei der Filterrückspülung wird Wasser von unten in das Filter eingebracht um durch die Anströmung die einzelnen Filterkörner aus ihrem starren Verband zu lösen. Dieses Lösen durch Anheben der einzelnen Körner kann dann erzielt werden, wenn die Anströmgeschwindigkeit des Wassers gleich der Sinkgeschwindigkeit der Sandkörner ist. Die zentrale Frage lautet also: Wie hoch ist die Sinkgeschwindigkeit?

Die Sinkgeschwindigkeit von kleinen Partikeln wurde bereits von Stokes für laminare Strömungen (Reynoldszahl Re < 100) hergeleitet. Hier hängt sie im Wesentlichen von der Reynoldszahl, also von den Geschwindigkeits-, Geometrie- und Viskositätsverhältnissen ab. Liegt sie unter Re = 20, kann die im Weiteren als Stokesche Gleichung bezeichnete Formel verwendet werden. Für turbulente Strömungen (100 < Re < 3 105) greifen wir im Weiteren auf die newtonschen Gleichungen zurück. In diesem Zusammenhang sind für uns die überkritischen Strömungen (Re > 3 105) nicht von Interesse.

Bild 2: Dichte von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur / Regressionsanalyse.

In beiden Fällen ist demnach eine wesentliche Größe die Reynoldszahl. Dichteänderungen des Wassers infolge von Temperaturvariationen wirken sich zwar auch formal aus, sind allerdings auf Grund der Größenordnung von untergeordneter Bedeutung (siehe Bild 2).

Die Reynoldszahl hängt nur von drei Größen ab: von der Geschwindigkeit, dem Durchmesser der Sande und der kinematischen Zähigkeit. Wobei die letztgenannte Größe das entscheidende Kriterium für die jeweiligen Sinkgeschwindigkeiten darstellt.

Betrachten wir dazu das rheologische Verhalten von Wasser, so können wir dieses Fluid im allgemeinen als normalviskos oder newtonsches Fluid bezeichnen. Newtonsche Fluide sind dadurch gekennzeichnet, dass Verformungen des Fluidelements beim Einwirken von Spannungen für alle Richtungen gleichartig und proportional zur Größe der Spannungen sind. Trotz der Einflüsse von Wasserinhaltsstoffen wie chemische Additive, durch den Badegast eingebrachte Stoffe sowie die natürlichen Bestandteile des Füllwassers können wir dieses als newtonsche Flüssigkeit annehmen. Das heißt, die scheinbare dynamische Zähigkeit h ist unabhängig von den jeweiligen Schubspannungen.

Dies klingt kompliziert, ist aber im folgenden Beispiel sehr leicht zu erklären: Jeder von uns hat schon einmal mit einem Löffel Honig aus einem Gefäß genommen, um beispielsweise Tee damit zu süßen. Da Honig schwer fließt, hat man sich meist dadurch beholfen, den Löffel mit dem daran haftenden Honig in die heiße Flüssigkeit zu tauchen. Durch die Temperaturerhöhung des Honigs wurde dieser weicher und floss schneller in die entsprechende Tasse ab. Dieses sogenannte Weichwerden entspricht exakt dem Zähigkeitsverhalten von Fluiden. Das heißt, eine Temperaturerhöhung reduziert die Zähigkeit des Fluids, eine Temperaturerniedrigung erhöht die Zähigkeit des Fluids.

Auf das zu bewegende Sandkorn im Filter bezogen bedeutet dies nichts anderes als:

"Je wärmer das Spülwasser desto kleiner ist die Krafteinwirkung auf das Korn bei gleicher Anströmgeschwindigkeit"

Somit ist uns die anfangs gemachte Feststellung, dass bei Warmwasser die Spülgeschwindigkeit erhöht werden muss, jetzt zumindest qualitativ verständlich.

Die eben erwähnte Temperaturabhängigkeit der scheinbar dynamischen Zähigkeit kann mit folgender Näherungsformel angegeben werden: [aus Strömungsmechanik I, Lehrstuhl für Strömungsmechanik TU-München, Prof. B. Laschka]

h = h0 exp(B(C+T) - B/(C+T0))

wobei bei Wasser: B = 511,6 [K], C = -149,4 [K], T0 = 273,12 [K], h0 = 17,91 10-4 [kg/(m s)]

oder [Pa s], T = Temperatur [K]

Bild 3: Viskosität von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur.

Berechnet man einmal die jeweiligen Werte in einem Temperaturbereich von 10 - 40C und führt diese in Abhängigkeit der Temperatur aus, ergibt sich ein eindrucksvolles Bild bezüglich des reologischen Verhaltens von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur (siehe Bild 3, Viskosität von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur).

So beträgt z.B. der Wert der Zähigkeit bei 10C Wassertemperatur 0,0013 Pa s, bei 30C Wassertemperatur hingegen nur noch ca. 0,0008 Pa s, eine Reduzierung um fast 50%.

Wie sich dies auf die Rückspülung auswirkt, wird durch die Gleichung von Stokes für laminare Strömungen deutlich, wenn diese für den Schwebezustand (Gewichtskraft = Auftriebskraft + Kraft nach stokesem Gesetz) aufgelöst nach der Strömungsgeschwindigkeit ergibt:

vstoke = 2 (r1 - r2) g r2/(9 h) (Stoke)

Erläuterung: v = Strömungs-/Sinkgeschwindigkeit [m/s], r1 = Dichte der Kugel [kg/m3], r2 = Dichte des Fluids [kg/m3], g = Fallbeschleunigung [m/s2], r = radius Kugel [m], h = dyn. Viskosität [Pa s]

Eine Halbierung der Viskosität hat laut dieser Gleichung eine Verdoppelung der Sink- und somit Rückspülgeschwindigkeit zur Folge.

Diese Gleichung gilt für laminare Strömung, also Reynoldszahlen Re < 20. Bei größeren Reynoldszahlen, also höheren Strömungsgeschwindigkeiten hingegen gilt folgende Beziehung nach Newton:

Erläuterung: C = Widerstandskoeffizient, dimensionslos, in der Literatur mit 0,47 angegeben für Re < 1,5 105

Beide Gleichungen machen deutlich, dass die Abhängigkeit der Sinkgeschwindigkeit von der Temperatur ziemlich sicher bei der laminaren Strömung stärker sein dürfte als bei der turbulenten, da hier eigentlich kein Therm mit Viskositätsangaben zu finden ist. Dazu muss allerdings bemerkt werden, dass in diesem Fall gleiche strömungsmechanische Effekte nur bei gleichen Reynoldszahlen auftreten. Unterschiedliche Wassertemperaturen spielen also indirekt auch hier, wenn auch nicht mehr in diesem Maße, eine Rolle.

Bild 4: Übergangsbereich Wasser laminar/turbulent Re < 20 für Sand und Aktivkohle.

Anhand der nächsten Darstellung (Bild 4) wird deutlich, wo die Übergangs- und Abhängigkeitsbereiche für verschiedene Filtermaterialien liegen. So sehen wir am Beispiel von Filtersanden (Korn-Rohdichte: 2,6 kg/l), dass laminare Effekte nur bis Korngrößen von etwa 0,3 mm bei Rückspültemperaturen bis 20C zu erwarten sind. Hingegen treten bei Korn-Aktivkohle (Dichte benetzt: 1,1 kg/l) laminare Effekte bei diesen Wassertemperaturen noch bis Korngrößen von 0,7 mm auf. Bei höheren Temperaturen und Korngrößen kommen wir bereits in den Newton-Bereich.

Bild 5: Sinkgeschwindigkeit Quarzkies bei 20C Wassertemperatur.

Bild 5, Rückspülgeschwindigkeit bei Quarzkies, verdeutlicht am Beispiel von Filtersand bei einer Wassertemperatur von 5/20C den Übergang laminar/turbulent bei Korngrößen zwischen 0,3 mm und 0,5 mm (Geschwindigkeiten normiert auf die Netto-Filterfläche). Weiter wird deutlich, dass bei einer Temperatur von 20C Sandkörner mit 0,4 mm mit ca. 47 m/h, bei 5C hingegen nur noch mit ca. 31 m/h rückgespült werden müssen.

Natürlich ergeben sich auch bei größeren Körnern im Bereich der turbulenten Strömungen erhebliche Unterschiede für abweichende Wassertemperaturen.

Fortsetzung folgt.


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