Filter [1]

[25] Filter. Strömt eine Flüssigkeit so durch einen porösen Körper, daß die in ersterer enthaltenen Suspensionen dem letzteren durch Adhäsion verbleiben[25] oder sich vor demselben festlegen, so nennt man den Vorgang Filtration, den Körper das Filter und die aus dem letzteren ablaufende Flüssigkeit das Filtrat.

Allgemeines. Es werden insbesondere faserige Stoffe (Asbest, Cellulose, Filz, Leinwand, Papier, Tuch, Werg, Wolle u.s.w.), Schwämme, körnige Materialien (Eisenschwamm, Erde, Kohlenpulver, Porzellan, Sand, Steine, Ton, Torf u.s.w.) als Filter benutzt. Durch die im Filter verbleibenden Rückstände wird die Porosität allmählich aufgehoben; es ist deshalb bei der erstmaligen Benutzung des Filters die Durchlässigkeit ein Maximum und nimmt mit allmählicher Verstopfung der Poren ab.

Chemische Lösungen werden im allgemeinen durch das Filter nicht absorbiert; nur dann, wenn das letztere aus Stoffen belieht, die eine Verbindung mit der durchlaufenden Flüssigkeit eingehen oder einen Teil der Flüssigkeit verarbeiten bezw. zurückleiten (Pflanzenabsorption), erfolgt auch eine chemische Umwandlung. Animalische und vegetabilische Kohle z.B. hat die Eigenschaft, Gase zu absorbieren; die Kohlenfilter nehmen also der durchlaufenden Flüssigkeit Geschmack und Geruch, jedoch nur so lange, als die Kohle ihre diesbezügliche Absorptionsfähigkeit behält [1], [28]. Eisenschwamm reduziert Nitrate und Nitrite und bewirkt bei der Wasserfiltration eine zufriedenstellende Abnahme der organischen Beimengungen [2], [3]. Aber das Filtrat sättigt sich mit Eisensalzen im letzteren Fall, während sich in den Kohlenfiltern nach kurzer Zeit Bakterienherde bilden. Wenn überhaupt ein Filter chemisch gelöste Stoffe aufnimmt, so werden sich diese in dem Filterkörper ansammeln und denselben durchdringen, also das Filter und somit auch dessen Wirkung stetig verändern; die Veränderung und ihre Folgen treten auch ein, wenn das Wasser dem Filterkörper fortwährend durch Lösung Stoffe entzieht. Es wird dies für die meisten Zwecke der Filtration ein unerwünschter Prozeß sein. Filtriert dagegen Wasser durch einen mit Pflanzen bewachsenen Boden, so kann, sofern die Pflanzen einen großen Teil der chemisch gelösten Beimengungen des Wassers zu ihrer Ernährung verbrauchen und so aus dem Filter zurücknehmen, eine auf die Dauer wirksame und erwünschte Abänderung der chemischen Beschaffenheit erzielt werden, ohne daß das eigentliche Filter wesentlich verändert wird (s. Abwasser, Flußverunreinigung und Berieselung mit städtischem Kanalwasser).

Man unterscheidet natürliche und künstliche Filtration; bei beiden ist der Vorgang gleich, vollzieht sich aber im ersteren Falle ohne weiteres, indem das auf die Erdoberfläche gelangende oder in Flüssen und Seen befindliche Wasser Bodenschichten durchdringt, in denen es sich seiner Suspensionen entledigt, während bei der künstlichen Filtration die Vorbedingungen für das Durchströmen des Filterkörpers durch besondere Maßnahmen geregelt werden. Letztere sind insbesondere bei der Filtration in Gewerben, welche die verschiedensten Flüssigkeiten zu klären haben, und bei der peripheren Wasserfiltration (Hausfiltration) sehr mannigfaltig [4], [5], [9].

Kleinfilter. Verschiedene Filter für Gewerbe sollen bei Besprechung der betreffenden Betriebe Erwähnung finden. In der Chemie wird gewöhnlich ungeleimtes weißes Papier zur Filtration in der Weise benutzt, daß dasselbe in einen Glas- oder Porzellantrichter – an den Wänden anschließend – gebracht und hierauf die zu filtrierende Flüssigkeit eingegossen wird. Sind größere Mengen trüber Flüssigkeit zu filtrieren, so verwendet man leinene oder wollene viereckige Tücher (Koliertücher) oder Spitzbeutel aus Filz, seltener Steinfilter oder solche aus plastischer Kohle. Aus schlammigen Flüssigkeiten werden die Verunreinigungen durch Filterpressen (s.d.) abgeschieden.

Hausfilter zum Reinigen trüben Wassers behufs Gewinnung von Trinkwasser sind seit ältester Zeit im Gebrauch. In Aegypten z.B. hat sich bis heute das sogenannte »Sihr« erhalten, ein poröses Tongefäß (bei dessen Herstellung dem Ton Kohle beigemengt wird, die im Ofen verbrennt und große Poren ermöglicht), in das man Wasser bringt und unter dem eine Auffangschale angebracht ist, die das von der Außenfläche abtropfende, durch Verdunstung bei der Prozedur gekühlte Wasser sammelt. Auch poröse Steine, als schüsselförmige Gefäße bearbeitet, werden in den Tropen für dieselbe Prozedur vielfach verwendet (vgl. a. D.R.P. Nr. 33943). Die Porzellanfilter, unter denen das System Pasteur (Chamberland) die größte Verbreitung hat, bestehen aus einem porösen Zylinder von gebranntem Kaolin (Kerze) mit einer unten angebrachten engeren Ausgußöffnung; der Zylinder befindet sich innerhalb eines Metallmantels. In den Zwischenraum zwischen Mantel und Kerze gelangt das zu filtrierende Wasser unter Druck, setzt seine Unreinigkeiten an der Außenfläche der Kerze ab und liefert dem Innenraum der letzteren das Filtrat. Die Kerze kann auch ohne Ummantelung in Rohwasser gebracht und das letztere mittels Ansaugen zum Durchströmen der Wände gezwungen werden (Filtres sans pression Chamberland). Kolbenförmig konstruierte Filter aus gebranntem Kaolin sind von Pukall [6] eingeführt; Berkefeld [7] gebraucht Kerzen von gebrannter Infusorienerde (in der Regel Zylinder von 260 mm Länge, 50 mm Lichtweite und 10 mm Wandstärke). Die Filterkörper der Breyerschen Mikromembranfilter [8] bestehen aus einer dünnen Lamelle sein gemahlenen Asbestes, der auf einem mit Tuch überspannten gelochten Bleche lagert. Aehnliche Einrichtungen und nähere Beschreibungen finden sich in den Patentschriften D.R.P. Nr. 3463, 11688, 20424, 26480, 33095, 34994, 49608, 71278, 73403, 82082, 88927, 96047, 98881, 101506; vgl. a. die Kataloge der Firma W. Schuler in Isny, der Aktiengesellschaft für Großfiltration in Worms u.a.

In England und dessen Kolonien sind die Hausfilter der Silicated Carbon Filter Company, Battersea, London SW., viel verbreitet; deren Filterkörper besteht aus präparierter Kohle. Eigentümliche, mit sogenanntem Carbo calcis präparierte Filter liefert Maignen [9]. O.F. Oeberg (Stockholm) hat sich einen Filterkörper aus plastischer Kohle, den er in eine siedende Lösung von kieselsaurem Alkali und nach dem Trocknen in eine solche von schwefelsaurer Tonerde bringt, patentieren lassen (D.R.P. Nr. 34689). Durch die bei der Benutzung in der äußeren Schicht dieses Filterkörpers entstehenden Niederschläge von kieselsaurer Tonerde sollen die Bakterien von dem Eindringen in das Filtrat abgehalten werden, was sich übrigens[26] nicht als zutreffend erweist. – Das bekannte Piefkesche Schnellfilter [10] verwendet als Filterkörper Cellulose und Asbest. Wegen der besonderen einzelnen Anordnungen verweisen wir auf die angegebene Literatur. Bemerkt sei nur, daß alle diese Hausfilter selbstverständlich nur einige Zeit, nämlich so lange wirksam sind, bis sich die Poren zugesetzt haben; dann muß eine Reinigung oder Erneuerung des Filterkörpers folgen. Je nach dem hierfür zu machenden Aufwände und nach der Fähigkeit des Filters, ein nahezu keimfreies Wasser zu liefern, beurteilt man dessen Wert. Die Hygieniker verwerfen die Kohlenfilter allgemein; auch die andern bisher bekannten Hausfilter werden nicht empfohlen, weil sie beim Mangel an Kontrolle bezw. zu langem Gebrauche sehr leicht einen Nährboden für die Bakterien bilden, die dann in das Filtrat gelangen. Immerhin darf die Bedeutung dieser Hausfilter, besonders für die großen Distrikte, die heute noch der modernen Wasserversorgung entbehren, nicht unterschätzt werden. Bezüglich Prüfung und Beurteilung von Hauswasserfiltern sei auf [11] verwiesen.

Die Filtration im großen erfolgt fast ausnahmslos durch Sandfilter. Durch den Sand werden alle jene Suspensionen des Rohwassers zurückgehalten, die größer sind als die Poren an der Eintrittsfläche. Ist also schon beim frischen Filter der zwischen den einzelnen Sandkörnern vorhandene Raum kleiner als die Dimensionen der Suspensionen im Rohwasser, so bleiben diese zum vornherein vom Eintritte ausgeschlossen. In der Regel ist aber ein Teil der Suspensionen kleiner und vermag dann durchzukommen; deshalb liefert ein frisch in Betrieb genommenes Filter meist unbrauchbares Filtrat. Erst durch die Vorlegung der Suspensionen, unter denen auch Algen, Bakterien u.s.w. sind, die sich rasch vermehren, verengen sich die Poren der obersten Filterschicht, in der die Sandkörner überdies einen schleimigen Ueberzug erlangen; diese sogenannte Filterschmutzhaut befähigt das Filter, auch die feinsten Suspensionen zurückzuhalten. Eine weitere Wirkung der Sandfiltration soll in der Oxydation organischer Substanzen bestehen. Ueber diesen Vorgang sowie über die zu erfüllenden Bedingungen behufs möglichst vollständiger Bakterienzurückhaltung durch die Sandfilter fehlen noch genauere Aufschlüsse. Unzweifelhaft dagegen besteht die Möglichkeit, durch die Filtration ein klares Wasser zu gewinnen und dessen Qualität als Nutzwasser zu verbessern [12].

Die Einrichtung des Filters ist in der Regel so, daß eine Schicht seinen Sandes von 600–1200 mm Stärke horizontal auf einer nach unten allmählich gröber werdenden Lage von Kies und Steinen ruht, die aus grobem Sand, Perlkies, Erbsenkies, Bohnenkies, Nußkies u.s.w. in kleinen Schichtenhöhen gebildet ist. Die unterste Schicht ist durch eine Reihe von Kanälen, die in einen die Mitte des Filters durchziehenden Sammelstrang münden, drainiert; das hier gefaßte Filtrat geht sodann durch Rohrleitungen zum Reinwasserreservoir. – Wie vorhin erwähnt, erhält man erst dann ganz klares Wasser vom Filter, wenn sich über der obersten Sandschichte die »Filterschmutzhaut« gebildet hat, was je nach der Rohwasserbeschaffenheit mehr oder weniger lange dauert. Man kann die Bildung der Filterschmutzhaut dadurch fördern, daß man mit der Filtration erst beginnt, wenn das Rohwasser längere Zeit über dem Filter ruhig gestanden hat. Andernfalls schließt man entweder das in der ersten Zeit von dem Filter gelieferte Filtrat aus oder man verbindet die Rohwasserräume und Reinwasserräume der Filter durch Heberleitungen gegenseitig so, daß jedes Filter von zwei andern Filtrat zur Nachfiltration erhalten bezw. daß jedes Filter sein Filtrat an zwei andre in der Nähe gelegene zur Nachfiltration abgeben kann (D.R.P. Nr. 84837). Die Nachfiltration (Doppelfiltration) gestattet angeblich eine wesentliche Verbesserung der Wasserqualität. Näheres darüber in [13].

Die Wahl des Sandes hängt bei bestimmtem Rohwasser von Versuchen ab, die insbesondere dann angestellt werden müssen, wenn verschiedene Sande zur Verfügung stehen und man den passendsten herausfinden soll. Hat man keine Gelegenheit zu einem Versuche im großen, so kann hierzu der in Fig. 1 dargestellte Apparat benutzt werden. Ist das Rohwasser in F von dem Filtrate in C durch eine Sandschicht von der Höhe h und ein Sieb S getrennt und besitzt die Abteilung F einen Ueberlauf U, der breit genug ist, um einen konstanten Spiegel des Rohwassers herzustellen, so wird sich bei bestimmter Entnahme Q aus dem Hahn A der Spiegel des Filtrates im Räume C um die Höhe H unter jenen des Rohwassers senken. Dieses H ist die wirksame Druckhöhe, die durch die Reibung im Filtersande (in der Hauptsache) verbraucht wird. Erhält man bei bestimmtem H das in der Sekunde ablaufende Wasserquantum Q gerade noch klar, so läßt sich die mindestens erforderliche Filterfläche B für eine bestimmte Sandart und zu filtrierende Wassermenge V pro Sekunde berechnen aus: F : Q = B : V. Selbstverständlich ist das Experiment in den verschiedenen Stadien der Durchgängigkeit des Filters anzustellen, weil zu Anfang der Filtration für die gleiche Wassermenge Q ein viel kleineres H genügt als nach Umlauf einiger Zeit und Bildung einer stärkeren Filterschmutzschicht; dementsprechend ist ein Mittelwert anzunehmen. Als praktische Grenze für Hmax gilt 800 mm. Das Verhältnis von B zu V ist bei den Filteranlagen in Tegel (Berlin) 28800, in Müggelsee (Berlin) 36000, in Hamburg 57600. Man sollte mindestens das Maß B : V = 36000 einzuhalten suchen, was einer Geschwindigkeit des über der Filterschmutzschicht befindlichen Rohwassers von 100 mm pro Stunde, d.h. einer Menge von 2,4 cbm Filtrat pro Quadratmeter Filterfläche in 24 Stunden entspricht. Besser ist es, wie in Hamburg, nur 1,5 cbm pro Quadratmeter anzunehmen.[27]

Die Aufeinanderfolge des Filtermaterials ist in Fig. 2 veranschaulicht, entsprechend dem Hamburger Filter. Sie ist nicht überall dieselbe. Als Minimalmaße dürften gelten: Wasserhöhe 600, Filtersand 600, grober Sand 50, Erbsenkies von 10–20 mm Korndurchmesser 80, Bohnenkies von 20–30 mm Korndurchmesser 120, Nußkies 150, große Steine 200, also Minimaltiefe des Filterbodens unter Normalwasserstand 1800 mm. Eine Uebersicht der bei deutschen und englischen Filtern üblichen Materialfolge gibt [14]. Die Drainage am Filterboden ist stets so anzuordnen, daß das Filtrat bis zur untersten Filterschicht eine möglichst vertikale Bewegung erhält; je näher die Drains aneinander liegen, bezw. je gröber das zu unterst liegende Material im Filter ist, um so besser wird diese Forderung erfüllt. Auch die Gleichmäßigkeit dieser Bewegung ist wesentlich. Sie wird nicht stattfinden, wenn die Filterschmutzschicht eine verschiedene Porosität zeigt, sei es, daß dieselbe an einzelnen Stellen durch Einwerfen von Steinen, Aufsteigen von Luftblasen oder Aufwühlen durch Aale u.s.w. durchbrochen ist, sei es, daß überhaupt von vornherein die Bedingungen für deren gleichmäßige Entwicklung gefehlt haben. Die letzteren fehlen insbesondere dann, wenn das zugeleitete Rohwasser sehr viele grobe Sedimentationen liefert und in seiner Beschaffenheit während einer Filtrationsperiode rasch wechselt. Es empfiehlt sich deshalb, der Filtration die Ablagerung (s. Ablagerungsbassin) vorhergehen zu lassen.

Beschaffenheit des Filterkörpers. Alle zu dem Einbau eines Filterbettes verwendeten Materialien sollen möglichst gleichmäßig und rein sein; die mittlere Korngröße des Sandes für die oberste Lage im Filter soll aus praktischen Rücksichten 0,5 mm übersteigen. In der Regel sucht man Sand mit ca. 1 mm Korngröße zu verwenden.

Die Größe eines Filterbeckens ist nicht allein durch die absolut erforderliche Filterfläche B gegeben; diese muß jederzeit vorhanden, überdies aber noch die Möglichkeit geboten sein, während des Betriebes wenigstens ein Becken auszuschalten (zu reinigen, zu entleeren, frisch auszufüllen), so daß unter allen Umständen zwei erforderlich sind. Die größten Becken besitzt Hamburg (Fig. 3) mit 7500 qm Filterfläche; für kleine Betriebe nimmt man in der Regel Flächen von 700–1200, für mittlere solche von 1200–2000 qm [15]. Die dem Kostenminimum entsprechende Zahl der Unterabteilungen für den Fall, daß mehr als zwei solcher Abteilungen erforderlich sind, läßt sich leicht analytisch bestimmen [16]. Im übrigen werden die Filterbecken offen und überdeckt hergestellt. Offene Becken empfehlen sich dort, wo betriebsstörende Eisbildungen selten vorkommen, wie z.B. in dem Küstenklima Hamburgs. Als Vorzug derselben gilt, daß Luft und Sonne ihre Desinfektion erleichtern [17]. Große Störungen und Verschlechterungen des Filtrates [18] entstehen aber durch die Eisbildung im strengen Klima und verdienen in diesem die überdeckten Filter unbedingt den Vorzug. Die Ueberdeckung erfolgt gewöhnlich durch Ueberwölben (Fig. 4) oder mit flachen Decken in Betoneisenkonstruktion; doch dürfte in vielen Fällen eine Ueberdachung und heizbare Ueberbauung sich noch mehr empfehlen.

Der Filterbetrieb hat vor allem dafür zu sorgen, daß die Bewegung des Wassers in der oberen Sandschicht behufs Erzeugung eines reinen Filtrates nur durch kapillare Zwischenräume erfolge; deshalb muß bei der Inbetriebsetzung das Filter von unten nach oben durch Reinwasser gefüllt werden, da beim Füllen von oben nach unten die in den Filterschichten vorhandene Luft die filtrierende Sandschicht an einzelnen Stellen durchbrechen und nichtkapillare Zwischenräume erzeugen würde. Auch sind Entlüftungsröhren an den höchsten Stellen der Drains und von der untersten Filtrierschicht über Tag zu führen. Auf die Dauer der [28] Filtration ist für eine dem allmählichen Zuwachsen der Poren an der Filterschmutzhaut entsprechende anwachsende Ueberdruckhöhe H zu sorgen (vgl. S. 27). Ist das zulässige Maximum der Ueberdruckhöhe erreicht, so muß das Filter ausgeschaltet und vollständig entleert werden, worauf die Filterschmutzdecke durch Abschälen entfernt wird. Der herausgeschaffte schmutzige Sand kann gewaschen und wieder benutzt werden. Ist durch Abschälen die Stärke der oberen Sandschicht auf 300 mm gesunken, so ist neuer Sand aufzubringen. Um den Betrieb jederzeit in allen wesentlichen Teilen übersehen zu können, ist es notwendig, die Ueberdruckhöhe, das zugeleitete und das filtrierte Wasserquantum sowie die Qualität des letzteren kontinuierlich beobachten zu lassen. Die Qualität ist nicht allein vom Filtrationsprozesse, sondern auch von der Rohwasserherkunft beeinflußt und ist die Wasserentnahme aus allen der Verunreinigung ausgesetzten Oberflächengewässern tunlichst zu vermeiden.

In Preußen sind durch Ministerialerlaß vom 19. März 1894 an die Oberpräsidenten diese angewiesen, die Beachtung bestimmter Grundsätze für die Reinigung der Oberflächenwasser durch Sandfiltration zu bewirken. Die technischen Einrichtungen werden darin so verlangt, daß: 1. jederzeit Proben des Filtrates leicht entnehmbar sind; 2. jedes Filter für sich entleert und von der Reinwasserleitung abgesperrt werden kann; 3. eine richtige Filtrationsgeschwindigkeit (nicht über 100 mm) stattfinde;1 4. Durchfluß, Ueberdruck und Beschaffenheit des Filters leicht kontrollierbar und zu regeln sind; 5. der Stand des Wassers im Reinwasserreservoir oder Schachte auf die Filterwirkung ohne Einfluß bleibe; 6. jeder Teil der Fläche eines Filters gleichmäßig wirke; 7. Wände, Luftschächte, Reinwasserkanäle u.s.w. vollständig wasserdicht seien; 8. die Stärke der Sandschicht mindestens 30 cm betrage. In hygienischer Hinsicht wird verlangt, daß regelmäßige (tägliche) bakteriologische Wasseruntersuchung nach besonderer Vorschrift erfolge; mehr als 100 Keime sollen im Kubikzentimeter Filtrat nicht vorhanden sein (!) und der Filter bei Nichterfüllung dieser Bedingung außer Betrieb gesetzt werden. – Die Grundsätze sind nicht unanfechtbar und auch nicht ausreichend, aber bemerkenswert.

Je mehr man sich bei der technischen Einrichtung von dem Bedienungspersonal durch zuverlässige selbstwirkende Apparate unabhängig machen kann, um so einfacher und richtiger gestaltet sich der Betrieb. Von größter Bedeutung ist die Regulierung und Registrierung der Ueberdruckhöhe, Durchflußmenge und Rohwassermenge. Die beiden letzteren sollen annähernd gleich sein. Fließt mehr Rohwasser zu, als Filtrat abgeht, tritt also der Ueberlauf in Tätigkeit, so lagert das Rohwasser ohne Nutzen über dem Filter ab und erhöht den Betriebsaufwand durch Näherrücken des Zeitpunktes der Verstopfung. Große Sorgfalt ist auf die Wasserdichtigkeit aller Umfassungswände, Kanäle, Rohrleitungen u.s.w. zu verwenden. Als Reserve bei einer größeren Zahl von Filterbecken sind höchstens drei, mindestens aber eins erforderlich; bei drei kann das erste in der Reinigung, das zweite in der Auffüllung, das dritte in der Entleerung oder Auslüftung begriffen sein ohne Betriebsstörung. Bei überwölbten oder bedachten Filtern muß der Gewölbescheitel bezw. das Dach sich etwa 2 m über dem höchsten Sandstande im Filter befinden, damit die Arbeiter beim Abschälen noch aufrecht stehen können.

Kosten der Filtration. Ausschließlich des Grunderwerbes, der Zu- und Ableitungen, Reinwasserbehälter und maschinellen Einrichtungen kosten pro Quadratmeter nutzbarer Filterfläche in Deutschland bei mittleren und großen Anlagen die offenen Filter 45–50, die überdeckten 70–100 ℳ. Kleinere Anlagen sind relativ teurer. Für Verzinsung und Amortisation der Anlagekosten rechnet man in der Regel 51/2–6%; der hieraus sich berechnende Aufwand, verteilt auf das Gesamtquantum des in einem Jahre gelieferten Filtrates, ist stets der größere Teil der Kosten pro Kubikmeter Reinwasser. Die Reinigung, Sanderneuerung, Wartung und Unterhaltung kosten pro Kubikmeter Filtrat in der Regel 0,15–0,30 Pfennig, nur ganz ausnahmsweise 0,50 Pfennig; selbstverständlich hängt die Größe dieses Betrages wesentlich von der Beschaffenheit des Rohwassers ab. Die Gesamtkosten pro Kubikmeter schwanken zwischen 1 und 1,5 Pfennig.

Ueber weitere Einzelheiten gewähren die in Fig. 3–6 dargestellten Einrichtungen und nachfolgende Beschreibungen näheren Aufschluß.

Fig. 4 zeigt Längenschnitt und Querschnitt der neueren überwölbten Filter des Stuttgarter Neckarwasserwerks. Die Zuleitung des Rohwassers erfolgt bei z, s ist der Sammelkanal für das Filtrat, l sind Luft- und Lichtschächte. Bei e befindet sich die Schwimmervorrichtung zum Messen der Ueberdruckhöhe für die Filtration, bei r der Regulierungsschieber für den Abfluß des Wassers, dessen Quantität an der Meßvorrichtung u abgelesen werden kann; a ist das Reinwasserablaufrohr, b das Entleerungsrohr. Im Detail stellt Fig. 5 den Reinwasserschacht dar. Unter der Abflußleitung a an der Filterwand ist ein Schwimmer s in das Wasserstandsrohr w eingeschaltet, der die in a vorhandene Wasserstandshöhe an einem oberhalb angebrachten Pegel abzulesen gestattet; die Differenz zwischen dieser Ablesung und jener des Rohwasserstandes gibt[29] die Filterüberdruckhöhe H (vgl. S. 27). Der mittels eines Handrades h regulierbare Schieber b gestattet, die Durchflußmenge nach Belieben einzufallen. Das Wasser gelangt dann durch ein Ueberlaufrohr, in welchem sich ein beweglicher Teller t befindet, der durch ein im Pegel p befindliches Gegengewicht ausbalanciert wird, in den Reinwasserschacht. Je höher sich infolge des Durchflusses der Teller hebt, ein um so größeres Quantum wird entnommen, und umgekehrt; der Pegel p gibt durch eine mittels Versuchen eingeteilte Skala und Zeiger genau die dem betreffenden Tellerstande entsprechende Durchflußmenge an. Soll das Filter entleert werden, so werden der normal geschlossene Schieber c und der Leerlaufschieber l geöffnet, worauf das Wasser nach dem Leerlaufrohr e abfließt. Das Reinwasser strömt durch das Rohr z aus dem Schachte nach dem Reinwasserrohr r, dessen Ablauf sich im Reinwasserreservoir befindet. Durch diese Einrichtung kann dem Filter eine im Belieben des Wärters stehende Wassermenge entnommen werden; der Wärter muß aber darauf achten, daß Zulauf und Ablauf in gleichen Grenzen gehalten werden. Bei den Hamburger Filtern wird der Zulauf automatisch durch die aus Fig. 6 ersichtliche Schwimmervorrichtung geregelt [19]. Soll stets ein konstantes Wasserquantum ablaufen, so wird ein bewegliches Rohr (Fig. 7), dessen tiefste Stellung der größten zulässigen Ueberdruckhöhe entspricht, durch ein Schwimmerpaar so gehalten, daß durch dessen Einlauföffnungen eine bestimmte Wassermenge, die durch Aenderung des Auftriebs mit der in der Mitte zwischen den Schwimmern befindlichen Kette reguliert werden kann, eintritt. In diesem Falle ist auch die Zulaufmenge konstant. Andre Vorrichtungen haben die Berliner Filter ([15], S. 280, und [20], S. 463), die Hamburger und Pilsener Filter ([20], S. 463 und 464), die in Königsberg ([15], S. 280) sowie in Worms ([15], S. 281). – Einrichtungen zur Sandwäsche sind beschrieben in [20], S. 472, und in [15], S. 285; Apparate zur Ermittlung des Klarheitsgrades vom Wasser sind in [21] angegeben.

Kein Filter arbeitet vollständig keimfrei; selbst bei sorgfältigem Betrieb und kleinen Filtriergeschwindigkeiten ist es nicht ausgeschlossen, daß pathogene Bakterien zum Reinwasser gelangen. Unter diesen Umständen ist es von größter Wichtigkeit, für ein möglichst reines, unverdächtiges Rohwasser zu sorgen, wenn das Filtrat als Trinkwasser Verwendung findet.

Sandfilter mit Rückspülung. Das Abschälen beschmutzter oberster Sandschichten bei den seither beschriebenen Sandfiltern sowie die von Zeit zu Zeit erforderliche Erneuerung des Sandes sind kostspielige und zeitraubende Arbeiten, die gleichzeitig die Aufstellung von teuren Reservefilterbecken bedingen, wenn die Betriebsunterbrechungen die Wasserversorgung nicht stören sollen. Außerdem sind die Herstellungskosten der meist sehr umfangreichen Filteranlagen sehr bedeutende (vgl. S. 29 und [16], S. 439). Man ist deshalb schon seit langer Zeit bestrebt, die sonst gut bewährten Sandfilter so anzuordnen, daß sie zur Gewinnung größerer Filtratmengen auf relativ kleinem Raum Platz haben und ihre Reinigung leichter bezw. mit geringeren Kosten[30] bewerkstelligt werden kann. Unter den zahlreichen Vorschlägen in dieser Richtung (vgl. die D.R.P. Nr. 51638, 64605, 68026, 75628, 77145, 78098, 79826, 83542, 88446, 91829, 94864, 95 202, 97438, 98034, 99131, 107739, 113783, 116534, 121440, 131466 u.s.w.) erwähnen wir die Sand- bezw. Kiesfilter mit Rückspülung, die sich besonders für die Vorreinigung von Kesselspeisewasser vielfach als brauchbar erwiesen haben.

Der Filtriervorgang in offenen Filtern ohne Druck ist in Fig. 8 dargestellt, die wir einem Prospekte der deutschen Filiale Düsseldorf der Stéame l'épuration des eaux, Paris, entnehmen. Das in den Trichter E aus der Rohrleitung A kommende und mittels Steigrohr B beigeführte Rohwasser ergießt sich durch das Zuflußrohr T nach der Teilungsplatte R, von der es horizontal über die Filterschicht verteilt wird. Schwimmer F und Ventil D regeln den Zufluß. Das Rohwasser geht durch die Filterschicht und ein Sieb in den konischen Raum K und fließt von hier nach dem Reinwasserrohr S. Soll gereinigt werden, so entleert man durch P den Raum oberhalb der Filterschicht, führt von Raum K aus Reinwasser als Gegenstrom durch das Filter, wobei der Aufwühlapparat L die Reinspülung des Filtermaterials unterstützt und rasch aller Schlamm durch P entleert wird. Auch der Raum K kann durch P' entleert bezw. von etwa eingeschwemmtem Sande befreit werden. In einem derart angeordneten Filter von 5 m Durchmesser können 50–60 cbm Wasser pro Stunde gereinigt werden. – Eine ganze Reihe von Unternehmungen baut ähnliche Anlagen; das sogenannte Warren-Filter, das Kiesfilter von Reisert-Köln, das der Berliner Wasserreinigungsgesellschaft, von Louis Schröter-Reppen, der Economiser Werke in Düsseldorf-Grafenberg u.s.w. gehören hierher. Wir verweisen auf die Kataloge dieser Firmen.

Die unter Druck arbeitenden geschlossenen, den soeben beschriebenen ähnlichen Wasserfilter liefern eine relativ größere Filtratmenge. Die Füllung besteht in der Regel aus Erbsenkies (Perikies), der ebenfalls durch Gegenstrom unter Mitwirkung einer Wühlmaschine gereinigt wird. Einen derartigen Filtrationsapparat von Reisert-Köln (D.R.P. Nr. 75628) zeigen die Fig. 9 und 10. In den geschlossenen Behälter von zylindrischer oder prismatischer Form sind in gewissem Abstand horizontal zwei Siebe f, f aus gelochtem Blech und Drahtgeflecht eingebaut. Der Zwischenraum ist mit seinem Perikies F bis 4/5 der Höhe ausgefüllt. Fig. 9 zeigt den Apparat im gewöhnlichen Betrieb. Das trübe Wasser strömt durch das Ventil A, durchdringt den Kies und fließt durch das Ventil B klar ab. Ist das Filtermaterial so weit verschlammt, daß die Leistung merklich abzunehmen beginnt, so muß das Filter ausgewaschen werden. Man schließt (Fig. 10) hierzu das Ventil A, öffnet dagegen das an der Rückwand des Behälters gelegene, in der Figur gestrichelt gezeichnete, den Ablauf S bedienende Schlammabflußventil[31] und das Lufthähnchen X. Desgleichen öffnet man das Ventil C und setzt mittels des Dampfventils D den Luftkompressor L in Tätigkeit. Die in das Rohrsystem R gepreßte Luft strömt durch eine Anzahl kleiner Oeffnungen unter das Filtriermaterial und in dasselbe hinein und wühlt es, unter gleichzeitiger Rückströmung des Wassers, energisch auf. Der Schlamm wird hierdurch losgerissen und fließt durch das Rohr S ab, während die Luft durch den Hahn X entweicht und der Dampf kondensiert wird. Nach wenigen Minuten stellt man den Luftkompressor L wieder ab und läßt das Wasser noch 2–3 Minuten zurückströmen, damit so alle Luft aus dem Kies entfernt und letzterer völlig rein wird. Hierauf werden die Ventile wieder in die ursprüngliche Lage (nach Fig. 9) gestellt. Das Auswaschen erfordert etwa 5 Minuten. – Die Leistungsfähigkeit der Filter ist naturgemäß von der Beschaffenheit des Wassers abhängig, doch kann man durchschnittlich 8 cbm in der Stunde für 1 qm Filterfläche annehmen.

Das in Fig. 11 dargestellte Kröhnke-Filter [22] (D.R.P. Nr. 83542) besteht im wesentlichen aus einer horizontal in zwei Achsen drehbar verlagerten, an beiden Enden geschlossenen Trommel als Filtergehäuse, im Innern durch vertikale Querwände so geteilt, daß sich scheibenförmige Kammern bilden, abwechselnd mit Sand und Wasser gefüllt. Die Wasserkammern sind durch geeignete Kanäle mit je einer der Hohlachsen des Trommelgehäuses so verbunden, daß eine bestimmte Anzahl von Kammern Rohwasser durch die eine Hohlachse aufnimmt, während eine andre Zahl Kammern filtriertes Wasser durch die andre Hohlachse abgibt. Zwischen Rohwasser- und Reinwasserkammern liegen die Filterscheiben aus Sand zwischen seinen Metallsieben, durch starke gestanzte Schutzböden verstärkt. Die Sandkammern sind größtenteils, jedoch nicht völlig mit Sand gefüllt. Die Scheidewand zur Rohwasserkammer ist vollständig durchlässig, diejenige zur Reinwasserkammer nur im unteren Drittel. Die Korngröße der Sandscheibe wird dem Zwecke des Filtrats angepaßt; doch ist dieselbe bis zur minimalsten Grenze zulässig, weil die einschließenden Metallsiebe von denkbar feinster Lochung sind. Die Sandscheiben bieten dem Rohwasserstrom zwei Filterflächen, eine im Kreisabschnitt, eine in der oberen Horizontalfläche des lagernden Sandes, beide zusammen sind größer wie der Kreisinhalt einer Scheibenfläche selbst. Fig. 11 zeigt ein vierfaches Filter, das mehr als die vierfache Leistung eines der bekannten Horizontalfilter gleichen Durchmessers hat, weil die Filterfläche größer ist als der Kreisinhalt und in jeder Sandkammer einmal zur Verfügung steht. Durch Einbau einer beliebigen Anzahl von Sandkammern nebeneinander würde die Leistung des Filters also immer noch größer sein als diejenige der gleichen Anzahl von Horizontalfiltern desselben Durchmessers, ohne wesentlich mehr Raum zu beanspruchen wie ein oder zwei Horizontalfilter nebeneinander.

Nimmt die Lieferungsfähigkeit durch Verschlammung der Filterfläche ab, ist also eine Reinigung erwünscht, so wird die Trommel durch ein angebautes Zahnradgetriebe mittels Kurbel in langsam rotierende Bewegung gebracht. Vorher wird der Wasserweg im Filter durch geeignete Schieberstellung umgekehrt, so daß das Wasser von den Reinwasserseiten aus gegen die Schmutz- und Schlammschichten auf den Filterflächen strömt. Inzwischen wird das Filter fortwährend gedreht und dadurch der Sand von allen Seiten, Korn für Korn, vom Reinigungswasser getroffen; hierdurch werden Schmutz und Schlamm zerrieben und fortgedrückt.

Alle diese Einrichtungen bewähren sich gut in industriellen Betrieben; bei der städtischen Wasserversorgung sind sie selten angewendet und nicht empfehlenswert.

Filtration durch poröse Zellen. Für die Filtration im großen sind zum Zwecke der Herstellung von Genußwasser auch poröse Zellen und Röhren aus natürlichen und gebrannten Steinen (Filterplatten und Filterzylinder) in Anwendung gebracht worden, z.B. in der Stadt Worms und bei der Wientalwasserversorgung [23]. Ursprünglich wurden die Filterplatten von Fischer Peters-Worms (D.R.P. Nr. 77142) entsprechend Fig. 12 angeordnet; neuerdings werden[32] dieselben aus einem Stück hergestellt und aus reinem Flußsande mit einem als Bindemittel dienenden Natronsilikat geformt, jedoch nur soweit gebrannt, daß der Körper die nötige Fertigkeit erlangt, aber dabei durchlässig bleibt. Aus den Fig. 13 und 14 ist die Anlage eines Filterbassins mit den Filterzellen und Nebeneinrichtungen ersichtlich, wie sie dem Wormser System entspricht. Das Rohwasser fließt durch den Kanal Z in das Bassin und umhüllt die aufrecht stehenden Elemente. Zwischen den Hohlräumen in letzteren und einem der Länge nach alle Elemente verbindenden geschlossenen Rohre r (Fig. 13) wird durch einen Stutzen der Ablauf des Filtrates hergestellt, der mittels des Sammelrohres H nach dem Regulierschachte B (Fig. 13) erfolgt. Die Druckhöhe, d.h. der Abstand zwischen dem Wasserstand (WS) des Bassins und dem Ueberlaufe (WS) des Teleskoprohres T (Fig. 14) wird durch Schraube und Handrad R1 eingestellt; der auf dem Rohwasser angeordnete Schwimmer S hält diese Druckhöhe konstant, so daß man in der Lage ist, ein stets gleichbleibendes, aber beliebiges Wasserquantum zu filtrieren. Das Filtrat zieht durch das Ablaufrohr A nach dem Reinwasserreservoir. Einzelne Elementengruppen können durch die an den Enden der Röhren r vorgesehenen Schieber außer Betrieb gesetzt bezw. in den Betrieb wieder aufgenommen werden. Sollen die Elemente gereinigt werden (was etwa alle 4 Wochen nötig ist), so wird durch die Leitung D (Fig. 13 und 14), nachdem die Schieber s geschlossen sind, Wasser unter Druck eingelassen, das dann in die Hohlräume der Elemente tritt und die Steinplatten von innen nach außen spült. Auf demselben Wege kann eine Reinigung durch Wasserdampf erfolgen, wenn es sich darum handelt, die Platten zu sterilisieren bezw. die in den Poren enthaltenen organischen Körper zu vernichten. Der Leerlauf des Filterbeckens vollzieht sich durch das Rohr L. Als Vorzüge des Wormser Systems gegenüber gewöhnlichen Sandfiltern werden die senkrechte und deshalb der Absetzung des Schlammes ungünstige Anordnung der Filterflächen, die Möglichkeit der Sterilisation und die Billigkeit der unter geringem Wasserdruck arbeitenden Anlage (Kosten ca. 60 bis 65% einer gut konstruierten Sandfilteranlage) geltend gemacht. Die Ergiebigkeit ist pro Quadratmeter Filterfläche der Steinplatten dieselbe wie pro Quadratmeter Sandfilterfläche, d.h. sie kann in gleicher Weise durch Einstellen der Druckhöhe reguliert werden. Bei 100 mm Filtrationsgeschwindigkeit pro Stunde (vgl. S. 27) treten auf den beiden Filterflächen der Platte 2 · 2,4 = 4,8 cbm Wasser in den Hohlraum eines Elements.

Die Aktiengesellschaft für Großfiltration in Worms beschreibt in [24] Anlagen, bei denen die Filterplatten durch Filterzylinder ersetzt sind, die aus mehreren Ringen von ca. 20 cm Höhe (ein Element von 1 m Höhe aus fünf Ringen) bestehen. Das Material der Ringe ist porös und ähnlich dem der Platten. Kurka [25] verwendet zur Großfiltration zylindrische Elemente aus porösem Stein von gleichmäßiger Struktur mit seinen Poren (D.R.P. Nr. 96047). Dieses Steinrohr hat geschlossenen Boden, quadratischen Kopfansatz und keilförmige Kopfflächen; die Länge des Elementes beträgt 120 cm, wovon auf den unteren zylindrischen Teil 108, auf den quadratischen Kopfansatz 12 cm entfallen. Der Durchmesser des zylindrischen Teils beträgt 23 cm, die Breite und Länge des quadratischen Kopfansatzes je 25 cm; die innere Bohrung hat einen Durchmesser von 9 cm, die Wanddicke ist also 7 cm. Die Elemente werden senkrecht stehend in Kammern eingebaut; 16 Elemente erfordern 1 qm Bodenfläche. Die Filtration erfolgt von außen nach innen. Aehnliche Einrichtungen aus andern porösen Elementen sind vielfach vorgeschlagen worden (vgl. z.B.D.R.P. Nr. 107251). In der Praxis wird indessen diese Art Filtration selten angewendet. Die Poren verlegen sich, ohne daß es vollständig gelingt, durch Rückspülung die[33] eingedrungenen Unreinigkeiten zu beseitigen. Für gewerbliche Zwecke sind die Anlagekosten zu hoch und in der städtischen Wasserversorgung ist es den bis jetzt bekannten Systemen nicht gelungen, die Sandfiltration zu verdrängen, die sich seit langer Zeit als das bis jetzt vollkommenste Wasserklärungsmittel im großen bewährt hat.

Besondere Filtrationsmethoden und Filterkörper sollen, soweit sie auch die chemische Beschaffenheit des Wassers ändern bezw. die im Wasser gelösten Stoffe entfernen, unter Wasserreinigung besprochen werden. Die im Wasser vorhandenen Bakterien werden durch keines der im vorstehenden erwähnten Filtrationsverfahren vollständig zurückgehalten; doch ist im allgemeinen eine wesentliche Verminderung der spezifischen Bakterienzahl erreichbar. Neuerdings wird versucht, durch Sterilisierung (s.d.) bezw. Ozonisierung (s.d.) die Bakterien zu vernichten. Die Zurückhaltung seiner und feinster Suspensionen sowie besonderer Methoden zur Filtration haben verschiedene Anordnungen – z.B. Doppelfiltration, Zumischung von Ton zum Sand sowie andre besondere Filtermassen ü. s. w. – gezeitigt, die ebenso wie Betriebsverhältnisse und zahlreiche sonstige im vorstehenden nicht eingehender besprochene Einrichtungen aller Art in [26]–[39] und in den D.R.P. Nr. 5210, 7676, 9688, 11670, 12849, 13524, 17828, 18262, 20312, 21768, 23057, 23060, 23404, 23725, 23807, 24641, 25541, 26480, 28547, 30401, 30611, 32647, 33071, 34 056, 34667/68, 41181, 42082, 42426, 42857, 43039, 43254, 45112, 45130, 46185, 46195, 47508, 48502, 48919, 49608, 49623, 50479, 52220, 52496, 53075, 53304, 54037, 54129, 54137, 54141, 55132, 55426, 56981, 58355, 58676, 58881, 58999, 60684, 61755, 61958, 63037, 64384, 66289, 66291, 67201, 67253, 68260, 68410, 69640, 69781, 70050, 70513, 70973, 72085, 72269, 73403, 73740, 74141, 75628, 76136, 76194, 77133, 78003, 79236, 79822, 81261, 81770, 82601, 85023, 85237/38, 85572, 86571, 86675, 87677, 90030, 91903, 92252, 94863, 95835, 98389, 100716, 100893, 101096, 101439, 104636, 106968, 107251, 109269, 110747, 110971, 119663, 125394 nachgesehen werden wollen. In gewerblichen Betrieben werden auch vielfach Filtertücher zur Filtration verwendet; vgl. hierüber den Artikel Filterpressen und die besonderen Methoden in den D.R.P. Nr. 33434, 43441, 56052, 72754, 77611, 105109. Die Filtration durch die Grasnarbe von Wiesen bezw. die Erzeugung künstlichen Grundwassers auf diesem Wege ist da und dort erfolgt; strengeren hygienischen Anforderungen vermag aber das so gewonnene Wasser nicht zu entsprechen. Vgl. a. Wasserreinigung.


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Lueger.

Fig. 1.
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Fig. 2.
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Fig. 3.
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Fig. 4.
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Fig. 5.
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Fig. 6.
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Fig. 7., Fig. 8.
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Fig. 9., Fig. 10.
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Fig. 11.
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Fig. 12.
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Fig. 13., Fig. 14.
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1Geschwindigkeit ist hier das Maß, um welches das Wasser im freien Wasserraum über dem Filtersande während einer Stunde herabsinkt.
Quelle:
Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 4 Stuttgart, Leipzig 1906., S. 25-34.
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