Filterpressen zur mechanischen Entwässerung von Schlamm

• 1. Die Entwässerung von Schlamm
• 2. Beschreibung der Filterpresse
• 3. Dimensionierung einer Filterpresse zur Schlammentwässerung
• 4. Funktionsweise eines Pressfilters
• 5. Arten von Filterpressen
• 6. Kombination aus DAF und Filterpresse in der Abwasserbehandlung
• 7. Schlussfolgerung

1. Die Entwässerung von Schlamm

Ein gemeinsames Ziel der meisten Kläranlagen ist es, das Volumen des anfallenden Schlamms sowohl in der Vor- als auch in der Nachbehandlung so weit wie möglich zu reduzieren.

Die Schlammentwässerung kann durch mechanische oder thermische Verfahren erfolgen, wobei die mechanischen Verfahren eine wesentlich kostengünstigere Option darstellen. Dies sind die wichtigsten Technologien für die mechanische Schlammentwässerung:

• Zentrifugal-Dekanter.
• Bandfilter.
• Schraubpressen.
• Pressfilter.

Pressfilter sind die Technologie, mit der sich der höchste Entwässerungsgrad erzielen lässt und die zudem geringere Energie- und Reagenzienkosten verursacht.

Trocknungsprozess	% Trockengehalt des Schlamms	Energieverbrauch	Verbrauch an Reagenzien
Zentrifugal-Dekanter	18 – 23	Sehr hoch	Sehr hoch
Bandpassfilter	18 – 22	Bass	Sehr hoch
Schraubpresse	22 – 26	Bass	Sehr hoch
Filterpresse	25 – 50	Sehr niedrig	Bass

Wie bereits erwähnt, die Filter Pressen sind die Technologie, die den höchsten Trocknungsgrad des Schlamms erzielt, aber im Gegensatz zu den anderen Systemen arbeiten sie diskontinuierlich.

Pressfilter kommen in verschiedenen Industriezweigen zum Einsatz, und in vielen Fällen kann der dabei anfallende entwässerte Schlamm vermarktet werden, wie dies in den folgenden Fällen der Fall ist:

• Keramikindustrie: Es wird in der Keramikindustrie eingesetzt, um die Eigenschaften von Porzellan, Steingut, Marmor, Quarz und Pigmenten zu verbessern.          
• Bergbau: Im Bergbau wird die Filterpresse zur Entwässerung von Kohleschlämmen und anderen Mineralien eingesetzt, wodurch trockene Feststoffe von hoher Reinheit gewonnen werden. Sie wird als Teil des Verfahrens zur Gewinnung von Metallen wie Eisen, Blei, Kupfer, Zink, Gold usw. verwendet.
• Lebensmittelindustrie: In dieser Branche wird es unter anderem zur Reinigung und Qualitätsverbesserung von Sirupen, Zuckersirupen, Bier, Wein, Hefe und Zucker eingesetzt.
• Pharmazie: In der pharmazeutischen Industrie werden Filterpressen üblicherweise zur Trennung von Flüssigkeiten eingesetzt, wobei Blutserum die wichtigste davon ist, da es als Ausgangsstoff für die Synthese verschiedener Medikamente dient.
• Chemie: In der chemischen Industrie werden diese Filter zur Konzentration von Produkten und zur Abscheidung von Rückständen eingesetzt.

2. Was ist eine Filterpresse?

Eine Filterpresse ist eine Maschine, die auf einem Tragrahmen montiert ist und eine Reihe von Kammern mit Filtergeweben im Inneren beherbergt. Der Schlamm wird mit einer Pumpe gefördert, bei der es sich in der Regel um eine pneumatische Pumpe handelt, um Betriebsstörungen zu vermeiden, die durch den hohen Feststoffgehalt in der zu filternden Flüssigkeit verursacht werden könnten.

Eine Filterpresse besteht aus:

Prägefigur oder Rahmen des Pressfilters

Es handelt sich um die Konstruktion, die die gesamte Filterpresse bildet und stützt.

Filterkammer

Die konkav geformten, einander gegenüberliegenden Kammern sind die Zwischenräume zwischen den Filterplatten. Sie dienen als Form für den Schlamm, der sich in ihrem Inneren ansammelt. Der Plattenverbund bleibt unter hohem Druck geschlossen und dicht, dank einer elektrohydraulischen Einheit, die das Kammerpaket mittels eines zentralen Kolbens zusammenpresst.

Die Platten können verschiedene Abmessungen haben. Die gängigsten Maße reichen von 80 x 80 cm bis 250 x 250 cm. Als Werkstoff wird meist Kunststoff verwendet, beispielsweise Polypropylen.

Pressfilter arbeiten in der Regel bei Drücken in der Größenordnung von 6 bar, es gibt jedoch auch Hochdruckanlagen mit bis zu 16 bar oder sogar noch höheren Drücken, deren Ziel es ist, eine möglichst hohe Entwässerung zu erreichen. Die Anzahl der Kammern hängt von der bei jedem Trocknungsvorgang zu gewinnenden Schlammmenge ab und liegt in der Regel zwischen 12 und 50.

Um die Anzahl der benötigten Kammern zu berechnen, muss lediglich die Menge des zu entwässernden Schlamms durch das Volumen einer Kammer geteilt werden, wobei die Dichte des Schlamms und die mit dem Filter erreichbare Konzentration zu berücksichtigen sind. Dieser Konzentrationswert wird in Laborversuchen ermittelt und hängt von der jeweiligen Schlammart ab.

Filtergewebe oder Filtermedien

Es handelt sich um Gewebe, die in der Regel aus Kunststoffmaterialien (PP, Polyester, Polyamid usw.) hergestellt werden. Diese Gewebe sind flüssigkeitsdurchlässig und wirken als Filter, indem sie Schwebstoffe zurückhalten.

Die Schlammkonzentration steigt mit zunehmendem Druck bis zu der im Labor ermittelten Auslegungsgrenze an.

Sammler

Ein Sammelbehälter ist ein Bestandteil des Filtersystems, der dazu dient, im Filterprozess Feststoffe von Flüssigkeiten zu trennen. Im Zusammenhang mit einer Filterpresse kann sich der Sammler speziell auf das System oder die Komponenten beziehen, die das Filtrat (die Flüssigkeit, die das Filtermedium durchlaufen hat) auffangen, nachdem die Suspension (das Gemisch aus Feststoff und Flüssigkeit) durch die Filterplatten gepresst wurde.

3. Dimensionierung einer Filterpresse zur Schlammentwässerung

Wir erstellen ein Beispiel mit den folgenden Daten:

• Durchflussmenge am Schlammeinlass = 1,25^m³/h. – Trockensubstanzgehalt des Schlamms am Einlass = 3 %
• Schlammdichte: 1,1 kg/l – Schlammproduktionszeit: 8 Stunden pro Tag

Wir berechnen die Menge an Feststoffen und Flüssigkeit anhand des täglichen Abwasserdurchflusses:

• Q = 1,25^m³/h × 8 h/Tag = 10^m³/Tag=> 10 × 1,1 = 11.000 kg/Tag Schlamm.
• Der Feststoffgehalt dieses Schlamms beträgt 3 %.
• MS = 11.000 kg/Tag × 3 % = 330 kg/Tag Schlamm.
• Der Rest ist der Flüssigkeitsanteil = 11.000 – 330 = 10.670 kg/Tag abzuführende Flüssigkeit.
• Wenn die Schlammkuchen einen Trockengehalt von 30 % erreichen => Tägliche Schlammproduktion = 330/0,3 = 1100 kg/Tag entwässerter Schlamm durch die Filterpresse.
• Davon SS = 330 kg/Tag und abgeleitete Flüssigkeit = 10.670 kg/Tag.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der aus Presskuchen gewonnene Schlamm wie folgt hergestellt wird:

• Wenn der Schlammkuchen eine Dichte von d = 1,4 kg/l hat, beträgt das Volumen des anfallenden Schlammkuchens bei einem Schlammgehalt von 30 % = 1100 kg/Tag / 1,4 kg/l = 785,7 Liter/Tag.
• Die Filterpresse muss täglich eine Kuchenmenge von 785,7 Litern entfernen.

Nehmen wir an, dass die Filteranlage 8 Stunden pro Tag in Betrieb ist und dass ein Filtervorgang (einschließlich Befüllung, Filterung, Entleerung und verschiedener Optionen) 4 Stunden dauert. Unter diesen Bedingungen sind 2 Filtervorgänge erforderlich, um den an einem Tag anfallenden Schlamm zu entwässern, und jeder Entwässerungsvorgang erzeugt = 785,7/2 = 392,9 Liter Schlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 30 %.

Volumen der Filterpresse = 785,7 Liter / 2 = 392,85 Liter.

Um die Anzahl der benötigten Platten zu ermitteln, gehen wir wie folgt vor:

• Berücksichtigte Plattengröße = 1000 x 1000 x 25 mm
• Volumen pro Platte = 19,7 l. Fläche pro Platte = 153,1^dm²

Die Anzahl der Platten für jeden Trocknungsdurchgang beträgt = 393 Liter / 19,7 = 19,9, also 20 Kammern. Da die Anzahl der Filterplatten n+1 Kammern beträgt => 20 + 1 = 21 Filterplatten. Und die Filterfläche der Filterpresse beträgt = 20 x 1,53 m = 30,3^m²

4. Funktionsweise eines Pressfilters

Der Schlammstrom gelangt über einen Sammelkanal in die Kammern, von dem aus jede Kammer versorgt wird. Der Schlamm wird von einer Druckluftpumpe in die Kammern befördert.

Das abfließende Wasser wird nach der Filterung auf der gegenüberliegenden Seite aufgefangen. Auf diese Weise tragen die Filtergewebe und der sich ansammelnde Schlamm dazu bei, den Druck zu erhöhen, die Konzentration zu steigern und Schlammkuchen zu bilden. 

Der zugeführte Schlamm muss die Filterkammern zügig füllen, damit sich gleichmäßige Filterkuchen bilden (Dauer ca. 5–6 Minuten). Aus diesem Grund werden üblicherweise Niederdruck-Hilfspumpen eingesetzt.

Je nach Art des abzuscheidenden Feststoffs wird ein spezielles Flockungsmittel oder eine Kalkmilch in einen vorgeschalteten Schlammbehälter dosiert. In manchen Fällen werden auch zuvor Koagulierungsmittel wie Fe(OH)_₃ oder PAC zugegeben.

Während der Verbrauch an Flockungsmitteln in der Regel 4 kg/t Trockensubstanz nicht übersteigt, erreicht der Kalkverbrauch Werte von bis zu 15 % der Trockensubstanz des Schlamms, was zu einem höheren Entwässerungsgrad führt, allerdings auf Kosten einer höheren Schlammproduktion (Trockensubstanz).

Während sich der Schlammkuchen bildet, steigt der Druck im Inneren der Kammern an, bis er schließlich einen asymptotischen Wert erreicht und die pneumatische Pumpe ihre Drehzahl verlangsamt, bis sie fast zum Stillstand kommt. An diesem Punkt wird auch der Durchfluss des abfließenden Wassers gestoppt, was von einem Durchflusssensor erfasst wird. Das Ende des Presszyklus wird durch das Signal eines Druckschalters erkannt, der den Bediener auf die Situation aufmerksam macht. In diesem Moment sind die Schlammkuchen bereit zum Entladen.

Die Pressfilteranlage wird in der Regel auf einem erhöhten Gestell montiert, sodass unter dem Kammerpaket ein Behälter aufgestellt werden kann, in dem die gepressten Feststoffe aufgefangen werden. Diese Behälter sind meist mit einer Entleerungsvorrichtung ausgestattet, für den Fall, dass Wasser oder schlecht geformte Presskuchen in ihren Inneren gelangen. Diese Filter werden üblicherweise im Freien aufgestellt und verfügen über ein Dach, um zu verhindern, dass Regen in den Schlammbehälter gelangt.

Das Entladen der Kuchen ist ganz einfach. Man muss lediglich den elektrohydraulischen Mechanismus, der sie geschlossen hält, entspannen und sie anschließend öffnen und voneinander trennen, damit sie durch ihr Eigengewicht in den Behälter fallen.

Bei kleinen Filtern (mit Platten von bis zu 1 m) kann die Entleerung manuell erfolgen, wobei man sich sogar einer Hebelhilfe bedienen kann, um die Filterkuchen von den Platten zu lösen, an denen sie möglicherweise haften geblieben sind. Bei größeren Filtern kommen automatische Entleerungssysteme zum Einsatz, die die Platten verschieben und die Öffnungen durch Vibrationen oder Klopfen begleiten, wodurch die Filterkuchen herunterfallen. In jedem Fall muss unbedingt überprüft werden, dass keine Filterkuchen ganz oder teilweise an den Platten haften bleiben, um zu verhindern, dass bei nachfolgenden Trocknungsvorgängen der Verschluss nicht korrekt sitzt und Schlamm austritt. Eine gängige Lösung besteht darin, Luftströme durchzuleiten, um die Filterkuchen noch weiter zu trocknen und sicherzustellen, dass das gesamte Wasser abgefiltert wurde.

Um die Entnahme von Trockenschlamm zu optimieren, werden Systeme zum Zerkleinern der Kuchen eingebaut, um das Volumen im Inneren der Behälter zu reduzieren.

Die Wartung dieser Art von Filtern ist sehr einfach, da sie sich darauf beschränkt, die mit den Platten verbundenen Gewebe in einem sauberen Zustand zu halten. Dazu müssen sie in regelmäßigen Abständen gereinigt werden, was entweder einen Waschvorgang im geschlossenen Kreislauf erfordert oder aber, dass sie ausgebaut und separat gereinigt werden, um sie anschließend wieder einzubauen, sobald sie sauber sind.

5. Arten von Filterpressen

Es gibt verschiedene Arten von Filterpressen, von denen jede ihre eigenen Merkmale und spezifischen Anwendungsbereiche hat. Im Folgenden werden einige der gängigsten Typen beschrieben:

• Platten- und Rahmenfilterpressen: Dies ist der traditionellste Typ. Er besteht aus einer Reihe abwechselnd angeordneter Platten und Rahmen, zwischen denen sich ein Filtermedium befindet. Die Feststoffe sammeln sich in den zwischen den Platten gebildeten Kammern an, während das Wasser das Filtermedium durchströmt und abgeleitet wird. Dieser Filterpressentyp ist vielseitig einsetzbar und lässt sich an verschiedene Schlammarten anpassen.
• Filterpressen mit Nachpressmembranen: Bei diesem Filterpressentyp werden an jeder Platte elastische Membranen angebracht. Diese Membranen ermöglichen eine stärkere Kompression des Schlammkuchens, da sie hydraulisch oder pneumatisch aufgeblasen werden, was zu einer höheren Entwässerungseffizienz führt.
• Bandfilterpressen: Im Gegensatz zu Platten- und Rahmenfilterpressen verwenden diese Filter ein durchgehendes Filterband, das sich durch ein System aus gespannten Walzen bewegt. Der Schlamm wird auf das Band gepumpt, wo das Wasser hindurchfiltriert wird und die Feststoffe zurückgehalten werden. Dieser Filtertyp eignet sich besonders für große Schlammmengen und bietet eine hohe Entwässerungsleistung, erreicht jedoch geringere Entwässerungswerte als der Platten- und Rahmenfilter. Die Trockenmasse des Schlamms kann durch Zugabe spezifischer Reagenzien und durch die vorherige Anordnung von Abtropftischen erhöht werden.
• Vertikale oder Turmfilterpresse: Dieser Filterpressentyp ähnelt der Platten- und Rahmenfilterpresse, doch anstatt die Platten horizontal zu stapeln, werden sie vertikal in einem Turm angeordnet. Dies ermöglicht eine bessere Raumnutzung und eine höhere Entwässerungsleistung auf kleinerer Fläche. Turmfilterpressen eignen sich ideal für Anlagen mit begrenztem Platzangebot.

Einbaukammerfilter: Bei der Platten- und Rahmenfilterpresse kommt eine Reihe von Filterplatten und -rahmen zum Einsatz, während bei der Einbaukammerfilterpresse Filterplatten verwendet werden, um Einbaukammern zu bilden. Die Platten- und Rahmenkonstruktion ermöglicht ein einfaches Auflegen des Gewebes, während bei der Einbaukammerkonstruktion das Gewebe fest an den Platten befestigt werden muss. Die Wahl zwischen diesen beiden Konstruktionen hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung, der Filterkapazität und anderen betrieblichen Erwägungen ab.

6. Kombination aus DAF und Filterpresse in Kläranlagen

In einer konventionellen Kläranlage weist der in einem Absetzbecken abgeschiedene Schlamm eine Konzentration zwischen 0,6 und 1,5 % Trockensubstanz auf, je nachdem, ob es sich um Sekundär- oder Primärschlamm handelt. Diese Schlammkonzentration ist zu gering, um den Schlamm in einer Filterpresse zu entwässern, weshalb die Installation eines Zwischenverdickers erforderlich ist.

Ein Eindicker ist eine Anlage von beträchtlicher Größe und hohen Kosten, die einen Behälter, mechanische Systeme und geeignete Förderpumpen erfordert. Der in diesen Anlagen eingedickte Schlamm erreicht in der Regel Konzentrationen von 3 % bis 4 % Trockensubstanz, was bereits als geeignet für die mechanische Trocknung gilt.

Dieser Schlamm wird in einem Sammelbehälter gelagert und nach Zugabe von Flockungs- und Koagulierungsmitteln, falls erforderlich, mittels einer Druckluftpumpe in die Filterpresse geleitet.

Wenn man sich statt einer Sedimentationsanlage für die Installation einem Dissolved-Air-Flotationssystem (DAF), ist auf eine Zwischenverdickungsanlage verzichtet werden kann, da der aus dem DAF gewonnene Schlamm einen Feststoffgehalt von 4 % bis 5 % aufweist. Ein DAF-System bietet folgende Vorteile:

• Platzsparend.
• Die Installation eines Verdickers ist nicht erforderlich.
• Höhere Effizienz bei der Abscheidung von Schwebstoffen.
• Man erhält klareres Wasser von besserer Qualität.

Betrachtet man die wirtschaftlichen Aspekte, so gibt es zwischen beiden Systemen keinen großen Unterschied hinsichtlich der Investitionen und des Verbrauchs, da das DAF-System eine Zusatzausstattung für die Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der zugeführten Luft erfordert.

Flussdiagramm des DAF-Systems + Filterpresse zur Schlammabscheidung und -trocknung

7. Schlussfolgerung

Die bei der Abwasserbehandlung anfallenden festen Abfälle müssen entfernt, behandelt und entwässert werden, um ihr Volumen so weit wie möglich zu reduzieren, wobei mindestens ein Reduktionsgrad erreicht werden muss, der die Annahme auf einer zugelassenen Deponie ermöglicht. Hierfür stehen verschiedene Technologien zur Verfügung, darunter insbesondere mechanische Trocknungsverfahren und insbesondere die Trocknung mittels Filterpressen, da diese einen hohen Trocknungsgrad bei geringen Energie- und Reagenzienkosten bietet.

Ein wichtiger Punkt, den es zu beachten gilt, ist, dass der zu behandelnde Schlamm bereits in geeigneter Form in die Filterpresse gelangt, und zwar durch Zugabe der entsprechenden Koagulierungs- und Flockungsmittel sowie in einer Mindestkonzentration, die den Prozess durchführbar macht (3 % – 5 %).

Schlämme aus Sedimentationskläranlagen erreichen selten solche Konzentrationen, weshalb eine Zwischenverdickung erforderlich ist.

Eine effektive, platz- und kostensparende Alternative, die eine stärkere Reduzierung der Schadstoffe im Abwasser ermöglicht, ist die Flotation mit gelöster Luft (DAF), in der wir bei Sigmadaf über bewährte Erfahrung verfügen.

Der aus dem DAF abgezogene Schlamm weist bereits die erforderliche Mindestkonzentration auf, um zur Entwässerung direkt in die Filterpresse geleitet zu werden.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

Was ist der Unterschied zwischen einer Platten- und Rahmenfilterpresse und einer Einbaukammerfilterpresse?

Filterpresse – die beste Alternative zur Schlammentwässerung

Filterpresse: Merkmale, Bestandteile, Funktionsweise, Anwendungsbereiche