Sandfilter

Prinzip

Sandfilter werden seit langem erfolgreich in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt [GROMBACH, 1993]. Unterschieden werden Langsamfilter mit Filtergeschwindigkeiten von v_f = 0,05-0,2 m/h und Schnellfilter. Letztere werden als offene Schnellfilter (v_f <7 m/h) oder geschlossen unter Druck mit Filtergeschwindigkeiten von 10-20 m/h betrieben [DAMRATH, 1992]. Es sind sowohl Einschicht- als auch Mehrschichtfilter in Gebrauch. In den USA und Australien bestehen Erfahrungen mit dem Einsatz von Sandfiltern zur Regenwasserbehandlung [URBONAS, 1999]. In der Regel kommen Langsamfilter zum Einsatz. Es gibt aber auch Beispiele für den Einsatz von Schnellfiltern. Obwohl meist ein Rückhaltebecken zur Vergleichmäßigung des Zuflusses vorgeschaltet wird, erfolgt die Beschickung des Sandfilters im Gegensatz zum Einsatz in der Trinkwasseraufbereitung intermittierend. Mit der Zeit wird die Durchlässigkeit eines Filters durch die zurückgehaltenen Partikel vermindert. Schnellfilter werden deshalb regelmäßig gespült. Bei Langsamfiltern ist es dagegen üblich nach einer gewissen Zeit die oberste Schicht des Filtermaterials abzuschälen betrieben [DAMRATH, 1992]. Über den Einsatz von Sandfiltern in Kombination mit Flotation und UV-Bestrahlung berichten LAINE et. al. [1998]. In einer Versuchsanlage konnten sehr hohe Wirkungsgrade (>90% bzgl. AFS und CSB) erzielt werden, allerdings mit hohem technischen Aufwand.

Wasserwirtschaftliche Auswirkungen

Folgende Tabelle stellt die Ergebnisse zahlreicher Messungen an amerikanischen Anlagen zusammenfassend dar [URBONAS, 1999]. Die Reinigungsleistung schwankt für die verschiedenen Stoffparameter, wie bei den meisten anderen Verfahren auch. Interessant ist, das Reinigungsverhalten gegenüber Kupfer und Zink. Während bei Regenklärbecken das Reinigungsvermögen gegenüber Kupfer deutlich besser ist als gegenüber Zink, ist es beim Sandfilter umgekehrt.

Tab.: Gemessene Reinigungsleistungen von Sandfiltern [URBONAS, 1999]

Herstellungskosten 

Wie der Flächenbedarf hängen die Herstellungskosten entscheidend von der vorgeschalteten Retention ab. Für das o.a. Beispiel (5 l/(s ha), 75 mm/h), einem umbauten Raum von 1,5 m³ pro m² Filterfläche und spez. Kosten von 500 EUR/m³ ergeben sich flächenspezifische Kosten von 18 EUR/m²_red. Hinzu kommen die Kosten für das Rückhaltevolumen.

Betriebskosten

Sandfilter haben einen nicht unerheblichen Betriebsaufwand. Um die hydraulische Leistungsfähigkeit und die Reinigungsleistung des Filters aufrecht zu erhalten, ist ein regelmäßiges Abschälen der oberen Schichten (50-75 mm) erforderlich. Ein Auflockern der oberen Schicht alleine schafft dagegen nur sehr kurzfristig Abhilfe. Typische Wartungszyklen sind 1-2 Mal pro Jahr. Nach ca. 5-10 Abschälvorgängen ist das gesamte Filtermaterial auszutauschen, da sich auch die Poren in den unteren Schichten zusetzen. Die Betriebskosten steigen mit der Beaufschlagung des Filters. Umso kleiner die Filterfläche in Bezug auf die angeschlossene Fläche, desto häufiger ist eine Reinigung bzw. ein Austausch des Filtermaterials erforderlich. Eine größere Filterfläche ist somit betrieblich günstiger, erhöht aber die Herstellungskosten [URBONAS, 1999]. Bei einem Austausch des Filtermaterials alle 5 Jahre (100 EUR/m²) und einem Abschälen der obersten 7 cm jedes Jahr (10 EUR/m²) ergeben sich jährliche Betriebskosten von ca. 30 EUR/m² Filterfläche. Bezogen auf die angeschlossene Fläche (Flächenbedarf 2,5%) sind dies ca. 0,75 EUR/m²red. Die durchschnittliche Nutzungsdauer von Sandfiltern wird von der LAWA [1998] mit 8-12 Jahren angegeben. Dieser Wert bezieht sich jedoch wahrscheinlich auf geschlossene Filter zur Trinkwasseraufbereitung. Die Nutzungsdauer des Baukörpers von offenen Langsamfiltern liegt schätzungsweise bei 40 Jahren.

Planung, Bemessung, Bau

Die Bemessung eines Sandfilters zur Regenwasserbehandlung ist immer im Zusammenhang mit dem zwangsläufig oberhalb anzuordnenden Rückhalteraum zu sehen. Daraus folgt der Zulauf zum Filter und der Anteil, der im Bypass vorbeigeleitet wird. Ein Problem stellt die abnehmende Durchlässigkeit des Filters dar. Bei einer Bemessung mit einem konstanten k_f-Wert müsste zwangsläufig ein sehr geringer Wert gewählt werden, der zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führt. Messungen an Sandfiltern in den USA haben gezeigt, dass die Durchflussrate mit den akkumulierten Sedimenten im Filter korreliert URBONAS [1999]. Während ein neuer Sandfilter noch eine Durchflussrate von 300 mm/h aufweist, sinkt der Wert während einer Saison schnell auf 50-75 mm/h, um dann langsam auf 15 mm/h weiter abzusinken.

mit: 

q: Durchflussrate in m/h 

k_f: hydraulische Leitfähigkeit des Filtermaterials 

F_AFS: akkumulierte Fracht im Filter in kg/m² 

c: empirische Konstante 

Die im Filter akkumulierte Fracht kann mit den üblichen Ansätzen unter Berücksichtigung des Bypasses und des Wirkungsgrades abgeschätzt werden. Mit Schmutzfrachtmodellen kann das Verhalten des Filters nachgebildet werden. 

Quantitative Wirkung auf den Wasserhaushalt Die Wirkung des Filters selbst auf den Wasserhaushalt ist vernachlässigbar. Das Retentionsvolumen wird allerdings eine Vergleichmäßigung des Abflusses bewirken.