Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?

Der Sandfilter ist ein Tiefenfilter, der Schwebstoffe und Trübung im Wasser durch mechanisches Filtrieren zurückhält. Beim Durchströmen des Quarzsand- oder Mehrschichtmedienbetts von oben nach unten werden die festen Partikel in den Poren des Betts und an den Kornoberflächen abgefangen. Ein typisches einschichtiges Quarzsandbett hält Partikel ab 20 Mikrometern zuverlässig zurück; Mehrschichtbetten (Multimedia) senken diese Grenze auf etwa 10-15 Mikrometer.

Was der Sandfilter zurückhält, ist greifbar: Trübung, Sand, Silt, Rostpartikel, kolloidales Eisen und allgemein Schwebstoffe. Im städtischen Leitungsnetz kommen sie selten vor, bei Brunnenwasser, Quellwasser, Oberflächenwasser und Beckenumwälzwasser dominieren sie jedoch. Wird bei einem Brunnenwasser eine Trübung von 8-15 NTU gemessen, muss dieses Wasser unbedingt durch einen Sandfilter geführt werden, bevor es einem Aktivkohlefilter oder einer Wasserenthärtungsanlage zugeführt wird; andernfalls wird das Bett der nachgeschalteten Geräte mit Schlamm überzogen.

Ebenso wichtig wie seine Funktion ist es zu wissen, was der Sandfilter nicht leistet. Der Sandfilter entfernt kein Chlor, verändert Geruch und Geschmack nicht, senkt die Kalkhärte nicht und hält weder gelöstes Salz noch Schwermetalle zurück. Das sind der Reihe nach die Aufgaben der Aktivkohle, des Ionenaustauscherharzes der Enthärtung und der Umkehrosmosemembran. Vom Sandfilter diese Leistungen zu erwarten, ist das Missverständnis, das wir am häufigsten antreffen. Wenn Sie für Filtrations- und Wasseraufbereitungssysteme einen Sandfilter benötigen, können Sie sich die passende Produktgruppe ansehen. (Details: Sandfilter)

Der Multimediafilter, eine Unterart des Sandfilters, hält kleinere Partikel zurück als ein einschichtiges Sandbett und arbeitet länger. Der Multimediafilter wird durch das schichtweise Einbringen von drei bis vier Medien unterschiedlicher Dichte und Korngröße aufgebaut, und nach der Rückspülung setzt sich jedes Medium entsprechend seiner Dichte wieder an seinen Platz. Deshalb kann das Multimediabett bei gleichem Behältervolumen eine höhere Trübungsfracht aufnehmen als einschichtiger Sand und verlängert das Rückspülintervall. Bei Brunnenwässern mit hoher und schwankender Trübung ist der Multimediafilter fast immer die richtige Wahl.

Der Aktivkohlefilter ist ein chemisches Aufbereitungselement, das gelöstes Chlor, Geruch, Geschmack und organische Verbindungen im Wasser durch Adsorption entfernt. Aktivkohle besitzt eine gewaltige innere Oberfläche von 500-1500 m² pro Gramm; die gelösten Moleküle haften an dieser porösen Oberfläche (werden adsorbiert) und werden so aus dem Wasser abgetrennt. Während der Sandfilter feste Partikel physikalisch abfiltriert, zieht der Kohlefilter die im Wasser gelösten, mit bloßem Auge nicht sichtbaren Moleküle an seine Oberfläche.

Was die Aktivkohle zurückhält, ist klar umrissen: freies Chlor, chlorbedingter Geruch und Geschmack, Chlorphenole, gelöste organische Stoffe (TOC), einige Pestizide und Trihalogenmethane, außerdem bei richtigem Kohletyp Chloramin. Die Entfernung von freiem Chlor erfolgt sehr schnell; ein Bett aus hochwertiger granulierter Aktivkohle (GAC) entfernt 1-2 mg/L freies Chlor praktisch vollständig. Chloramin dagegen wird deutlich langsamer adsorbiert und erfordert deshalb spezielle katalytische Aktivkohle und eine längere Kontaktzeit.

Auch der Aktivkohlefilter hat Grenzen: Er ist nicht dafür ausgelegt, Trübung und Schwebstoffe zurückzuhalten, er senkt die Kalkhärte nicht, entfernt weder gelöstes Salz noch Nitrat und bietet keine mikrobiologische Sicherheit. Im Gegenteil kann ein gesättigtes und ungewartetes Kohlebett ein Nährboden für Bakterienwachstum sein; deshalb wird das Kohlebett regelmäßig rückgespült und nach Ablauf seiner Standzeit ausgetauscht. Für Probleme mit Chlor, Geruch und Geschmack finden Sie hier Kohlelösungen. (Details: Aktivkohlefilter)

Auch der Rohstoff der Aktivkohle bestimmt die Leistung. Die beiden gängigsten Typen werden aus Kokosnussschalen und aus Steinkohle (bituminös) hergestellt. Kokosnussschalenkohle ist überwiegend mikroporös und deshalb bei Chlor und kleinmolekularen organischen Stoffen überlegen; Steinkohlekohle ist überwiegend mesoporös und deshalb bei größeren organischen Molekülen und bei der Entfärbung besser. Für die Chlorentfernung aus Trinkwasser wird Kokosnussschalen-GAC bevorzugt, bei industrieller organischer Belastung Steinkohle-GAC. Dieser Unterschied verändert die Wasserqualität am Austritt selbst bei gleicher Filtergeschwindigkeit.

Die Entscheidung zwischen Sandfilter und Aktivkohlefilter richtet sich danach, ob das Problem des Wassers fest oder gelöst ist. Ist das Wasser trübig, führt es Sand und Silt mit oder hinterlässt es sichtbare Ablagerungen, ist der Sandfilter die Lösung. Ist das Wasser klar, riecht aber nach Chlor, schmeckt schlecht oder riecht wie Beckenwasser, ist der Aktivkohlefilter die Lösung. Diese Unterscheidung ist ein eindeutiges Urteil, und ein Vertauschen der beiden Geräte stört den Betrieb.

• Art der Verunreinigung — Sandfilter: Schwebstoffe, Trübung, Silt, Rost; Aktivkohle: gelöstes Chlor, Geruch, Geschmack, organische Stoffe
• Messwert — Sandfilter: wenn die Trübung über 5 NTU liegt; Aktivkohle: wenn freies Chlor ab über 0,2 mg/L wahrnehmbar ist
• Rückhaltemechanismus — Sandfilter: physikalisches Filtrieren, 10-20 Mikrometer; Aktivkohle: Adsorption, auf Molekülebene
• Art der Erschöpfung — Sandfilter: Bett verstopft, wird rückgespült und regeneriert; Aktivkohle: Oberfläche sättigt sich, Rückspülung reinigt, stellt die Kapazität aber nicht wieder her, ein Austausch ist nötig
• Standzeit — Sandfilter: Medium 5-7 Jahre; Aktivkohle: je nach Belastung und Chlorkonzentration typisch 1-3 Jahre
• Geeignet für — Sandfilter: Brunnen-, Quell-, Oberflächenwasser und Schwimmbad; Aktivkohle: Chlor/Geruch im Leitungswasser, Vorbehandlung von Trinkwasser, Chlorschutz vor RO

Das klare Urteil lautet: Für trübes Wasser zuerst Sand, für chlorhaltiges, riechendes Wasser Kohle. Ist Ihre Quelle sowohl trübe als auch chlorhaltig, werden beide benötigt, und die Reihenfolge lautet zuerst Sand, dann Kohle. Steht Ihnen nur das Budget für einen der beiden zur Verfügung, prüfen Sie zuerst, welches Problem messbar ist; liegt die Trübung über 5 NTU, hat der Sand Vorrang, da ungelöste Trübung jedes nachgeschaltete Gerät beeinträchtigt. Für Lösungen, die beide Filter in einer Linie vereinen, können Sie sich im Rahmen der Wasseraufbereitungs-Filtersysteme die Produktgruppe ansehen. (Details: Wasseraufbereitung)

Trübung ist der Verlust an Klarheit, der gemessen wird, weil Schwebeteilchen im Wasser das Licht streuen; sie wird in der Einheit NTU (Nephelometric Turbidity Unit, nephelometrische Trübungseinheit) angegeben. Je höher der NTU-Wert, desto sichtbarer trübt sich das Wasser. Der Zielwert für Trinkwasser liegt in der Regel unter 1 NTU; Wasser über 5 NTU wirkt mit bloßem Auge trübe und erfordert einen Sand- oder Multimediafilter. Bei Brunnen- und Oberflächenwasser kann dieser Wert nach Niederschlägen bis auf 20-50 NTU steigen.

Der Zusammenhang zwischen Trübung und Mikrometer ist indirekt, liefert aber eine praktische Faustregel. Hohe Trübung stammt in der Regel von groben, absetzbaren Partikeln; niedrige, aber hartnäckige Trübung dagegen von kolloidalen Partikeln unter 1 Mikrometer. Das Sandbett hält Partikel über 20 Mikrometer problemlos zurück, das Multimediabett geht bis auf 10-15 Mikrometer herunter; für kolloidale Trübung unter 1 Mikrometer sind dagegen Flockung (Koagulation) oder Ultrafiltration erforderlich. Deshalb betrachtet man bei einer Wasseranalyse nicht nur die NTU, sondern auch die Partikelgrößenverteilung.

Die Entscheidungsschwelle ist zahlenmäßig festgelegt. Liegt die Trübung unter 5 NTU und ist das Wasser klar, ist ein Sandfilter allein möglicherweise nicht nötig; in diesem Fall genügt ein Sedimentkartuschenfilter (z. B. 5 Mikrometer). Liegt die Trübung im Bereich von 5-30 NTU, ist ein Multimedia-Sandfilter die richtige Lösung. Liegt sie über 30 NTU und ist dauerhaft, muss dem Sandfilter eine Absetzstufe oder ein Vorfilter vorgeschaltet werden; andernfalls verlangt das Sandbett sehr häufige Rückspülungen. Zur Auswahl eines Multimediabetts, das in einen GFK-Behälter eingesetzt wird, finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zum Polyglass-Behälter. (Details: Was ist ein GFK-Behälter? Wie wählt man einen Polyglass-Behälter für Wasseraufbereitungsanlagen aus?)

Der Sandfilter ist ein Tiefenfilter, der je nach Mediumtyp und Korngröße etwa im Bereich von 10-20 Mikrometern filtert. Anders als Kartuschenfilter hält der Sandfilter nicht an der Oberfläche, sondern über die Tiefe des Betts zurück; deshalb kann er auch Partikel, die kleiner als die einzelne Pore sind, schrittweise abfangen. Ein einschichtiges Quarzsandbett arbeitet praktisch an der Grenze von 20 Mikrometern; Mehrschichtbetten gehen bis auf 10-15 Mikrometer herunter.

Das Multimediabett (mehrschichtig) besteht aus Schichten, deren Korngröße von oben nach unten abnimmt. Ganz oben liegt grober Anthrazit (0,8-1,2 mm), in der Mitte Quarzsand (0,5-0,8 mm), unten feiner Granat oder Stützkies. Tritt das Wasser oben ein, werden zuerst die groben Partikel in der Anthrazitschicht und dann die feinen Partikel in der Sandschicht zurückgehalten. Dieses gestaffelte Zurückhalten ermöglicht gegenüber dem einschichtigen Bett sowohl eine kleinere Mikrometergrenze als auch ein längeres Rückspülintervall.

Man muss die Erwartung an die Mikrometergröße realistisch halten. Von einem Sandfilter die Klarheit einer RO-Membran oder einer Ultrafiltration zu erwarten, ist falsch; Sand kann kolloidale Teilchen unter 1 Mikrometer allein nicht entfernen. Ist eine Feinfiltration gewünscht, werden nach dem Sandfilter ein 5-Mikrometer- und anschließend ein 1-Mikrometer-Kartuschenfilter angeschlossen. Vor der RO-Membran ist dieser gestaffelte Schutz entscheidend; warum die Membran verstopft und wie sie geschützt wird, finden Sie in unserem Ratgeber zur RO-Membran. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Die Filtergeschwindigkeit ist die Wassermenge, die durch die Querschnittsfläche des Filterbetts je Flächeneinheit strömt; ihre Einheit ist m³/h·m² (Kubikmeter pro Stunde pro Quadratmeter), also eine lineare Geschwindigkeit. Dieser Wert ist der kritischste Auslegungsparameter eines Sand- oder Kohlefilters; Wasser, das zu schnell durch das Bett strömt, tritt aus, ohne ausreichend filtriert oder adsorbiert zu werden. Beim Sandfilter liegt die typische Filtergeschwindigkeit bei 15-25 m³/h·m², beim Aktivkohlefilter dagegen niedriger, im Bereich von 10-20 m³/h·m², weil die Kontaktzeit der Kohle länger sein muss.

Die Berechnung geht Schritt für Schritt so: Zuerst wird die Querschnittsfläche des Behälters bestimmt: A gleich Pi mal D zum Quadrat geteilt durch 4. Der Durchmesser eines GFK-Behälters vom Typ 1054 beträgt 10 Zoll, also etwa 0,254 m; seine Fläche ergibt sich zu Pi mal 0,254 zum Quadrat geteilt durch 4 gleich 0,0507 m². Im zweiten Schritt wird der Auslegungsvolumenstrom durch diese Fläche geteilt. Wollen Sie 1,0 m³/h Wasser durch den Behälter leiten, ergibt sich eine Filtergeschwindigkeit von 1,0 geteilt durch 0,0507 gleich etwa 19,7 m³/h·m². Dieser Wert liegt im passenden Bereich für einen Sandfilter.

Geben wir ein Kontrollbeispiel. Verwenden Sie denselben Behälter 1054 als Aktivkohlefilter und leiten wieder 1,0 m³/h durch, beträgt die Filtergeschwindigkeit 19,7 m³/h·m²; für Kohle liegt das nahe an der Obergrenze, und die Chlorentfernung ist möglicherweise nicht vollständig. Senken Sie den Volumenstrom auf 0,6 m³/h, sinkt die Filtergeschwindigkeit auf 0,6 geteilt durch 0,0507 gleich 11,8 m³/h·m, und die Chlorentfernung liegt wegen der verlängerten Kontaktzeit auf der sicheren Seite. Beim Kohlefilter ist die Senkung des Volumenstroms die günstigste Entscheidung, die den Wirkungsgrad unmittelbar erhöht.

Mit wachsendem Maßstab wächst auch der Behälterdurchmesser. Die Fläche eines Behälters 1354 (13 Zoll, 0,33 m Durchmesser) beträgt 0,0855 m², die eines Behälters 1665 (16 Zoll, 0,406 m Durchmesser) 0,1295 m². Wird in einem Betrieb, der 3 m³/h Volumenstrom benötigt, ein Behälter 1665 verwendet, ergibt sich eine Filtergeschwindigkeit von 3 geteilt durch 0,1295 gleich 23,2 m³/h·m²; für Sand ist das an der Grenze, für Kohle zu hoch. In diesem Fall wird entweder ein größerer Behälter oder werden zwei parallele Behälter gewählt. Zur Wahl der richtigen Kapazität im industriellen Maßstab finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zur industriellen Aufbereitung. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)

Die Betthöhe ist die Füllhöhe, mit der das Filtermedium im Behälter eingefüllt wird, und sie bestimmt unmittelbar die Rückhalteleistung. Als Faustregel gilt, dass das Medium etwa 50-60 Prozent der Behälterhöhe ausfüllen und oben 40-50 Prozent Freiraum (Freeboard) für die Ausdehnung des Betts beim Rückspülen bleiben sollten. Beim Sandfilter beträgt die typische Betthöhe 60-90 cm, beim Aktivkohlefilter wird sie wegen der Kontaktzeit in der Regel höher gewählt.

Bei Aktivkohle hängt die Betthöhe unmittelbar von der Kontaktzeit (EBCT) ab. Die EBCT (Empty Bed Contact Time, Leerbett-Kontaktzeit) ergibt sich aus dem Bettvolumen geteilt durch den Volumenstrom; für die Chlorentfernung werden typischerweise mindestens 1-2 Minuten, für die Chloraminentfernung 4-10 Minuten verlangt. Je höher das Bett, desto länger die Kontaktzeit. Deshalb hebt ein flaches Bett beim Kohlefilter den Nutzen, den die Senkung der Filtergeschwindigkeit bringt, wieder auf.

Geben wir ein Rechenbeispiel. Beträgt das Kohlebettvolumen im Behälter 1054 etwa 28 Liter (1 ft³) und der Volumenstrom 0,6 m³/h, also 10 l/min, ergibt sich EBCT gleich 28 geteilt durch 10 gleich 2,8 Minuten. Dieser Wert genügt für die Entfernung von freiem Chlor, reicht aber für Chloramin nicht aus. Liegt ein Chloraminproblem vor, muss man entweder das Bett vergrößern (größerer Behälter) oder den Volumenstrom senken, um die EBCT auf 5-6 Minuten zu erhöhen. Für die Ausdehnung beim Rückspülen bleibt oberhalb des Behälters in jedem Fall mindestens 40 Prozent Freiraum erhalten.

Die Rückspülung (Backwash) ist der Vorgang, bei dem Wasser entgegen der normalen Richtung von unten nach oben mit hohem Volumenstrom durch das Bett geleitet wird, um die im Bett angesammelten Verunreinigungen herauszulösen und in den Ablauf zu spülen. Sand- und Kohlefilter sammeln im Betrieb Feststoffe in ihrem Bett an; diese Ansammlung erhöht den Druckverlust und senkt die Rückhalteleistung. Die Rückspülung lockert (dehnt) das Bett, trennt die Körner voneinander, setzt den dazwischen eingeklemmten Schmutz frei und spült ihn nach außen.

Der Zeitpunkt der Rückspülung lässt sich an zwei Anzeichen ablesen: Druckverlust und Zeit. Steigt die Druckdifferenz zwischen Filtereintritt und -austritt auf etwa 0,5-0,7 bar über den Wert im sauberen Zustand, ist es Zeit für die Rückspülung. Bei Systemen mit automatischem Ventil wird dagegen nach Zeit oder nach dem insgesamt durchgeflossenen Wasservolumen programmiert; ein typischer Haushalts-Sandfilter wird alle 3-7 Tage, ein stark beanspruchtes Schwimmbad- oder Brunnenfilter täglich rückgespült. Zur Funktionsweise der Ventile, die das automatische Rückspülprogramm ausführen, finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zum Runxin-Ventil. (Details: Was ist ein Runxin-Automatikventil? Wo werden die Baureihen F67, F71, F74 und F116 eingesetzt?)

Der Rückspülvolumenstrom ist höher als der Betriebsvolumenstrom, weil er das Bett lockern muss. Für ein Sandbett liegt der typische Rückspülvolumenstrom bei 25-40 m³/h·m², also etwa beim 1,5-2-Fachen der Filtergeschwindigkeit; bei diesem Volumenstrom dehnt sich das Bett um etwa 20-30 Prozent aus. Der Sandfilter wird 5-10 Minuten, der Kohlefilter 8-15 Minuten rückgespült. Nach der Rückspülung wird das Bett in einem kurzen Spülschritt (Rinse) wieder gesetzt, und das trübe erste Wasser wird in den Ablauf geleitet.

Das Rückspülwasser muss in die Berechnung einbezogen werden. Eine Rückspülung von 10 Minuten mit dem 1,5-2-Fachen der Filtergeschwindigkeit verbraucht je Behälter 100-300 Liter Wasser; dieses Wasser geht in die Kanalisation. In trockenen Regionen oder in Anlagen mit knappem Brunnenwasser wird diese Menge bei der Auslegung berücksichtigt. Um die Wasserverschwendung zu verringern, werden ein Multimediabett (seltenere Rückspülung) und ein passender Freeboard-Freiraum gemeinsam gewählt.

Dass der Rückspülvolumenstrom auch von der Wassertemperatur abhängt, wird oft übersehen. Kaltes Wasser ist dichter und zähflüssiger; um dasselbe Bett zu lockern, ist ein höherer Volumenstrom nötig als bei Sommerwasser. Der für ein Brunnenwasser von 10 °C berechnete Rückspülvolumenstrom wird gegenüber Leitungswasser von 25 °C um etwa 15-20 Prozent erhöht; andernfalls dehnt sich das Bett nicht ausreichend aus, und der zusammenballende Schmutz wird nicht gelöst. Deshalb ist der Rückspülvolumenstrom kein einzelner fester Wert, sondern ein Parameter, der anhand der saisonalen Wassertemperatur überprüft werden muss.

Die Anschlussreihenfolge von Sand- und Kohlefilter lautet immer zuerst Sand, dann Kohle. Der Grund ist einfach: Der Sandfilter hält Schwebstoffe und Trübung zurück und schützt das nachgeschaltete Kohlebett davor, mit Schlamm zuzulaufen. Setzen Sie die Kohle nach vorn, überzieht Schlamm und Silt unmittelbar das Kohlebett, verstopft die Poren und verkürzt die Lebensdauer der teuren Kohle auf Monate. Kommt der Sand zuerst, konzentriert sich die Kohle ausschließlich auf ihre eigene Aufgabe, nämlich die Entfernung von gelöstem Chlor und organischen Stoffen.

Eine typische Anordnung einer Gesamtwasserlinie folgt dieser Reihenfolge: zuerst ein grober Sediment-Vorfilter (optional), dann der Multimedia-Sandfilter, dann der Aktivkohlefilter, danach, falls vorhanden, die Wasserenthärtungsanlage, ganz am Ende der Feinkartuschenfilter und die RO-Membran. In dieser Reihenfolge schützt jedes Element das nachfolgende. Wird die Härte gemessen, kommt die Enthärtung hinter der Kohle, weil auch das Enthärtungsharz empfindlich gegenüber trübem und chlorhaltigem Wasser ist. Wo und wie die Enthärtung einzubauen ist, finden Sie in unserem Auswahlratgeber. (Details: Wie wählt man eine Wasserenthärtungsanlage für Haus und Betrieb aus? Ratgeber zur Kapazitätsberechnung)

In der Filialwasserlinie einer Café-Kette, die wir in Istanbul Kadıköy betreuen, wurde dieser Reihenfolgefehler vor Ort beobachtet: Der Aktivkohlefilter war vor dem Sandfilter angeschlossen, das Kohlebett war innerhalb von sechs Monaten mit Silt überzogen, und sowohl der Volumenstrom war gesunken als auch der Chlorgeruch ins Kaffeewasser übergegangen. Nachdem wir die Filter in die richtige Reihenfolge brachten (zuerst Sand, dann Kohle), sank die Trübung des Austrittswassers unter 1 NTU, und das freie Chlor fiel unter 0,05 mg/L. Ein Reihenfolgefehler verhindert unabhängig von der Filterqualität das Funktionieren der Anlage.

Der Unterschied zwischen GAC und Blockkohle liegt in der physikalischen Form der Aktivkohle und dem damit verbundenen Durchström- und Rückhalteverhalten. GAC (granulierte Aktivkohle) ist die Form, die als lose Granulate in einen Behälter gefüllt wird und hohe Volumenströme zulässt; sie ist rückspülbar und wird in großvolumigen Haushalts- und Industriesäulen eingesetzt. Blockkohle (extrudiert/gepresst) dagegen wird hergestellt, indem feines Kohlepulver in einer Form gepresst wird; sie bietet feinere Poren und höhere Rückhaltung, aber auch einen höheren Druckverlust und wird in Kartuschenform eingesetzt.

• Form — GAC: lose Granulate, Behälter-/Säulenfüllung; Blockkohle: gepresste Kartusche
• Volumenstrom und Druckverlust — GAC: hoher Volumenstrom, geringer Druckverlust; Blockkohle: niedriger Volumenstrom, hoher Druckverlust
• Filtrationsvermögen — GAC: nur Adsorption; Blockkohle: Adsorption plus mechanisches Filtrieren von 0,5-5 Mikrometern
• Rückspülung — GAC: rückspülbar, wiederverwendbar; Blockkohle: nicht rückspülbar, wird bei Verstopfung ausgetauscht
• Kanalbildungsrisiko — GAC: bei hohem Volumenstrom kann das Wasser Vorzugswege öffnen; Blockkohle: die dichte Struktur verhindert Kanalbildung
• Einsatzort — GAC: große Volumen, Chlorschutz vor RO, Betriebe; Blockkohle: Trinkwasser-Entnahmestelle, Untertischgeräte, Rückhalt feiner Partikel und Blei

Die Auswahlregel ist klar. Wollen Sie das Chlor einer Linie mit großem Volumenstrom entfernen und die RO-Membran schützen, wählen Sie einen mit GAC gefüllten Behälter; er bewältigt den hohen Volumenstrom bei geringem Druckverlust. Wollen Sie am Wasserhahn im Trinkwasser sowohl Chlor als auch feine Partikel als auch bleiähnliche Verunreinigungen entfernen, wählen Sie eine Blockkohlekartusche. In der Vorstufe von RO-Systemen wird meist GAC verwendet, im Polishing-Filter der letzten Stufe dagegen Blockkohle. Zum allgemeinen Aufbau eines Umkehrosmosesystems finden Sie Informationen in unserem RO-Ratgeber. (Details: Was ist ein Umkehrosmose-System (RO)? Wie arbeiten industrielle RO-Systeme?)

Aktivkohle entfernt freies Chlor durch eine katalytisch-chemische Reaktion, Chloramin dagegen durch eine deutlich langsamere Oberflächenreaktion. Die Entfernung von freiem Chlor erfolgt schnell: Die Kohleoberfläche reduziert das Chlor zu Chloridionen, und diese Reaktion ist im Sekundenbereich abgeschlossen. Deshalb sinkt Leitungswasser mit 1-2 mg/L freiem Chlor nach dem Durchströmen eines passend dimensionierten GAC-Betts am Austritt auf unter 0,05 mg/L. Auch Chlorgeruch und -geschmack verschwinden in diesem Schritt.

Chloramin (die Verbindung von Chlor und Ammoniak) dagegen lässt sich nicht so leicht entfernen wie Chlor. Für die Chloraminentfernung reicht Standard-GAC nicht aus; katalytische Aktivkohle und eine sehr viel längere Kontaktzeit sind erforderlich. Während für freies Chlor 1-2 Minuten EBCT genügen, werden für Chloramin 4-10 Minuten EBCT und katalytische Kohle empfohlen. Wenn in Gebieten, in denen im Leitungsnetz Chloramin als Desinfektionsmittel verwendet wird, ein Standard-Kohlefilter den Geruch nicht ausreichend entfernt, ist das der Grund; die Lösung besteht darin, das Bett zu vergrößern oder die Kontaktzeit durch Senken des Volumenstroms zu verlängern.

Die Chlorkapazität der Kohle ist begrenzt, und sie sättigt sich mit der Zeit. Ein Kilogramm hochwertiges GAC entfernt je nach Chlorkonzentration das Chlor aus Tausenden Litern Wasser; sobald die Oberfläche jedoch gesättigt ist, tritt ein Durchbruchpunkt (Breakthrough) ein, an dem das Chlor am Austritt zu lecken beginnt. Die Rückspülung reinigt Feststoffe, stellt aber die gesättigte Adsorptionskapazität nicht wieder her; an diesem Punkt wird die Kohle ausgetauscht. In RO-Systemen schädigt ein Ausfall des Chlorschutzes durch die Kohle die Membran dauerhaft; zum Membranschutz werden Antiscalant und Vorbehandlung gemeinsam betrachtet. (Details: Was ist Antiscalant? Warum wird es in Umkehrosmoseanlagen eingesetzt?)

Um den Durchbruchpunkt früh zu erkennen, genügt eine einfache Überwachung. Am Austritt des Kohlefilters wird wöchentlich das freie Chlor gemessen; wenn das Austrittschlor den Schwellenwert von 0,05 mg/L zu überschreiten beginnt, ist das das eindeutigste Zeichen dafür, dass das Bett sich der Sättigung nähert. Für den Test genügt ein günstiges Kolorimeter mit DPD-Reagenz oder ein Teststreifen, ein Labor ist nicht erforderlich. Wird diese Messung einmal in die Routine aufgenommen, wird die Kohle weder zu früh (Geldverschwendung) noch zu spät (Chlorexposition der RO-Membran) getauscht; der Austausch erfolgt, wenn die Kapazität vollständig erschöpft ist.

Das Sandfiltermedium wird in einem richtig rückgespülten System typischerweise alle 5-7 Jahre ausgetauscht. Quarzsand erschöpft sich chemisch nicht; die Körner verlieren jedoch mit der Zeit ihre Kanten (runden sich ab), ballen durch Verkleben zusammen (Mudballing), und die Betthöhe sinkt. Diese drei Anzeichen zeigen sich darin, dass der Druckverlust trotz Rückspülung steigt und die Austrittstrübung zunimmt. An diesem Punkt kann die Rückspülung das Bett nicht mehr reinigen, und das Medium wird ausgetauscht.

Die Lebensdauer des Mediums bestimmen vor allem die Wasserqualität und die Disziplin bei der Rückspülung. Ein Bett, das bei sehr schmutzigem Wasser nicht häufig genug rückgespült wird, ballt zusammen und ist in 2-3 Jahren erschöpft. Dagegen kann ein durch einen Vorfilter geschütztes und regelmäßig rückgespültes Multimediabett über 7 Jahre halten. Beim Bettwechsel werden die Schichten aus Anthrazit, Sand und Stützkies in der richtigen Korngröße und in der richtigen Reihenfolge neu eingebracht; diese Arbeit erfolgt mit Berechnung von Betthöhe und Freeboard. Für Aufbereitungsmineralien und die Wahl des Mediums können Sie sich die Produktgruppe ansehen. (Details: Was ist ein Ionenaustauscherharz für die Wasseraufbereitung? Wann sollte das Harz ausgetauscht werden?)

Sand- und Kohlefilter bestehen aus einem druckfesten GFK-Behälter (glasfaserverstärkter Kunststoff, Polyester) und einem Steuerventil, das auf dem Kopf des Behälters sitzt. Der Behälter hält das Medium in sich und widersteht dem Netzdruck (typisch 2-6 bar); das Ventil leitet das Wasser zwischen den Stellungen Betrieb, Rückspülung, Spülung und Füllung um. In Haushaltssystemen werden Behälter mit 8-13 Zoll Durchmesser eingesetzt, in Betrieben große Behälter mit 16-63 Zoll Durchmesser.

Es gibt zwei Ventiltypen: das manuelle Mehrwegeventil und das automatische zeit- bzw. mengengesteuerte Ventil. Beim manuellen Ventil startet der Nutzer die Rückspülung von Hand; beim automatischen Ventil läuft die Rückspülung zur programmierten Zeit oder nach einem bestimmten Wasservolumen selbstständig ab. In stark genutzten Anlagen wird das automatische Ventil bevorzugt, weil eine lückenlose Rückspülung die Lebensdauer des Betts unmittelbar verlängert. Die Unterschiede zwischen den Baureihen F67, F71 und Ähnlichem sowie die Auswahllogik bei automatischen Ventilen sind ein eigenes Thema und werden in unserem Ventilratgeber behandelt. (Details: Was ist ein Runxin-Automatikventil? Wo werden die Baureihen F67, F71, F74 und F116 eingesetzt?)

Behältergröße, Filtergeschwindigkeit und Bettvolumen werden gemeinsam gewählt. Für eine Haushaltslinie mit 1 m³/h ist der Behälter 1054, für einen Betrieb mit 2-3 m³/h sind die Behälter 1354-1665 typische Ausgangspunkte. Der richtige Behälterdurchmesser wird so gewählt, dass die Filtergeschwindigkeit im Bereich in m³/h·m² bleibt; ist der Durchmesser zu klein, wird der Volumenstrom schneller und der Wirkungsgrad sinkt, ist er zu groß, steigen Kosten und Rückspülwasser. Zu den GFK-Behältertypen und ihrer Dimensionierung finden Sie Informationen in dem entsprechenden Ratgeber. (Details: Was ist ein GFK-Behälter? Wie wählt man einen Polyglass-Behälter für Wasseraufbereitungsanlagen aus?)

Sand und Aktivkohle werden in zwei getrennten Behältern einzeln installiert; sie werden nicht in einem Behälter vermischt. Der Grund ist das unterschiedliche Rückspülverhalten: Sand ist schwer, Kohle leicht, und bei der Rückspülung in einem einzigen Behälter wird die Kohle nach oben getragen und entweicht in den Ablauf, das gestaffelte Bett wird zerstört. Deshalb werden in professionellen Anlagen der Sand in einem Behälter und die Kohle in einem anderen in Reihe geschaltet installiert, und jeder Behälter wird mit seinem eigenen Ventil gesondert rückgespült.

Ein einzelner Behälter wird nur bei sehr kleinen Punktanwendungen in Kartuschenform kombiniert. In einem Untertisch-Trinkwassersystem werden beispielsweise als erste Stufe eine Sedimentkartusche (Sandfunktion) und als zweite Stufe eine Blockkohlekartusche hintereinander angeschlossen; diese werden nicht rückgespült und nach Ablauf der Standzeit komplett ausgetauscht. In einer Linie mit großem Volumenstrom und Dauerbetrieb sind dagegen getrennte Behälter und rückspülbare Medien stets wirtschaftlicher, weil die Kartuschenwechselkosten mit dem Volumenstrom vervielfacht werden.

Bei Reihenschaltung dürfen sich die Ventilprogramme der beiden Behälter nicht überschneiden. Werden Sandbehälter und Kohlebehälter gleichzeitig rückgespült, sinkt der Leitungsdruck, und die beiden Rückspülungen beeinträchtigen gegenseitig ihr Wasser; deshalb werden die automatischen Ventile auf unterschiedliche Uhrzeiten programmiert. Wird außerdem zwischen den beiden Behältern eine Probenahme-Zapfstelle angebracht, können Sandaustritt und Kohleaustritt getrennt gemessen werden, und es ist eindeutig erkennbar, welche Stufe Wartung verlangt. Zu Systemauslegung und Kapazität finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zur industriellen Aufbereitung. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)

In der Schwimmbadfiltration ist der Sandfilter der Hauptfilter, der das Beckenwasser kontinuierlich umwälzt und dabei Schwebstoffe und Trübung zurückhält. Das Beckenwasser wird mit einer Umwälzpumpe durch den Sandbehälter geführt; der zurückgehaltene Schmutz sammelt sich im Bett und wird durch regelmäßige Rückspülung ausgetragen. Im Schwimmbad dient der Sandfilter nicht der Chlorentfernung, sondern dazu, das Wasser klar zu halten; das Chlorgleichgewicht wird gesondert über eine Dosierpumpe und durch Messung gesteuert.

Beim Schwimmbad-Sandfilter unterscheiden sich Volumenstrom und Rückspülhäufigkeit vom Haushaltstrinkwasser. Der Schwimmbadfilter arbeitet typischerweise mit einer höheren Filtergeschwindigkeit von 30-50 m³/h·m²; das Ziel ist nicht die Feinaufbereitung, sondern das Umwälzen des Volumens in einer bestimmten Zeit. Das Beckenwasser wird so dimensioniert, dass es alle 4-6 Stunden einen vollständigen Umlauf macht. Mit steigender Trübung und sobald die Druckdifferenz 0,5 bar überschreitet, wird rückgespült; bei einem stark genutzten Schwimmbad kann das jeden Tag erforderlich sein.

Im Schwimmbad wird Aktivkohle selten als Hauptfilter eingesetzt; sie wird eher als zusätzliche Stufe ergänzt, um Chlorgeruch und durch Chloramin (gebundenes Chlor) verursachtes Augenbrennen zu verringern. In Hallenbädern ist die Chloraminansammlung ein ernstes Komfort- und Gesundheitsproblem, und hier kommt katalytische Kohle zum Einsatz. Beckendosierung und Chlorführung sind ein eigenes Thema; die Auswahl der Chlor-Dosierpumpe finden Sie in dem entsprechenden Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Chlor-Dosierpumpe aus? Ratgeber für Schwimmbad und Wasseraufbereitung)

Die Kosten von Sand- und Kohlefiltern setzen sich aus drei Hauptpositionen zusammen: Anfangsinvestition, Betriebsverbrauch und regelmäßiger Mediumwechsel. Die Anfangsinvestition besteht aus Behälter, Ventil und Medium; der Sandfilter ist in der Regel günstiger als der Kohlefilter, weil Quarzsand ein sehr viel kostengünstigeres Medium ist als Aktivkohle. Die Hauptkosten des Kohlefilters sind das Kohlemedium selbst, das typischerweise alle 1-3 Jahre erneuert werden muss.

• Anfangsinvestition — Sand: Behälter, Ventil, Quarz-/Multimediamedium; Kohle: Behälter, Ventil, GAC-Medium (das Medium ist teurer als Sandmedium)
• Betriebswasser — Sand: 100-300 l je Rückspülung; Kohle: je Rückspülung ähnlich, aber über längere Dauer
• Energie — beide: nur die Pumpe, die die Speisung sicherstellt; der Filter selbst verbraucht keine Energie
• Lebensdauer des Mediums — Sand: 5-7 Jahre; Kohle: 1-3 Jahre, bei hoher Chlorbelastung kürzer
• Wartungsaufwand — beide: jährliche Kontrolle, Überprüfung der Rückspülung, Ventilservice
• Versteckte Kosten — Kohle: ein Reihenfolgefehler oder trübe Speisung verbraucht die Kohle vorzeitig, die Erneuerung wird häufiger

Die wirksamste Entscheidung zur Senkung der Gesamtbetriebskosten sind die richtige Reihenfolge und die richtige Dimensionierung. Den Sandfilter vor die Kohle zu setzen, verlängert die Lebensdauer der Kohle deutlich und vergrößert das Erneuerungsintervall. Die Filtergeschwindigkeit am unteren Ende des Bereichs zu halten (insbesondere bei Kohle 10-15 m³/h·m²), erhöht sowohl den Wirkungsgrad als auch die Rückspülhäufigkeit sinkt. Diese beiden Entscheidungen senken im zehnjährigen Betrieb die Kosten für Medium und Wasser spürbar.

Enthält das Brunnenwasser Eisen und Mangan, reichen ein Standard-Sandfilter oder Aktivkohle allein nicht aus; ein spezieller oxidierender Medienfilter ist erforderlich. Gelöstes Eisen und Mangan sind im Wasser farblos, bilden aber bei Kontakt mit Luft oder einem Oxidationsmittel einen braun-schwarzen Niederschlag und verfärben Armaturen, Wäsche und Keramik. Deshalb besteht die Lösung darin, das Eisen zuerst zu oxidieren und in feste Form zu überführen und diesen Feststoff dann in einem Filterbett zurückzuhalten.

In der Praxis gibt es zwei Wege. Der erste ist die Verwendung eines katalytischen Mediums vom Typ Birm-Mangan; dieses Medium oxidiert gelöstes Eisen und Mangan auf seiner eigenen Oberfläche und hält sie zurück, anschließend wird es durch regelmäßige Rückspülung gereinigt. Der zweite ist, vor dem Filter eine Luft- oder chemische Oxidationsstufe vorzuschalten und den ausfallenden Feststoff anschließend mit einem Multimedia-Sandfilter abzufiltern. Überschreitet Eisen den Schwellenwert von 0,3 mg/L und Mangan den von 0,05 mg/L, ist diese Maßnahme zwingend; andernfalls werden die nachgeschalteten Kohle- und Harzbetten mit Eisenniederschlag überzogen.

Die Rückspülung eines Eisen-Mangan-Filters wird häufig sorgfältiger geführt als die eines klassischen Sandfilters, weil seine Kapazität sinkt, sobald die Bettoberfläche mit Oxid überzogen ist. Einige katalytische Medien werden periodisch mit Kaliumpermanganat neu konditioniert. In der Aufbereitungskette für Brunnenwasser wird diese Stufe in der Regel ganz an den Anfang, auch vor den Sandfilter gesetzt. Für die richtige Kapazitäts- und Medienauswahl empfehlen wir, mit Ihrer Wasseranalyse ingenieurtechnische Unterstützung in Anspruch zu nehmen; für den industriellen Maßstab finden Sie Informationen in unserem Einstiegsratgeber. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)