Wählen Sie den richtigen Filter für Ebbe

Viele der größten Gewächshäuser verwenden mittlerweile Flutböden mit rezirkulierten Nährlösungen und fast alle erfordern ein Filtersystem. Während der Flutung und Rückführung fließt Wasser mit hohen Durchflussraten von den Tanks zu den Böden und zurück zu einem Rücklauftank. Das Rücklaufwasser kann mit Rückständen wie Pflanzenteilen, Wachstumsmedien und Etiketten beladen sein (Abbildung 1, siehe Diashow). Es kann möglicherweise auch Pflanzenpathogene und andere Mikroben verbreiten.

Rücklaufwasser aus der Ebbe-Flut-Bewässerung kann eine große Menge an organischem Material enthalten, darunter Blätter und Wurzelsubstrat sowie andere Materialien wie Plastiketiketten.

Ein Vibrationssiebfilter.

Ein Beispiel für einen Stoff- oder Papiermedienfilter.

Eine mikroskopische Aufnahme des Filtergewebes auf weißem Hintergrund zeigt, dass die Porengröße im Gewebe viel größer war als die angegebenen 20 Mikrometer. Jedes gelbe Rechteck im Lineal ist etwa 100 Mikrometer lang. Foto mit freundlicher Genehmigung von Dale Haskell, University of Florida.

Das in der neuen Gewächshausreihe installierte zweistufige Filtersystem. Das Wasser durchläuft zunächst ein statisches, selbstreinigendes 400-Mikron-Sieb (links), um grobe Partikel zu entfernen, und dann durch einen Gewebefilter (rechts), um feinere Partikel zu entfernen.

Berechnung des Gesamtvolumens des Rücklaufwassers pro Jahr an unserem Beispiel-Erzeugerstandort.

Einfache Finanzanalyse der Filteroptionen in den Abbildungen 2 und 3. Die Anschaffungs- und Installationskosten betrugen 17.000 US-Dollar bzw. 24.000 US-Dollar für den Vibrationssieb- bzw. Gewebefilter. Die Kosten pro 1.000 Gallonen basierten auf der Division der jährlichen Kosten durch 15,14 Millionen Gallonen aus Tabelle 1.

Umrechnung einiger gängiger Maschengrößen in Mikrometer und Millimeter Partikeldurchmesser. 1000 Mikrometer (µm) = 1 Millimeter (mm).

Als Teil der Wasseraufbereitungskette verwenden Landwirte verschiedene Filtertypen zur Reinigung dieses Rücklaufwassers, um Krankheiten, Algen und Verstopfungen des Systems zu minimieren. Unsere Forschung analysiert die Qualität des zirkulierenden Wassers in Anbaubetrieben und die Effizienz ihrer Filter.

Berechnung der Kosten

Nehmen wir das Beispiel eines führenden Landwirts aus Michigan, der zwei verschiedene Filtertypen evaluierte, um die Faktoren zu veranschaulichen, die bei der Filterung von Rücklaufwasser aus Überschwemmungsböden zu berücksichtigen sind. Wir haben zunächst berechnet, dass die gesamte Wassermenge, die pro Jahr gefiltert wird, etwa 15,14 Millionen Gallonen beträgt (Tabelle 1). Das ist viel Wasser! Daher sind Kosten und Effizienz von Filtersystemen wichtig.

Der Züchter verwendete zwei Filtertypen (Abbildungen 2 und 3, siehe Diashow). Bei einem Vibrationssiebfilter (Abbildung 2, siehe Diashow) gelangt Wasser aus einem zentralen Rohr auf ein kreisförmiges Metallsieb. Ein Motor versetzt das Sieb in Vibration, um den Filter sauber zu halten und das Material an den Rand des Filters zu transportieren, wo es zur Entsorgung gesammelt wird. Der Nachteil ist, dass dieser Filter etwas laut ist und elektrische Energie benötigt.

Bei einem Medienfilter aus Stoff (manchmal auch Papier genannt) (Abbildung 3, siehe Diashow) gelangt das Wasser in ein Auffangbecken und läuft durch ein Filtergewebe ab. Da Partikel die Poren im Stoff verstopfen, steigt der Wasserspiegel im Auffangbecken. Ein Sensor schaltet einen Motor ein, der frischen Stoff abrollt. Stoffe variieren stark in ihrer Dicke und Porengröße.

Mit einigen einfachen finanziellen Annahmen (Tabelle 2, siehe Diashow) haben wir die Kosten pro Jahr und pro 1.000 Gallonen für diese beiden Filtertypen geschätzt. Der große Unterschied zwischen den Behandlungskosten pro 1.000 Gallonen bestand in den Verbrauchsmaterialien – Strom für das Vibrationssieb oder die Stoffrollen, die vom Stofffilter verwendet werden.

Leistungsbewertung

Gab es einen Leistungsunterschied zwischen den Filtern? Um dies unter kommerziellen Bedingungen zu testen, haben wir den Gesamtschwebstoffgehalt (TSS) vor und nach der Filtration für recyceltes Bewässerungswasser in 11 Gewächshaus- und Baumschulbetrieben in den USA gemessen. Beim TSS-Labortest entfernt ein sehr feiner (2 Mikrometer) Filter die Partikel in einer Wasserprobe. Nach dem Trocknen des Filters im Ofen kann das Gewicht dieser Partikel in Milligramm pro Liter (mg/L, entspricht ppm) gemessen werden.

Wir haben festgestellt, dass TSS je nach Standort und im Zeitverlauf stark variiert. Im Ebbe-Flut-Rücklaufwasser aus unserer Untersuchung lag der TSS im Bereich von 2 bis 301 mg/L, durchschnittlich 44 mg/L. Am Standort des Erzeugers der Fallstudie wurden bei drei Probenahmen 3, 9 und 12 mg/L TSS im Rücklaufwasser festgestellt. Die Schwankung des TSS hängt von der allgemeinen Hygiene ab und auch davon, ob große Stücke Blätter oder Wurzelsubstrat zufällig durch eine 1-Liter-Probe gelangen. Wir empfehlen, nach der Filterung bei Ebbe-Flut-Systemen mit großen Rohren einen Wert von weniger als 5 mg/L anzustreben und das gesamte Boden- und Tanksystem sauber zu halten. Eine stärkere Filterung (was zu weniger als 2 mg/L TSS führt) wird empfohlen, wenn Wasser durch kleine Strahler (Tropfer oder Nebel) verwendet wird.

Wir haben außerdem herausgefunden, dass jede Stufe der Filtration durch Siebe oder Gewebefilter etwa 50 % des TSS entfernt, wobei Papierfilter im Durchschnitt etwas effizienter sind als die getesteten Siebfilter. Der Prozentsatz der Entfernung steigt mit zunehmendem TSS, da es einfacher ist, große Materialklumpen herauszuziehen, als relativ sauberes Wasser zu „polieren“. Wasser hat in der Regel viele kleine Partikel und weniger große. Basierend auf einer typischen Partikelgrößenverteilung, die wir in recyceltem Wasser gemessen haben, würde ein 100-Mesh-Sieb (entspricht 149 Mikrometer, Tabelle 3, siehe Diashow) bei einem perfekt funktionierenden Filter etwa 50 % des TSS entfernen.

Unsere Einschätzung kommerzieller Filteranlagen ist jedoch, dass diese hinsichtlich TSS und Partikelgrößenverteilung nicht die Leistung eines perfekt funktionierenden Filters aufweisen. Bei der kommerziellen Produktion strömen Partikel schnell und unter Druck durch Filter, und ein 100-Mesh-Filter entfernt nicht alle Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 149 Mikrometern. Flexible oder unregelmäßig geformte Partikel quetschen sich durch die Filterporen; Partikel koagulieren im Filter; sie kanalisieren durch größere Löcher; usw.

Zweistufige Filtration erhöht die Effizienz

Am Standort der Fallstudie hatte das Vibrationssieb einen Durchmesser von 100 Mikrometern. Der Stoff wurde als 20-Mikron-Material (also feiner) verkauft. Stoffmedien sind jedoch eine Mischung aus sich kreuzenden Fasern mit großen und kleinen Löchern. Wir haben den verwendeten Stoff unter dem Mikroskop betrachtet (Abbildung 4). Die Löcher im Stoff waren viel größer (bis zu 500 Mikrometer Durchmesser) im Vergleich zur vom Hersteller angegebenen nominellen Porengröße von 20 Mikrometern. Dies ist von Bedeutung, da das Wasser hauptsächlich über den Weg des geringsten Widerstands (große Löcher) fließt.

Mit diesem Wissen und dieser Erfahrung ausgestattet, entwarf der Züchter die Wasseraufbereitung für eine neue Ebbe-Flut-Gewächshausreihe. Der Züchter wusste, dass der Gewebefilter zwar kleine Partikel wirksam entfernte, sich jedoch schnell durch Blätter, Torf und Perlit verstopfen würde. Je feiner die Porengröße und je schmutziger das Wasser, desto mehr Stoff wurde verwendet, wodurch die Betriebskosten pro 1.000 Gallonen stiegen. Wenn das Wasser besonders schmutzig war, wurde das teure Gewebe verwendet, um große Partikel herauszufiltern. Der Ansatz des Züchters bestand darin, ein zweistufiges Filtersystem zu installieren (Abbildung 5, siehe Diashow). Ein statischer „Bogen“-Siebfilter war die erste Stufe der Filtration, um Blätter, große Substratpartikel und Plastik zu entfernen. Dieser Siebfilter hatte sehr niedrige Betriebskosten (keine beweglichen Teile oder Verbrauchsmaterialien) und große Poren (400 Mikrometer). Für die zweite Filterstufe wird das Wasser dann durch einen feineren Gewebefilter geleitet, um kleinere Partikel zu entfernen.

Es gibt weitere Optionen für Filter in Ebbe-Flut-Systemen, darunter Drehtrommel-, Sand-, Scheiben-, Beutel- und Aktivkohlefilter, die alle als Teil eines Gesamtaufbereitungssystems eingesetzt werden können. Sprechen Sie mit Landwirten, um Erfahrungen auszutauschen, und arbeiten Sie mit Unternehmen zusammen, die ein integriertes Gesamtdesign bieten können, anstatt eine einzelne Technologie zu fördern. Bei der Wasseraufbereitung gibt es kein Allheilmittel.

So wählen Sie einen guten Filter für die Bewässerung bei Ebbe und Flut aus

Hier sind neun Faktoren, die Sie bei der Auswahl des richtigen Filters für Ihr Ebbe-Flut-Bewässerungssystem berücksichtigen sollten.1. Zwei Filterstufen sind wünschenswert, oft mit einem einfachen Siebfilter mit großer Porengröße (400 bis 1000 Mikrometer) als erste Stufe.2. Mit jeder Filtrationsstufe wird wahrscheinlich etwa die Hälfte der Schwebstoffe entfernt.3. Die mehrstufige Filtration erhöht die Effizienz, indem sie die Betriebskosten und Rückspülzyklen reduziert, und eine kleinere Endporengröße ist erreichbar.4. Aufgrund der hohen Durchflussraten während Ebbe-Flut-Zyklen kann es schwierig sein, in Echtzeit auf weniger als etwa 100 Mikrometer zu filtern. Für die Feinfiltration ist ein großer Vorratstank erforderlich, dessen Filterung über Nacht und zwischen den Bewässerungszyklen erfolgt.5. Sowohl die Installations- als auch die Betriebskosten können erheblich sein. Filter mit hohen Betriebskosten pro 1.000 Gallonen sollten nicht die erste Filterstufe sein.6. Die Porengröße für Siebfilter lässt sich relativ einfach berechnen, bei Gewebe- und Sandfiltern ist sie jedoch komplexer. Bei unseren Tests kommerzieller Installationen funktionieren die Filter nicht.7. Die Filtration ist ein erforderlicher Schritt, wenn Sie einen Schritt zur Entwesung von Krankheitserregern hinzufügen möchten, z. B. eine chemische oder UV-Behandlung, da organisches Material entfernt wird, das andernfalls die Entwesung beeinträchtigen würde.8. Die in diesem Artikel besprochenen Filter entfernen nur Krankheitserreger und Mikroben, die in größeren Partikeln eingebettet sind. Membranfiltration ist die einzige Art der Filtration, bei der sich in der Forschung gezeigt hat, dass sie Krankheitserreger entfernt. Sie weist Probleme hinsichtlich der Durchflussrate und des Biofoulings bei recyceltem Wasser auf.9. Selbstreinigung ist äußerst wünschenswert, um den Arbeitsaufwand zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Für Sandfilter, die zur Reinigung eine große Menge Rückspülung erfordern, sollten Sie einen Plan darüber haben, was Sie mit der rückgespülten Nährlösung tun, außer sie in die Umwelt zu entsorgen.

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Paul Fisher ist Professor und Erweiterungsspezialist in der Abteilung für Umweltgartenbau an der University of Florida. Sie können ihm eine E-Mail an [email protected] senden. Alle Autorengeschichten finden Sie hier.

Jinsheng Huang ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Umweltgartenbau an der University of Florida. Sie können ihm eine E-Mail an [email protected] senden. Alle Autorengeschichten finden Sie hier.