EDI與混床離子交換法的經(jīng)濟性比較

EDI與混床離子交換法的經(jīng)濟性比較電去離子法（EDI）作為一種水處理技術在各種領域已有10余年的商業(yè)運行經(jīng)驗，它是一種利用電能對水質進行凈化處理的技術EDI膜堆中各膜對為板框式組裝，每個膜對由精選的離子交換膜（一張陽膜、一張陰膜）及允許水流通過和促進水流在流道中湍流的隔柵組成。另外，交錯的膜對間填充滿象混合離子交換樹脂之類的離子化導電物質。膜對中對進水起純化作用的單元稱為淡水室，起聚集離子作用的單元稱為濃水室。多個膜對構成一個膜堆，膜堆設計為水平放置，在膜堆的兩側安裝有一副電極（陽極及陰極），整個的組件通常稱為一個EDI膜堆。在直流電場的作用下，離子從淡水室中選擇性地透過離子膜進入到濃水室中，最后在淡水室中制出除鹽的產(chǎn)品水。濃水室中的廢水可以回收至水處理系統(tǒng)的前端或回收至其它設備中使用，小流量的極水可以同設備的廢水一樣進行排放處理。EDI最適合于應用在經(jīng)RO脫鹽后的水質精處理階段。EDI設備無需化學藥劑的再生，可以連續(xù)運行。在具體的應用中，僅調節(jié)EDI的運行電流就可以改變其出水水質。在進水電導率為60ms/cm或更低的條件下，EDI可制出118MW.cm的產(chǎn)品水。一些供應商現(xiàn)在已經(jīng)為各個行業(yè)包括實驗室、蒸汽站、制藥及半導體在內的廠家生產(chǎn)和銷售EDI系統(tǒng)以制取高純水，EDI產(chǎn)業(yè)應用的焦點集中在中到大型出力純水制備的使用上（50gpm及以上），在這些應用中，EDI可帶來環(huán)境、安全及運行方面的顯著效益，它作為RO出水的純化裝置技術上合理、經(jīng)濟上可完全替代混合床離子交換技術，本報告對新投產(chǎn)的EDI及混床技術將作經(jīng)濟上的比較。由于EDI為膜堆式設計，屬于非化學式的水處理系統(tǒng)，它無需酸、堿的貯存、處理及無廢水的排放，因而它對新用戶具有特別的吸引力。采用EDI對舊系統(tǒng)進行改造也是非常經(jīng)濟的，因為EDI可完全地利用現(xiàn)有的廠房及輔助設施。主要的研究點總則研究的目標是將作為經(jīng)RO預脫鹽的后續(xù)處理的EDI與混床離子交換精化方式作經(jīng)濟性比較。假定水的預處理過程及RO單元與精處理的選擇無關，因此這部分水處理系統(tǒng)的費用不作核算。如果RO出水中含有較高濃度的CO2，可以在EDI或混床前進行處理以減小CO2的含量，這可以通過在RO的出水后應用除碳風機或通過加堿的方式提高RO進水PH的方法完成。本研究以要求除鹽水出力在50600gpm范圍內的新廠為例，此流量范圍與一般的廠站要求相當。由于大多數(shù)EDI系統(tǒng)以一種模塊式的方式構造，因而系統(tǒng)設計的最大出力實際上是無限的。本研究考察了三種不同的產(chǎn)品水出力及三種不同含量TDS（全溶解固形物）組合的水處理系統(tǒng)。出力選擇50、200及600gpm，對于每一種出力考察了進水TDS含量為低、中、高三種情況，這些進水的組成成分見表A，進水水質為的RO系統(tǒng)的出水。一般情況下，離子的種類及混合狀況對EDI及混床的運行沒有什么影響。通常SiO2的含量在0.5PPm以下、游離CO2的含量不超過陰離子總量50的RO出水可完全為EDI所處理。除鹽水水質的一般定義為電阻大于或等于17MW，SiO2小于20PPb，實際上要求的除鹽水水質允許按此標準有一定的變化。設備所有的設備要求是標準化的，適合重工業(yè)產(chǎn)業(yè)的連續(xù)運行，使用壽命至少在20年以上。假定每套系統(tǒng)都占有適當?shù)目臻g，由于EDI系統(tǒng)占用的空間較后者小，因而在經(jīng)濟上更合算。EDI系統(tǒng)由裝在同一個擱架上的多個EDI膜堆（50gpm為4個膜堆, 200gpm為16個膜堆，600gpm為48個膜堆）、電源、濃水泵、控制盤、必要的閥門等組成，多個膜堆組裝在同一膜架內。EDI系統(tǒng)采用通用的膜堆設計，可提供不同流量大小的出力。EDI的電耗根據(jù)進入TDS的含量大小一般為每小時1.12.8KWh/kgal。一個EDI膜堆一般按其正常出力運行，但在短時間內可以在保證出水水質的條件下以更高的流量運行。當EDI膜堆要求進行維護及更換時（當然這種情況是比較少見的），系統(tǒng)中剩余的膜堆可以在保證出水水質的前提下比正常出力略大的負荷運行，直至有故障的膜堆被修復或更換為止。這種能力可使其根據(jù)產(chǎn)水量和水質提供一定程度的富余量，并允許系統(tǒng)連續(xù)地運行，當然這種膜堆式系統(tǒng)出力的提高是有限度的（最大可提高20的出力）。同時需要指出的是，更大的出力將增加EDI膜堆的運行壓差。此外某些EDI組件可提供100的富余量，例如濃水循環(huán)泵等。在混床系統(tǒng)中，為保持連續(xù)的運行，一般設置有兩臺床。對于50gpm出力的混床，其直徑為30英寸；200gpm出力的混床直徑為54英寸；600gpm出力的混床直徑可達90英寸，混床的運行周期分別為24小時（高TDS含量）、36小時（中TDS含量）及60小時（低TDS含量），混床系統(tǒng)還包括酸堿再生裝置、酸堿貯存罐（30天的貯存量）、堿稀釋水加熱器、風機、相關的儀表、控制盤及廢水中和系統(tǒng)（罐、泵、混合器等）。需要指出的是在EDI及混床系統(tǒng)中都含有控制盤，但混床系統(tǒng)的控制盤比EDI系統(tǒng)的控制盤更大更復雜。 過程考察這里選擇了下述主要過程進行研究討論。廠站容量設為100，運行溫度為20，陽樹脂量為10kgr/ft3（1kgr=64.8g），陰樹脂的量為9kgr/ft3，酸堿劑量為6lb/ft3，離子交換樹脂每四年更換一次，EDI膜堆每5年更換一次。研究表明，EDI的維護量為每天0.5個工作時，而混床每再生一次需2個工作時。EDI系統(tǒng)的回收率為97.2，混床回收率根據(jù)運行時間一般為95.4%至98.5。費用分析這里討論了各種條件下的投資、安裝及運行費用，費用數(shù)據(jù)主要考察了年度花費。考察期選擇為10年，即投資系數(shù)為10（資產(chǎn)回收系數(shù)為0.16275），總的年度費用表示目前10年期內的年度支出數(shù)據(jù)?？s短考察時間不利于對初期投資的分攤計算（對年度運行費用有利），降低投資系數(shù)對年度運行費用不利（有利于分攤初期投資）。EDI的混床設備的資金花費比較見表B安裝費用可按總投資的百分比進行估算，對于EDI系統(tǒng)費用系數(shù)取0.2，混床系統(tǒng)取0.4，一些工程公司過去常使用這些系數(shù)對新設備的安裝費用進行預算。EDI的安裝與新RO系統(tǒng)的安裝具有可比性，系數(shù)可取0.2?；齑舶惭b的部件要多得多，而且系統(tǒng)連接也較為復雜（線路、管線及墊料等的互相連接），對混床安裝費用系數(shù)的分析比較靈活，當混床的安裝費用系數(shù)降至0.3時，年度費用按具體情況僅降低3至5。運行費用兩套系統(tǒng)中每一過程主要運行費用的考查有以下幾方面的內容：人力、水耗、廢水的處置等。對于EDI而言，電耗及EDI膜堆的更換是額外的運行花費，混床的花費也包括化學藥劑及樹脂的更換費等，其它的如堿稀釋水加熱（每年通常為幾百至二千美元）及間歇性運行的水泵（每年最多在200500美元）等這類較少的花費不包括在內?？扇∠率龅馁M用數(shù)據(jù)：人力40美元h，電耗0.07美元KWh，水1美元Kgal，廢水2美元Kgal，100硫酸0.05美元lb，100氫氧化鈉0.15美元lb，陽樹脂55美元ft3，陰樹脂150美元ft3，膜堆更換費用6300美元12.5gpm出力。費用分析的討論各種條件下年度費用的統(tǒng)計見表C。表B給出了各系統(tǒng)年度總的投資費用，運行及安裝費用前已敘及，費用比較也已作了較精確的討論。EDI與混床年度費用的比較見圖1，結果表明，除第一種情況外，EDI系統(tǒng)在對RO出水的純化上比混床系統(tǒng)更經(jīng)濟。隨著RO出水TDS的增大，EDI在費用上有增大的趨勢。在出力較大、TDS較低時（600gpm，4.16ppm），EDI的費用比混床略高10，這主要是由于EDI膜堆的經(jīng)常更換所引起的。因為EDI技術剛剛開發(fā)，故研究中取5年為一個更換周期?？梢灶A料，EDI膜堆的使用壽命將至少可達到68年，這已在一些早期的商業(yè)應用中得到了證實。圖2給出了各條件下的年度運行費用，這里膜堆的更換周期選用5年。圖3給出膜堆更換周期為7.5年的情況下對運行費用的影響。將膜堆更換周期延長后，對高出力、低TDS情況的年度運行費用進行調整的結果表明，EDI的年度總費用由混床費用的110下降到95。（圖1、2、3略）表C 系統(tǒng)年度費用（,000）$對于新建廠站的情況，在50200gpm的出力范圍內，EDI較混床精處理有較明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。混床精處理系統(tǒng)要求配有相應的輔助設施（化學藥劑貯存及輸送系統(tǒng)、廢水中和系統(tǒng)），這對低到中型出力的設備來說在經(jīng)濟上不合算。對于出力為100gpm的情況，EDI和混床系統(tǒng)的投資費用大致相當。 建筑空間要求這項研究未包括與基建或別的對空間有要求的相關費用。EDI系統(tǒng)可比混床系統(tǒng)及其所有的輔助設施占用更少的空間。對于新設備費用的估算而言，降低與EDI相關的基建費用是相當重要的，即使使EDI所用的空間不及混床系統(tǒng)的一半，這也是可行的。假定基建費用估計為75美元ft3，EDI可降至500ft2，這樣就可以節(jié)省37,500美元的投資費用。 環(huán)保問題目前隨著企業(yè)數(shù)量的不斷擴大，有害化學物質的使用及其相關的負效應問題變得更加尖銳。對化學藥品所引起的爭端包括運行人員的操作及安全問題、防止泄漏的措施、廢棄物的排放及定期控制等問題。隨著水處理技術的發(fā)展，現(xiàn)在可以采用膜處理及其它非化學方法的凈水技術，EDI技術對此是一個較大的貢獻。本研究沒有考察化學藥劑從工場到膜處理系統(tǒng)基地（包括EDI）所引發(fā)的問題，但可以降低再生藥劑的使用或消除下述的需要及任務： 必要的廢水處理及其相關的監(jiān)控、排放物的測試、再生廢水的調整等相關活動。 污染區(qū)域、設施及根據(jù)相應化學排放物所采取預防措施的試驗。 工作人員處理有害化學藥品的培訓。使用單臺混床增加除鹽水貯存罐本研究未詳細考察采取減少混床系統(tǒng)的投資而應用單臺混床（不是雙臺混床）制水并增加除鹽水貯存罐的運行方式。對這一方式的簡要分析表明，如果安裝充足的貯水罐（8小時的供水量），允許單臺的混床再生二次而不影響系統(tǒng)的供水量，那么對系統(tǒng)的初期投資沒有什么大的影響。考慮到系統(tǒng)的出力，貯存量相應的可達24,000gal（50gpm系統(tǒng)）、96,000gal（200gpm系統(tǒng)）及288,000gal（600gpm系統(tǒng)）。對投資項目的研究表明，從預算中去掉一臺混床將節(jié)省約20的初期投資費用。無論如何，增加除鹽水的貯存罐將降低費用，如果能夠達到節(jié)省20的投資費用，就可以使混床系統(tǒng)的年度費用相應地降低6到12?？傊?，如果新廠不考慮水處理系統(tǒng)的組成而計劃安裝有較大的除鹽水貯存罐，采用單臺的混床是有保證的。進水TDS增大當進水TDS增大時，EDI系統(tǒng)可以通過增大運行電流的方式在保證出水水質及水量的條件下適應這一情況。因此當RO系統(tǒng)的除鹽能力有所下降時，EDI系統(tǒng)可以相對不受影響（僅增加電耗），而混床系統(tǒng)將縮短運行周期，從而增大了化學藥劑的使用，增加了人力。這對混床的運行費用有較大的影響。總結本研究將新廠中應用的EDI及混床精處理系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性進行了比較，研究并考察了三種產(chǎn)水量及三種進水TDS組合運行的情況，系統(tǒng)的產(chǎn)水量選擇為50、200、600gpm，在每一種產(chǎn)水量條件下，考察了進行成分中低、中、高TDS含量三種運行情況。研究表明EDI在低至中型產(chǎn)水量系統(tǒng)中的應用比混床的年度費用更經(jīng)濟。對于高產(chǎn)水量系統(tǒng)，EDI的費用也與混床相當。另外，研究還表明EDI可以帶來混床系統(tǒng)無可比擬的其它方面的好處，這些包括有廢水的監(jiān)測、排放、較小的安裝空間、較低的防腐要求、運行人員更少地對化學藥劑進行操作處理、在保證水量及水質的前提下僅略微提高運行費用就可以適應進水TDS的變化。EDI對純水制備技術是一個較大的貢獻，它允許水處理系統(tǒng)在一些應用條件下不使用有害的化學藥劑。研究表明，EDI除了技術的的優(yōu)勢外，它還與混床離子交換技術具有經(jīng)濟上的可比性，在許多情況下，它較混床系統(tǒng)占有更大的經(jīng)濟優(yōu)勢。（武漢藝達水處理工程有限公司 鄒向群供稿）EDI技術的開發(fā)與應用Glegg水處理公司對于生產(chǎn)高純水的工業(yè)公司來說有一個重要的消息，那就是不使用化學再生藥劑而制得高純度的水現(xiàn)在已成為了現(xiàn)實。最近開發(fā)的EDI技術所制取水質的純度可以達到極限要求，而且還會帶來其它一系列的益處。無需化學再生藥劑的EDI技術被水處理行業(yè)稱為EDI的電去離子法并不是什么新名詞，事實上，商品化的EDI在十多年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。盡管早期的EDI系統(tǒng)出力較低，而且運行的可靠性很差，但今天的EDI已經(jīng)能夠滿足工業(yè)領域對水處理的廣泛要求了。目前的RO（反滲透）EDI系統(tǒng)使水的凈化方式正經(jīng)歷著變革，然而使工業(yè)部門廣泛地接受EDI還有很長的一段路要走。從四十多年以前的制藥、造紙、石化及電力到今天的半導體產(chǎn)業(yè)，水一貫是工業(yè)部門的命脈，而正是這些部門導致了超純水處理技術的革命。盡管工業(yè)用戶所要求的基本特點如較少的化學藥劑、較少的廢水排放量、簡單的操作及較低的運行費用等基本上是相同的，但原有的水處理技術已經(jīng)發(fā)生了許多變化。水處理技術的主要發(fā)展為滿足工業(yè)部門對高純水的需要，近年來在工業(yè)水處理方面對兩項技術進行了重點開發(fā)，這些新技術中的每一項都使水處理系統(tǒng)產(chǎn)生了突破性的變化。在二十世紀60至70年代，工業(yè)部門所要求的水質通過化學方式再生的離子交換技術即可得到滿足。由于當時的應用面不大，因而對使用化學藥劑所帶來的長期影響較少有人關注。在早期的水處理系統(tǒng)中，混床離子交換階段作為后續(xù)處理過程以一個獨立的單元置于陽、陰離子交換之后。隨著對應用要求的提高，以化學方式再生的離子交換系統(tǒng)顯然受到了限制，問題的焦點在于它們漏過的TOC含量較高。與新近的技術相比，在這些系統(tǒng)中使用了大量的化學再生藥劑，并要求對化學廢水進行連續(xù)地處理，而且其操作復雜、運行費用較高。在二十世紀70年代至80年代，隨著人們對減少化學藥劑使用意識的增加，人們開始在工業(yè)水處理中尋求新的工藝方法，其結果導致了對反滲透技術的新的應用。反滲透在預脫鹽系統(tǒng)中使用膜技術替代了陽陰離子交換單元，但是這種新技術在初期的應用中并不順利，RO對預處理的要求較高，而作為一個整體的水處理系統(tǒng)則趨向于簡化。由于電子工業(yè)對純水水質（包括降低TOC的含量）的要求越來越高，促使水處理技術不斷地向前發(fā)展，RO被視為解決的方案。隨著預處理過程的提高、更高級的RO膜被開發(fā)出來，使RO在應用初期所遇到的問題逐漸地被克服了。隨著時間的推移，RO逐步為世人所接受，同時諸如逆流再生設計、滿室床離子交換及專用樹脂的開發(fā)等后續(xù)的離子交換技術也得到了相應的發(fā)展。由于這些新工藝的廣泛應用，費用得到了降低，但RO/混床系統(tǒng)與目前的化學方式再生的離子交換系統(tǒng)相比，仍具有一定的經(jīng)濟性，對于前述的這些技術目前還有一定的需求。RO混床系統(tǒng)滿足了工業(yè)部門對高純水水質的多方面要求，它們可將不溶性雜質處理至十億分之幾，同時也降低了TOC的含量。無論如何，工業(yè)上仍需繼續(xù)依賴混床技術作為除鹽的最后階段，對混床階段化學藥劑的使用及相關設施的要求意味著RO所帶來的益處未能充分地體現(xiàn)出來，進一步降低化學藥劑的使用促成了第二次技術革命。通常稱為EDI的電去離子法40多年前作為非化學工藝首先被開發(fā)應用于試驗室工作，最近的開發(fā)EDI技術使徹底消除對化學再生藥劑的依賴成為現(xiàn)實，而且它還可以帶來一系列別的益處。EDI的工作原理典型的EDI系統(tǒng)涉及到這樣一個處理工序：預處理ROEDI。EDI使用普通的離子交換樹脂連續(xù)地從水中除去離子，但由于它是運用電流對樹脂進行連續(xù)的再生，因而它完全不用進行定期的化學再生。典型的EDI膜堆是由夾在兩個電極之間的一定對數(shù)的單元組成（見圖1 EDI的工作原理圖）。在每個單元內有兩類不同的室：待除鹽的淡水室即D室，收集所除去雜質離子的濃水室即C室。D室中用混勻的陽、陰離子交換樹脂填滿，這些樹脂位于兩個膜之間：只允許陽離子透過的陽離子交換膜及只允許陰離子透過的陰離子交換膜。樹脂床利用加在室兩端的直流電進行連續(xù)地再生，電壓使進水中的水分子分解成H及OH，水中的這些離子受相應電極的吸引，穿過陽、陰離子交換樹脂向所對應膜的方向遷移，當這些離子透過交換膜進入濃室后，H和OH結合成水。這種H和OH的產(chǎn)生及遷移正是樹脂得以實現(xiàn)連續(xù)再生的機理。當進水中的Na及CI等雜質離子吸咐到相應的離子交換樹脂上時，這些雜質離子就會發(fā)生象普通混床內一樣的離子交換反應，并相應地置換出H及OH。一旦在離子交換樹脂內的雜質離子也加入到H及OH向交換膜方向的遷移，這些離子將連續(xù)地穿過樹脂直至透過交換膜而進入濃水室。這些雜質離子由于相鄰隔室交換膜的阻擋作用而不能向對應電極的方向進一步地遷移，因此雜質離子得以集中到濃水室中，然后可將這種含有雜質離子的濃水排出膜堆。在典型的EDI系統(tǒng)中，進水的9095直接通過D室，510的進水被分配進C室。濃水用泵打循環(huán)并使其在膜堆中達到較高的流速，這樣可以起到提高除鹽效率、促進水流的混合、降低可能的結垢等作用。濃縮離子可以通過從濃水循環(huán)回路中排除一定比例的水后而從膜堆中除去，這種PH在58的水可以回收或直接打回到預處理系統(tǒng)的入口。在電去離子的過程中，將進水中的雜質離子去除后即制得高品質的除鹽水。EDI的優(yōu)點EDI在傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)中可替代現(xiàn)有的混床，它能夠連續(xù)穩(wěn)定地制出高純度的水。EDI的最大優(yōu)點在于不用化學藥劑進行再生，因而不需要化學再生藥劑貯存罐及相應的中和池，而且無須對有害的化學廢水進行收集、貯存及處理，結果使EDI大大的簡化了系統(tǒng)。RO的應用降低了對大型設備間的要求，而最近的EDI技術則完全地排除了這一點。由于EDI系統(tǒng)僅要求天花板的高度不超過18英尺（5.49米），即在通常的設備間內無高罐存在，在要求成套設備迅速地安裝起來以投入運行時，對高度規(guī)格無特別的要求是極為重要的。還有一個優(yōu)點是，EDI排出的濃水中僅含有進水中的雜質成分，通常這種水的水質比預處理系統(tǒng)的進水水質要好，故濃水可以直接地排至RO的入口，這樣就有效地消除了對廢水的排放。相反，混床的再生是一個一次性的過程，由于使用化學藥劑再生樹脂床，其廢液中含有比一般EDI濃水高34倍的廢棄離子，這類廢液通常不回收到預處理系統(tǒng)中，而是排放于廢水中和池內。ROEDI的運行過程是連續(xù)的，其生產(chǎn)的水質穩(wěn)定，它不象混床在每一個再生周期的開始及結束階段因離子的泄漏而影響出水水質。這種連續(xù)運行的方式也簡化了操作，無需設置與循環(huán)的再生工作相關的操作人員及操作程序。 最新的EDI技術EDI在十余年前才有了工業(yè)方面的應用，但這項技術存在著較多的問題。昂貴的費用限制了它只能應用于較低出力的場合，更嚴重的是早期的EDI技術還存在著穩(wěn)定性等問題，而且系統(tǒng)設計也較復雜?，F(xiàn)在的EDI已能滿足高出力的要求了，最近的模塊式技術使其流量在達到2000gpm（454.2m3/h）及以上時仍具有較好的經(jīng)濟性，它的出力可以通過增減膜堆的方式簡單地進行調整。最近的EDI裝置在經(jīng)濟性上可以與混床相媲美，簡化膜的合成及減少膜的數(shù)量等新工藝使其比早期的EDI技術有明顯的經(jīng)濟性，EDI的運行費用也與混床相當，其電耗與混床再生的藥劑費用大致相當。目前的EDI技術所帶來的好處已經(jīng)大大地超越了我們過去在制藥及電子工業(yè)中應用的其它技術。EDI系統(tǒng)首次實現(xiàn)了真正的工業(yè)化設計，它可以在壓力達100Psi（7kgf/cm2）的情況下連續(xù)運行而不會出現(xiàn)泄漏。最新的EDI技術采用模架式設計，模堆式的EDI系統(tǒng)可以進行擴展，容易安裝及維護。與RO系統(tǒng)類似，組成EDI的標準模塊很容易更換，可以成批量地生產(chǎn)，從而進一步地降低了它的費用。如果系統(tǒng)設計的容量有富余的話，首先應考慮購買適合現(xiàn)有流量要求的膜堆數(shù)。當混床