EDI与混床离子交换法的经济性比较

EDI 与混床离子交换法的经济性比较电去离子法（ EDI ）作为一种水处理技术在各种领域已有10 余年的商业运行经验，它是一种利用电能对水质进行净化处理的技术EDI 膜堆中各膜对为板框式组装，每个膜对由精选的离子交换膜（一张阳膜、一张阴膜）及允许水流通过和促进水流在流道中湍流的隔栅组成。另外，交错的膜对间填充满象混合离子交换树脂之类的离子化导电物质。膜对中对进水起纯化作用的单元称为淡水室，起聚集离子作用的单元称为浓水室。多个膜对构成一个膜堆，膜堆设计为水平放置，在膜堆的两侧安装有一副电极（阳极及阴极），整个的组件通常称为一个 EDI 膜堆。在直流电场的作用下，离子从淡水室中选择性地透过离子膜进入到浓水室中，最后在淡水室中制出除盐的产品水。浓水室中的废水可以回收至水处理系统的前端或回收至其它设备中使用，小流量的极水可以同设备的废水一样进行排放处理。EDI 最适合于应用在经RO 脱盐后的水质精处理阶段。 EDI 设备无需化学药剂的再生，可以连续运行。在具体的应用中，仅调节EDI 的运行电流就可以改变其出水水质。在进水电导率为60ms/cm 或更低的条件下， EDI 可制出 1 18MW.cm 的产品水。一些供应商现在已经为各个行业包括实验室、蒸汽站、制药及半导体在内的厂家生产和销售EDI 系统以制取高纯水， EDI 产业应用的焦点集中在中到大型出力纯水制备的使用上（ 50gpm 及以上），在这些应用中， EDI 可带来环境、安全及运行方面的显著效益，它作为 RO 出水的纯化装置技术上合理、经济上可完全替代混合床离子交换技术，本报告对新投产的 EDI 及混床技术将作经济上的比较。由于EDI 为膜堆式设计，属于非化学式的水处理系统，它无需酸、碱的贮存、处理及无废水的排放，因而它对新用户具有特别的吸引力。 采用 EDI 对旧系统进行改造也是非常经济的， 因为 EDI 可完全地利用现有的厂房及辅助设施。主要的研究点总则研究的目标是将作为经RO 预脱盐的后续处理的 EDI 与混床离子交换精化方式作经济性比较。假定水的预处理过程及RO 单元与精处理的选择无关，因此这部分水处理系统的费用不作核算。如果RO 出水中含有较高浓度的CO2 ,可以在EDI或混床前进行处理以减小 CO2的含量，这可以通过在 RO的出水后应 用除碳风机或通过加碱的方式提高RO进水PH的方法完成。本研究以要求除盐水出力在50 600gpm 范围内的新厂为例，此流量范围与一般的厂站要求相当。由于大多数EDI系统以一种模块式的方式构造，因而系统设计的最大出力实际上是无限的。本研究考察了三种不同的产品水出力及三种不同含量 TDS （全溶解固形物）组合的水处理系统。出力选择50、200及600gpm ,对于每一种出力考察了进水 TDS含量为低、中、高三种情况，这些进水的组 成成分见表A,进水水质为的 RO系统的出水。一般情况下，离子的种类及混合状况对EDI及混床的运行没有什么影响。通常 SiO2的含量在0.5PPm以下、游离CO2的含量不超过阴离子总量 50 %的RO出水 可完全为EDI所处理。表A ED MB进水水质成分低TDS中TOS局TDS钠（磔”1.205.27P.25重碳酸盐（期的）P 2,68:3.153,73氯（蚂m0.286 3211 9二氧化碳（蝌）0.91.01.2S1O2 (ppm)0.500 500.50PH6.76.76 7TDS (ppm)4 1614.7424.9除盐水水质的一般定义为电阻大于或等于17MW , SiO2小于20PPb ,实际上要求的除盐水水质允许按此标准有一定的变化。设备所有的设备要求是标准化的，适合重工业产业的连续运行，使用寿命至少在20年以上。假定每套系统都占有适当的空间，由于EDI系统占用的空间较后者小，因而在经济上更合算。EDI系统由装在同一个搁架上的多个EDI膜堆（50gpm 为4个膜堆,200gpm 为16个膜堆，600gpm为48个膜堆）、电源、浓水泵、控制盘、必要的阀门等组成，多个膜堆组装在同一膜架内。EDI系统采用通用的膜堆设计，可提供不同流量大小的出力。EDI的电耗根据进入TDS的含量大小一般为每小时1.1 2.8KWh/kgal 。一个EDI膜堆一般按其正常出力运行，但在短时间内可以在保证出水水质的条件下以更高 的流量运行。当EDI膜堆要求进行维护及更换时（当然这种情况是比较少见的），系统中剩余的膜堆可以在保证出 水水质的前提下比正常出力略大的负荷运行，直至有故障的膜堆被修复或更换为止。这种能力可使其根据 产水量和水质提供一定程度的富余量，并允许系统连续地运行，当然这种膜堆式系统出力的提高是有限度的（最大可提高 20 %的出力）。同时需要指出的是，更大的出力将增加EDI膜堆的运行压差。此外某些EDI组件可提供100 %的富余量，例如浓水循环泵等。在混床系统中，为保持连续的运行，一般设置有两台床。对于 50gpm 出力的混床，其直径为 30英寸； 200gpm 出力的混床直径为 54英寸；600gpm 出力的混床直径可达 90英寸，混床的运行周期分别为24小时（高TDS含量）、36小时（中TDS含量）及60小时（低TDS含量），混床系统还包括酸碱再生装 置、酸碱贮存罐（30天的贮存量）、碱稀释水加热器、风机、相关的仪表、控制盘及废水中和系统（罐、 泵、混合器等）。需要指出的是在 EDI及混床系统中都含有控制盘，但混床系统的控制盘比EDI系统的控制盘更大更复杂。过程考察这里选择了下述主要过程进行研究讨论。厂站容量设为100%,运行温度为 20 C,阳树脂量为10kgr/ft3 （1kgr=64.8g ），阴树脂的量为9kgr/ft3，酸碱剂量为6lb/ft3 ，离子交换树脂每四年更换一次， EDI膜堆每5年更换一次。研究表明，EDI的维护量为每天0.5个工作时，而混床每再生一次需2个工作时。EDI系统的回收率为97.2 %,混床回收率根据运行时间一般为95.4%至98.5 %。费用分析这里讨论了各种条件下的投资、安装及运行费用，费用数据主要考察了年度花费。考察期选择为10年，即投资系数为10% （资产回收系数为0.16275 ），总的年度费用表示目前 10年期内的年度支出数据。 缩短考察时间不利于对初期投资的分摊计算（对年度运行费用有利），降低投资系数对年度运行费用不利（有利于分摊初期投资）。EDI的混床设备的资金花费比较见表B表B设备投资费用（p000）$出力（班域局TDS中TDS在TDSEDIMBEDIMBEDIMB5060152(5015260151200150216150215150215600385397385354385352安装费用可按总投资的百分比进行估算，对于EDI系统费用系数取0.2%,混床系统取0.4%, 一些工程公司过去常使用这些系数对新设备的安装费用进行预算。EDI的安装与新RO系统的安装具有可比性，系数可取0.2%。混床安装的部件要多得多，而且系统连接也较为复杂（线路、管线及垫料等的互相连接）0.3 %时，年度费用按具体情况仅降低对混床安装费用系数的分析比较灵活，当混床的安装费用系数降至3%至 5%。运行费用两套系统中每一过程主要运行费用的考查有以下几方面的内容：人力、水耗、废水的处置等。对于EDI而言，电耗及EDI膜堆的更换是额外的运行花费，混床的花费也包括化学药剂及树脂的更换费等，其它的 如碱稀释水加热（每年通常为几百至二千美元）及间歇性运行的水泵（每年最多在200 -500美元）等这类较少的花费不包括在内。可取下述的费用数据：人力 40美元/ h,电耗0.07美元/ KWh ,水1美元/ Kgal ,废水2美元/ Kgal , 100 %硫酸0.05美元/ lb , 100 %氢氧化钠0.15美元/ lb ,阳树脂55美元/ ft3 ,阴树脂150美元/ft3 ,膜堆更换费用6300美元/ 12.5gpm 出力。费用分析的讨论各种条件下年度费用的统计见表C。表B给出了各系统年度总的投资费用，运行及安装费用前已叙及，费用比较也已作了较精确的讨论。EDI与混床年度费用的比较见图1,结果表明，除第一种情况外，EDI系统在对RO出水的纯化上比混床系统更经济。随着 RO出水TDS的增大，EDI在费用上有增大的趋势。 在出力较大、TDS较低时（600gpm , 4.16ppm ） , EDI的费用比混床略高 10%,这主要是由于 EDI膜 堆的经常更换所引起的。因为 EDI技术刚刚开发，故研究中取 5年为一个更换周期。可以预料， EDI膜堆 的使用寿命将至少可达到 6-8年，这已在一些早期的商业应用中得到了证实。图 2给出了各条件下的年 度运行费用，这里膜堆的更换周期选用 5年。图3给出膜堆更才周期为 7.5年的情况下对运行费用的影响。 将膜堆更换周期延长后，对高出力、低TDS情况的年度运行费用进行调整的结果表明，EDI的年度总费用由混床费用的110 %下降到95%。（图 1、2、3 略）表C系统年度费用（，000 ） $出力（期圾）高TDS中TDS低TDSEDIMBEDIMBEDIMB5030.S71828.760.227.649.620083.6120.P75 694.271.172 6600177.8240.2153.5176.7140 3126.2对于新建厂站的情况， 在 50 200gpm 的出力范围内， EDI 较混床精处理有较明显的经济优势。混床精处理系统要求配有相应的辅助设施（化学药剂贮存及输送系统、废水中和系统），这对低到中型出力的设备来说在经济上不合算。对于出力为 100gpm 的情况， EDI 和混床系统的投资费用大致相当。建筑空间要求这项研究未包括与基建或别的对空间有要求的相关费用。 EDI 系统可比混床系统及其所有的辅助设施占用更少的空间。对于新设备费用的估算而言，降低与EDI 相关的基建费用是相当重要的，即使使EDI 所用的空间不及混床系统的一半，这也是可行的。假定基建费用估计为 75 美元 ft3 ， EDI 可降至 500ft2 ， 这样就可以节省37,500 美元的投资费用。环保问题目前随着企业数量的不断扩大，有害化学物质的使用及其相关的负效应问题变得更加尖锐。对化学药品所引起的争端包括运行人员的操作及安全问题、防止泄漏的措施、废弃物的排放及定期控制等问题。随着水处理技术的发展，现在可以采用膜处理及其它非化学方法的净水技术， EDI 技术对此是一个较大的贡献。本研究没有考察化学药剂从工场到膜处理系统基地（包括 EDI ）所引发的问题，但可以降低再生药剂的使用或消除下述的需要及任务： 必要的废水处理及其相关的监控、排放物的测试、再生废水的调整等相关活动。 污染区域、设施及根据相应化学排放物所采取预防措施的试验。 工作人员处理有害化学药品的培训。使用单台混床增加除盐水贮存罐本研究未详细考察采取减少混床系统的投资而应用单台混床（不是双台混床）制水并增加除盐水贮存罐的运行方式。对这一方式的简要分析表明，如果安装充足的贮水罐（ 8 小时的供水量），允许单台的混床再生二次而不影响系统的供水量，那么对系统的初期投资没有什么大的影响。考虑到系统的出力，贮存量相应的可达24,000gal（ 50gpm 系统）、 96,000gal（ 200gpm 系统）及288,000gal（600gpm 系统）。对投资项目的研究表明，从预算中去掉一台混床将节省约 20 的初期投资费用。无论如何，增加除盐水的贮存罐将降低费用，如果能够达到节省20 的投资费用，就可以使混床系统的年度费用相应地降低6 到 12 。总之，如果新厂不考虑水处理系统的组成而计划安装有较大的除盐水贮存罐，采用单台的混床是有保证的。进水 TDS 增大当进水 TDS 增大时， EDI 系统可以通过增大运行电流的方式在保证出水水质及水量的条件下适应这一情况。因此当 RO 系统的除盐能力有所下降时， EDI 系统可以相对不受影响（仅增加电耗），而混床系统将缩短运行周期，从而增大了化学药剂的使用，增加了人力。这对混床的运行费用有较大的影响。总结本研究将新厂中应用的 EDI 及混床精处理系统运行的经济性进行了比较，研究并考察了三种产水量及三种进水 TDS 组合运行的情况，系统的产水量选择为 50 、 200 、 600gpm ，在每一种产水量条件下，考察了进行成分中低、 中、 高 TDS 含量三种运行情况。 研究表明 EDI 在低至中型产水量系统中的应用比混床的年度费用更经济。对于高产水量系统， EDI 的费用也与混床相当。另外，研究还表明 EDI 可以带来混床系统无可比拟的其它方面的好处，这些包括有废水的监测、排放、较小的安装空间、较低的防腐要求、运行人员更少地对化学药剂进行操作处理、在保证水量及水质的前提下仅略微提高运行费用就可以适应进水TDS 的变化。EDI 对纯水制备技术是一个较大的贡献， 它允许水处理系统在一些应用条件下不使用有害的化学药剂。研究表明， EDI 除了技术的的优势外，它还与混床离子交换技术具有经济上的可比性，在许多情况下，它较混床系统占有更大的经济优势。（武汉艺达水处理工程有限公司邹向群供稿）EDI 技术的开发与应用Glegg 水处理公司对于生产高纯水的工业公司来说有一个重要的消息，那就是不使用化学再生药剂而制得高纯度的水现在已成为了现实。最近开发的 EDI 技术所制取水质的纯度可以达到极限要求，而且还会带来其它一系列的益处。无需化学再生药剂的 EDI 技术被水处理行业称为 EDI 的电去离子法并不是什么新名词，事实上，商品化的 EDI 在十多年前就已经出现了。尽管早期的 EDI 系统出力较低，而且运行的可靠性很差，但今天的 EDI 已经能够满足工业领域对水处理的广泛要求了。目前的 RO （反渗透） EDI 系统使水的净化方式正经历着变革，然而使工业部门广泛地接受EDI 还有很长的一段路要走。从四十多年以前的制药、造纸、石化及电力到今天的半导体产业，水一贯是工业部门的命脉，而正是这些部门导致了超纯水处理技术的革命。尽管工业用户所要求的基本特点如较少的化学药剂、较少的废水排放量、简单的操作及较低的运行费用等基本上是相同的，但原有的水处理技术已经发生了许多变化。水处理技术的主要发展为满足工业部门对高纯水的需要，近年来在工业水处理方面对两项技术进行了重点开发，这些新技术中的每一项都使水处理系统产生了突破性的变化。在二十世纪60 至 70 年代，工业部门所要求的水质通过化学方式再生的离子交换技术即可得到满足。由于当时的应用面不大，因而对使用化学药剂所带来的长期影响较少有人关注。在早期的水处理系统中，混床离子交换阶段作为后续处理过程以一个独立的单元置于阳、阴离子交换之后。随着对应用要求的提高，以化学方式再生的离子交换系统显然受到了限制，问题的焦点在于它们漏过的 TOC 含量较高。 与新近的技术相比， 在这些系统中使用了大量的化学再生药剂， 并要求对化学废水进行连续地处理，而且其操作复杂、运行费用较高。在二十世纪70 年代至 80 年代，随着人们对减少化学药剂使用意识的增加，人们开始在工业水处理中寻求新的工艺方法，其结果导致了对反渗透技术的新的应用。反渗透在预脱盐系统中使用膜技术替代了阳阴离子交换单元，但是这种新技术在初期的应用中并不顺利， RO 对预处理的要求较高，而作为一个整体的水处理系统则趋向于简化。由于电子工业对纯水水质 （包括降低 TOC 的含量） 的要求越来越高， 促使水处理技术不断地向前发展，RO 被视为解决的方案。随着预处理过程的提高、更高级的 RO 膜被开发出来，使 RO 在应用初期所遇到 的问题逐渐地被克服了。随着时间的推移， RO 逐步为世人所接受，同时诸如逆流再生设计、满室床离子交换及专用树脂的开发等后续的离子交换技术也得到了相应的发展。由于这些新工艺的广泛应用，费用得到了降低，但RO/ 混床系统与目前的化学方式再生的离子交换系统相比，仍具有一定的经济性，对于前述的这些技术目前还有一定的需求。RO 混床系统满足了工业部门对高纯水水质的多方面要求，它们可将不溶性杂质处理至十亿分之几，同时也降低了 TOC 的含量。 无论如何， 工业上仍需继续依赖混床技术作为除盐的最后阶段， 对混床阶段化学药剂的使用及相关设施的要求意味着RO 所带来的益处未能充分地体现出来，进一步降低化学药剂的使用促成了第二次技术革命。通常称为 EDI 的电去离子法 40 多年前作为非化学工艺首先被开发应用于试验室工作， 最近的开发 EDI 技术使彻底消除对化学再生药剂的依赖成为现实，而且它还可以带来一系列别的益处。EDI 的工作原理典型的 EDI 系统涉及到这样一个处理工序：预处理 RO EDI 。 EDI 使用普通的离子交换树脂连续地 从水中除去离子，但由于它是运用电流对树脂进行连续的再生，因而它完全不用进行定期的化学再生。典型的 EDI 膜堆是由夹在两个电极之间的一定对数的单元组成（见图 1EDI 的工作原理图）。在每个单元内有两类不同的室：待除盐的淡水室即 D 室，收集所除去杂质离子的浓水室即 C 室。 D 室中用混匀的阳、阴离子交换树脂填满，这些树脂位于两个膜之间：只允许阳离子透过的阳离子交换膜及只允许阴离子透过的阴离子交换膜。树脂床利用加在室两端的直流电进行连续地再生，电压使进水中的水分子分解成H 及 OH ，水中的这些离子受相应电极的吸引，穿过阳、阴离子交换树脂向所对应膜的方向迁移，当这些离子透过交换膜进入浓室后， H 和 OH 结合成水。这种H 和 OH 的产生及迁移正是树脂得以实现连续再生的机理。当进水中的 Na 及 CI 等杂质离子吸咐到相应的离子交换树脂上时，这些杂质离子就会发生象普通混床内一样的离子交换反应，并相应地置换出 H 及 OH 。一旦在离子交换树脂内的杂质离子也加入到H+及OH -向交换膜方向的迁移， 这些离子将连续地穿过树脂直至透过交换膜而进入浓水室。这些杂质离子由于相邻隔室交换膜的阻挡作用而不能向对应电极的方向进一步地迁移，因此杂质离子得以集中到浓水室中，然后可将这种含有杂质离子的浓水排出膜堆。1必，产品水出口，极水放11来自R。的进水在典型的EDI系统中，进水的90 95%直接通过D室，5 10%的进水被分配进 C室。浓水用泵打 循环并使其在膜堆中达到较高的流速，这样可以起到提高除盐效率、促进水流的混合、降低可能的结垢等作用。浓缩离子可以通过从浓水循环回路中排除一定比例的水后而从膜堆中除去，这种PH在5-8的水可以回收或直接打回到预处理系统的人口。在电去离子的过程中，将进水中的杂质离子去除后即制得高品质的除盐水。EDI的优点EDI在传统的水处理系统中可替代现有的混床，它能够连续稳定地制出高纯度的水。EDI的最大优点在于不用化学药剂进行再生，因而不需要化学再生药剂贮存罐及相应的中和池，而且无须对有害的化学废水进行收集、贮存及处理，结果使 EDI大大的简化了系统。RO的应用降低了对大型设备间的要求，而最近的EDI技术则完全地排除了这一点。由于 EDI系统仅要求天花板的高度不超过 18英尺（5.49米），即在通常的设备间内无高罐存在，在要求成套设备迅速地 安装起来以投入运行时，对高度规格无特别的要求是极为重要的。还有一个优点是，EDI排出的浓水中仅含有进水中的杂质成分，通常这种水的水质比预处理系统的进水水质要好，故浓水可以直接地排至RO的入口，这样就有效地消除了对废水的排放。相反，混床的再生是一个一次性的过程，由于使用化学药剂再生树脂床，其废液中含有比一般EDI浓水高3-4倍的废弃离子，这类废液通常不回收到预处理系统中，而是排放于废水中和池内。RO EDI 的运行过程是连续的，其生产的水质稳定，它不象混床在每一个再生周期的开始及结束阶段因离子的泄漏而影响出水水质。这种连续运行的方式也简化了操作，无需设置与循环的再生工作相关的操作人员及操作程序。最新的 EDI 技术EDI 在十余年前才有了工业方面的应用，但这项技术存在着较多的问题。昂贵的费用限制了它只能应用于较低出力的场合，更严重的是早期的 EDI 技术还存在着稳定性等问题，而且系统设计也较复杂。现在的 EDI 已能满足高出力的要求了，最近的模块式技术使其流量在达到 2000gpm( 454.2m3/h )及以上时仍具有较好的经济性，它的出力可以通过增减膜堆的方式简单地进行调整。最近的EDI 装置在经济性上可以与混床相媲美，简化膜的合成及减少膜的数量等新工艺使其比早期的EDI 技术有明显的经济性， EDI 的运行费用也与混床相当，其电耗与混床再生的药剂费用大致相当。目前的EDI 技术所带来的好处已经大大地超越了我们过去在制药及电子工业中应用的其它技术。EDI系统首次实现了真正的工业化设计，它可以在压力达100Psi ( 7kgf/cm2 )的情况下连续运行而不会出现泄漏。最新的 EDI 技术采用模架式设计，模堆式的 EDI 系统可以进行扩展，容易安装及维护。与RO 系统类似，组成 EDI 的标准模块很容易更换，可以成批量地生产，从而进一步地降低了它的费用。如果系统设计的容量有富余的话，首先应考虑购买适合现有流量要求的膜堆数。当混床设备需要进行维修时，它必须要解列才能进行，而 EDI (与 RO 相似)系统中的任一膜堆需要维修时，整个的系统运行不受影响，其负荷只需要在剩余膜堆中进行分配即可。正如前面所指出的那样，EDI 膜块式的结构也允许水处理系统按给定建筑物的具体空间要求进行设计。目前应用的 EDI 膜堆可以生产出电阻率超过 16MW(0.063ms/cm) 的纯水， 事实上以 RO EDI 组合而成的后端处理系统可产出目前工业上所要求达到的最高水质。正是由于最近的进展，使目前的 EDI 技术可以满足今天大多数用户的要求，而且获得了工业界的广泛赞誉。EDI 市场EDI 技术的市场占有率目前正迅速地扩大，它如同 RO 的早期市场开发一样，其广泛的销售策略已经赢得了大量的供应商，并获得了一批可为用户提供服务的地方专家。目前世界上有许多水处理公司可以销售RO EDI 系统， 任何一个有名的化学水处理设备供应商 （或作为水处理系统的咨询顾问），都会一致地将EDI 视为那些要求降低酸碱使用的客户的一个解决方案。今天， EDI 已经达到了高流量的工业化要求不仅在电子工业，而且在制药、造纸、电力及化工生产等领域，这些系统提供的流量可达2000gpm及以上。事实上，由于最新技术的开发， EDI 系统在出力上的限制取决于其它的因素，而不是EDI 系统的自身。工业水处理的未来目前的 RO EDI 技术大大地降低了化学药剂的使用， 简化了运行操作， 降低了总的固定投资费用。 尽管在工业水处理中还面临着进一步降低化学药剂使用的要求，但我们可以预期，随着过滤及RO 膜技术的提高， RO EDI 系统的经济性将会得到进一步的提高。将来会如何变化？我们会看到在所有的工业单元中降低对化学药剂的使用将是肯定的。可以预计，在3 到 5 年的时间内， 85 的工业水处理系统将会采用 ROEDI 系统，剩余15的部分则是应用在预处理的费用较高或者不能抵消非化学方法的 RO EDI 系统所带来的固有益处的场合。EDI 现在已完全确立了其市场地位，而且获得了工业界的广泛接受，此项技术的发展将取决于工业界对采用非化学方法制取纯水的不断需求。（武汉艺达水处理工程有限公司邹向群供稿）（武汉水利电力大学陈志和校核）