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浅析EDI与混床离子交换法的经济性比较
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发表时间:2017-12-01 09:36

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。

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℃,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

  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),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0.3%时,年度费用按具体情况仅降低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给出膜堆更换周期为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)$

  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。

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