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淺析EDI與混床離子交換法的經濟性比較

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發表時間:2017-12-01 09:36

EDI與混床離子交換法的經濟性比較

電去離子法(EDI)作為一種水處理技術在各種領域已有10余年的商業運行經驗,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品水。濃水室中的廢水可以回收至水處理系統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,可以連續運行。在具體的應用中,僅調節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1-18MW.cm的產品水。
  一些供應商現在已經為各個行業包括實驗室、蒸汽站、制藥及半導體在內的廠家生產和銷售EDI系統以制取高純水,EDI產業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、經濟上可完全替代混合床離子交換技術,本報告對新投產的EDI及混床技術將作經濟上的比較。由于EDI為膜堆式設計,屬于非化學式的水處理系統,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對舊系統進行改造也是非常經濟的,因為EDI可完全地利用現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RO預脫鹽的后續處理的EDI與混床離子交換精化方式作經濟性比較。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50-600gpm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EDI系統以一種模塊式的方式構造,因而系統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。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,適合重工業產業的連續運行,使用壽命至少在20年以上。假定每套系統都占有適當的空間,由于EDI系統占用的空間較后者小,因而在經濟上更合算。

EDI系統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的電耗根據進入TDS的含量大小一般為每小時1.1-2.8KWh/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產水量和水質提供一定程度的富余量,并允許系統連續地運行,當然這種膜堆式系統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,例如濃水循環泵等。

  在混床系統中,為保持連續的運行,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(罐、泵、混合器等)。需要指出的是在EDI及混床系統中都含有控制盤,但混床系統的控制盤比EDI系統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系統的回收率為97.2%,混床回收率根據運行時間一般為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,費用數據主要考察了年度花費??疾炱谶x擇為10年,即投資系數為10%(資產回收系數為0.16275),總的年度費用表示目前10年期內的年度支出數據??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系統費用系數取0.2%,混床系統取0.4%,一些工程公司過去常使用這些系數對新設備的安裝費用進行預算。EDI的安裝與新RO系統的安裝具有可比性,系數可取0.2%?;齑舶惭b的部件要多得多,而且系統連接也較為復雜(線路、管線及墊料等的互相連接),對混床安裝費用系數的分析比較靈活,當混床的安裝費用系數降至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200-500美元)等這類較少的花費不包括在內??扇∠率龅馁M用數據: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計見表C。表B給出了各系統年度總的投資費用,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系統在對RO出水的純化上比混床系統更經濟。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膜堆的經常更換所引起的。因為EDI技術剛剛開發,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6-8年,這已在一些早期的商業應用中得到了證實。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 系統年度費用(,000)$

  對于新建廠站的情況,在50-200gpm的出力范圍內,EDI較混床精處理有較明顯的經濟優勢?;齑簿幚硐到y要求配有相應的輔助設施(化學藥劑貯存及輸送系統、廢水中和系統),這對低到中型出力的設備來說在經濟上不合算。對于出力為100gpm的情況,EDI和混床系統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系統可比混床系統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,這樣就可以節省37,500美元的投資費用。

環保問題
  目前隨著企業數量的不斷擴大,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展,現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基地(包括EDI)所引發的問題,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控、排放物的測試、再生廢水的調整等相關活動。
· 污染區域、設施及根據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的供水量,那么對系統的初期投資沒有什么大的影響。
  考慮到系統的出力,貯存量相應的可達24,000gal(50gpm系統)、96,000gal(200gpm系統)及288,000gal(600gpm系統)。對投資項目的研究表明,從預算中去掉一臺混床將節省約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,如果能夠達到節省20%的投資費用,就可以使混床系統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系統的除鹽能力有所下降時,EDI系統可以相對不受影響(僅增加電耗),而混床系統將縮短運行周期,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及混床精處理系統運行的經濟性進行了比較,研究并考察了三種產水量及三種進水TDS組合運行的情況,系統的產水量選擇為50、200、600gpm,在每一種產水量條件下,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在低至中型產水量系統中的應用比混床的年度費用更經濟。對于高產水量系統,EDI的費用也與混床相當。另外,研究還表明EDI可以帶來混床系統無可比擬的其它方面的好處,這些包括有廢水的監測、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除了技術的的優勢外,它還與混床離子交換技術具有經濟上的可比性,在許多情況下,它較混床系統占有更大的經濟優勢。

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