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EDI工艺技术的应用与研究

2012-01-10

  概述

  EDI技术从20世纪70年代开始发展,EDI产品和技术在中国最早的应用是20世纪80年代初期,在20世纪90年代末期,在中国才开始真正推广EDI技术,因此,EDI技术在中国的真正发展和规模性的应用,不到10年时间,最早应用在电子和半导体行业,在中国电力行业的推广和应用,要晚于电子和半导体行业。

  EDI在中国的应用,经历了巨大的曲折发展之路,无论是模块的发展还是工艺技术的发展,失败的教训和成功的经验都为EDI的后续发展作出了巨大的贡献。

  总体而言,EDI技术的应用是成功的,但是,为了成功的应用EDI技术,现在大部分的EDI整体工艺系统,无论原水水质的好坏,为了一味的追求所谓的稳定性,现在大部分设计的工艺系统均为二级反渗透+EDI的工艺技术,投资方为此付出了巨额的设备和工程投资,以及系统后续运行的巨大能源消耗。

  先进的技术和优秀的产品,如果是靠巨额的投资和高额的能源消耗来保证其运行,那么,这种产品和技术一定缺少推广和应用的价值。真正的EDI应用技术,应该是从技术和经济性进行分析,并非一味片面而单一的追求EDI运行的过度稳定性,那样会造成投资的无意义性浪费,增加投资者的无用性成本投资。

EDI

  因此,EDI技术的应用,需要同时解决EDI应用的二大核心问题:

  (1)EDI系统的运行稳定性

  (2)EDI系统的投资合理性

  水源和水质分析

  原水水质差异

  中国的地域广阔,自然界的水系非常复杂,主要体现在:

  (1) 南北水系有差异: (4) 苦咸水、海水、亚海水水系

  (2) 地表和地下水系有差异 (5) 江、河、湖、库、溪等水系

  (3) 同一个地区的水系也有差异 (6) 污水的回用、循环水排污水系统

  各种水系的差异是巨大的,有的地表水系原水电导率在50~100μS/cm,有的地表水系。原水电导率在400~800μS/cm,有的地下水系原水电导率在300~800μS/cm,有的地下水系原水电导率在2000~3000μS/cm,有的海水倒灌水系原水含盐量在5000~15000mg/l等等。同时,由于原水中其它离子或参数表现也有所不同,如:碳酸盐碱度、硬度、硅、PH值等的差异性,因此,必须对原水的各种特性表现进行详细分析,为确定整体工艺路线寻找到完整的设计依据。

  产水水质差异

  工业行业众多,生产工艺的差异巨大,对于用水水质的需求千差万别,如:

  a.电厂锅炉补给水:由于锅炉压力的不同,其控制硅的指标也有巨大差异,有的要求小于100μg/L,有的要求小于50μg/L,有的要求小于20μg/L,有的要求小于10μg/L;

  b.电子半导体行业:由于电子产品和单晶硅的产品不同,水的等级要求也是不同的,有的要求小于500μg/L,有的要求小于100μg/L,有的要求小于20μg/L,有的要求小于10μg/L,有的要求小于5μg/L,有的要求小于1μg/L;

  EDI的进水条件

  以美国Electropure EDI为例,进水水质主要有离子负荷类和结后污染类两大类指标,具体如下:

  离子负荷类指标

  PH 值: 5.0 to 9.5 (pH 7.0 至 8.0之间EDI有最佳电阻率性能,但硬度要低于常规值),注意到典型的低PH值进水时由于CO2的存在而导致产水质量下降

  电导率:1-20 μS/cm。最佳电导率在2-10 μS/cm。最大电导率50μS/cm

  总CO2:建议小于5 ppm,高于10 ppm时,产水品质很大程度上依赖于CO2水平和PH值

  硅:最大0.5 ppm. 反渗透RO产水典型范围是50-150 ppb。

  结垢污染类指标

  硬度(以CaCO3计):最大1.0 ppm,在90%回收率时

  金属:最大0.01 ppm Fe、Mn、变价性金属离子

  有机物:TOC 最大0.5 ppm,建议检测不出

  颗粒:建议用无颗粒的反渗透RO产水(直接进入)或者将中间水箱的水采用1μm预先过滤,建议控制SDI值在1以下

  氧化剂:活性氯(Cl2)最大 0.05 ppm,建议检测不出;臭氧(O3)最大0.02 ppm,建议检测不出。

  进水条件特别说明

  (1) 各类水质指标不能独立分析,指标之间有很强势的逻辑关系和相互制约的关系,需要综合分析各类指标存在的条件,选择稳定和经济性的工艺手段解决EDI的进水负荷。

  (2) 对于进水离子负荷,EDI性能表现最敏感也是最脆弱的指标是CO2,在离子负荷领域,其表现是弱电解质,主要是二个表现:

  a .CO2转变成HCO3-并非瞬间完成,需要缓慢转变;

  b .即使CO2完全转变成HCO3-,HCO3-离子从淡水室迁移至浓水室的速度也是非常缓慢,不像K+、Na+离子那样能够快速迁移至浓水室,因此,CO2的浓度大小将会对EDI的整体性能产生至关重要的影响。

EDI设备

  EDI工艺技术分析

  EDI工艺系统设计的核心准则

  a .EDI系统的运行稳定性:

  降低总离子负荷、减少结垢和污染因子从EDI的进水条件进行分析,满足EDI的进水条件,减少弱电解质和结垢污染类物质的影响,采用经济合理的工艺手段去除EDI的进水负荷,尤其是尽力弱电解质负荷,对于实现EDI的稳定运行将产生至关重要的影响。

  b .EDI系统的投资合理性:

  优化前处理整体工艺流程优化前处理整体工艺流程,每种特定的工艺总是有其应用的条件和优势,但是,也有其应用的局限性,优秀系统工艺的形成是多个优势单体工艺的有机组合;根据原水水质、产水要求,合理设计完整的EDI水处理工艺,充分进行工艺的优化,对所选择的工艺技术进行分析,必须首先满足实现EDI运行的稳定性,同时,对于所选择的工艺技术进行经济分析,在满足EDI系统稳定运行的前提下,实现整体工程投资的合理化;EDI 工艺系统的选择,是关系到EDI 能否安全、稳定运行的关键,但是,由于原水水源、产水要求、初期投资、运行维护投资等多方面的约束和影响,因此,并没有放之四海皆准的工艺系统存在,必须结合终端用户工程系统的实际情况进行综合分析后,才能够确定经济合理的工艺路线。

  常规EDI设计理念

  常规设计理念的劣势:

  对于进水的离子负荷和结垢的理解以及处理方式,在很多情况下都是正向思维方式,例如:硬度问题,当发现RO的产水硬度高于EDI进水条件时,首先想到的是采取软化工艺或二级RO技术来将硬度去除。但是,对于EDI进水硬度的条件限定,是有相关联的水质条件的,主要的条件是EDI的回收率和进水的CO2浓度水平,当EDI回收率为90%时,硬度和碱度在EDI浓水室的浓缩倍率为10~11倍,但是当EDI回收率为95%时,硬度和碱度在EDI浓水室的浓缩倍率为20倍以上,而当EDI回收率为85%时,硬度和碱度在EDI浓水室的浓缩倍率为6.67倍左右,同样的硬度条件,在不同的回收率情况下,在EDI浓水室形成CaCO3结垢的趋势将会完全不同。很显然,在高回收率和高的进水的CO2浓度水平条件下,进水的硬度必须很低才能保证EDI的浓水室不产生CaCO3结垢,相反,如果高回收率和非常低的进水的CO2浓度水平条件,人为的去除或减少CaCO3结垢的因子,则可以保证EDI浓水室在一定的硬度范围内不会形成CaCO3结垢。

  1 软化工艺

  1) 无法优化EDI性能:软化技术,只能解决钙镁结垢的因素,但是,由于钙离子和钠离子是等当量交换,EDI进水的总离子当量负荷并没有任何改变,相反,离子浓度负荷是增加了,故对于EDI本身的性能并没有改善,相反,有恶化的趋势。

  2 二级RO工艺

  1)缺乏投资价值:二级RO技术,设备一次性投资巨大,缺乏投资的经济价值。根据数据分析显示,二级RO+EDI的工艺配置和一级RO+混床的工艺配置相比,投资的差额回收期为15~20年,也即:原则上,从经济的角度分析,二级RO+EDI的工程投资是无法回收的;

  2)高电能消耗:二级RO技术,由于RO高压泵的存在和第一级RO产水容量的放大,其整体运行的电能消耗巨大;

  3)二氧化碳负荷波动:二级RO技术,其解决二氧化碳并不彻底,带来EDI进水二氧化碳负荷的可变性,尤其是在有二级RO浓缩水回流时,使一级RO进水的HCO3-产生较大波动,在原水的HCO3-较高条件下,波动性更大,从而,导致EDI性能不稳定。

  3鼓风脱气工艺

  1)残留二氧化碳:鼓风脱气技术,能够解决一部分二氧化碳问题,但是还有5ppm左右的二氧化碳残留在水中无法去除,使EDI的运行条件无法得到优化。

  2)二氧化碳负荷波动:鼓风脱气不但有残留CO2的问题,而且,随着水温的变化,残留的CO2浓度也会产生波动,尤其在冬季,会使残余的CO2浓度上升很多,将会严重影响EDI的运行稳定性和产水品质;

  3)水的二次污染:同时,空气与水接触, 会带来水的二次污染问题。

  膜脱气设计理念

  1 膜脱气工艺技术优势

  1)减少CO2负荷:控制EDI进水的二氧化碳绝对值,使其小于2ppm或1ppm或0.5ppm,大大减少了二氧化碳的负荷,降低了进水的TEA,提高EDI的除硅性能。

  2)降低PH负荷:一级RO产水通常偏酸性(PH=5~6.5),因此,产水中的HCO3-绝大部分会以游离CO2的形式存在,为膜脱气去除CO2创造了非常有利的条件,去除二氧化碳后可以提高EDI的进水PH值,降低其PH值H+负荷,改善EDI工作性能。

  3)降低总离子负荷:对于EDI的四大类离子负荷,PH和HCO3-有很大的改善,从而,有效地降低EDI的进水总离子负荷,尤其是弱电解质负荷HCO3-,可以有效地提高EDI除硅性能。

  4)减少硬度结垢:大大减少EDI浓水室碳酸盐结垢的趋势,延长模块的清洗周期和使用寿命。

  5)放宽硬度限制:由于二氧化碳量大大减少了,硬度结垢的趋势大大减弱了,因此,可以适当放宽EDI进水硬度的条件,即使在进水硬度2ppm或5ppm或更高,EDI浓水室也不会结垢,取决于二氧化碳的去除水平,去除二氧化碳越彻底,允许的进水硬度越高。

  6)减少铁污染:由于脱气膜可以去除大部分溶解氧,因此大大减少铁的氧化物的形成,从而减少EDI膜和树脂的铁污染。

  7)减少微生物污染:去除溶解氧后,可以抑制细菌的生长,减少微生物污染,减少化学清洗和延长模块寿命。

  8)去除挥发性TOC:脱气膜可以去除水中的挥发性TOC,降低后续工艺进水的TOC负荷。

  2 膜脱气工艺整体优势:一级RO+膜脱气+EDI

EDI超纯水设备

  整体优势

  1)解决负荷和结垢问题:采用膜脱气技术同时解决了离子负荷和硬度结垢的问题;

  2)放宽进水条件:同等条件下,扩大了TDS的进水条件和硬度的进水条件;

  3)优化除硅能力:同样进水负荷条件下,整体优化了EDI的除硅能力;

  4)提高运行稳定性:弱性离子HCO3-的减少,可以大大提高EDI性能的稳定性;

  5)延长EDI使用寿命:大大减少了EDI的污染,从而减少清洗维护的频率,延长EDI模块寿命;

  6)减少初期工程投资:大大减少了反渗透技术和整体工程的初期投资,该工艺的整体投资比采用二级RO技术的投资要节省30% 左右,主要特点是:设备投资省、辅助设备少、占地少;

  7)节约电能消耗:减少了整个RO和EDI系统的用电能源消耗,膜脱气采用真空技术或压缩空气吹扫技术,比RO的高压泵技术节能90%以上;

  特别建议:

  (1) 对于采用一级RO+膜脱气+EDI工艺技术的系统,对于一级RO部分的膜,建议优先采用高脱盐率、抗污染及性能恢复性强的RO膜。

  (2) 膜脱气技术在国内的成功应用有20年以上的历史,国内最大的脱气膜系统为1300m3/h。

  4.0 EDI技术应用工艺类型

  根据原水水质条件、产水水质要求、工程投资合理性,在此对各应用工艺进行简单的分析与比较,具体如下:

  一.UF+RO+加碱+RO+EDI(二级RO工艺)

  

二级RO工艺.jpg

 

  工艺特点

  二级RO:通过二级RO技术同时解决EDI的负荷指标和结垢污染类指标。

  加碱:通过在第二级RO进水前加碱,将CO2转变成HCO3-离子,然后通过RO去除。

  适用范围

  原水进水负荷高,尤其是电导率、碱度、硬度、硅中的一项或几项指标很高;原水进水负荷变化大,时高时低,不利于EDI运行的条件,如:苦咸水、循环水排污水利用、海水倒灌等高含盐量的水,一级RO产水的TDS不能满足EDI要求条件。

  产水品质要求高:电阻率≥16MΩ.CM,SiO2<20µg/L。

  二.UF+SF+加碱+RO+EDI(一级RO工艺)

  

一级RO工艺.jpg

 

  工艺特点

  软化:通过软化工艺解决EDI的进水硬度条件

  加碱:软化后,由于RO硬度的大大降低,可以通过在一级RO进水前加碱,将CO2转变成HCO3-离子,然后通过RO去除。

  适用范围

  原水进水负荷低,尤其是电导率、碱度、硬度、硅的指标都不高的情况

  原水进水负荷变化不大,有利于EDI运行的条件:产水品质要求高:电阻率≥16MΩ.CM,SiO2<20µg/L。

  三.UF+RO+DGS+SF+EDI

  

EDI流程图.jpg

 

  工艺特点

  软化:通过软化工艺解决EDI的进水硬度条件。

  脱气:主要是通过鼓风脱气或者膜脱气工艺将EDI进水中的CO2降低到较低的水平,鼓风脱气的效果能将CO2降低到4~6ppm的水平,在其它负荷低的情况下,可以满足EDI对于进水的需求,膜脱气工艺比鼓风脱气能够取得更好的效果。膜脱气可以将CO2降到2ppm以下,最好的效果可以降到ppb等级,在其它负荷较高的情况下,建议优先采用膜脱气工艺。采用膜脱气工艺后,由于CO2的含量很低,因此,即使进水的硬度有一些超过了进水要求,EDI仍然可以安全运行。

  适用范围

  原水进水负荷一般,碱度较高、硬度太高、硅不是很高。

  产水品质要求高:电阻率≥16MΩ.CM,SiO2<20µg/L。

  注意事项

  软化器选用的树脂品质要求高,树脂的再生剂(盐)的纯度等级要高,最少食品级。

  四.UF+RO+DGS+EDI

  

流程图.jpg

 

  工艺特点

  脱气:主要是通过鼓风脱气或者膜脱气工艺将EDI进水中的CO2降低到较低的水平,鼓风脱气的效果能将CO2降低到4~6ppm的水平,在其它负荷低的情况下,可以满足EDI对于进水的需求,膜脱气工艺比鼓风脱气能够取得更好的效果。膜脱气可以将CO2降到2ppm以下,最好的效果可以降到ppb等级,在其它负荷较高的情况下,建议优先采用膜脱气工艺。采用膜脱气工艺后,由于CO2的含量很低,因此,即使进水的硬度有一些超过了进水要求,EDI仍然可以安全运行。

  适用范围

  原水进水负荷低,碱度无要求、硬度较低、硅不是很高。

  产水品质要求高:电阻率≥16MΩ.CM,SiO2<20µg/L。

  五.UF+RO+EDI

  

UF流程图.jpg

 

  工艺特点

  一级RO:通过一级RO技术同时解决EDI的负荷指标和结垢污染类指标;在满足RO不结垢的前提下,可以根据需要在RO进水前加入一定量的碱,从而进一步减少CO2对于EDI的影响,当然,如果进水的碱度本身很低,也可以不需要设计加碱系统。

  适用范围

  原水进水负荷很低,尤其是电导率、碱度、硬度、硅中的几项指标都很低。

  原水进水负荷变化不大,有利于EDI运行的条件。

  产水品质要求高:电阻率≥16MΩ.CM,SiO2<20µg/L。

  注意事项

  根据进水负荷的变化,产水电阻率可能有少量的波动。

  六. EDI特殊工艺

  前处理系统+EDI

  前处理系统反渗透的产水直接进入EDI设备,不需要中间水箱、水泵、保安过滤器及其配套系统,通过反渗透高压泵的一次增压,运用反渗透产水的压力直接进入EDI,或者在RO和EDI 之间增加管道式增压泵,减少了设备初期投资、减少了运行费用、减少了二次污染的环节。

  举例:一级RO工艺系统

  

一级RO工艺系统.jpg

 

  说明:

  UF:超滤系统 EDI:电去离子技术 SF:软化器 RO:反渗透系统 DGS:膜脱气系统

  关于EDI的后处理工艺,这里未作介绍,请参见相关文献,对于RO的预处理,这里仅列举了UF工艺,其它工艺只要满足RO的进水条件,都可以选择。

  EDI技术的成功应用,需要同时解决EDI应用的二大核心问题:

  (1)EDI系统的运行稳定性 (2)EDI系统的投资合理性。

  由于原水水源、EDI产水要求、初期投资、运行维护投资等多方面的约束和影响,因此,并没有放之四海皆准的EDI工艺系统存在,必须结合终端用户工程系统的实际情况进行综合分析后,才能够确定经济合理的工艺路线。

  EDI在一定的原水进水条件下,采用一级反渗透技术完全可以满足EDI的运行,重点推荐系统工艺:超滤+一级反渗透+膜脱气+EDI

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