伊乐科对于EDI工艺技术的应用研究
来源：谷腾水网 阅读：3443 更新时间：2009-09-10 17:26
论文摘要：
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
关键词：EDI、运行稳定性、投资合理性、一级反渗透、膜脱气
1.0 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。
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
2.0 水源和水质分析
2.1 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。
2.2 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；
2.3 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。
3.0 EDI工艺技术分析
3.1 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。
3.3 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。
3.3.1 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。
3.3.2 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。
3.3. 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。
3.4 膜脱气设计理念
3.4.1 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。
3.4.2 膜脱气工艺整体优势：一级RO+膜脱气+EDI
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）
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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）
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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
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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
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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
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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
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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。
