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EDI在纯水清洁生产中的结构原理

2012-03-29

  EDI在纯水清洁生产中的结构原理

  进水按一定比例通过C室和D室。离子在D室的行为可以理解为四个过程:①离子在电场作用下向浓水室迁移;②离子与树脂的结合;③水的电离和迁移,迁移到C室中的H+和OH-离子又结合成水;④由于电场作用,离子不断从树脂上离解,使树脂不断再生。它们在电场作用下达成平衡(以Na+为例):

  EDI在纯水清洁生产中的结构原理

  EDI技术的发展

  电去离子是一种将离子交换树脂和离子膜相结合,在电场作用下连续去除离子的水处理方法。该技术是随着工业生产对纯水质量要求不断提高和环保对水处理中水利用率和化学物品的排放控制要求提高而逐步发展起来的。

  历史上,早期的纯水的需求主要来自于医药、化工、发电、造纸等行业,水质要求相对较低。在六、七十年代,纯水制备主要采用蒸馏和离子交换。前者能耗很高,后者需要化学药剂再生,既麻烦又不经济,而且由于强型树脂对一般有机分子去除效果很差,出水中TOC含量高。随着半导体工业的发展,对纯水质量要求不断提高,从而大大推动了纯水技术的发展。到八十年代,膜技术得到广泛应用,微滤、超滤、电渗析和反渗透(RO)等先进的水处理技术得到长足发展。RO-混床系统取代了传统的离子交换系统,解决了TOC问题,满足了诸如电子等行业对纯水质量要求。但是,由于RO脱盐率有限,混床需要化学药剂再生的问题仍未解决,并且出于环保需要,减少化学再生药剂使用的呼声越来越大,因而以电化学为基础的EDI技术便得到了重视。

  早在四十年前,EDI就作为一种不用化学药剂再生的水处理方法而用于实验室。EDI技术的长足发展是近十年,尤其是近几年来的事情。初期的EDI系统设计不完善,可靠性有问题,而且价格偏高,只适合于小流量用户。现在国外如美国E-CELL等公司已成功地商业化生产EDI设备,出水质量可与混床出水相媲美;EDI与RO一样设计成标准模块,可大批量生产和大规模组合,水量也能满足工业用水量要求。

  EDI结构和工作原理

  EDI常与RO连用,构成RO-EDI纯水系统。如上所述,EDI已设计成标准模块,EDI单元就是由若干模块组合而成。每个EDI模块结构如图1所示,有数个双腔室夹在两个电极(加直流电)之间,呈层叠式板框结构;双腔室包括淡水腔(用D表示)和浓水腔(用C表示);二腔之间隔以一对阴、阳离子膜(亦称阴向膜或阳向膜),阴、阳膜间装填阴阳树脂混合床构成D室;该阴、阳膜分别与另一D室中的阳、阴膜间构成C室。

  进水按一定比例通过C室和D室。离子在D室的行为可以理解为四个过程:①离子在电场作用下向浓水室迁移;②离子与树脂的结合;③水的电离和迁移,迁移到C室中的H+和OH-离子又结合成水;④由于电场作用,离子不断从树脂上离解,使树脂不断再生。它们在电场作用下达成平衡(以Na+为例):

  与普通混床不同之处在于,进入D室中的阴、阳离子先是与树脂结合,而后在直流电场作用下从树脂上不断离解,分别通过阴、阳膜向阳极和阴极移动,树脂同时得以再生。由于上述平衡作用,在水流方向上形成浓度梯度,可根据进水情况和出水要求调节电流(电压)大小,使流出的水为不含阴、阳离子的纯水;由于膜对阴、阳离子的选择通透性,进入C室的离子不能通过另一极膜而在C室浓缩。

  典型的EDI系统中,90%~95%的进水是通过D腔的,5%~10%的进水通过C腔。为了防止结垢,浓水用泵强制循环,高速通过膜面。浓水部分排放;排放的浓水可返回RO再处理。

  EDI的经济技术特点及环保价值

  EDI技术的最大特点是用电场和离子膜取代离子交换树脂的化学再生,使RO-EDI纯水系统在设备结构、使用操作、运行费用等方面与RO2混床相比具有明显优势;并克服了再生树脂所产生的废水排放问题,同时有废水需要处理的单位,也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似污水处理经验的企业。

  EDI与RO配套使用,可调节电流以改变出水质量,用标准模块组合改变出水量。十多年的商业应用表明,该系统在100磅/平方英寸(7kg/cm2)压力下运行稳定,出水电阻率可达到16M8&S226;cm以上,含Si量在20ppb以下,水质可靠,能满足目前最严格的工业用水质量要求,出水量可高达2000加仑/分(450立方米/小时)。

  EDI不用再生树脂,免除了树脂化学再生配套设施(如酸碱贮罐、泵和管道)使纯水系统设备结构简化,投资节省,操作简化,运行费用降低。近年来,国外E2CELL公司和ECODYNE公司在不同流量(50、200、600加仑/分)、不同水质(低、中、高TDS)情况下,对RO-EDI与RO2混床纯水系统的技术经济性能作了专门的比较研究。结果表明,前者的用工是0.5人时/日,后者为2人时/日;EDI安装费用比混床低得多。设备投资安装和运行费用按10年摊还期计,EDI投资系数为10%,EDI在低流量情况下较混床系统经济得多;在大流量时相当。上述比较中未考虑占地和环保管理等费用,在这方面EDI占明显优势。

  技术经济比较还表明,EDI比混床系统更能适应进水中TDS变化而不影响出水质量,而且对制水成本影响很小。

  EDI环境效益显著,表现在二个方面:克服了树脂化学再生造成的废水污染;EDI排放的浓水可直接回到RO之前再利用,这样EDI单元可以做到没有废水排放。

  EDI技术应用前景

  由于EDI上述优点,EDI技术和产品发展很快。目前,国际上已有多家公司生产销售RO-EDI系统。其应用不仅在制药、造纸、化工、发电等工业部门,而且还应用于其他领域。如美国Millipore公司Elix系列纯水设备就采用了RO-EDI技术,用于分析实验室用纯水制备,其EDI出水质量符合分析实验室用纯水二级标准。事实上,EDI已在国际上形成稳定市场,并在不断拓展。随着环境意识的加强和环保要求的提高,与需要化学再生而产生大量废水污染的传统混床相比,EDI技术将倍受青睐。并且随着膜技术的不断发展,RO-EDI系统可望有进一步的改进。有关专家预测,未来3~5年内85%的工业水处理系统将采用RO-EDI技术。

  反渗透水处理系统的微生物污染与防治

  从1953年提出用反渗透技术淡化海水,到二十世纪60年代的商业化运营,时至今日经过50多年的发展,反渗透水处理技术成功地运用于许多领域。从反渗透技术最初只用于海水淡化,后来逐步扩大到苦咸水淡化、食品加工、医药卫生、饮料净化、超纯水制备等方面,产生了很高的经济效益。?

  在反渗透水处理系统运行过程中,若系统设计不合理或运行控制不当,必然会出现膜污染的情况。在膜污染的几种类型中(沉淀污染、微生物污染、胶体污染等),微生物污染具有其特殊性,它在反渗透水处理中所造成的运行困难是最严重的一种。目前,国内在反渗透水处理系统运行中,膜的微生物污染问题日渐突出。?

  微生物污染的产生和危害

  1.1产生原因

  生物污染是指微生物在膜-水界面上积累从而影响系统性能的现象。微生物污染是膜材料、流动参数(如溶解物,流动速度,压力等)和微生物间复杂的相互作用的结果。微生物污染基本上是一个生物膜生长的问题。?

  微生物污染的主要来源是RO进料水。由于地表水和浅层地下水中都存在着微生物,预处理系统未正常有效工作,微生物就会进RO组件,而RO组件内部潮湿阴暗可为微生物生长提供理想环境,若在进人反渗透系统前不加以杀灭,这些微生物将以反渗透膜为载体借助反渗透浓水段的营养盐而繁殖生长,在温较热的条件下,微生物的生长更是迅速,几天之内便可在反渗透膜表面形成生物膜层,导致反渗透系统进出水间压差迅速增大,产水量与脱盐率快速下降,同时污染产品水。另一方面预处理也可能是微生物污染源,如辅助除去悬浮物体的絮凝剂过量,给微生物提供了适宜的生长环境。在RO系统中,主要存在的是好氧性细菌,一般未见真菌和霉菌,好氧菌在系统不同阶段分布不同,如表1可以看出原水罐是滋生细菌的主要场所,其次RO处理器内部也有细菌的生长(由于膜的有机材料给细菌的生长提供了一定的条件)?

  1.2危害

  目前商品化的反渗透膜材料主要有醋酸纤维和聚酰胺两大类。而醋酸纤维素膜装置是目前超纯水制造系统中常用且经济的反渗透装置。但其最大的缺点之一就是抗微生物的侵蚀能力较差。聚酰胺类膜尽管能抗微生物侵蚀,但污染问题仍然存在。大量微生物在膜、组件内的大量繁殖.将造成三方面的不良后果,第一是微生物要吞食反渗透膜,脱盐层被侵蚀而使脱盐率下降,并造成膜寿命缩短,使膜结构的完整性遭到破坏,甚至造成重大系统故障(仅对CA膜);第二是微生物的大量繁殖和代谢,产生大量的胶体物质,致使膜被堵塞,会增大给水压降,造成通水量下降;第三将造成产水中细菌总数的增加,使产品水质下降;第四是生物膜(粘泥)不溶于酸,难溶于碱,几乎不受水流剪切力的影响,即使频繁冲洗,也不能冲掉。消毒杀菌也难于使粘泥彻底清除。微生物的一个重要特征是它们具有对营养水动力或其他条件变化作出迅速生化和基因调节的能力。因此,生物污染比非活性的胶体污染或矿物质结垢危害性更大。 ?

  目前广泛应用的TFC反渗透膜,它的关键材料是聚丙烯酰胺,它对氧化性物质不具备坚强的抵抗力,因此,用户一般都控制了反渗透入口的氧化还原电位,使膜在无氧化剂的环境下工作,而细菌等微生物附在膜的表面和通道网层上,凭借水中的营养成分大量繁殖。许多文献都表明,这种污染似乎在膜的中部发生,但从实际看来,经常是整个系统一起泛滥。

  微生物污染的预测与简易辨别方法

  (1)测定从原水入口、预处理各个环节反渗透给水、浓水以及反渗透产品水的细菌总数(TBC),计算细菌变化数值。若发现浓水中的TBC明显增加,说明反渗透膜上可能有粘泥形成。

  (2)给水中的有机物不仅自身可形成膜的污染,还可作为细菌滋生的营养物。所以可对有机物(以总有机碳表示,简称TOC)进行监测,膜厂家提示控制TOC<2mg/L(以C表示)。2mg/LTOC大致相当于5mg/L的总有机生物量此值在正常运行时,不会引起膜间有机物污堵。

  (3)检验是否为微生物污染的简单方法是:从表面刮取一小部分污染物放在火焰上燃烧,其气味与毛发燃烧的气味相同。

  微生物污染防治

  对于RO水处理系统,必须在RO工艺系统预处理中设置完善的杀灭微生物的措施,才能从根本上控制住微生物污染。关于防治微生物污染。传统的观点认为,RO膜元件的微生物污堵主要来自于地表水,来自地下水的污堵则较轻,同时认为在RO装置进水中的微生物含量

  防止微生物污染的方法通常是采取有效的杀菌处理措施,有氯气及NaClO,ClO2,KMnO4,H22O2、O3、紫外线照射等常规方法,控制重点是选取合适的杀菌剂,足够长的接触时间。对于氯类杀菌剂,投加量一般以进水余氯含量>?1mg/L?为准,根据不同的反渗透膜控制合适的残余氯量。另外还可以采用氧化性和非氧化性杀菌剂(如Na2S2O5、NaHSO350mg/L,异噻唑啉酮15-25mg/L)定期、交替冲击性、大剂量杀菌,可杀灭系统中大部分微生物,甚至可以穿透粘附于系统中的生物粘泥膜,起到杀灭、剥离作用。再就是严格控制给水中的有机物含量(以总有机碳TOC表示不超过2mg/L),抑制细菌的生长繁殖。最好同时注意监测反渗透系统各环节的水中细菌总数(TBC)以便有效的预防,当发现有徽生物污染的症状时(压差升高10%,产水量降低10%)应及时采取清洗措施(包括对预处理系统和RO系统的清洗),以免污染加重。定期杀菌,一般采用1%-3%的甲醛溶液冲洗15min,杀死细菌。在RO系统停用期间,要求用甲醛,每2天洗1次。除采用甲醛以外,还可采用0.2%的H22O2进行杀菌。

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