基于TRIZ 理論的再生水回用超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳楚曉 韓宏彥* 郝京華 劉星 曹寬 曹珍 楊欣然

（1、河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)建筑工程系，河北 石家莊 050000 2、廊坊市生態(tài)環(huán)境局，河北 廊坊 065000）

現(xiàn)有的多數(shù)市政污水處理廠的污水處理工藝的出水只能達(dá)到一級(jí)B 的標(biāo)準(zhǔn)，部分污水廠在A2/O 及其改良工藝(如UCT 工藝) 之后增加混凝除磷和生物脫氮或MBR 工藝處理后可以達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)。[1]如果需要更高的水質(zhì)，還需進(jìn)一步深度處理。如果要達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)的有關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)還要進(jìn)行深度處理，因此，急需一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的污水深度處理再生利用方法。超濾工藝常用于污水廠深度處理，該工藝能去除污水廠二級(jí)出水中的懸浮顆粒、大分子膠體顆粒、脂肪、細(xì)菌和天然有機(jī)物質(zhì)[2]，但對(duì)于小分子物質(zhì)無法去除，所以為滿足回用目標(biāo)，必須依靠消耗大量混凝劑和助凝劑等藥劑增大成本。本文主要運(yùn)用TRIZ 創(chuàng)新方法對(duì)超濾工藝處理污水廠二級(jí)出水系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新。

1 基于TRIZ 理論的創(chuàng)新方法

TRIZ 由一位俄國學(xué)者阿利赫舒列爾(G.S.Altshuller，又譯根里奇·阿奇舒勒)及他的同事于1946 年最先提出，最初是從二十萬份專利中取出符合要求的四萬份作為各種發(fā)明問題的最有效的解。[3]他們從這些最有效的解中抽象出了TRIZ解決發(fā)明問題的基本方法，這些方法又可以普遍的適用于新出現(xiàn)的發(fā)明問題，協(xié)助人們獲得這些發(fā)明問題的最有效的解。[4]

TRIZ 意譯為發(fā)明問題的解決理論。TRIZ 理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折中或者妥協(xié)的做法，而且它是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，而不再是隨機(jī)的行為。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ 理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。[5]

利用阿利赫舒列爾和他的TRIZ，如沖突矩陣、76 標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ、AFD、物質(zhì)——場(chǎng)分析、ISQ、DE、8 種演化類型、科學(xué)效應(yīng)、40 個(gè)創(chuàng)新原理，39 個(gè)工程技術(shù)特性，物理學(xué)、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理知識(shí)庫等，常用的有基于宏觀的矛盾矩陣法(沖突矩陣法)和基于微觀的物場(chǎng)變換法。[6]

2 問題分析

2.1 問題描述

傳統(tǒng)超濾工藝存在以下缺點(diǎn)：

一是對(duì)溶解性有機(jī)物截留效率低，超濾膜工藝只能截流微生物病原體、顆粒物和大分子有機(jī)物，而對(duì)于大多數(shù)微污染物超濾膜去除效率小于20%。

二是易形成膜污染，膜絲斷裂。污水廠二級(jí)出水中的天然有機(jī)物和各種分子量的生物聚合物導(dǎo)致超濾過程中水力可逆和不可逆膜污染的結(jié)合。孔堵塞導(dǎo)致不可逆的結(jié)垢，導(dǎo)致堵塞的絮狀顆粒不能被去除，并且需要化學(xué)清洗，從而影響膜的長期運(yùn)行和膜壽命縮短。所以，超濾工藝在運(yùn)行時(shí)膜污染需要定期清除，以保持膜通量與處理效果，否則運(yùn)行維護(hù)的同時(shí)也需要額外的人工成本，使用化學(xué)藥劑產(chǎn)生的清潔費(fèi)用以及膜更換損耗，導(dǎo)致運(yùn)營成本增加。[7]

因?yàn)槲鬯形廴疚飶?fù)雜，單一的超濾有時(shí)對(duì)去除大多數(shù)新出現(xiàn)的污染物無效。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于超濾膜的截留能力有限以及膜污染現(xiàn)象的產(chǎn)生，通常結(jié)合特定的水質(zhì)（污染物種類及特性）以及特定的用途，將膜過濾工藝耦合其他預(yù)處理或后處理工藝，以提高目標(biāo)物去除效率并減輕膜污染。在超濾膜前加設(shè)預(yù)處理技術(shù)可以減少膜污染物質(zhì)的量，能夠?qū)μ岣叱鏊|(zhì)和減緩膜污染兩個(gè)方面產(chǎn)生積極的作用。

2.2 系統(tǒng)分析

超濾系統(tǒng)處理污水廠二級(jí)出水中問題所在技術(shù)系統(tǒng)為超濾系統(tǒng)，技術(shù)系統(tǒng)的功能為分離污染物，實(shí)現(xiàn)該功能的約束有清洗周期、膜通量等。表1 為超濾工藝系統(tǒng)構(gòu)成。

表1 超濾工藝系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 功能分析

超濾膜通過物理截留作用截留水中的懸浮物、膠體、微生物、溶解性有機(jī)物等污染物，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠二級(jí)出水的處理。但是在超濾膜截留過程中，污染物會(huì)附著在膜表面堵塞膜孔，從而減弱膜過濾能力。圖1 為超濾系統(tǒng)的功能模型。

圖1 功能模型

2.4 因果鏈分析

因果分析法是利用事物發(fā)展變化的因果關(guān)系來進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。圖2 為超濾系統(tǒng)問題的因果鏈分析。

圖2 超濾系統(tǒng)問題的因果鏈分析

主要的問題關(guān)鍵點(diǎn)有三點(diǎn)：a. 污染物粒徑多種多樣，超濾膜膜孔小，污染物聚集速度快；b.膜通量越大，污染物聚集速度快，TMP 增長速率越快，使得膜污染積累速度越快；c.清洗超濾膜時(shí)超濾膜不能繼續(xù)處理污水，超濾膜反沖洗需要時(shí)間，單位產(chǎn)水率下降。

3 根據(jù)TRIZ 理論求解

通過因果鏈分析分析造成問題的根本關(guān)鍵點(diǎn)為：a.污染物粒徑多種多樣，超濾膜膜孔小，污染物聚集速度快；b.膜通量越大，污染物聚集速度快，TMP 增長速率越快，使得膜污染積累速度越快。

3.1 物質(zhì)- 場(chǎng)分析及76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解

根據(jù)問題關(guān)鍵點(diǎn)1，建立問題的物質(zhì)- 場(chǎng)模型如圖3 所示。

圖3 問題的物質(zhì)- 場(chǎng)模型

根據(jù)所建問題的物質(zhì)- 場(chǎng)模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，No.2.4.1（NO.25）在一個(gè)系統(tǒng)中增加鐵磁材料或/和磁場(chǎng)。得到問題的解如下:

在超濾膜工藝中加入磁性樹脂，處理污水廠出水，并用磁性材料控制磁性樹脂的回收和重復(fù)利用，減輕超濾膜負(fù)擔(dān)。

3.2 沖突理論解決

根據(jù)問題關(guān)鍵點(diǎn)2，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的沖突為：為了提升超濾膜過濾水量，我們需要蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速提升，但這樣做了會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超濾膜過濾污染物聚集增多。運(yùn)用39 個(gè)通用工程參數(shù)將沖突轉(zhuǎn)化成TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突，改善的參數(shù)為11 應(yīng)力或壓強(qiáng)，惡化的參數(shù)為26 物質(zhì)或事物的數(shù)量。表2 為39 個(gè)通用工程參數(shù)。

表2 39 個(gè)通用工程參數(shù)

查找由39 個(gè)通用工程參數(shù)與40 個(gè)發(fā)明原理（見表3）組成的沖突矩陣，得到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，如表4 所示。

表3 40 個(gè)發(fā)明原理

表4 對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

3.3 根據(jù)沖突理論形成的方案

依據(jù)No.10 預(yù)操作，第（2）條預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排，使其在時(shí)間上有準(zhǔn)備，或已處于易操作的位置，得到將二級(jí)出水先經(jīng)過高密度沉淀池，將水中的大分子膠體顆粒物去除，再通入超濾膜。

依據(jù)No.14 曲面化，第（3）條用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替直線運(yùn)動(dòng)，采用離心力得到超濾膜在反沖洗時(shí)，在濾池中以軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以期將污染物快速與膜分離，縮短清洗周期。

依據(jù)No.36 狀態(tài)變化，在物質(zhì)狀態(tài)變化過程中實(shí)現(xiàn)某種效應(yīng)，在超濾膜池中加入油類物質(zhì)，通過水中污染物的親油性質(zhì)，油類物質(zhì)將其吸附，并浮在液面之上，使污染物分離。

3.4 最終解

利用超濾工藝處理污水廠二級(jí)出水達(dá)標(biāo)的前提下，減少膜污染狀況，延長膜使用壽命，通過對(duì)超濾工藝的問題分析，運(yùn)用TRIZ 工具進(jìn)行解決后，將解決方案整合為在超濾工藝之前放置預(yù)處理工藝單元，磁性介質(zhì)與混凝劑混合后投入高密度沉淀池中后進(jìn)入超濾膜工藝。圖4 為磁性樹脂高密度沉淀池耦合超濾膜工藝示意圖。

圖4 磁性樹脂高密度沉淀池耦合超濾膜工藝示意圖

3.5 磁性樹脂高密度沉淀池耦合超濾膜工藝效果

以AA/O 污水廠二級(jí)出水為原水，經(jīng)過磁性樹脂高密度沉淀池耦合超濾系統(tǒng)處理后，濁度穩(wěn)定保持在0.01NTU 以下；DOC 和UV254 的去除率分別達(dá)到39.56%,51.25%，表現(xiàn)出對(duì)水中有機(jī)物良好的去除能力；TP、TN 和氨氮指標(biāo)基本滿足一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，通過對(duì)微量有機(jī)物（卡馬西平、萘普生）去除率均在75%以上，生物毒性大大降低，提高了回用水用于園林景觀的安全性。

4 結(jié)論

通過對(duì)超濾工藝的問題分析，運(yùn)用TRIZ 工具進(jìn)行解決后，污水廠二級(jí)出水可在磁性樹脂高密度沉淀池耦合超濾膜工藝處理下，當(dāng)超濾膜為內(nèi)壓式運(yùn)行時(shí)，膜通量不變，在工藝運(yùn)行時(shí)跨膜壓差（TMP）增長到40Mpa 以上時(shí)，過濾時(shí)間為30 天以上。在此工藝下處理效果大大增強(qiáng)，并且水中的微量污染物因磁性樹脂的存在而被除去，生物毒性大大減少，增加了生物安全性。此方案為城市再生水處理提供了高效安全的技術(shù)指導(dǎo)。