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)新方法對超濾工藝處理污水廠二級出水系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新。
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)和基于微觀的物場變換法。[6]
傳統(tǒng)超濾工藝存在以下缺點(diǎn):
一是對溶解性有機(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。
超濾系統(tǒng)處理污水廠二級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
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)對污水廠二級出水的處理。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
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。
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。
根據(jù)問題關(guān)鍵點(diǎn)1,建立問題的物質(zhì)- 場模型如圖3 所示。
圖3 問題的物質(zhì)- 場模型
根據(jù)所建問題的物質(zhì)- 場模型,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。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)。
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 對應(yīng)的發(fā)明原理
依據(jù)No.10 預(yù)操作,第(2)條預(yù)先對物體進(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。
利用超濾工藝處理污水廠二級出水達(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
以AA/O 污水廠二級出水為原水,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A 標(biāo)準(zhǔn);同時(shí),通過對微量有機(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。
通過對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)。