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)技術大學建筑工程系，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到一級B 的標準，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 工藝處理后可以達到一級A 標準的出水水質(zhì)。[1]如果需要更高的水質(zhì)，還需進一步深度處理。如果要達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838－2002)的有關水質(zhì)標準還要進行深度處理，因此，急需一種經(jīng)濟實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、細菌和天然有機物質(zhì)[2]，但對于小分子物質(zhì)無法去除，所以為滿足回用目標，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)進行創(chuàng)新。

1 基于TRIZ 理論的創(chuàng)新方法

TRIZ 由一位俄國學者阿利赫舒列爾(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，著力于澄清和強調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折中或者妥協(xié)的做法，而且它是基于技術的發(fā)展演化規(guī)律研究整個設計與開發(fā)過程，而不再是隨機的行為。實踐證明，運用TRIZ 理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程而且能得到高質(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 標準解、ARIZ、AFD、物質(zhì)——場分析、ISQ、DE、8 種演化類型、科學效應、40 個創(chuàng)新原理，39 個工程技術特性，物理學、化學、幾何學等工程學原理知識庫等，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]

2 問題分析

2.1 問題描述

傳統(tǒng)超濾工藝存在以下缺點：

一是對溶解性有機物截留效率低，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物和各種分子量的生物聚合物導致超濾過程中水力可逆和不可逆膜污染的結合?？锥氯麑е虏豢赡娴慕Y垢，導致堵塞的絮狀顆粒不能被去除，并且需要化學清洗，從而影響膜的長期運行和膜壽命縮短。所以，超濾工藝在運行時膜污染需要定期清除，以保持膜通量與處理效果，否則運行維護的同時也需要額外的人工成本，使用化學藥劑產(chǎn)生的清潔費用以及膜更換損耗，導致運營成本增加。[7]

因為污水中污染物復雜，單一的超濾有時對去除大多數(shù)新出現(xiàn)的污染物無效。在實際工程應用中，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處理或后處理工藝，以提高目標物去除效率并減輕膜污染。在超濾膜前加設預處理技術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)處理污水廠二級出水中問題所在技術系統(tǒng)為超濾系統(tǒng)，技術系統(tǒng)的功能為分離污染物，實現(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)構成。

表1 超濾工藝系統(tǒng)構成

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、溶解性有機物等污染物，實現(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)展變化的因果關系來進行預測的方法。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

主要的問題關鍵點有三點：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.清洗超濾膜時超濾膜不能繼續(xù)處理污水，超濾膜反沖洗需要時間，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鍵點為：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)- 場分析及76 個標準解

根據(jù)問題關鍵點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，應用標準解解決流程，No.2.4.1（NO.25）在一個系統(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利用，減輕超濾膜負擔。

3.2 沖突理論解決

根據(jù)問題關鍵點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，我們需要蠕動泵轉(zhuǎn)速提升，但這樣做了會導致系統(tǒng)超濾膜過濾污染物聚集增多。運用39 個通用工程參數(shù)將沖突轉(zhuǎn)化成TRIZ 標準沖突，改善的參數(shù)為11 應力或壓強，惡化的參數(shù)為26 物質(zhì)或事物的數(shù)量。表2 為39 個通用工程參數(shù)。

表2 39 個通用工程參數(shù)

查找由39 個通用工程參數(shù)與40 個發(fā)明原理（見表3）組成的沖突矩陣，得到對應的發(fā)明原理，如表4 所示。

表3 40 個發(fā)明原理

表4 對應的發(fā)明原理

3.3 根據(jù)沖突理論形成的方案

依據(jù)No.10 預操作，第（2）條預先對物體進行特殊安排，使其在時間上有準備，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)運動代替直線運動，采用離心力得到超濾膜在反沖洗時，在濾池中以軸心進行旋轉(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)變化過程中實現(xiàn)某種效應，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出水達標的前提下，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，運用TRIZ 工具進行解決后，將解決方案整合為在超濾工藝之前放置預處理工藝單元，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 的去除率分別達到39.56%,51.25%，表現(xiàn)出對水中有機物良好的去除能力；TP、TN 和氨氮指標基本滿足一級A 標準；同時，通過對微量有機物（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 結論

通過對超濾工藝的問題分析，運用TRIZ 工具進行解決后，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，當超濾膜為內(nèi)壓式運行時，膜通量不變，在工藝運行時跨膜壓差（TMP）增長到40Mpa 以上時，過濾時間為30 天以上。在此工藝下處理效果大大增強，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指導。