随着我国城镇污水处理设施建设规模的不断扩大，污水处理过程中产生的污泥量急剧增加.截止到2015年底，我国污泥(含水率以80%计) 年产量已超过4×107 t，预计2020年将达到6×107 t[1].显然，污泥含水率是制约污泥处理处置的重要因素，含水率高的污泥不仅体积庞大，而且所含的大量有机质、重金属和有害微生物容易腐化或释放到环境中，引起二次污染，对污泥后续的填埋、焚烧、资源化利用等都会造成不利的影响[2].因此，污泥深度脱水减量化是污泥处理的首要目的，是实现污泥“四化”的基础，污泥越干，后续处理处置越方便.
污泥含有4种形态的水分，即自由水、表面吸附水、毛细水和内部水[3].表面吸附水、毛细水和内部水三种水分虽然只占污泥水分的小部分，但其总质量还是超过干污泥的质量，且不容易脱除，使污泥含水率难以进一步降低.污泥特殊的絮体结构是影响污泥深度脱水的主要因素[4]，它主要由高度水合的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS) 包裹吸附水中的悬浮颗粒而形成，具有结构松散、形状不规则等特点，表现出液态的胶体性质，导致污泥沉降性能和脱水性能很差[5].因此，要实现污泥的深度脱水，首先必须破坏污泥特殊的絮体结构，改变或破坏EPS，破坏污泥的胶体结构，释放被束缚的水分，减弱污泥表面亲水性，从而达到改善污泥脱水性能的目的.
目前，常用的污泥深度脱水方法主要包括自然干化、热干化、浓缩、高压机械压榨、电渗透等[6].考虑到经济和技术因素，高压机械压榨是其中最为成熟、性价比最高的污泥深度脱水处理方法.但该方法一般只能将含水率降到60%~80%，若要降到更低，通常需加大压榨压力或加大调理剂量.但压榨压力过大会使滤布难以清洗，甚至对滤布滤孔造成损坏，缩短其使用寿命；加大调理剂量则会使绝干污泥量增加，违背污泥处理减量化原则.且从高压机械压榨设备发展的S曲线来看，目前其已发展至成熟期.因此，开发出创新性强，在未来市场竞争力、适应性强的产品，已成为各大设备制造商迫切需要解决的难题.基于此，本文利用经典ARIZ设计流程及其应用框架下的其他TRIZ工具，对能适应未来市场的污泥深度干化设备加以探究与研发.
1 ARIZ设计框架ARIZ全名为发明问题解决算法，是TRIZ理论中用于解决复杂创新问题的重要思维工具之一，集成应用了多个TRIZ工具，它提供给设计者一整套从问题发现到方案评价的系统化流程[7].ARIZ最初由Altshuler提出，于1977年形成比较成熟的版本(ARIZ-77)，经过多次改进才形成比较完善的理论体系，其中，ARIZ-85版本应用最为广泛.
ARIZ-85共有90多个步骤，可归纳为3个阶段及9个关键步骤，每个步骤中含有数量不等的多个子步骤，如图 1所示.ARIZ在具体问题的应用过程中，并不一定要求必须按流程走完所有步骤，而是一旦在某个步骤中获得了问题的解决方案，就可跳过中间无关步骤，直接进入后续的相关步骤来解决问题，并确定出最终的创新设计方案[8].
|
| 图 1 ARIZ创新应用的流程 Fig.1 The innovative application process of ARIZ |
目前，市面上已有一些污泥深度脱水设备，本文则选取最为常用的隔膜板框压滤机产品作为基础产品，进行后续的创新设计[9-12].
2.1 问题分析 2.1.1 最小问题的描述隔膜板框压滤机中深度脱水单元由压紧装置、滤板、滤框、集液管、卸料装置等组成，如图 2所示.如前所述，增加高压液体压榨压力，可以改善污泥深度脱水处理的效果，适当降低污泥含水率，但同时会导致滤布难以清洗，甚至对滤布滤孔造成损坏.在此，存在2个技术矛盾.
|
| 图 2 隔膜板框压滤机深度脱水单元的组成 Fig.2 Composition of deep dewatering unit of diaphragm filter press |
技术矛盾1：若减小滤布接触处污泥的压榨压力，滤布易清洗、耐用，但污泥深度脱水处理效果变差.
技术矛盾2：若增大滤布接触处污泥的压榨压力，污泥深度脱水处理效果变好，但会导致滤布难以清洗，甚至对滤布滤孔造成损坏.
最小问题：如何在系统改动最小的前提下，既能保证污泥深度脱水处理的效果，又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.1.2 产生矛盾的组件对：作用对象+工具作用对象：滤布上的滤孔，需保证其一直处于通畅状态.
工具：与滤布直接接触的污泥，随含水率的降低而趋于粉化，高挤压力下堵住滤孔.
2.1.3 技术矛盾示意图图 3为减小滤布接触处污泥的压榨压力状态下的技术矛盾示意，滤布易清洗、耐用，但深度脱水处理能力不足；图 4为增大滤布接触处污泥的压榨压力状态下的技术矛盾示意，污泥深度脱水处理效果变好，但滤布难以清洗、易损坏.
|
| 图 3 技术矛盾1 Fig.3 Engineering contradiction 1 |
|
| 图 4 技术矛盾2 Fig.4 Engineering contradiction 2 |
选取技术矛盾2作为主要技术矛盾来进行分析.
2.1.5 确定理想化结果增大滤布接触处污泥的压力，以保证污泥深度脱水处理的效果，同时，不会产生滤布难以清洗，甚至对滤布滤孔造成损坏的问题.
2.1.6 问题模型的建立已知条件：滤布，高挤压力下的污泥.
激化的矛盾：增大滤布接触处污泥的压力，以保证污泥深度脱水处理的效果，同时，不会产生滤布难以清洗、易损的问题.
这就必须引入一个X元素，不增加系统复杂性，还能保证污泥深度脱水处理的效果，同时，又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.1.7 尝试用标准解解决问题基于2.1.5步的分析，结合物场模型问题类型，可知该问题为有害的相互作用问题，可以尝试利用标准解S1.2加以解决.根据标准解S1.2.1，可引入物质S3来消除有害作用，进而得到解决方案1，即：在污泥与滤布之间增加一块海绵垫，这样能避免污泥与滤布直接接触，也可减小污泥高挤压力对滤孔的损坏作用，同时，还能保证污泥压榨过滤的效果.
2.2 问题模型分析 2.2.1 操作区域的确定主要操作区域为图 5中的虚线部分，即：污泥与滤布相接触的区域.
|
| 图 5 主要操作区域示意图 Fig.5 The schematic diagram of the main operating area |
t1:污泥受挤压压榨的时间；t2:污泥受挤压压榨之前的时间.
2.2.3 物场资源的确定系统内资源：作用对象--滤布，工具--污泥.
外界环境物场资源：振动--剔除泥饼、增添污泥等过程中产生的振动.
超系统资源：泥饼--经压榨处理后的污泥，水--用于冲洗滤布的水，添泥压力--将未经压榨处理的污泥输入压滤腔的压力.
2.3 理想化的最终结果和物理矛盾的确定 2.3.1 理想化的最终结果(IFR1)现实中的方案只能尽可能地向最终理想解靠近，因此，需要寻找并引入一个X元素，不增加系统复杂度，还能保证污泥深度脱水处理的效果，同时，又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.3.2 强化IFR1操作时间内操作区滤布接触处污泥或滤布自身，在不增加系统复杂度的前提下，既能保证污泥深度脱水处理的效果，同时又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.3.3 物理矛盾的宏观描述操作时间内操作区滤布接触处污泥或滤布自身可与某物质发生反应，以使在不增加系统复杂度的前提下，既能保证污泥深度脱水处理的效果，同时又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.3.4 物理矛盾的微观描述操作时间内操作区滤布接触处污泥或滤布自身的颗粒可以相互阻拦，以使在不增加系统复杂度的前提下，既能保证污泥深度脱水处理的效果，同时又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.3.5 描述理想化的最终结果2操作时间内操作区滤布接触处污泥或滤布自身的颗粒自我阻拦，以使在不增加系统复杂度的前提下，既能保证污泥深度脱水处理的效果，同时又能防止滤布难以清洗、易损问题的产生.
2.4 物场资源(小人法) 技术解 2.4.1 小人模型如图 6所示，小人模型中的X组件能“阻拦”滤布接触处污泥与滤布之间的有害作用，且能保证污泥深度脱水处理的效果.这种物质很像2个相互排斥的磁力场，这是解决问题的一个思路.
|
| 图 6 污泥深度脱水设备小人模型 Fig.6 The smart little people model of sludge deep dewatering device |
滤布接触处污泥与滤布皆具有导电性，皆易被磁化，皆具有一定的刚性.
2.4.3 虚空或虚空与物质的组合运用滤布接触处污泥与滤布的特性，使两者带有相同磁性，以在虚空区域形成相互排斥的磁力场空间，进而得到解决方案2，如图 7，即：在滤布接触处的污泥与滤板里分别添加一些磁性物质，使其在局部通电作用下产生磁性，且对应的磁极相同，从而在污泥与滤板之间形成一个磁力虚空，以阻拦污泥颗粒进入滤布滤孔，进而减小污泥对滤布的有害作用，且这一磁性虚空不影响滤布对污泥中水分的过滤作用.
|
| 图 7 解决方案2中的磁性作用示意图 Fig.7 The schematic diagram of magnetic action in the solution 2 |
通过前面几步的分析，已得到初步的解决方案.但滤布通常是由天然纤维或合成纤维制成，故仅带有很微弱的导电性、磁化特性及刚性.在此，可以运用类似的问题解决方案，将该思路用于与滤布直接接触的内滤板，并明确进一步的解决方案，即：在滤板内侧嵌入一个磁极板，在滤布与污泥接触面上间隙铺设一些柔性小磁极片，且小磁极片与磁极板间所带磁极相同，从而形成磁力虚空.
2.6 变换/替换问题将2.5节得到的创新方案应用到研发的污泥深度脱水设备中，并设计完善设备的其他重要结构单元，从而激励了双体式结构压滤腔配置想法的产生，并进一步得出模组式污泥高效深度减量化处理装置的设计方案，如图 8所示.即：设计成图中自上而下所示的3对压滤模组，当然模组也可根据工程需求添加；模组采用2个深度脱水子装置，每个子装置都能独立完成污泥深度脱水，效率比单个脱水装置提高1倍，且这2个脱水单元对称设置，当其中一个单元进料脱水，另一个则挤压脱水，进料脱水的脱水单元通过其挤压板对双向油缸施力，并推动挤压脱水的脱水单元的挤压板，在这一挤压过程中，双向油缸可根据施力方向，向相应油腔通入或放出液压油，以达到“抽泥压力挤泥”的效果；且在每一模组对应的A，B两个位置上配备2.5节所设计的磁极结构，以形成磁力虚空，尽可能减少高挤压力环境对滤布的有害作用；在每一模组对应的C区域装配液压压紧装置，在液压动力作用下，推压左右两个压紧板，进而形成对左右两个压滤腔中污泥的超高压压滤.
|
| 图 8 模组式污泥深度脱水装置 Fig.8 The modular equipment for sludge deep dewatering |
在以上设计方案的基础上，再在各个脱水模组两侧分别设置一个如图 9所示的同步快开机构.这一快开机构与每一侧的脱水单元外侧一一对应连接，包括快开旋钮、快开连杆、快开主杆和快开驱动油缸，其中快开旋钮又包括换向圈、复位弹簧和限位顶块.通过添加这一同步快开机构，可实现多个模块同时快速启闭进泥操作，进而实现液压动力的有序高效利用.
|
| 图 9 同步快开机构的具体结构 Fig.9 The concrete structure of synchronous quick-opening mechanism |
得到的方案可在不增加系统复杂度的前提下，既能保证污泥深度脱水处理的效果，同时又能减少滤布难以清洗、易损坏问题的产生.得到的方案消除了微观上的物理矛盾，且通过专利搜索检查暂无相应的专利.
2.8 运用已得到的方案解决方案可被直接运用.
2.9 解决问题的完整流程通过运用ARIZ分析，我们得到了解决问题的思路，并最终得到了一个较为可行的技术方案，即模组式污泥高效深度减量化处理装置的设计方案.
3 结束语ARIZ是TRIZ理论中一个分析问题、解决问题的方法，其主要目标在于解决技术系统中存在的物理矛盾[13].本文利用这一创造性的思维方法，结合已有污泥深度脱水装置中存在的现实问题进行创造性的解决，并进一步对整个装置进行创新研发，最终设计出一个较具创新性、实用性的设计方案.
| [1] |
戴晓虎.
我国城镇污泥处理处置现状及思考[J]. 给水排水, 2012, 38(2): 1–5.
DAI Xiao-hu. Status and thoughts of treating and disposing the municipal sludge of in China[J]. Water & Wastewater Engineering, 2012, 38(2): 1–5. |
| [2] |
北京市市政工程设计研究总院.城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质:GB/T23485-2009[S].北京:中国标准出版社, 2009:3-5.
Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute. Disposal of sludge from municipal wastewater treatment plant-quality of sludge for co-landfilling:GB/T23485-2009[S]. Beijing:China Standardization Press, 2009:3-5. |
| [3] |
李惜, 叶志平, 王凤英, 等.
冷融技术联合化学调理对污泥脱水性能的影响及其机理[J]. 环境科学学报, 2010, 30(3): 536–543.
LI Xi, YE Zhi-ping, WANG Feng-ying, et al. The effect and mechanism of freeze/thawing combined with chemical treatment on sludge dewaterability[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(3): 536–543. |
| [4] | GEYIK A G. Extracellular polymeric substances (EPS) and surface properties of activated sludges:effect of organic carbon sources[J]. Environment Science and Pollution Research, 2016, 91(2): 522–531. |
| [5] | HIGGINS M J, NOVAK J T. Characterization of exocellular protein and its role in bioflocculation[J]. Journal of Environment Engineering, 1997, 123(5): 479–485. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9372(1997)123:5(479) |
| [6] | MULLER J A. Pretreatment processes for the recycling and reuse of sewage sludge[J]. Water Science and Technology, 2011, 44(10): 121–128. |
| [7] |
檀润华.
发明问题解决理论[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 14-20.
TAN Run-hua. Theory of inventive problem solving[M]. Beijing: Science Technology Press, 2004: 14-20. |
| [8] |
李彦, 李文强.
创新设计方法[M]. 北京: 科学出版社, 2013: 100-113.
LI Yan, LI Wen-qiang. Method of creative design[M]. Beijing: Science Technology Press, 2013: 100-113. |
| [9] | GREGORY F. A new problem-solving algorithm[EB/OL].[2016-08-10].http://www.triz-journal.com. |
| [10] |
万延见, 李彦, 熊艳, 等.
基于创新认知思维过程多参与者协同创新设计研究[J]. 四川大学学报, 2013, 45(6): 176–183.
WAN Yan-jian, LI Yan, XIONG Yan, et al. Research on the multi-participant collaborative innovative design based on creative cognitive thinking process[J]. Journal of Sichuan University, 2013, 45(6): 176–183. |
| [11] |
韦子辉, 阎会强, 檀润华.
TRIZ理论中ARIZ算法研究与应用[J]. 机械设计, 2008, 25(4): 57–61.
WEI Zi-hui, YAN Hui-qiang, TAN Run-hua. Research and application of ARIZ algorithm in TRIZ theory[J]. Journal of Machine Design, 2008, 25(4): 57–61. |
| [12] |
赵存有, 陈国晶, 朱力.
基于ARIZ的采煤机截割滚筒节能方案设计[J]. 工程设计学报, 2011, 18(3): 159–166.
ZHAO Cun-you, CHEN Guo-jing, ZHU Li. Energy-saving program design of shearer cutting drum based on ARIZ[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2011, 18(3): 159–166. |
| [13] | NIKOLAY S, ELENA N. Аlgorithm of work on production inventive projects[EB/OL].[2016-08-15].http://www.gnrtr.com/Generator.html?pi=216&cp=3. |