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TRIZ理论在洗车污泥气浮处理排污器设计中的应用

发布日期:2018/08/06

陈  刚

(黑龙江大学,黑龙江 哈尔滨 150080)

摘  要:本文介绍了应用TRIZ理论解决洗车污泥气浮处理排污器开发设计中的工程技术问题的方法和过程,解决了传统的刮板链条式排污器清理排除洗车污泥气浮处理产生的上浮污染物效果差的问题,取得了较好的效果。
关键词:TRIZ理论;洗车污泥;气浮;排污;刮板;处理效果

引言
      污泥通常是指主要由各种微生物以及有机物、无机物颗粒组成的絮状物,污泥是城市污水处理不可避免的副产品[1]。随着我国机动车数量迅速增加,洗车量不断扩大,洗车污水量迅速增加,洗车污泥(机动车清洗污泥)产量也随之加大,在考虑处理洗车污水的同时,洗车污泥的处理处置已成为必须解决的重要课题。
       洗车污泥属轻度污染的污泥,经降解去除等适当处理,可制成建筑材料,造田、种植农作物,或进行卫生填埋化等综合处理处置资源化利用。而未经妥善处理处置的洗车污泥的排放使城市排水管道的淤泥淤积加重,增加了城市二级污水处理厂污水和污泥处理难度和负担,污染环境及河流、湖泊。
气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的污染物,使其密度小于水而上浮到水面实现固液或液液分离的过程[2]。洗车污泥主要污染物为矿物油和洗车用洗涤剂,经气浮处理, 洗涤剂将形成泡沫与油污及固体悬浮物一起上浮,漂浮在气浮槽含水污泥表面上,对上浮污物高效清理排除,对保证气浮处理的效果具有重要作用。
      目前,国内用于对气浮处理上浮污物排除清理的排污器(刮渣机)多为传统的刮板链条式,通常由链条带动橡胶刮板在气浮槽液面上部循环往复地运动刮除清理上浮的污物,如图1所示。由于洗车污泥气浮处理上浮污物主要为泡沫状洗涤剂、油污及固体悬浮物,泡沫松软,流动性大,橡胶刮板难以对气浮槽液面上的浮污物进行有效清理排除,影响气浮处理最终效果。

图 1 刮板链条式刮渣机



      在洗车污泥气浮处理排污器开发设计过程中,遇到了一些难以解决的工程技术问题,本开发设计尝试应用TRIZ理论,以新的视觉来分析问题,快速发现矛盾和问题本质,对加快解决这些工程技术问题进程,提高成功率,起到了较好的作用。
1 TRIZ发明原理在洗车污泥气浮处理排污器设计中的应用
      该排污器用于清理排除洗车污泥气浮处理过程中气浮槽内上浮于液面的泡沫状的洗涤剂、油污及固体悬浮物混合的污染物,由于混合的污染物(泡沫)松软,流动性大,刮板链条式排污器的橡胶刮板对气浮槽液面的上浮污物进清理排除存在效果差的问题。
      TRIZ发明原理“31.多孔材料原理”含义是:通过在材料或对象中打孔、开空腔或通道来增强其多孔性,使物体变为多孔或加人多孔物体[3]。依据此发明原理,将排污器刮板设计为多孔的状海绵材料,使刮板在气浮槽液面上运动刮除上浮污物的同时,还可吸附松软、流动性大的沫状的洗涤剂、油污及固体悬浮物混合的污染物,提高刮板的清理排除上浮污物的效果。
2 技术矛盾在洗车污泥气浮处理排污器设计中的应用
      将排污器刮板设计为多孔状海绵材料虽然可以使刮板在刮除上浮污物的同时,还可吸附污染物,提高刮板清理排除上浮的污物效果。但是,由于排污器海绵刮板体积较小,污物吸附量并不大,使清理排除效果提高有限。增大海绵刮板(海绵)体积,可改善刮板清理排除上浮的污物效果,但却使排污器系统体积增大且变复杂,增加系统加工制造难度。
      依据TRIZ理论,海绵刮板体积可转化为39个通用技术参数中的“7.运动物体的体积”,为改善的技术特性参数;系统加工制造可转化为“32.可制造性”,为恶化的技术特性参数。技术矛盾是两个参数之间的矛盾,改善系统的某一个参数,导致另一个参恶化[4]。系统中的问题是由以上两个参数导致的,属于技术矛盾。对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考发明原理为:“29.气压和液压结构原理”、“1.分割原理”、“40.复合材料原理”。
      将以上相应的3个发明原理结合该开发设计具体问题探讨每个原理是否具有适用性和可操作性。经分析,其中“1.分割原理”可以参考使用,含义是:将一个物体分割成相互独立的几个部分,使一个物体分成容易组装及拆卸的部分。依据分割原理的提示,将排污器海绵材料的刮板设计为分离成由相互独立多(五)个单个刮板组装在一起的组件,即在增大刮板海绵总的体积的情况下,不增大(或降低)系统加工制造难度,改善刮板的清理排除上浮的污物效果。
3 物理矛盾在洗车污泥气浮处理排污器设计中的应用
      由相互独立多个单个刮板组装在一起的海绵材料的刮板虽然可以提高清理排除上浮的污物效果,在刮板海绵总的体积较大的情况下,又不增加工制造难度。但却导致去除吸附在海绵刮板中污物的不方便,人工去除效率较低。即刮板材料的吸附性越强,对刮板清理排除上浮的污物越有利,但会加大去除吸附在刮板中的污物的困难度。
       依据TRIZ理论,系统中的问题是刮板材料的吸附性强与弱一个参数导致的,可理解为物理矛盾功能类参数“强与弱”导致的,属物理矛盾,可用分离原理解决。由于刮板吸附清理排除上浮污物时间段与去除吸附在刮板中污物时间段可以分开,既可将矛盾双方在不同的时间段分离,通过在不同的时刻满足不同的需求,即可使用时间分离原理解决物理矛盾。
      通过分析,与解决时间分离有关的物理矛盾对应的12个发明原理中的“15.动态化特性原理”和“10.预先作用原理。”可以利用。动态化的含义是:使构成整体的各个部分处于动态,以便使其在工作过程中的每个动作或阶段都处于最佳状态,即将一物体分成能够改变相对位置的不同部分。预先作用原理的含义是:将有用的物体预置,使其在必要时能立即在最方便的位置起作用。

       经以上两个发明原理的提示,将该排污器设计成由刮板、平移机构、旋转机构、污物挤压板组成,其中刮板由相互独立五个单个海绵材料刮板组装在一起的组成,排污口处预先设置污物挤压板,旋转机构和平移机构可使刮板处于平移同时转动的动态状态,其结构示意图如图2所示。


1刮板  2平移机构  3 旋转机构  4污物挤压板

图 2 洗车污泥气浮处理排污器结构示意图

      具有海绵体的刮板在转动机构和平移机构的驱动下,在泡沫状洗涤剂、油污及固体悬浮物混合污物上旋转并移动,不断地将污物吸附在海绵体内。刮板由起点开始向终点(排污口)处移动并转动,使刮板在污物上不断变换海绵体吸附的位置,刮板同时将上浮液面的污物刮推向排污口处,提高了吸附及清除效果。当平移机构拖动旋转的刮板到达终点处时,转动的刮板在预先设置于终点的排污口处的污物挤压板的挤压下,挤出(去除)吸附在旋转的刮板的海绵体内的污物,污物经排污口排出。通过调节控制具有海绵体的刮板旋转运动和刮板往复直线运动时间和速度参数,刮板可被污物挤压板多次挤压,可有效地清理排除洗车污泥气浮处理产生的上浮污染物,从而提高了洗车污泥气浮处理效果。洗车污泥气浮处理排污器三维效果如图3所示,该排污装置已获国家实用新型专利(ZL 2015 2 0843296.3)。

  (a) 


 (b)

图 3 洗车污泥气浮处理排污器三维效果图




4 总结
      在洗车污泥气浮处理排污器开发设计过程中,尝试运用了TRIZ理论“多孔材料原理”发明原理、技术矛盾和物理矛盾工具,解决了传统的刮板链条式排污器清理排除洗车污泥气浮处理产生的上浮污染物效果差的问题。运用TRIZ理论快速准确地确定了问题的探索方向,突破了思维障碍,加快了解决这些工程技术问题效率,取得较了满意的效果。







TRIZ专家团队
王妍玮
赵存有