TRIZ理論概述及污泥堆肥技術發展方向

王濤

（1.機械科學研究總院環保技術與裝備研究所，北京 100044；2.機械工業有機固廢生物處理與資源化利用工程技術研究中心，北京 100044）

引言

堆肥技術是一項歷史悠久的技術，在污泥處理領域已有數十年的應用經驗，但對污泥堆肥技術的創新存在兩種消極認識，一種是認為污泥堆肥技術已經很成熟，基本不具創新提升的空間；另一種是認為堆肥技術本身屬于低端技術，基本不具備創新前景。因此我國的污泥處理處置技術路線尚處于“百家爭鳴”階段。從目前已投入運行的污泥堆肥項目效果來看，或多或少都存在一些問題，有關科研單位也在系統開展污泥堆肥技術的創新工作。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論由學者G.S.Altshuller于1946年開創并逐漸完善形成。TRIZ理論是基于知識的、面向人的、解決技術創新問題的系統化方法學，揭示了創新的內在規律和原理，著力澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。現代TRIZ理論體系主要包括以下內容：

（1）創新思維方法與問題分析方法：TRIZ理論提供了如何系統分析問題的科學方法，如多屏幕法，是一種系統資源尋找的有效方法；對于復雜問題的分析，則包含了科學的問題分析建模方法—物-場分析法，可以幫助快速確認核心問題，發現根本矛盾所在。

（2）技術系統進化法則：針對技術系統進化演變規律，TRIZ理論總結提煉了八個基本進化法則，可以分析確認當前產品的技術狀態，并預測未來發展趨勢，開發富有競爭力的新產品。

（3）技術矛盾解決原理：不同領域技術創新往往遵循共同規律。TRIZ理論將這些共同規律歸納成40個創新原理，針對具體技術矛盾，可基于這些創新原理、結合工程實際尋求具體解決方案。

（4）創新問題標準解法：針對具體問題物-場模型的不同特征，分別對應標準的模型處理方法，包括模型的修整、轉換、物質與場的添加等。

（5）發明問題解決算法ARIZ：主要針對問題情境復雜、矛盾及其相關部件不明確的技術系統。其是一個對初始問題進行若干變形、再定義等非計算性的邏輯過程，以實現對問題的逐步深入分析、轉化，直至解決。

（6）基于工程學原理而構建的知識庫：基于物理、化學、幾何學等領域的數百萬項發明專利的分析結果而構建的知識庫可以為技術創新提供豐富的方案來源。

濃縮歸納后，TRIZ理論構架可簡化為圖1所示。

圖1 簡化TRIZ理論構架

TRIZ理論是指導技術創新的共性理論。實踐證明：TRIZ理論可幫助人們加快創新進程，提高創新效果。污泥堆肥技術創新同樣適用TRIZ理論，污泥堆肥技術亦可以沿著系統功能分析-問題-解決方法-方案的思路著手進行全面分析，以期準確指明現階段的發展方向。

2 污泥堆肥技術系統進化階段分析

一個技術系統的進化一般經歷4個階段，典型的S曲線是描述一個技術系統的完整生命周期。TRIZ技術系統進化理論指出：技術系統一直處于進化之中，當一個技術系統的進化完成4個階段后，必然會出現一個新的技術系統來替代它，如此不斷的替代，而解決技術矛盾是進化的推動力。

污泥堆肥技術系統發展至今經歷的三個階段[1]，如圖2所示。

第一階段，傳統堆肥。早期污泥行業堆肥技術主要來源于農業，工藝類型主要采用靜態條垛堆肥，間歇性采用農業機械或工程車輛進行翻堆通風。國內典型工程案例有北京龐各莊污泥消納廠（一期）等。

第二階段，初級機械化堆肥。伴隨著專用翻堆設備的出現，以動態槽式堆肥系統和動態條垛式堆肥系統為代表的初級機械化堆肥技術逐漸取代了傳統堆肥技術，并實現了生產效率的大幅提高。國內的典型工程案例有唐山西郊污水二廠污泥處理工程、北京龐各莊污泥消納廠（二期）等。

第三階段，高級機械化堆肥（工業化堆肥）。隨著污泥產量的增加，污泥項目處理規模逐漸擴大，對于二次污染關注程度和自動化程度要求的提高，出現了全流程無人操作機械化堆肥模式，甚至具有自適應和自決策的智能系統開始應用于堆肥流程中，無人化堆肥系統的出現標志著機械化堆肥進入高級發展階段。這一階段還處于培育和成長期（如圖3箭頭所示），也為堆肥技術發展留有較大的創新空間。國內的典型工程案例包括唐山城市污泥處理工程（采用SACT系統）等。

圖2 堆肥技術進化S曲線圖

圖3 高級機械化堆肥技術生命周期示意圖

3 機械化堆肥技術系統分析

“用戶購買的目的是擁有系統的功能，而不是系統本身”，因此功能是技術系統存在的根本目的。功能分為有用功能和有害功能，有用功能又分為充足功能、不足功能和過度功能。開發新技術系統時，首先應確定系統完成或實現的主要功能，然后將主要功能分解為子功能，即功能分解。改進原有系統時，應清理技術系統的主要功能及其輔助功能，以便理解系統，找出系統問題所在。

SACT污泥堆肥系統是國內首個全流程機械化堆肥系統[2]，研發過程參考了TRIZ理論核心內容，在系統、子系統、設備等三個層面進行了全面系統功能分析。

3.1 總體層面系統分析

以堆肥系統作為整體進行組件分析，結果如表1。組件間相互作用分析如表2。通過分析可建立堆肥系統組件功能模型如圖4。

表1 污泥堆肥系統組件分析

表2 污泥堆肥系統組件相互作用分析

圖4 堆肥系統組件功能模型（簡圖）

3.2 子系統層面系統分析

進一步以子系統作為整體進行組件分析，以貯存系統為例，結果如表3、表4。貯存（子）系統組件功能模型（簡）見圖5。

3.3 設備層面系統分析

進一步以設備作為整體進行組件分析，以干料配料料倉為例，結果如表5、表6。干料配料倉組件功能模型如圖6。

圖5 貯存（子）系統組件功能模型（簡圖）

表3 貯存（子）系統組件分析

表4 貯存（子）系統組件相互作用分析

表5 干料配料料倉組件分析

表6 干料配料料倉組件相互作用分析

圖6 干料配料倉組件功能模型

通過上述分析，可得到三個層面的完整功能分析模型，從而全面掌握系統功能構架，特別是理清了不足功能和有害功能，為尋找創新方向提供了基礎；過度功能的發現有助于優化系統設計，降低成本。

在功能分析的基礎上，進一步針對不足、有害、過度功能開展矛盾分析或模型建立，結合創新原理等工具，即可得到創新解決方案。由于篇幅所限，以技術矛盾分析-創新原理路線為例，針對污泥堆肥系統創新加以說明。

3.4 機械化堆肥技術矛盾分析

技術矛盾是指技術系統中兩個參數之間存在制約，在提高技術系統某一個參數時，導致另一個參數的惡化而產生的矛盾。例如：翻堆機設備質量減少，導致行走打滑。

TRIZ分析了全球超過250萬份專利，總結了若干研究工具，其中包括“39個工程參數”（見表7）、“39×39矛盾矩陣”（見表8）、“40條創新原理”（見表9）等。將技術矛盾與表7的參數相對應，再在表8中對應找出相應的位置，其中的序號代表表9的創新原理序號，參考原理內容和其他領域的經驗，可以方便得到問題的解決方案。

表7 TRIZ工程參數表

表8 TRIZ矛盾矩陣表（局部）

表9 TRIZ創新原理表

以“翻堆機設備質量減少，導致行走打滑”為例，表7可對應“1運動物體質量”與“11 應力或壓力 ”，在表8第1行11列位置對應四個創新原理“10預操作、36相變、37熱膨脹、40復合材料”，在SACT系統核心設備F5.110翻堆機的研發過程中，參考“10預操作”原理內容，設計采用了壓花鋼板軌道面；參考“36相變、37熱膨脹、40復合材料”原理相關內容，將原行走機構輪軌系統設計改為實心壓配輪胎設計，有效解決了這一技術矛盾。

4 污泥堆肥技術系統創新方向

采用TRIZ理論，結合污泥行業特點，對現有的堆肥系統進行全面分析，針對創新方向的探究，歸納總結得到以下結論：

（1）協同化：有機固體廢物協同處理、區域固體廢物綜合協同處理是未來的趨勢，為適應物料協同處理特點，污泥堆肥技術應在分選、計量等方面開展深入細致的研究。

（2）網絡化：工業化堆肥是依靠大量機械設備完成的生物處理過程，信息聯通與大數據的積累對于系統的可靠、優化運行意義重大。

（3）智能化：現階段主要方向集中于專家系統的建立、翻堆機自適應運行狀態研究與物料輸送過程智能化等方面。

（4）空間化：多層結構與全地下結構以其無可比擬的優勢將引領后續技術發展。

（5）模塊化：發酵倉單元（含除臭系統）將最終實現完全模塊化。

（6）標準化：包含兩個層面內容：1）服務于某一工藝系統的翻堆轉倉系統、曝氣除臭系統、物料輸送系統、授料計量系統的標準化；2）發酵倉核心尺寸的標準化，為市場的全面有序競爭打下基礎。

5 結語

采用TRIZ理論，除上述論述方法外，還可通過三軸分析法（因果軸、操作軸、系統軸）進行系統分析，也可通過物理矛盾分析結合四個分離原理（空間分離、時間分離、條件分離、整體與局部分離）等研究路線來解決問題，最終目的是得到具有實施可行性的創新的方向。

SACT堆肥系統采用TRIZ理論進行技術優化，簡化了思路，提高了效率，為工業化堆肥時代的全面到來提供了技術支持。