TRIZ理論概述及污泥堆肥技術(shù)發(fā)展方向

王濤

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

引言

堆肥技術(shù)是一項歷史悠久的技術(shù)，在污泥處理領(lǐng)域已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗，但對污泥堆肥技術(shù)的創(chuàng)新存在兩種消極認(rèn)識，一種是認(rèn)為污泥堆肥技術(shù)已經(jīng)很成熟，基本不具創(chuàng)新提升的空間；另一種是認(rèn)為堆肥技術(shù)本身屬于低端技術(shù)，基本不具備創(chuàng)新前景。因此我國的污泥處理處置技術(shù)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(guān)科研單位也在系統(tǒng)開展污泥堆肥技術(shù)的創(chuàng)新工作。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論由學(xué)者G.S.Altshuller于1946年開創(chuàng)并逐漸完善形成。TRIZ理論是基于知識的、面向人的、解決技術(shù)創(chuàng)新問題的系統(tǒng)化方法學(xué)，揭示了創(chuàng)新的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力澄清和強調(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?，F(xiàn)代TRIZ理論體系主要包括以下內(nèi)容：

（1）創(chuàng)新思維方法與問題分析方法：TRIZ理論提供了如何系統(tǒng)分析問題的科學(xué)方法，如多屏幕法，是一種系統(tǒng)資源尋找的有效方法；對于復(fù)雜問題的分析，則包含了科學(xué)的問題分析建模方法—物-場分析法，可以幫助快速確認(rèn)核心問題，發(fā)現(xiàn)根本矛盾所在。

（2）技術(shù)系統(tǒng)進化法則：針對技術(shù)系統(tǒng)進化演變規(guī)律，TRIZ理論總結(jié)提煉了八個基本進化法則，可以分析確認(rèn)當(dāng)前產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，并預(yù)測未來發(fā)展趨勢，開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。

（3）技術(shù)矛盾解決原理：不同領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新往往遵循共同規(guī)律。TRIZ理論將這些共同規(guī)律歸納成40個創(chuàng)新原理，針對具體技術(shù)矛盾，可基于這些創(chuàng)新原理、結(jié)合工程實際尋求具體解決方案。

（4）創(chuàng)新問題標(biāo)準(zhǔn)解法：針對具體問題物-場模型的不同特征，分別對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的模型處理方法，包括模型的修整、轉(zhuǎn)換、物質(zhì)與場的添加等。

（5）發(fā)明問題解決算法ARIZ：主要針對問題情境復(fù)雜、矛盾及其相關(guān)部件不明確的技術(shù)系統(tǒng)。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(xiàn)對問題的逐步深入分析、轉(zhuǎn)化，直至解決。

（6）基于工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識庫：基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等領(lǐng)域的數(shù)百萬項發(fā)明專利的分析結(jié)果而構(gòu)建的知識庫可以為技術(shù)創(chuàng)新提供豐富的方案來源。

濃縮歸納后，TRIZ理論構(gòu)架可簡化為圖1所示。

圖1 簡化TRIZ理論構(gòu)架

TRIZ理論是指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新的共性理論。實踐證明：TRIZ理論可幫助人們加快創(chuàng)新進程，提高創(chuàng)新效果。污泥堆肥技術(shù)創(chuàng)新同樣適用TRIZ理論，污泥堆肥技術(shù)亦可以沿著系統(tǒng)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(zhǔn)確指明現(xiàn)階段的發(fā)展方向。

2 污泥堆肥技術(shù)系統(tǒng)進化階段分析

一個技術(shù)系統(tǒng)的進化一般經(jīng)歷4個階段，典型的S曲線是描述一個技術(shù)系統(tǒng)的完整生命周期。TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進化理論指出：技術(shù)系統(tǒng)一直處于進化之中，當(dāng)一個技術(shù)系統(tǒng)的進化完成4個階段后，必然會出現(xiàn)一個新的技術(shù)系統(tǒng)來替代它，如此不斷的替代，而解決技術(shù)矛盾是進化的推動力。

污泥堆肥技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展至今經(jīng)歷的三個階段[1]，如圖2所示。

第一階段，傳統(tǒng)堆肥。早期污泥行業(yè)堆肥技術(shù)主要來源于農(nóng)業(yè)，工藝類型主要采用靜態(tài)條垛堆肥，間歇性采用農(nóng)業(yè)機械或工程車輛進行翻堆通風(fēng)。國內(nèi)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(shè)備的出現(xiàn)，以動態(tài)槽式堆肥系統(tǒng)和動態(tài)條垛式堆肥系統(tǒng)為代表的初級機械化堆肥技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)堆肥技術(shù)，并實現(xiàn)了生產(chǎn)效率的大幅提高。國內(nèi)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(yè)化堆肥）。隨著污泥產(chǎn)量的增加，污泥項目處理規(guī)模逐漸擴大，對于二次污染關(guān)注程度和自動化程度要求的提高，出現(xiàn)了全流程無人操作機械化堆肥模式，甚至具有自適應(yīng)和自決策的智能系統(tǒng)開始應(yīng)用于堆肥流程中，無人化堆肥系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著機械化堆肥進入高級發(fā)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(shù)發(fā)展留有較大的創(chuàng)新空間。國內(nèi)的典型工程案例包括唐山城市污泥處理工程（采用SACT系統(tǒng)）等。

圖2 堆肥技術(shù)進化S曲線圖

圖3 高級機械化堆肥技術(shù)生命周期示意圖

3 機械化堆肥技術(shù)系統(tǒng)分析

“用戶購買的目的是擁有系統(tǒng)的功能，而不是系統(tǒng)本身”，因此功能是技術(shù)系統(tǒng)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(fā)新技術(shù)系統(tǒng)時，首先應(yīng)確定系統(tǒng)完成或?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)時，應(yīng)清理技術(shù)系統(tǒng)的主要功能及其輔助功能，以便理解系統(tǒng)，找出系統(tǒng)問題所在。

SACT污泥堆肥系統(tǒng)是國內(nèi)首個全流程機械化堆肥系統(tǒng)[2]，研發(fā)過程參考了TRIZ理論核心內(nèi)容，在系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備等三個層面進行了全面系統(tǒng)功能分析。

3.1 總體層面系統(tǒng)分析

以堆肥系統(tǒng)作為整體進行組件分析，結(jié)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(tǒng)組件功能模型如圖4。

表1 污泥堆肥系統(tǒng)組件分析

表2 污泥堆肥系統(tǒng)組件相互作用分析

圖4 堆肥系統(tǒng)組件功能模型（簡圖）

3.2 子系統(tǒng)層面系統(tǒng)分析

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

3.3 設(shè)備層面系統(tǒng)分析

進一步以設(shè)備作為整體進行組件分析，以干料配料料倉為例，結(jié)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(tǒng)組件功能模型（簡圖）

表3 貯存（子）系統(tǒng)組件分析

表4 貯存（子）系統(tǒng)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(tǒng)功能構(gòu)架，特別是理清了不足功能和有害功能，為尋找創(chuàng)新方向提供了基礎(chǔ)；過度功能的發(fā)現(xiàn)有助于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，降低成本。

在功能分析的基礎(chǔ)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(jié)合創(chuàng)新原理等工具，即可得到創(chuàng)新解決方案。由于篇幅所限，以技術(shù)矛盾分析-創(chuàng)新原理路線為例，針對污泥堆肥系統(tǒng)創(chuàng)新加以說明。

3.4 機械化堆肥技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾是指技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在制約，在提高技術(shù)系統(tǒng)某一個參數(shù)時，導(dǎo)致另一個參數(shù)的惡化而產(chǎn)生的矛盾。例如：翻堆機設(shè)備質(zhì)量減少，導(dǎo)致行走打滑。

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

表7 TRIZ工程參數(shù)表

表8 TRIZ矛盾矩陣表（局部）

表9 TRIZ創(chuàng)新原理表

以“翻堆機設(shè)備質(zhì)量減少，導(dǎo)致行走打滑”為例，表7可對應(yīng)“1運動物體質(zhì)量”與“11 應(yīng)力或壓力 ”，在表8第1行11列位置對應(yīng)四個創(chuàng)新原理“10預(yù)操作、36相變、37熱膨脹、40復(fù)合材料”，在SACT系統(tǒng)核心設(shè)備F5.110翻堆機的研發(fā)過程中，參考“10預(yù)操作”原理內(nèi)容，設(shè)計采用了壓花鋼板軌道面；參考“36相變、37熱膨脹、40復(fù)合材料”原理相關(guān)內(nèi)容，將原行走機構(gòu)輪軌系統(tǒng)設(shè)計改為實心壓配輪胎設(shè)計，有效解決了這一技術(shù)矛盾。

4 污泥堆肥技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)新方向

采用TRIZ理論，結(jié)合污泥行業(yè)特點，對現(xiàn)有的堆肥系統(tǒng)進行全面分析，針對創(chuàng)新方向的探究，歸納總結(jié)得到以下結(jié)論：

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

（2）網(wǎng)絡(luò)化：工業(yè)化堆肥是依靠大量機械設(shè)備完成的生物處理過程，信息聯(lián)通與大數(shù)據(jù)的積累對于系統(tǒng)的可靠、優(yōu)化運行意義重大。

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

（4）空間化：多層結(jié)構(gòu)與全地下結(jié)構(gòu)以其無可比擬的優(yōu)勢將引領(lǐng)后續(xù)技術(shù)發(fā)展。

（5）模塊化：發(fā)酵倉單元（含除臭系統(tǒng)）將最終實現(xiàn)完全模塊化。

（6）標(biāo)準(zhǔn)化：包含兩個層面內(nèi)容：1）服務(wù)于某一工藝系統(tǒng)的翻堆轉(zhuǎn)倉系統(tǒng)、曝氣除臭系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、授料計量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化；2）發(fā)酵倉核心尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化，為市場的全面有序競爭打下基礎(chǔ)。

5 結(jié)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(tǒng)軸）進行系統(tǒng)分析，也可通過物理矛盾分析結(jié)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(chuàng)新的方向。

SACT堆肥系統(tǒng)采用TRIZ理論進行技術(shù)優(yōu)化，簡化了思路，提高了效率，為工業(yè)化堆肥時代的全面到來提供了技術(shù)支持。