TRIZ理论概述及污泥堆肥技术发展方向

王涛

（1.机械科学研究总院环保技术与装备研究所，北京 100044；2.机械工业有机固废生物处理与资源化利用工程技术研究中心，北京 100044）

引言

堆肥技术是一项历史悠久的技术，在污泥处理领域已有数十年的应用经验，但对污泥堆肥技术的创新存在两种消极认识，一种是认为污泥堆肥技术已经很成熟，基本不具创新提升的空间；另一种是认为堆肥技术本身属于低端技术，基本不具备创新前景。因此我国的污泥处理处置技术路线尚处于“百家争鸣”阶段。从目前已投入运行的污泥堆肥项目效果来看，或多或少都存在一些问题，有关科研单位也在系统开展污泥堆肥技术的创新工作。

1 TRIZ理论概述

TRIZ理论由学者G.S.Altshuller于1946年开创并逐渐完善形成。TRIZ理论是基于知识的、面向人的、解决技术创新问题的系统化方法学，揭示了创新的内在规律和原理，着力澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。现代TRIZ理论体系主要包括以下内容：

（1）创新思维方法与问题分析方法：TRIZ理论提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法，是一种系统资源寻找的有效方法；对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法—物-场分析法，可以帮助快速确认核心问题，发现根本矛盾所在。

（2）技术系统进化法则：针对技术系统进化演变规律，TRIZ理论总结提炼了八个基本进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。

（3）技术矛盾解决原理：不同领域技术创新往往遵循共同规律。TRIZ理论将这些共同规律归纳成40个创新原理，针对具体技术矛盾，可基于这些创新原理、结合工程实际寻求具体解决方案。

（4）创新问题标准解法：针对具体问题物-场模型的不同特征，分别对应标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等。

（5）发明问题解决算法ARIZ：主要针对问题情境复杂、矛盾及其相关部件不明确的技术系统。其是一个对初始问题进行若干变形、再定义等非计算性的逻辑过程，以实现对问题的逐步深入分析、转化，直至解决。

（6）基于工程学原理而构建的知识库：基于物理、化学、几何学等领域的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库可以为技术创新提供丰富的方案来源。

浓缩归纳后，TRIZ理论构架可简化为图1所示。

图1 简化TRIZ理论构架

TRIZ理论是指导技术创新的共性理论。实践证明：TRIZ理论可帮助人们加快创新进程，提高创新效果。污泥堆肥技术创新同样适用TRIZ理论，污泥堆肥技术亦可以沿着系统功能分析-问题-解决方法-方案的思路着手进行全面分析，以期准确指明现阶段的发展方向。

2 污泥堆肥技术系统进化阶段分析

一个技术系统的进化一般经历4个阶段，典型的S曲线是描述一个技术系统的完整生命周期。TRIZ技术系统进化理论指出：技术系统一直处于进化之中，当一个技术系统的进化完成4个阶段后，必然会出现一个新的技术系统来替代它，如此不断的替代，而解决技术矛盾是进化的推动力。

污泥堆肥技术系统发展至今经历的三个阶段[1]，如图2所示。

第一阶段，传统堆肥。早期污泥行业堆肥技术主要来源于农业，工艺类型主要采用静态条垛堆肥，间歇性采用农业机械或工程车辆进行翻堆通风。国内典型工程案例有北京庞各庄污泥消纳厂（一期）等。

第二阶段，初级机械化堆肥。伴随着专用翻堆设备的出现，以动态槽式堆肥系统和动态条垛式堆肥系统为代表的初级机械化堆肥技术逐渐取代了传统堆肥技术，并实现了生产效率的大幅提高。国内的典型工程案例有唐山西郊污水二厂污泥处理工程、北京庞各庄污泥消纳厂（二期）等。

第三阶段，高级机械化堆肥（工业化堆肥）。随着污泥产量的增加，污泥项目处理规模逐渐扩大，对于二次污染关注程度和自动化程度要求的提高，出现了全流程无人操作机械化堆肥模式，甚至具有自适应和自决策的智能系统开始应用于堆肥流程中，无人化堆肥系统的出现标志着机械化堆肥进入高级发展阶段。这一阶段还处于培育和成长期（如图3箭头所示），也为堆肥技术发展留有较大的创新空间。国内的典型工程案例包括唐山城市污泥处理工程（采用SACT系统）等。

图2 堆肥技术进化S曲线图

图3 高级机械化堆肥技术生命周期示意图

3 机械化堆肥技术系统分析

“用户购买的目的是拥有系统的功能，而不是系统本身”，因此功能是技术系统存在的根本目的。功能分为有用功能和有害功能，有用功能又分为充足功能、不足功能和过度功能。开发新技术系统时，首先应确定系统完成或实现的主要功能，然后将主要功能分解为子功能，即功能分解。改进原有系统时，应清理技术系统的主要功能及其辅助功能，以便理解系统，找出系统问题所在。

SACT污泥堆肥系统是国内首个全流程机械化堆肥系统[2]，研发过程参考了TRIZ理论核心内容，在系统、子系统、设备等三个层面进行了全面系统功能分析。

3.1 总体层面系统分析

以堆肥系统作为整体进行组件分析，结果如表1。组件间相互作用分析如表2。通过分析可建立堆肥系统组件功能模型如图4。

表1 污泥堆肥系统组件分析

表2 污泥堆肥系统组件相互作用分析

图4 堆肥系统组件功能模型（简图）

3.2 子系统层面系统分析

进一步以子系统作为整体进行组件分析，以贮存系统为例，结果如表3、表4。贮存（子）系统组件功能模型（简）见图5。

3.3 设备层面系统分析

进一步以设备作为整体进行组件分析，以干料配料料仓为例，结果如表5、表6。干料配料仓组件功能模型如图6。

图5 贮存（子）系统组件功能模型（简图）

表3 贮存（子）系统组件分析

表4 贮存（子）系统组件相互作用分析

表5 干料配料料仓组件分析

表6 干料配料料仓组件相互作用分析

图6 干料配料仓组件功能模型

通过上述分析，可得到三个层面的完整功能分析模型，从而全面掌握系统功能构架，特别是理清了不足功能和有害功能，为寻找创新方向提供了基础；过度功能的发现有助于优化系统设计，降低成本。

在功能分析的基础上，进一步针对不足、有害、过度功能开展矛盾分析或模型建立，结合创新原理等工具，即可得到创新解决方案。由于篇幅所限，以技术矛盾分析-创新原理路线为例，针对污泥堆肥系统创新加以说明。

3.4 机械化堆肥技术矛盾分析

技术矛盾是指技术系统中两个参数之间存在制约，在提高技术系统某一个参数时，导致另一个参数的恶化而产生的矛盾。例如：翻堆机设备质量减少，导致行走打滑。

TRIZ分析了全球超过250万份专利，总结了若干研究工具，其中包括“39个工程参数”（见表7）、“39×39矛盾矩阵”（见表8）、“40条创新原理”（见表9）等。将技术矛盾与表7的参数相对应，再在表8中对应找出相应的位置，其中的序号代表表9的创新原理序号，参考原理内容和其他领域的经验，可以方便得到问题的解决方案。

表7 TRIZ工程参数表

表8 TRIZ矛盾矩阵表（局部）

表9 TRIZ创新原理表

以“翻堆机设备质量减少，导致行走打滑”为例，表7可对应“1运动物体质量”与“11 应力或压力 ”，在表8第1行11列位置对应四个创新原理“10预操作、36相变、37热膨胀、40复合材料”，在SACT系统核心设备F5.110翻堆机的研发过程中，参考“10预操作”原理内容，设计采用了压花钢板轨道面；参考“36相变、37热膨胀、40复合材料”原理相关内容，将原行走机构轮轨系统设计改为实心压配轮胎设计，有效解决了这一技术矛盾。

4 污泥堆肥技术系统创新方向

采用TRIZ理论，结合污泥行业特点，对现有的堆肥系统进行全面分析，针对创新方向的探究，归纳总结得到以下结论：

（1）协同化：有机固体废物协同处理、区域固体废物综合协同处理是未来的趋势，为适应物料协同处理特点，污泥堆肥技术应在分选、计量等方面开展深入细致的研究。

（2）网络化：工业化堆肥是依靠大量机械设备完成的生物处理过程，信息联通与大数据的积累对于系统的可靠、优化运行意义重大。

（3）智能化：现阶段主要方向集中于专家系统的建立、翻堆机自适应运行状态研究与物料输送过程智能化等方面。

（4）空间化：多层结构与全地下结构以其无可比拟的优势将引领后续技术发展。

（5）模块化：发酵仓单元（含除臭系统）将最终实现完全模块化。

（6）标准化：包含两个层面内容：1）服务于某一工艺系统的翻堆转仓系统、曝气除臭系统、物料输送系统、授料计量系统的标准化；2）发酵仓核心尺寸的标准化，为市场的全面有序竞争打下基础。

5 结语

采用TRIZ理论，除上述论述方法外，还可通过三轴分析法（因果轴、操作轴、系统轴）进行系统分析，也可通过物理矛盾分析结合四个分离原理（空间分离、时间分离、条件分离、整体与局部分离）等研究路线来解决问题，最终目的是得到具有实施可行性的创新的方向。

SACT堆肥系统采用TRIZ理论进行技术优化，简化了思路，提高了效率，为工业化堆肥时代的全面到来提供了技术支持。