Triz理論體系下的廚余垃圾處理設(shè)備發(fā)展與預(yù)測(cè)分析

彭懷志 黃艷江 張?zhí)碛?/p>

摘要：簡(jiǎn)述廚余垃圾處理的發(fā)展歷史，并運(yùn)用Triz理論中的相關(guān)知識(shí)，分析廚余垃圾處理機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論，對(duì)廚余垃圾處理機(jī)的技術(shù)成熟度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以達(dá)到評(píng)估此產(chǎn)品發(fā)展階段的目的。

Abstract： The development history of kitchen waste disposal is briefly described， and the technological progress of kitchen waste disposal machine is analyzed by using the relevant knowledge in Triz theory， and the technological system evolution theory is applied to predict the technological maturity of kitchen waste disposal machine， so as to evaluate the development stage of this product.

關(guān)鍵詞：Triz 理論;廚余垃圾處理設(shè)備;發(fā)展與預(yù)測(cè)

Key words： Triz theory;kitchen waste disposal equipment;development and prediction

中圖分類號(hào)：X799.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）09-0116-05

1? 廚余垃圾處理技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展演變

1.1 填埋焚燒

最開(kāi)始，我們對(duì)生活垃圾處理的認(rèn)識(shí)還停留在“挖個(gè)坑埋掉”的層面上，但是填埋技術(shù)如圖1所示對(duì)水體以及空氣的污染較為嚴(yán)重，回收利用率低，占用土地面積大。

在1874年，英國(guó)的諾丁漢開(kāi)始使用垃圾焚燒技術(shù)進(jìn)行垃圾處理，如圖2所示，焚燒產(chǎn)生熱量可以發(fā)電或取暖，但成本比較高，釋放有害氣體，對(duì)人類健康不利。

1.2 粉碎直排

1927年第一臺(tái)食物垃圾處理機(jī)由美國(guó)威斯康星州的設(shè)計(jì)師John W.Hammes設(shè)計(jì)發(fā)明，如圖3所示。食物垃圾處理機(jī)問(wèn)世，讓廚余垃圾的處理方法升級(jí)到了粉碎后排放這一階段。經(jīng)過(guò)多次改良，如圖4所示廚余垃圾能較好地被粉碎后排入下水道，但未經(jīng)過(guò)更多處理的廚余垃圾很容易產(chǎn)生較多污水和臭氣，污染環(huán)境，增加了病菌、蚊蠅的滋生和疾病的傳播的可能性，并直接增加了垃圾填埋場(chǎng)和城市污水處理廠的壓力，給后續(xù)處理帶來(lái)了很大難度，增加了相應(yīng)系統(tǒng)的投資及各項(xiàng)處理費(fèi)用，二次污染也不可避免。

1.3 有機(jī)轉(zhuǎn)化

近年來(lái)，對(duì)食物垃圾的處理增加了發(fā)酵功能，通過(guò)微生物在有氧或者是無(wú)氧的環(huán)境中對(duì)有機(jī)物的分解制造可以被二次利用的肥料;利用蚯蚓或者其他生物偏好食用有機(jī)物的特性，使有機(jī)物經(jīng)過(guò)生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)換變成可以利用的資源。好氧堆肥技術(shù)簡(jiǎn)單、易推廣，但是堆肥品質(zhì)難控制，在發(fā)酵過(guò)程中鹽分較高，長(zhǎng)期使用導(dǎo)致土壤鹽堿化。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，自動(dòng)化程度高、副產(chǎn)品多樣化，但成本高且占地面積復(fù)雜，不易操作。生物堆肥中的生物更容易受到環(huán)境的影響，比如原料油脂和含鹽率高時(shí)其生長(zhǎng)緩慢，并且在處理垃圾過(guò)程中容易逐步退化。如圖5所示，是現(xiàn)階段投入使用的好氧發(fā)酵堆肥桶。

如圖6所示，這是一種生化處理模式的垃圾處理器，營(yíng)造出適合微生物生存的環(huán)境，酸化分解有機(jī)物，使其變成有機(jī)肥。它通過(guò)微生物分解的方式，來(lái)分解掉食物垃圾。在堆肥桶的基礎(chǔ)上增加了攪拌、除臭等多種功能。相關(guān)微生物會(huì)將食物垃圾轉(zhuǎn)化為兩部分。一部分是氣體，它們會(huì)經(jīng)由機(jī)器內(nèi)的過(guò)濾裝置除臭，再排出無(wú)色無(wú)味、對(duì)人體沒(méi)有傷害的氣體。一部分則留在微生物中，由其有機(jī)成分，與微生物結(jié)合，就變成了有機(jī)肥料。

1.4 干燥處理

干燥處理模式，加熱風(fēng)干，蒸發(fā)垃圾的水分，不讓微生物存活。松下MS-N53-S垃圾處理機(jī)采用了風(fēng)干式處理廚余垃圾，最多一次能處理約2kg，一天最多處理8kg的廚房垃圾。這種垃圾處理機(jī)可以高效快捷地處理完家庭廚余垃圾，增加了食物存放量與減少了異味散發(fā)，如圖7所示。

1.5 新型廚余垃圾處理機(jī)

安裝在廚房水池下方，集粉碎、固液分離、干燥功能于一體，具備將食物垃圾變成小塊圓體、廢油收集、廢水排放等功能，結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，這種新型的廚余垃圾處理機(jī)目前只是有專利申請(qǐng)，市面上還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。

2? 結(jié)合Triz理論的食物垃圾處理機(jī)發(fā)展分析

2.1 40條發(fā)明創(chuàng)造原理

阿奇舒勒最先得到的“解決問(wèn)題的規(guī)律”就是發(fā)明原理，40條發(fā)明創(chuàng)造原理，蘊(yùn)含了人類文明創(chuàng)新所需要遵循的共性原理，是行之有效的創(chuàng)新方法，以下是理解的幾點(diǎn)原則：①各原理之間不是并列的，而是相互融合的。②創(chuàng)新原理體現(xiàn)了系統(tǒng)進(jìn)化理論體系。③創(chuàng)新原理的各子目錄之間層次有高低。

2.2 廚余垃圾處理機(jī)中的發(fā)明創(chuàng)造原理

廚余垃圾處理機(jī)的發(fā)展與進(jìn)化路線中，無(wú)時(shí)無(wú)刻都在運(yùn)用40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原理，接下來(lái)我將以幾個(gè)典型的方面來(lái)簡(jiǎn)單分析廚余垃圾處理機(jī)中運(yùn)用的發(fā)明創(chuàng)造原理。如圖8。

2.2.1 合并（組合）原理

合并（組合）原理是將多個(gè)相鄰對(duì)象（操作或部件）進(jìn)行組合，或是在多種功能、特性或部分之間建立聯(lián)系。

單一的功能無(wú)法滿足對(duì)現(xiàn)階段廚余垃圾的處理需求，所以在廚余垃圾處理機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，總是出現(xiàn)多功能組合完成垃圾處理目的的情況出現(xiàn)，如將粉碎功能與發(fā)酵功能組合的垃圾處理機(jī);將粉碎功能、固液分離功能與干燥功能組合的垃圾處理機(jī);都運(yùn)用組合原理對(duì)廚余垃圾處理機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了完善。如圖9所示的“ZERA”垃圾處理機(jī)，便將粉碎、發(fā)酵、除味、加熱等功能組合于一身。

2.2.2 分割原理

分割原理以虛擬或者顯示的方式將一個(gè)系統(tǒng)分為多個(gè)部分，以便分離或者合并一種有益或有害的系統(tǒng)屬性。

隨著技術(shù)進(jìn)步與科技發(fā)展，廚余垃圾處理機(jī)所具備的功能也越來(lái)越豐富，擁有粉碎、發(fā)酵、干燥、固液分離等多種功能，新的廚余垃圾處理設(shè)備中分割原理的運(yùn)用較為明顯，主要在產(chǎn)品的結(jié)果分型上，由于垃圾處理機(jī)的各項(xiàng)功能逐步聯(lián)合進(jìn)行，所以運(yùn)用分離原理將其功能區(qū)進(jìn)行了劃分。如圖10所示的垃圾處理機(jī)產(chǎn)品就將屏幕顯示、肥料盒、溶肥盒的功能模塊做了分割。

2.2.3 變害為利原理

此原理意在通過(guò)將有害的作用或情況變?yōu)橛杏玫淖饔脕?lái)利用有害的因素。

在垃圾處理機(jī)方面，早期的填埋處理或粉碎排放，由自然環(huán)境降解，對(duì)環(huán)境的代謝壓力較大，并且一些垃圾會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成不可逆?zhèn)Γ笃诓粩噙M(jìn)步與發(fā)展的廚余垃圾處理機(jī)，有運(yùn)用發(fā)酵技術(shù)如厭氧消化技術(shù)與好氧堆肥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了垃圾向肥料的轉(zhuǎn)化，運(yùn)用的便是變有害為有利這一發(fā)明創(chuàng)造原理。如圖11所示，便是食物垃圾粉碎后發(fā)酵，由有害的垃圾廢物轉(zhuǎn)化為肥料的過(guò)程，在縮小體積的同時(shí)轉(zhuǎn)化成了有機(jī)肥料以達(dá)到資源的變害為利目的。

3? 基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論的廚余垃圾處理機(jī)技術(shù)成熟度分析與預(yù)測(cè)

3.1 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論

阿奇舒勒等人于20世紀(jì)70年代至80年代開(kāi)始，就在Triz理論的大框架之下，研究技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化，在分析大量專利研究之后，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，技術(shù)系統(tǒng)其本身就是不斷變化的，而伴隨著環(huán)境改變，技術(shù)系統(tǒng)的變化時(shí)具有一定的方向性的，可以將技術(shù)系統(tǒng)與生物系統(tǒng)的進(jìn)化進(jìn)行類比，兩者的共同點(diǎn)就是都存在著優(yōu)勝劣汰，在自然選擇中不斷完善自身系統(tǒng)。最終阿奇舒勒將技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化規(guī)律抽象的歸納為一些公理，歸納出技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式進(jìn)行表述。如圖12。

3.2 技術(shù)成熟度的分析與預(yù)測(cè)

技術(shù)預(yù)測(cè)的研究最早出現(xiàn)在半個(gè)世紀(jì)以前，最初其研究主要應(yīng)用于對(duì)武器以及軍用機(jī)械的性能進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)，后逐漸廣泛應(yīng)用到民用產(chǎn)品中來(lái)，阿奇舒勒與同僚在以Triz理論為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其進(jìn)化規(guī)律可以用S曲線來(lái)表示，阿奇舒勒的S型曲線表達(dá)出，如果沒(méi)有新技術(shù)的引入，一樣產(chǎn)品只能停留在當(dāng)前階段，只有引入新的技術(shù)，技術(shù)系統(tǒng)成熟度才能推進(jìn)，如圖13。

在不斷的研究中發(fā)現(xiàn)，任何系統(tǒng)或產(chǎn)品的進(jìn)化過(guò)程中，同一代產(chǎn)品的進(jìn)化都會(huì)分為嬰兒期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期四個(gè)階段，為了更方便直觀的說(shuō)明問(wèn)題，S曲線被簡(jiǎn)化為分段S曲線，階段的改變一般在分段S曲線的拐點(diǎn)時(shí)刻出現(xiàn)，且每一階段，S曲線都呈現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)，如圖14。

不僅如此，四個(gè)階段中，性能—時(shí)間、發(fā)明數(shù)量—時(shí)間、發(fā)明級(jí)別—時(shí)間、經(jīng)濟(jì)效益—時(shí)間四組曲線的表現(xiàn)也各不相同。如圖15。

3.3 廚余垃圾處理機(jī)技術(shù)成熟度預(yù)測(cè)與分析

中國(guó)城市垃圾積累量已經(jīng)達(dá)到70億噸。如果將這些垃圾資源加以轉(zhuǎn)化和利用，將是一筆非常可觀的財(cái)富，并且，現(xiàn)如今國(guó)家政府也出臺(tái)了許多政策，大力扶持垃圾處理行業(yè)的發(fā)展，但廚余垃圾處理一直是日常生活，每一位住戶的關(guān)注問(wèn)題，所以廚余垃圾處理機(jī)現(xiàn)在在我國(guó)的發(fā)展形勢(shì)還不明確，下面就簡(jiǎn)單分析一下廚余垃圾處理機(jī)的技術(shù)進(jìn)化模型。

3.3.1 專利數(shù)

在中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)使用專利信息服務(wù)平臺(tái)，在搜索欄搜索“餐廚垃圾處理”和“廚余垃圾處理”，分別找到了1296條和490條相關(guān)信息，由此信息繪制時(shí)間—專利曲線，如圖16。

3.3.2 專利級(jí)別

Triz理論將發(fā)明專利分為五個(gè)級(jí)別：第一級(jí)別的發(fā)明是指憑借設(shè)計(jì)人員自身在本領(lǐng)域掌握的知識(shí)對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行仿制或簡(jiǎn)單改進(jìn)，這一等級(jí)的發(fā)明最為簡(jiǎn)單;第二級(jí)別的發(fā)明是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)某一組件進(jìn)行了修改，這一級(jí)別的發(fā)明創(chuàng)新解決了技術(shù)矛盾，設(shè)計(jì)人員也需要掌握相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)與技術(shù);第三級(jí)別的發(fā)明對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)組件進(jìn)行改進(jìn)，可以說(shuō)是將系統(tǒng)從根本上進(jìn)行了改變，需要設(shè)計(jì)人員不光具有本領(lǐng)域涉及的知識(shí)與技術(shù)，還需要跨領(lǐng)域的理論支持;第四級(jí)別的發(fā)明是保持原有功能不變的前提下，用組合的方法構(gòu)建新的系統(tǒng)以達(dá)到解決技術(shù)矛盾的目的，這一級(jí)別的發(fā)明想要實(shí)現(xiàn)，不僅僅需要工程技術(shù)的支持，更是對(duì)科學(xué)知識(shí)與科學(xué)原理的探究;第五級(jí)別的發(fā)明會(huì)催生全新的技術(shù)系統(tǒng)，推進(jìn)世界的科技發(fā)展，十分的罕見(jiàn)，主要依據(jù)與世界前沿的技術(shù)研究與科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)五個(gè)級(jí)別劃分，結(jié)合數(shù)據(jù)，我們可以整理出如圖17的時(shí)間—專利級(jí)別曲線。

3.3.3 利潤(rùn)

關(guān)于廚余垃圾處理機(jī)的利潤(rùn)數(shù)據(jù)收集比較困難，所以我們采用近似估計(jì)的方法，根據(jù)中國(guó)環(huán)球科技網(wǎng)2020年中國(guó)廚余垃圾處理市場(chǎng)需求分析及未來(lái)投資前景分析，以餐廚運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)空間來(lái)大致反應(yīng)理論走勢(shì)，按照餐廚垃圾處理產(chǎn)能與運(yùn)營(yíng)處理量預(yù)估，2013年的餐廚運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)空間約為3.91億元、2015年的餐廚運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)空間約為10.04億元、2017年的餐廚運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)空間約為21.26億元、2019年的餐廚運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)空間約為36.41億元，餐廚運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)空間可以間接的反應(yīng)廚余垃圾處理機(jī)的利潤(rùn)走勢(shì)。

在對(duì)中國(guó)餐廚垃圾處理行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局分析的相關(guān)資料中，找到了關(guān)于“維爾利”公司2017-2019年的營(yíng)收情況，“維爾利”公司事國(guó)內(nèi)餐廚垃圾處理行業(yè)的巨頭企業(yè)，主要從事滲濾液處理、餐廚廚余垃圾處理、沼氣處理、工業(yè)節(jié)能及油氣回收、村鎮(zhèn)污水及河道治理等各項(xiàng)業(yè)務(wù)。用“維爾利”公司的營(yíng)收凈利潤(rùn)來(lái)大致提現(xiàn)現(xiàn)階廚余垃圾處理機(jī)的利潤(rùn)走勢(shì)。