Triz理论体系下的厨余垃圾处理设备发展与预测分析

彭怀志 黄艳江 张添玉

摘要：简述厨余垃圾处理的发展历史，并运用Triz理论中的相关知识，分析厨余垃圾处理机的技术进步，应用技术系统进化理论，对厨余垃圾处理机的技术成熟度进行预测，以达到评估此产品发展阶段的目的。

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.

关键词：Triz 理论;厨余垃圾处理设备;发展与预测

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

中图分类号：X799.3                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0116-05

1  廚余垃圾处理技术与设备的发展演变

1.1 填埋焚烧

最开始，我们对生活垃圾处理的认识还停留在“挖个坑埋掉”的层面上，但是填埋技术如图1所示对水体以及空气的污染较为严重，回收利用率低，占用土地面积大。

在1874年，英国的诺丁汉开始使用垃圾焚烧技术进行垃圾处理，如图2所示，焚烧产生热量可以发电或取暖，但成本比较高，释放有害气体，对人类健康不利。

1.2 粉碎直排

1927年第一台食物垃圾处理机由美国威斯康星州的设计师John W.Hammes设计发明，如图3所示。食物垃圾处理机问世，让厨余垃圾的处理方法升级到了粉碎后排放这一阶段。经过多次改良，如图4所示厨余垃圾能较好地被粉碎后排入下水道，但未经过更多处理的厨余垃圾很容易产生较多污水和臭气，污染环境，增加了病菌、蚊蝇的滋生和疾病的传播的可能性，并直接增加了垃圾填埋场和城市污水处理厂的压力，给后续处理带来了很大难度，增加了相应系统的投资及各项处理费用，二次污染也不可避免。

1.3 有机转化

近年来，对食物垃圾的处理增加了发酵功能，通过微生物在有氧或者是无氧的环境中对有机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机物的特性，使有机物经过生物体内的转换变成可以利用的资源。好氧堆肥技术简单、易推广，但是堆肥品质难控制，在发酵过程中盐分较高，长期使用导致土壤盐碱化。厌氧发酵产气，自动化程度高、副产品多样化，但成本高且占地面积复杂，不易操作。生物堆肥中的生物更容易受到环境的影响，比如原料油脂和含盐率高时其生长缓慢，并且在处理垃圾过程中容易逐步退化。如图5所示，是现阶段投入使用的好氧发酵堆肥桶。

如图6所示，这是一种生化处理模式的垃圾处理器，营造出适合微生物生存的环境，酸化分解有机物，使其变成有机肥。它通过微生物分解的方式，来分解掉食物垃圾。在堆肥桶的基础上增加了搅拌、除臭等多种功能。相关微生物会将食物垃圾转化为两部分。一部分是气体，它们会经由机器内的过滤装置除臭，再排出无色无味、对人体没有伤害的气体。一部分则留在微生物中，由其有机成分，与微生物结合，就变成了有机肥料。

1.4 干燥处理

干燥处理模式，加热风干，蒸发垃圾的水分，不让微生物存活。松下MS-N53-S垃圾处理机采用了风干式处理厨余垃圾，最多一次能处理约2kg，一天最多处理8kg的厨房垃圾。这种垃圾处理机可以高效快捷地处理完家庭厨余垃圾，增加了食物存放量与减少了异味散发，如图7所示。

1.5 新型厨余垃圾处理机

安装在厨房水池下方，集粉碎、固液分离、干燥功能于一体，具备将食物垃圾变成小块圆体、废油收集、废水排放等功能，结构相对较为复杂，这种新型的厨余垃圾处理机目前只是有专利申请，市面上还没有成熟的产品。

2  结合Triz理论的食物垃圾处理机发展分析

2.1 40条发明创造原理

阿奇舒勒最先得到的“解决问题的规律”就是发明原理，40条发明创造原理，蕴含了人类文明创新所需要遵循的共性原理，是行之有效的创新方法，以下是理解的几点原则：①各原理之间不是并列的，而是相互融合的。②创新原理体现了系统进化理论体系。③创新原理的各子目录之间层次有高低。

2.2 厨余垃圾处理机中的发明创造原理

厨余垃圾处理机的发展与进化路线中，无时无刻都在运用40个发明创造原理，接下来我将以几个典型的方面来简单分析厨余垃圾处理机中运用的发明创造原理。如图8。

2.2.1 合并（组合）原理

合并（组合）原理是将多个相邻对象（操作或部件）进行组合，或是在多种功能、特性或部分之间建立联系。

单一的功能无法满足对现阶段厨余垃圾的处理需求，所以在厨余垃圾处理机的发展过程中，总是出现多功能组合完成垃圾处理目的的情况出现，如将粉碎功能与发酵功能组合的垃圾处理机;将粉碎功能、固液分离功能与干燥功能组合的垃圾处理机;都运用组合原理对厨余垃圾处理机产品进行了完善。如图9所示的“ZERA”垃圾处理机，便将粉碎、发酵、除味、加热等功能组合于一身。

2.2.2 分割原理

分割原理以虚拟或者显示的方式将一个系统分为多个部分，以便分离或者合并一种有益或有害的系统属性。

随着技术进步与科技发展，厨余垃圾处理机所具备的功能也越来越丰富，拥有粉碎、发酵、干燥、固液分离等多种功能，新的厨余垃圾处理设备中分割原理的运用较为明显，主要在产品的结果分型上，由于垃圾处理机的各项功能逐步联合进行，所以运用分离原理将其功能区进行了划分。如图10所示的垃圾处理机产品就将屏幕显示、肥料盒、溶肥盒的功能模块做了分割。

2.2.3 变害为利原理

此原理意在通过将有害的作用或情况变为有用的作用来利用有害的因素。

在垃圾处理机方面，早期的填埋处理或粉碎排放，由自然环境降解，对环境的代谢压力较大，并且一些垃圾会对自然环境造成不可逆伤害，后期不断进步与发展的厨余垃圾处理机，有运用发酵技术如厌氧消化技术与好氧堆肥技术，实现了垃圾向肥料的转化，运用的便是变有害为有利这一发明创造原理。如图11所示，便是食物垃圾粉碎后发酵，由有害的垃圾废物转化为肥料的过程，在缩小体积的同时转化成了有机肥料以达到资源的变害为利目的。

3  基于技术系统进化理论的厨余垃圾处理机技术成熟度分析与预测

3.1 技术系统进化理论

阿奇舒勒等人于20世纪70年代至80年代开始，就在Triz理论的大框架之下，研究技术系统的进化，在分析大量专利研究之后，阿奇舒勒发现，技术系统其本身就是不断变化的，而伴随着环境改变，技术系统的变化时具有一定的方向性的，可以将技术系统与生物系统的进化进行类比，两者的共同點就是都存在着优胜劣汰，在自然选择中不断完善自身系统。最终阿奇舒勒将技术系统的进化规律抽象的归纳为一些公理，归纳出技术系统进化模式进行表述。如图12。

3.2 技术成熟度的分析与预测

技术预测的研究最早出现在半个世纪以前，最初其研究主要应用于对武器以及军用机械的性能进行技术预测，后逐渐广泛应用到民用产品中来，阿奇舒勒与同僚在以Triz理论为基础进行技术成熟度预测时，发现其进化规律可以用S曲线来表示，阿奇舒勒的S型曲线表达出，如果没有新技术的引入，一样产品只能停留在当前阶段，只有引入新的技术，技术系统成熟度才能推进，如图13。

在不断的研究中发现，任何系统或产品的进化过程中，同一代产品的进化都会分为婴儿期、成长期、成熟期、衰退期四个阶段，为了更方便直观的说明问题，S曲线被简化为分段S曲线，阶段的改变一般在分段S曲线的拐点时刻出现，且每一阶段，S曲线都呈现出了不同的特点，如图14。

不仅如此，四个阶段中，性能—时间、发明数量—时间、发明级别—时间、经济效益—时间四组曲线的表现也各不相同。如图15。

3.3 厨余垃圾处理机技术成熟度预测与分析

中国城市垃圾积累量已经达到70亿吨。如果将这些垃圾资源加以转化和利用，将是一笔非常可观的财富，并且，现如今国家政府也出台了许多政策，大力扶持垃圾处理行业的发展，但厨余垃圾处理一直是日常生活，每一位住户的关注问题，所以厨余垃圾处理机现在在我国的发展形势还不明确，下面就简单分析一下厨余垃圾处理机的技术进化模型。

3.3.1 专利数

在中国知识产权网使用专利信息服务平台，在搜索栏搜索“餐厨垃圾处理”和“厨余垃圾处理”，分别找到了1296条和490条相关信息，由此信息绘制时间—专利曲线，如图16。

3.3.2 专利级别

Triz理论将发明专利分为五个级别：第一级别的发明是指凭借设计人员自身在本领域掌握的知识对已有系统进行仿制或简单改进，这一等级的发明最为简单;第二级别的发明是对系统内某一组件进行了修改，这一级别的发明创新解决了技术矛盾，设计人员也需要掌握相关领域的知识与技术;第三级别的发明对系统内的多个组件进行改进，可以说是将系统从根本上进行了改变，需要设计人员不光具有本领域涉及的知识与技术，还需要跨领域的理论支持;第四级别的发明是保持原有功能不变的前提下，用组合的方法构建新的系统以达到解决技术矛盾的目的，这一级别的发明想要实现，不仅仅需要工程技术的支持，更是对科学知识与科学原理的探究;第五级别的发明会催生全新的技术系统，推进世界的科技发展，十分的罕见，主要依据与世界前沿的技术研究与科学新发现。

根据五个级别划分，结合数据，我们可以整理出如图17的时间—专利级别曲线。

3.3.3 利润

关于厨余垃圾处理机的利润数据收集比较困难，所以我们采用近似估计的方法，根据中国环球科技网2020年中国厨余垃圾处理市场需求分析及未来投资前景分析，以餐厨运营市场空间来大致反应理论走势，按照餐厨垃圾处理产能与运营处理量预估，2013年的餐厨运营市场空间约为3.91亿元、2015年的餐厨运营市场空间约为10.04亿元、2017年的餐厨运营市场空间约为21.26亿元、2019年的餐厨运营市场空间约为36.41亿元，餐厨运营市场空间可以间接的反应厨余垃圾处理机的利润走势。

在对中国餐厨垃圾处理行业竞争格局分析的相关资料中，找到了关于“维尔利”公司2017-2019年的营收情况，“维尔利”公司事国内餐厨垃圾处理行业的巨头企业，主要从事渗滤液处理、餐厨厨余垃圾处理、沼气处理、工业节能及油气回收、村镇污水及河道治理等各项业务。用“维尔利”公司的营收净利润来大致提现现阶厨余垃圾处理机的利润走势。