（环境工程专业论文）昆明市生活垃圾处理与处置方法优化.pdf

昆明理工大学学位论文原创性声明 芷6 6 9 2 9 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诎皿劣 日期：洲年7 , - 月力日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名 日 期： 注：此页放在封面后，目录前。 论文作者签名：j 睁 地掣生季臼f 旦 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 摘要 本文以昆明市生活垃圾为研究对象。利用灰色组合模型对 昆明市生活垃圾在2 0 0 3 2 0 1 0 期间的产生量进行了定量预 测。结合2 0 0 0 年昆明市生活垃圾物理组成的实测数据与我 国其他城市的垃圾物理组成，对2 0 1 0 年昆明市生活垃圾的 物理组成进行了定性预测。在以上两种预测数据的基础上， 利用层次分析法对昆明市各种可选的处理与处置方案进行 了优选。得出了填埋+ 堆肥+ 焚烧的综合处理方式为最优方 案的结论。文章还对昆明市拟建的垃圾综合处理厂进行了综 合规划。以上的分析与结论可为昆明市生活垃圾处理与处置 相关管理部门提供决策依据。 关键词：城市；生活垃圾；灰色组合模型；层次分析法；优 化；规划 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 a b s t r a c t t h ep a p e rd e a l sw i t ht h em o d e l i n go fd i s p o s ei nk u n m i n g c i t y i tp r e d i c t st h eo u t p u to fk u n m i n gm u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n 2 0 0 3 2 0 1 0b y g r e yc o m b i n i n gm o d e l b yc o m b i n et h es u r v e y d a t e so fk u n m i n gm s wp h y s i c sc o m p o s i t i v ei n2 0 0 0a n dt h e d a t e so fo t h e rc i t i e s i nc h i n a ，t h ep h y s i c sc o m p o s i t i v eo f k u n m i n gm s w i n2 0 1 0w a sp r e d i c t e d o nt h eb a s eo ft h et w o k i n d sp r e d i c t e dd a t e s ，i tc h o o s e sl a n df i l l i n ga n dc o m p o s t i n g a n di n c i n e r a t i o na st h eb e s tp r o j e c tb ya n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s f i n a l l y , t h i sp a p e rl a y o u tt h ew a s t ec o m p r e h e n s i v e d i s p o s a lf a c t o r ys y n t h e s i z e a l lo fi t o f f e r sr e f e r e n c ef o rt h e r e l a t e dm a n a g ed e p a r t m e n to fk u n m i n gm s w k e yw o r d s ：k u n m i n g ；m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ；g r e yc o m b i n g m o d e l ；a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ；l a y o u t 4 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 1 总论 1 1 项目背景 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 随着我屠城市数量，规模扩大，人口增多以及人民生活方式的变化和生活水平的提高， 城市生活垃圾以年均增长率1 0 的速度迅速增加数量庞大的城市垃圾已对城市及城市 周围的生态环境构成日趋严重的威胁：全国6 6 8 座城市中至少有2 0 0 座以上处于垃圾 的包围之中，在城市周围历年堆存的垃圾量已达6 0 亿吨。侵占了约5 亿多n 1 2 的土地； 垃圾直接堆放和简易填埋场向大气释放大量酸性和碱性有机污染物，并溶解出其中的 重金属，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源。此外，垃圾堆积场爆 炸事故不断发生，造成熏大损失。因而，城市生活垃圾的处理处置问题是关系到保护 和改善生活和生态环境，防治污染，改变传统发展模式，使经济发展与环境保护相协 调的重要内容之一。 目前昆明市城市生活垃圾的处理处置方法比较单一，即垃圾经混合收集后运至填埋场 进行卫生填埋。虽然改变了以往乱堆乱放造成的严重的环境问题，但仍存在不少问题。 这一系列问题需要通过科学的中长期规划进行解决。 1 2 研究意义及目的 本文研究所得的结果旨在向昆明市相关管理部门在未来城市垃圾处理与处置规划中 提供科学的理论依据。研究中所建立的数学模型可推广应用至全国其他城市的垃圾产 量预测及垃圾处理与处置优化中。通过将数学模型的各种理论与方法应用于环境规划 中，本文为数学与环境科学与工程学科的交叉边缘学科的发展的研究思路与研究实践 理论提供了参考。 1 3 研究指导思想与原则 研究的指导思想是城市生活垃圾处理的“三化”：减量化、资源化和无害化及各种处 理处置方法的最优配置与系统规划。其原剐县窑觋最优化。 1 4 研究方法与研究范围 研究的方法包括通过数学建模进行未来垃圾产量预测及运用相应的数学方法进行方 案优选和系统最优规划。 研究范围涉及昆明市垃圾产量预测、垃圾物理组成的变化趋势及预测、垃圾处理与处 置力法组合优选、垃圾综合处理厂的规划等。 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 2 昆明市垃圾产量与组成的调查资料及相关分析 昆明市固体废弃物中转处置中心与昆明市环境卫生科学研究所曾与2 0 0 0 年3 月份对昆明 市各大小垃圾中转站垃圾情况进行了调查。调查结果显示： ( i ) 垃圾容重平均值为0 2 3 t m 2 ，有机物含嚣平均为6 7 6 7 ，无机物含量平均为6 9 7 ， 废品含量平均为2 5 3 6 。此次的调查结果与1 9 9 4 年调查的燃气户的情况相似，但是在城市 结合韶或部分农贸市场的出租房或餐馆还有部分是燃煤，因此有个别点的无视含量还是高达 4 3 5 。而在出租房较多的地区或沿街铺面收集来的垃圾中，粪便含量较高，均用塑料袋或 报纸包着。 ( 2 ) 1 0 座中转站抽样中含水率较高，平均为6 3 。有两方面的原因，一是由于站垃圾中 水果残余所占比例太大，另方面原因是在调查开始后的第三天和第四天，恰逢下雨，导致 这两天的垃圾含水率上升，最高值为8 3 5 。 ( 3 ) 废品中塑料和废纸的含量较高，但在调奄过程中却发现，有回收利用价值的饲料瓶、 酒瓶、易拉罐、罐头瓶( 桶) 、纸板、废报纸等很少见，这些废品在进入中转站前就被捡荒 者或收集垃圾的互轮车夫捡走。塑料是吼人们在每天购物中所产生的超薄塑料袋为主，废纸 是以卫生问中丢弃的废纸为主。而作为垃圾中最有害的电池，每天都有。 ( 4 ) 在此次调查过程中发现有部分医疗垃圾进入中转站，主要是一次性注射器、针水瓶和 棉签纱布等。这些均属于特种垃圾，应单独处理，却与普通生活垃圾一起进入了中转站。 ( 5 ) 根据实测弹筒热值及低位发热量数据及推理昆明市直接收运来的垃圾，其低位热值 的平均为7 3 4 1 - u k g ，等于1 7 5 6 大卡k g ，可进行焚烧处理。 由于此次调查选择垃圾中转站作为调查点，而进入中转站的垃圾除居民生活垃圾外，还包 括农贸市场、沿街铺面、宾馆及街道清扫垃圾等，因此具有一定的代表性。为对未来的垃圾 进行系统觌划，仍需对垃圾产量及榴应物理组成基于此次及以往相应统计资料之上进行科学 预测与分析。 昆l ! | j 市生活垃圾处理与处置方法优化 3 昆明市垃圾产量灰色组合模型预测 城市生活垃圾的产生量和成分，是开展域市建设和管理的宝贵基础资料，是建设城市生 活垃圾处理工程的重要依据，为对未来垃圾整治方案和措施进行可行性研究，首先就需要对 未来城市垃圾产生量进行科学合理的预测。如果对城市垃圾产生量估计过高会导致人力和物 力的浪费；估计过低就会导致不能满足实际情况的需要。 城市垃圾产生量预测方法可分为定性预测法和定量预测法。其中定量预测分析法通常采 用灰色预测法、多元回归法、逐步回归法、时间序列分析法等。但备单项预测模型都偏向于 从某一角度来研究解决问题，难于把握事物的总体和全局，而灰色组合模型利用g m ( 1 ，n ) 与g m ( 1 ，1 ) $ s o d m m 两种预测结果相对精度较高的灰色模型的组合，通过计算机编程 进行优化组合，使得最终预测结果的精度在两种单项预测的结果精度上有迸一步的提高。经 验算，利用该灰色组合模型，预测结果的精度为一级。 表1昆明市1 9 9 6 2 0 0 1 生活垃圾产生量 年份生活垃圾清运量( 万吨) 1 9 9 63 6 2 7 1 4 1 9 9 74 19 3 6 6 1 9 9 85 7 1 9 9 9 5 83 2 0 0 08 2 9 3 2 0 0 1 8 33 昆明市1 9 9 6 2 0 0 1 年垃圾产量变化曲线图见图l 。 ， y ；邑9 79 89 00 0o l0 2 图1昆明市1 9 9 6 2 0 0 1 垃圾产量变化曲线图 3 1 组合模型的建立 设城市垃圾在菜一时段内各期的实际测量值为弗，( 其中：仁l ，2 ，n ) ，设第一种预测 模型第t 期的预测值是 ，第二种预测模型第t 期的预测值为厶，最优组合模型第t 期的预测值为e ，设加权系数分别为w 1 o ，”2 0 ，且满足w l + w 2 = 1 ，则最优组 合模型表达为： 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 e = w 1 + w 2 l 该预测组合模型绝对误差为： e t = k 一耳| _ l y , 一无一w z 五， ( 2 ) 可生成以下3 条约束条件： m i n x = q 2 w t + w 2 = l f 3 1 ( 4 ) w 1 0 ，心0( 5 ) 3 2 最优权数的求解 一般解决该类问题可以用专门求解线形规划的软件，但这里利用c 语言编写程序求出 最优解，方法是试探法，把o w 1 1 区间分成1 0 0 0 等份，步长为0 0 0 0 1 ，”1 分别取0 0 0 0 1 ， 0 0 0 0 2 ，1 ，= l 一，分别代入公式( 3 ) ，经过计算比较帮可求出满足上述3 个约 束条件的最优权系数，其精度达到l 矿。( 程序见附录3 ) 3 3g m ( 1 ，n ) 模型预测 3 3 1 灰色系统理论 灰色系统理论建立的模型，简称g m ( g r e y m o d e l ) 模型。根据变量的多少及阶数的高低，一 般有g m ( 1 ，n ) 模型，为多变量模型和c - m ( 鱼】) 模型，为高阶模型。阶数过高，计算复 杂，精度也不一定高。本节将使用一阶模型，邵g m ( 1 ，n ) 模型。 g m ( 1 ，n ) 模型适于研究各个环节的变化对整个系统的影响，不适合直接对趋势做出预测， g m ( i ，i ) 模型是g m ( 1 ，n ) 的一维模型，它能建立时问响应函数从阿适台于进行未来 趋势的预测，凼此可以用g m ( i ，1 ) 模型对各影响因素进行预测基础上冉通过g m ( i ，n ) 模型研究各因素对整个系统的影响。 3 3 2 g m ( i ，n ) 模型建模 设z f o = 耐o ( 1 ) 膏o ( 2 ) ，o 0 ) ) 为系统特征序列，而 墨= ( 管( 1 ) ，管( 2 ) ，工0 ) ) 嬲= “町( 1 ) ，工乳2 ) ，) ) x = o 妒( 1 ) ，工( 2 ) ，帮q ) ) 为相关因素序列，z 为耐o 的i a g o 序列( i = l ，2 ，n ) ，z f l 为的紧邻均值生成 n 序列别称z 1 1 i ( 女) + “z 乳七) = 6 ，x 段) 1 = 2 s 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 为g m ( 1 。n ) 的灰色微分方程。 参数列五= b ，如，b 3 ，6 】r 的最小二乘估计满足 a = ( b 启) - 1 8 7 y 墨钟( 2 ) l 工f 0 ) ( 3 ) i ；l 酬 称堕 + d o z ) ；如屯1 ) + 以黾( - ) + + “h ( 1 ) 为 g m ( 1 ，n ) 灰色微分方程的白化方程，也称影子方程。 白化方程的解为： 一o)=e-“11娥咿r乳班。)+姜m1)(矿dtl# - 2 o ) x o ( o ) 一r 6 ，x 趴o ) + n x 艮) e “i 扣2 j 累减还原式为 ( 七+ 1 ) = 斟”( | i + 1 ) 一j ：”( 七) 3 3 3 因素分析 影呐垃圾产量变化的内在因素中，主要有人口数量，居民生活水平，城市建设发展水平等， 人口数量是一个简单明了的数量指标。但是经济水平与城市建设水平却可以通过诸多指标来 反映，通过这些因素的分析，以及昆明市历年统计资料情况，在此可初步选择反映居民生活 水平的2 个指标：职工年均工资、人均年消费性支出。反映城市发展水平的4 个指标：城市 气化率、g n p 、建成区面积、人均公共绿地。 这样初步得到了影响城市生活垃圾产量变化的七个指标：人口、职工年均工瓷、人均年消 费性支出、城市气化率、q 啦、建成区面积、人均公共绿地。每个因素作用太小，也就是每 个阂素的变化引起垃圾产量变化的显著程度，需要进一步分析，即分析垃圾产震变化与各因 素变化的关联程度。每个因索作用大小，也就是每个因素的变化引起垃圾产量变化羽显著程 度，需要进步分析，即分析垃圾产量变化与各因素变化的关联程度。关联度分析有面积关 联分析法，相对变化率关联度分析法，斜率关联度分析法等。其中斜率关联度具有如下优点： 1 、计算简便，原始数据不需标准化和选择参考点，便于计算机处理2 、原始数列中含有零 或负值时不受影响3 、当两个相互比较的变量，相对变化率差别较大时，两序列均起作用； 4 、关联度的分辨率较高。在此利用斜率关联度分析法进行关联度分析。 - 设x ( t k y o l 为自然数列函数，则两数列在各时刻的关联系数 式中 却) =+ l 趔一必 e l x 仃，i 9 f f r 咖引 西瑶 碍 一 一 一 协协一协譬驾管 鼢 0 01 ，。，l i l 8 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 缸( f ) = 雌+ 1 ) 一面) 缈o ) = 儿+ 1 ) 一y ( ) 盯，= c t y2丽 黑1n 丽- - 2 则关联度 ，= 击善n - i 荆 表2 昆明市七个指标1 9 9 6 2 0 0 1 年度的统计值 年份 国内生产总 职工年 昆明主城消费性支人均公共建成区面非气化 值( 万元)均工资居住人口出( 元)绿地( 乎方积( 平方公 室 米) 里) 1 9 9 64 4 3 8 0 6 57 2 6 31 6 6 9 2 1 9 95 1 3 6 8 558 11 0 9 71 1 7 1 9 9 7 5 0 1 0 7 5 7 8 1 1 8 1 6 9 6 8 7 85 4 5 3 6 95 8 21 2 5 20 0 2 1 9 9 8 5 6 2 0 1 0 98 5 5 41 7 3 0 6 2 l6 0 2 1 2 16 91 3 20 1 1 9 9 95 9 1 8 9 1 19 0 7 7 1 7 6 7 2 1 86 3 7 l2 16 9 91 3 7 4 3 4 5 2 0 0 0 6 2 6 2 8 5 39 8 9 11 8 “5 7 66 8 4 4 6 471 4 94 0 2 2 0 0 16 7 3 0 6 2 71 0 9 1 41 8 5 2 7 6 56 9 2 7 0 27 6 7 1 4 8 1 2 5 5 以上数据来自参考资料 1 ， 2 ， 3 及昆明市1 9 9 6 2 0 0 2 各年年鉴。 为了与垃圾产量正相关，引入“非气化率= 1 一气化率” 代入数据进行计算。计算结果见表3 ： 衰3 影响垃圾产量交化的各因素与垃圾产量的关联系数 氏。炙彘，缸鼠瓦彘， 06 0 l0 7 0 90 8 9 00 8 5 70 7 7 3 0 5 4 1 0 6 3 4 o6 3 40 6 8 8 0 7 7 50 9 7 00 5 6 10 7 6 205 5 5 o8 3 60 7 3 00 6 6 4 0 6 8 70 9 4 lo 7 5 0 o 5 8 6 0 7 t 40 5 8 40 5 8 80 5 9 30 4 2 0o 6 2 30 4 4 l 0 7 2 10 5 2 7o 5 9 40 8 6 30 4 9 30 9 6 70 ，3 3 2 注：彘i 为垃圾产量与国内生产总值的关联系数；彘2 为垃圾产量与职工年均工资的关联系 数，依此类推 表4 影响垃圾产量变化的各因素与垃圾产置的关联度 i | r o 。 如如如r ，氏r ， 0 7 0 10 6 4 80 7 0 20 7 9 4o 6 3 70 7 2 8o5 i o 氏： ) 如，。，如= 民， r 儿- 0 7 分别依顺序代表列于裹2 中的七个指标与垃圾产虢的关联度。比较之后，对垃圾产量 影1 w 较大的主要是反映城市建设水平的建成区面积、反； i ：0 k ! 活水平的人均 7 自赞性支出 1 0 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 及反映人口数量的人口指标，拟取这3 个变量作为垃圾产量变化的影响变量来研究垃圾产量 这个动态系统的变化趋势。 3 3 4g m ( 1 ，1 ) 模型 g m ( 1 ，1 ) 模型为：工( 七) + 韶1 k = “ ：1 ( 七) = o , 5 x 1 ( 七) + o 5 x m 似一1 ) 设工o = i x 。( 1 ) ，工。( 2 x ，j 。白) j 为一列原始数据，作一次累加生成 i - - a g o ： z ( i ) = 工o ( 珊) 工 z ) ：i x , i ( 1 ) ，工( 1 ( 2 ) ，一，x ( 1 ( 刀) 】 = k ( 。( 1 ) ，工( 。( 1 ) + x ( 。( 2 ) ，工( o ) ( 1 ) + 工( ( 2 ) + + 工( o ) ( 丹) 】 称_ d x 0 ) + 缎( i ) ：“ d t 为灰色微分方程 j o ( 七) 十b 1 庀= 材 的白化方程，也叫影子方程 参数按最小二乘法瓣阱0 7 b ) _ 1 巩 其中b 一抄) ( 1 m m ( 2 ) 】 一抄】( 2 m ( 3 ) 】 一吉k ( 1 ( 以一1 ) + 工( 1 1 ( 打) 】 y = p ( 2 ) ，工脚( 3 ) ，一，x o ) r 上述白化形式的微分方程解( 即时间响应函数) 为 ( i ( f ，= ( z “c 。，一詈 。一“+ 詈 g m ( 1 ，1 ) 废色微分方程工1 ( 尼) + a z 1 ( 七) = 的时间响应序列 安1 c 后+ 1 ，j = ( 工( o ( 1 ，一詈 。一n r + 詈 昆明市生活垃圾处理与处置方法优化 由此式求得的预测值x 1 ( k + 1 ) ，作一阶累减运算，即得到原始数据的预测值。 c o ) + 1 ) = 主舯+ 1 ) 一土僻) 自推 建立了预测模型，可以得出预测值，但预测结果是否可用，还需要检验。 g m 模型的误差检验可按以f 进行。 z o ( k ) 为原始数据列，j o ( 足) 为模型的拟合值( k = 1 ，2 ，n ) ，c 为后验差比值，p 为小配荠频率： q ( k ) = z ( o ( 七) 一主”( k ) t = f x ) 一i 聊晖) f x 妒 ) 一一言弘 c ：量 墨 5 ；- 丢蹇k 假) 一开 口2 砉妻k 商一i r 可= 蒋( 鼢 珏：。( k ) p = p 如( k ) 一刻c0 6 7 4 5 s 。 当币验差比值( 均方差比值) c = 0 9 5 时，认为模型 满足一级精度。五为平均模拟相对误差，给定a ，五 a 且。 0 5 幽一) 的要求，又浪费填埋场有效容积，缩短填埋场的使用年限。目 前昆明城市生活垃圾中有机成分约为6 76 7 ，废品含量约为2 5 3 6 ，无机成分只占到 6 9 7 。由于昆明城市生活垃圾中蔬菜水果残余所占比例较大，致使含水量达到6 3 ，并 不适合于卫生填埋耍求。 垃圾综合处理系统是由单一处理发展面成，解决了单一处理的缺点。国外在垃圾的综合 处理方面起步较早。如焚烧与填埋相结合，堆肥与填埋相结合，堆肥与焚烧、填埋相结合 等，在国外都早有先例。至于我们现在采用的堆肥、焚烧与填埋三结合处理，2 0 世纪8 0 年代日本已经工程化。因而积极探讨适合于各个城市生活垃圾的具体综合处理方法，建立 相对科学、合理的处理系统，解决日益增长的城市垃圾产生量与处理处置的矛盾，就显得 十分必要。 5 1昆明市生活垃圾处理与处置方法的组合 城市生活垃圾综合处理方法应该包括大件垃圾与有毒有害垃圾豹处理，由于此类垃圾的特 殊性且不影响整体综合处理方法的选择，敌可不予考虑。根据2 0 0 0 年昆明市城市生活垃圾 的组成特点，有机质达到总量的6 76 7 ，可考虑进行堆肥处理。低位热值的平均热值为 7 3 4 m j k g ，等于1 7 5 6 大卡k g ，远大于焚烧的最低低位热值4