（环境工程专业论文）城市固体废物优化管理模型研究.pdf

摘蛰 城市固体废物优化管理模型研究 摘要 随着我国经济的迅速发展以及人口的不断增长，固体废物的产生量 正迅猛增加，特别在大中型城市，固体废物的合理处置逐步引起相关部 门的重视。本研究从我国城市固体废物产生现状及特点入手，首先通过 固体废物的物理组成，分析了影响城市固体废物产生量的影响因素。得 出城市生活垃圾产生量主要与城市人口、居民收入、居民消费水平和城 市居民燃气化率等有关。 随着技术水平的不断提高，焚烧、堆肥、填埋多种处理处置技术逐 渐成熟。但单一的处理方式远远不能满足城市的发展和环境的相关标 准。将多种处理有机结合，使收集路线、物流分配、管理模式以及各种 处理方式的比例分配通过数学模型进行优化，各自发挥其优势，将更为 适合社会经济发展和环境的需要。 在对城市固体废物管理进行系统分析，以及对各种模型深入研究的 基础上，提出了不确定性多目标动态优化固体废物管理模型。模型以系 统成本最小和环境影响最小为目标，采用不确定性分析、污染损失理论， 将城市固体废物处理处置过程中对环境产生的影响进行货币化，使环境 和经济有效地统一，以更加客观地解决多目标决策和管理问题。同时采 用完整、合理的约束条件进一步对模型进行有效补充。将该模型应用于 佛山市优化结果表明：采用该模型可使每吨固体废物处置成本较原方案 减少8 1 8 元，每年最少可节约2 8 x 1 0 7 元，大大减少了运营成本，同 时证明该模型的实际应用价值。又将该模型应用于深圳市固体废物优化 i 北京化工大学硕士学位论文工 管理。优化结果表明深圳市单位废物处理成本费用低于佛山，分析得出 管理成本与技术水平及中转费用有关。由两个案例城市的优化结果分析 可得，焚烧、回收等能量回收率高、资源化水平高的处理方式在现今能 源紧缺、建设“资源节约型社会”、“环境友好型社会”的要求f 应逐步 提高其战略地位。 通过模型约束方程的对偶价格得出，影响固体废物总处理费用的三 个重要影响因素：产生量、回收量、处理容量。针对以上三种因素进行 深入分析比较，提出了广义和狭义的综合处理技术，首先，采用将广义 综合处理应用到实际中，采用分类回收、压缩收集、用优化模型对废物 收集、运输和处理处置系统进行合理配置，尽量降低经济成本和环境影 响；其次，采用多种技术组合，达到处理率高、资源化程度高、环境影 响小的目的，是经济、环保、可行的技术策略。 关键词：固体废物；优化管理；多目标模型；综合处理；不确定性 摘要 i 己e s e a r c ho no p t i a 仉愿嗄m a n a g e 侄n tm o d e l o fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n c r e a s i n go ft h ep o p u l a t i o ni n t h ec i t i e so fc h i n a ，p r o d u c t i o no fm s wi n c r e a s e ds or a p i d l yt h a to p t i m u m d i s p o s a lm e t h o d so fm s w a r o u s e dt h ea t t e n t i o no fr e l a t e dd e p a r t m e n t ， e s p e c i a l l yi nb i gc i t i e s t h i sr e s e a r c ha n a l y z e st h ef a c t o r sr e l a t e dt om s w p r o d u c t i o nt h r o u g hc h a r a c t e r i s t i c so fi t ，a n dc o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h e p r o d u c t i o no fm s w i sa s s o c i a t e dw i t hp o p u l a t i o n ，i n c o m e ，c o n s u m el e v e l a l t h o u g h t r e a t m e n tm e t h o d s ，i n c l u d i n gl a n d f i l l i n g ，i n c i n e r a t i o n ， c o m p o s i n gi m p r o v e ds w i f t l y , s i n g l em e t h o dc a n tm e e tt h ed e v e l o p m e n t o f t h ec i t ya n dt h es t a n d a r do ft h ee n v i r o n m e n t v a r i o u sm e t h o d ss h o u l db e s y n t h e s i z e d ，a n dm a t h e m a t i c sm o d e l s s h o u l db ee s t a b l i s h e db a s e do n o p t i m i z i n gc o l l e c t i o nc h a n n e la n dw a s t ef l o wt om e e tt h ed e m a n do f s o c i a l e c o n o m yd e v e l o p i n ga n dt h ee n v i r o n m e n t t h i sr e s e a r c hp r e s e n t sam u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e lf o rm s w u n d e ru n c e r t a i n t y t h em o d e lm i n i m i z e st h eo v e r a l l s o l i dw a s t e m a n a g e m e n ts y s t e mc o s ta n dt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t a si t sm a i n m 北京化工大学硕士学位论文工 o b j e c t i v e s ，a p p l y i n gp o l l u t i o nl o s st h e o r yt oe v a l u a t et h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c t ，a n dt h e nc o m b i n et h es e c o n do b j e c t i v ew i t ht h ef i r s to n et om a k ei t m o r eu n i v e r s a l m e a n w h i l e ，a d d i n gr e a s o n a b l ec o n s t r a i n sa sa v a i l a b l e s u p p l e m e n to ft h em o d e a tf i r s t ，t h i sm o d e li sa p p l i e dt ot h ec i t yo ff o s h a n ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t ：c o m p a r ew i t ht h ef o r m e r p r o j e c t ，t h i sm o d e lc o u l dr e d u c es y s t e mc o s tf o r8 - 1 8 ￥t ，a n di te c o n o m i z e 2 8 m i l l i o n e a t h ec o n c l u s i o nf r o ma p p l i c a t i o nt of os h a np r o v e dt h a tt h i s m o d e li sv a l u a b l e ，a n dc o u l db eg e n e r a l i z e dt oo t h e rc i t i e s s e c o n d l y ，t h e m o d e lw a sa p p l i c a t e dt os h e nz h e n ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o s tp e rt o n m s wi sl o w e rt h a ni ti nf os h a n 。a n dc o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h ec o s ti s a s s o c i a t e dw i t ht e c h n i ci m p r o v i n ga n dt r a f e r s t a i o nc o s t f o r mb o t ht h et w oc a s e s ，s y s t e mc o s td e c r e a s e dg r a d u a l l yf r o m2 0 0 6 t o2 0 2 0 ，i ti sa r i s e db yt h ep r o r a t a t i o no fv a r i o u sm e t h o d s t h es t r a t e g i c s t a t i o no fs o m et r e a t m e n tm e t h o d ，i n c l u d i n gi n c i n e r a t i o na n dr e c y c l e ， s h o u l db ee n h a n c e dt om e e tt h ed e m a n do ft h es o c i e t y , w h i c hi ss h o r to f r e s o u r c e s ，a n di sd e c l a r e d “as o c i e t yo fs a v i n gr e s o u r c e s f r o ma n a l y z i n gd u a lp r i c eo fc o n s t r a i n s ，w ei n f e rt h a t ，p r o d u c t i o no f m s w ：w a s t et ob er e c y c l e d ，c a p a c i t yo ft h ed i s p o s a lp l a n ta r et h em a i n f a c t o r sw h i c hc o u l di m p a c tt h ec o s to ft h em s w m a n a g e m e n t p o i n to nt h e f a c t o r sa b o v e ，c o m p r e h e n s i v e l yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw a sp u tf o r w a r dt o s o l v ea l lt h ef a c t o r s o nt h eo n eh a n d ，c a t e g o r i s e dc o l l e c t i o n 。c o m p r e s s e d t r a n s f e r s t a t i o n ，o p t i m i z a t i o n m o d e ls h o u l db e a p p l i e d t om i n i m i z e i v 摘要 m a n a g e m e n tc o s ta n dt h ei m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t ；o nt h eo t h e rh a n d ， c o m p r e h e n s i v e l yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h c o u l da c h i e v et h eo b j e c t i v e s o fh a z a r d f r e et r e a t m e n t ，r e d u c i n gq u a n t i t ya n dr e c l a m a t i o n k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e s ；o p t i m u mm o d e l ；m u l t i o b j e c t i v e ； u n c e r t a i n t y ；c o m p r e h e n s i v e l yp r o c e s s i n g v 北京化工大学硕士学位论文工 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑霞声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导_ 卜，独立 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，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：叠；盛日期：渺7 斗 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属：l 匕京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：叠：垄日期： 导师签名： 谬 如z 4 日期：。d 鲤卑) 6 ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与问题的提出 城市生活垃圾是城市固体废物的重要组成部分，主要包括：居民在生活和日常 活动中产生的综合废弃物。其对市容景观的破坏和对生态环境的污染己相当严重。 如何妥善规划和管理这些与日俱增的固体废物处理处置己成为当前关注的热点。固 体废物的处理方式主要包括焚烧、填埋和堆肥，其对自然环境均存在不同程度的影 响和危机，同时经济费用办有很大差别。 随着城市规模的不断扩大和城市人口的迅速增加，全球每年新增固体废物增加 迅速。我国现有城市6 6 6 个，约3 6 亿左右的城镇人1 2 1 ，目前，产生的生活垃圾量已 经超过1 4 亿妇。由于我国城市固体废物的产生量大，无害化处理程度低，不少城 市陷入生活垃圾的包围中，阻碍了城市的发展，对周围环境造成严重的污染和破坏。 就我国来说，固体废物产量以每年1 0 以上的速度迅速增长，成分也日趋复杂。 生活垃圾堆放占用大量土地。据估算，每堆积1 万吨废物，平均占地6 6 7 m 2 ，随着我 国生产的发展和消费的增长，城市垃圾受纳场地日益显得不足，垃圾占地的矛盾日 益突出；生活垃圾影响城市市容，并且垃圾中大量的有机物腐败后，散发出各种各 样的恶臭气体或有毒气体，其所含的致病微生物、寄生虫、蚊、蝇、嶂螂等害虫可 进入土壤，可长期存活，污染农作物，尤其是蔬菜、水果、瓜类等，也污染地下水， 给人的健康带来巨大的威胁。垃圾污染问题已成为世界性环境公害之一，因此，加 强城市生活垃圾的管理研究是是非常必要的。 焚烧、堆肥、填埋、回收是固体废物处理处置的主要方式，每种方式都有其本 身的特点。填埋费用低，操作简单，但是占地面积大，减量化程度低；焚烧能够实 现超过9 0 的减容率，但是投资和运行费用高；堆肥能够实现较好的资源化和减 量化，但是对垃圾的成分要求高，运行管理费用也相对较高；除焚烧和堆肥两种处 理方式外，垃圾中废品的再回收利用也是实现垃圾资源化、减量化的最优选择之一 例如，废弃塑料回用再生为制品，对一般的塑料包装材料可节约其所含能量的 8 5 - 9 0 。有数据表明，与简单焚烧回收热能相比，再生为制品具有更高的节能 效果。1 吨高密度聚乙烯含有4 6 4 4mj 的燃料热值，再生为制品可节能8 8 ，即 增加节能4 1m j 。因此，可以将焚烧、堆肥、填埋和回收利用等处理有机地结合， 使收集路线、物流分配以及各种处理方式的比例分配通过数学模型进行优化，使他 们各自发挥其优势，通过管理决策的方式更好地服务公众，适合社会经济发展和环 境的需要。 1 2 国内外相关研究进展 北京化工大学硕士学位论文 发达国家经过多年的研究和实践，建立起一套较为完善的城市废物决策管理系 统，对废物的集、运输与处理、处詈整个过程都有较为严格的理，并尽量减少在此 过程中对环境造成的污染。但是在我国，长期以束对于固体废物缺乏完善的环境管 理决策系统，特别是有害废物多被混入一般工业废渣中丢弃。缺乏专门的卫生填埋 场所，也无足够的防渗措施。工业固体废物特别是一些排放量大的工业固体废物， 其处理和利用率很低，城市固体废物清运能力不高，机械化收运程度较差( 仅5 0 ) ， 没有实现科学管理，无害化处理率远低于工业发达国家水平。此外，我国各类固体 废物管理的环境立法还不健全，固体废物污染控制也不够完善，特别是对有害固体 废物，还没有一套完整的全面管理的标准、条例和法规体系。从这些情况来看，加 强对固体废的全过程、综合管理是我国面临的一个相肖严峻的挑战。 近2 0 年来，我国固体废物管理体系闩渐完善。逐步采用数学模型的方式解决 管理问题。2 0 世纪9 0 年代后期，管理系统已不单以经济成本最小为目标建立优化 模型，开始考虑包括对环境影响在内的多目标优化管理模型。我国城市固体废物管 理优化经历了从单目标到多目标的优化模型，从简单的函数到不确定多目标数学模 型的阶段，如图1 1 所示。 龠 竺竺 图1 - 1 固体废物优化管理的发展阶段 f i g 1 - 1d e v e l o p i n gs t e p so f o p t i m i z a t i o nm a n a g e m e n tf o rm s w 9 0 年代中后期，随着城市规模的扩大、数量的猛增，固体废物的处理处置造 成的环境污染不容忽视。模型开始考虑大气污染、地下水污染等因素，形成了兼顾 环境和经济的多目标优化模型。多目标决策分析与传统单目标优化最大区别在于其 决策问题中具有多个互相交互但无法统一的目标。可以基本实现多个目标同时优化 的问题。多目标决策问题又分为多目标规划问题和多目标优选问题两种类型。 1 2 1 城市固体废物管理研究与实践 2 0 0 0 年，p b a n a n d t 2 1 对城市固体废物的管理体制和运营机制进行了研究，指 出原有管理存在组织重叠、权力交叉等方面的问题，并提出了有非政府组织进行废 2 第一章绪论 物收集工作的观点。m e n g i s e n ye k a s s e v a 3 】等人研究了坦桑尼亚固体废物处理厂从 重新选址到环境影响，指出废物回收工作应提前到废物进入填埋场前进行。i s a b a u d l 4 1 等人在优化模型建立过程中公众参与的重要作用。s u n d a r a v a d i v e lm t 5 - 6 等人 以印度及周边地区为例，指出固体废物管理需要通过多学科方法进行改善。 1 2 2 城市固体废物多目标规划模型 设x = ( x l , x 2 ，x n ) 为决策变量，不同的x 定义为不同的方案。方案集( 即可行 域) 为x 寻 x e ng i ( x ) - 2 0 ，i - - i ，p ) ，其中g i ( x ) 为第i 个约束函数。设旬为第j 个目标函数( j - 1 2 m ) 。于是，多目标规划问题的模型结构为嘿 o p t f ( 。尸( f l ( x ) ，丘( x ) ，f r o ( x ) ) 此种方法是针对所要达到的目标建立方程式的函数表达，对固体废物的管理进 行具体规划，使各个目标在某种程度上相互协调、统一。 ( 1 ) 国外研究进展 国外在2 0 世纪9 0 年代就意识到，在对固体废物管理进行优化时，不能只考虑 经济投入，必须统筹考虑其对生态环境和社会综合效应的。他们采用的模型有线性 规划模型( l p ) 、混合整数规划模型( m i p ) 、动力学模型( d p ) 以及多目标规划模 型，其中以多目标规划模型较为常见。 1 9 9 5 年，c t l a n 毋州针对经济投入和环境影响之间的冲突进行系统分析。指出， 由于固体废物的处理过程受一些不可预测因素的影响，模型中许多参数是不确定 的。运用灰色多目标混合整数规划模型( f i m o m i p ) 可以结合多目标分析结构中 的间隔数据对模型中的不确定参数进行量化。之后，j u l i a n 1 0 l 等又对灰色规划模型 进一步改进，对系统中的未知和不确定参数进行更准确的量化。 国外根据当地人口、生态环境状况和环境保护要求确定了多种多目标项目的选 择。随着可填埋场地的不断减少，建立新的焚烧场投资和运行费用大，此时，对于 可回收材料的利用就显得尤为重要。2 0 0 0 年，c h a n g 掣1 1 l 采用模糊多目标非线性 整数规划模型对回收利用率急剧下降地区进行规划，保证花费最小、回收率最大的 情况下设置回收站的网络位置和规模，并采用遗传算法进行计算。模型采用以下3 个目标项目：回收站周围的服务人员最多；家庭到回收站的距离最短；车辆运输距 离最短。美国环境监测研究中心的m i n e i 0 1 2 1 等，2 0 0 2 年首次在目标层中提到填埋 量最少，以达到可持续发展的目的。 2 0 0 3 年，c o s t i t 】和h o k k a n e n 掣1 4 1 已从事模型研究多年，他们认为人们往往在 决策固体废物管理模型时会考虑到多目标决策分析。但是，其实大部分多目标优化 模型也只是简单地把经济投入作为主要因素，而将其他污染、社会影响等因素作为 约束条件的。c h e i l g e l 5 l 等在确定各处理厂的位置时指出，在采用不确定整数线性规 3 北京化工大学硕士学位论文 划模型，以经济投入最小为目标得出物流分配之后，再考虑生态环境方面的限制， 更准确地确定处理厂的具体位置。 ( 2 ) 国内研究进展 从理论上讲，由于固体废物产生及处理的特殊性，受多种因素的影响以及不 可预测的因f ，城市固体废物处理模型应该包括费用最小、处理风险最小、综合效 益( 社会效益、环境效益、经济效益) 最大这3 个目标的非线性规划模型。但是， 除各种处理费用因素可直接量化外，其他因素的量化都存在很大的困难。因此，到 目i j i 为止，我国研究固体废物多目标优化模型中大多采用处理费用最小、综合效益 最大的原则建立多目标优化模型。 2 0 0 0 年，陈炳禄【l “1 9 】等人以广州市为例，运用多目标动态规划模型，以层次 分析法( a h p ) 进行综合效益的评估取值，经计算得出各个时期固体废物焚烧、制肥、 资源化回收和填埋的比例与数量的优化方案，预测了各个规划期各种设腌的需求 量。在此基础上运用最小费用规划模型，选取运输费用与处理费用为多目标因子， 同时把经济收入作为负费用从中扣除，计算出城市固体废物处理系统的最低费用， 市属八区到各处理设施的固体废物流量的优化方案。同年，李天威2 0 。2 3 】等建立模型， 需保证各规划年固体废物处理费用最低，综合效益最高，并且在确定目标优先等级 和权重的情况下，计算最优处理比例。 2 0 0 3 年，刘常青f 2 4 彩】等人应用该模型对福州市近、中期城市固体废物治理系 统进行优化设计，并预测了2 0 0 5 、2 0 1 0 年的固体废物处理设施的建设情况，为政 府决策提供了依据。同时，他们就福州市固体废物产生进行分析，对现存的管理体 制、法规政策及支持下的收运系统现状和存在问题进行探讨，并对收运处理系统的 现状进行社会、环境、经济效益的综合评价；同时，开展了城市生活垃圾的收运、 处理系统建设、设计、优化和效益综合评价。 沈星星f 2 6 】采用多目标优化管理模型提出了新的框架，将垃圾处理成本和污染治 理成本结合起来，实现二者在经济上的同时优化；兼顾城市的社会经济发展目标、 城市特色和环境保护目标，达到综合效益的最佳。她首次提出了将多目标化为单目 标的方法，为我国固体废物优化模型辟开了一条新的出路。 2 0 0 4 年，郭怀诚【2 7 m 】等人将不确定性的方法应用到城市固体废物管理多目标 规划模型中，并将其应用于深圳市。并首次在多目标优化模型中考虑固体废物的处 理处置对地下水以及大气造成的污染，并采用用情景模式分析理论提出了处理方 法。根据不确定性多目标规划模型，就深圳市内生活垃圾处理规划未来5 年内 ( 2 0 0 3 , - - 2 0 0 7 年) 进行了4 种情景计算和分析。包括：保证系统经济投入最小化；保 证处理过程中大气污染最小化；保证处理过程中地下水污染最小化；以及结合当地 专家和政府部门的偏好等。 4 第一章绪论 1 2 3 多目标优选模型 设x = ( x l ，x 2 ，x n ) 表示含有n 个备选方案的方案组，f l ，最矗n 表示m 个目 标属性，f i ( x 0 为第i 个属性下的偏好值，则多目标优选问题的模型结构为： m a x f ( x ) = ( f i ( x ) ，f 2 ( x ) ，f n ( x ) ) 这个目标体系是分层展开的，最高层是决策问题的总体目标，代表着决策者希 望达到的总要求或状态，它反映了客观事物错综复杂的综合特性。一般来说，总体 目标表达相对概括抽象，通过逐层分解，得到体现总体目标的下层目标或子目标。 下层目标比上层目标表达具体精确。 1 9 9 5 年，h o k k a n e n 2 明等提出了适合于多决策者的多目标决策分析方法，他们 按照固体废物管理发展的阶段提出了2 2 种综合处理手段，多位决策者选出了最佳 的结合模式。1 9 9 9 年，我国郭广寨等 3 0 - 3 1 】运用系统工程理论中的层次分析方法建 立数学模型，对工艺的各种组合进行对比。考虑了环境因子、经济效益等因素后， 进行权值的计算得分选回收+ 堆肥+ 卫生填埋的权值是最大的。此后，又对堆肥的 设备用同样的方法进季亍分析，德到仓式静态好氧堆肥权值最大，适宜采用。2 0 0 3 年，崔兆杰吲进一步开发了多层次、多目标模糊决策模型理论，采用二元对比法确 定指标与权重，并运用评价结果发散的单元系统模糊优选理论模型进行合成评价。 1 3 研究目的和意义 固体废物是城市生命体的重要排泄物，是城市生命体健康状态的主要指示之 一。如果排泄不畅，就会积存毒素于生命体内，危害健康；如果处理处置不当，就 会破坏城市生命体赖以生存发展的环境空间，危及生存。固体废物处理处置过程中 会造成空气污染、地下水污染、噪音污染等危害人类环境健康。因此，减少固体废 物的危害乃至变废为宝是保障城市生命体健康发展的重要前提。本研究利用物流分 析理论、多目标规划方法、城市科学及经济学与工程学的研究方法，以实现废物减 量、复用、回收、无害化、优化为原则，研究我国城市固体废物管理运行模式，并 最终建立一套适合我国大中型城市的固体废物优化管理方法，为政府部门制定决策 提供科学依据。 1 4 研究创靳点 将模型研究、优化方法、评价诊断等技术融为一体；应用污染损失理论，不确 定性理论在环境影响得到经济量化的基础上对固体废物管理进行优化，探索固体废 物管理运行模式和方法，建立一套针对城市固体废物的全方位、多层次的综合评价、 诊断与管理系统，为城市固体废物管理提供决策支持，促进固体废物与社会经济发 5 北京化工大学硕士学位论文 展之删的良性珏动。 1 5 研究技术路线 本研究的技术路线见图1 - 2 。 1 6 本章小结 ( 1 ) 固体废物单目标与多目标管理优化模型对比 单目标优化模型重点考虑经济投入，简单易行。适合中小城市的管理模式，而 对f 大城市则必须考虑到环境影响和社会效应，多目标模型可以很好地解决该问 题。多目标优化模型可以在经济投入最小化的基础上兼顾环境污染造成的影响，与 循环经济结合，达到可持续发展的目标。 ( 2 ) 多目标规划与多目标优选模型对比 多目标规划模型町以根据决策者的需要，采用目标函数的形式对固体废物的处 理和物流分配进行规划。国内外文献表明，目前多目标规划模型解法如下：首先是 将处理固体废物的费用和防治污染的费用统一起来，使经济目标与坏境目标相统 一；其次，采用情景分析及模拟模型的方式，以某个目标为重点，放松对其余方面 的约束；另外，国外的一些多目标模型采用两阶段求解的方式，在满足第一个目标 的基础上求满足第二个目标的解。多目标优选模型也是国内外研究的热点。多目标 优选模型的主要思路是根据要达到的总目标，将目标分层，列出若干组可行的方案， 针对方案进行权值的计算，权值越高，可行性越大。 以上分析表明：单目标考虑问题片面；多目标优选模型的选择范围受到限制和 人为因素的影响；多目标规划模型能较为客观地兼顾固体废物处理过程中经济投入 和环境因素的影响，但是在处理处置过程中所造成的影响，除经济投入可量化外， 环境影响的各个因素都还缺乏有效的方法进行准确地量化。因此，两种多目标的优 化模型都存在一定的局限性，只是将它们以权重的形式掩盖在其中。 6 笙：童笙丝 城市嗣废与生命 体要索且动模拟 町持续发展、环 境承载力，循环 经济及生命蒯期 城市同体废物管理系统分析 ( 系统划分，州果链分析等) 城市嘲体唆物管理方法框架 摹于不同管 理模式，资 源化技术纰 合的方案 城市同体废 物管理优化 模型建，、 求解 图1 - 2 研究技术路线 f i g 1 - 2f l o wc h a r to f r e s e a r c h i n g 7 嗣体坡物代谢 扫l 理 城市向体废物管理 现状计价、诊断 零蚕 北京化工大学硕士学位论文 第二章城市固体废物优化管理方法研究 2 1 研究对象的确定 固体废物的一般定义为：人类活动中，因无用或不需要而排泄的固态物料( 质) 。 根据固体法，我国固体废物主要分为两大类，即生活垃圾和工业固体废物。在 这两大类固体废物中，对生态环境和人体健康造成较大威胁、满足一定鉴别标准的 一部分废物被称为危险废物 3 3 。 我国固体废物污染环境防治法定义，“生活垃圾，是指在r 常生活中或者 为同常尘活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为生活垃 圾的固体废物。”我国建设部环境卫生术语标准规定，“生活垃圾是指人类生活 活动中产生的垃圾，包括居民生活垃圾、医院生活垃圾和商业生活垃圾等”。因此， 本研究选择城市生活垃圾为研究对象，即居民生活垃圾、医院生活垃圾和商业生活 垃圾等【川。 在我国农村及小型城市，由于人口少，产生的废弃物少，固体废物的处理问题 比较简单。在大中型城市，由于产生量大且逐渐增长趋势，城市需建多个处理厂， 从而带来了处理处置场合理规划及优化问题。本文所提出的固体废物优化研究的适 用范围为我国大中型城市。 2 2 我国城市固体废物产生特点 2 2 1 产生源分散，产生量大 生活垃圾主要产生于家庭，所以产生源遍布于所有居住区域，相当于面源。生 活垃圾的收集、运输费用要占到其管理费用的相当大部分，与其处置费用相当甚 至超过其处置费用。近2 0 年来，我国的城市化进程逐年加快，城市数量大幅度增 加，城市规模不断扩大，固体废物产生量逐步增加。 1 9 9 9 年，我国城市人口在2 0 5 0 万的中等城市已有2 0 5 个。当前，我国人均 城市生活垃圾产生量达o 8 1 2 k g d 。我国幅员辽阔，在不同地区人们生活水平和生 活习俗差异性很大，因此，各地人均生活垃圾产生量存在着很大差异。目前，人均 生活垃圾产生量通常是经济发达地区高于经济落后地区，燃气普及率低的地区大于 燃气普及率高的地区，而北方地区由于冬季取暖的需要，人均生活垃圾的产生数量 也要相对高于南方地团州。 第一章城市嗣体废物优化管理方法研究 圉 - f 口 圉 一曩 ：l 。 lm 耐11：l 1 姑11 髓2l 辨31 婶1 51 9 8 6l 钟7i 够8l 钟i 伸o1 9 9 1l 辨21 9 蚰1 9 9 41 9 蛄l 蚰61 9 f 71 9 雌1 9 婚2 0 0 02 0 0 l2 0 啦 图2 - l 全国1 9 8 1 - 2 0 0 2 城市生活垃圾清运量 f i g 2 1p r o d u c t i o no f m s wf r o m1 9 8 1t o2 0 0 2i nc h i n a 2 2 2 成分复杂，性质不稳定 由于居民生活的多样性，其产生的生活垃圾种类繁多，造成生活垃圾成分的复 杂。特别是随着科学技术的不断发展，新材料、新产品层出不穷，造成废物种类和 性质不断发生变化，使得生活垃圾的成分越来越复杂。 2 2 3 生活垃圾的产生量、成分与性质与多种因素有关 生活垃圾的产生量、成分与性质与居民生活水平、生活习惯以及气候、地理位 置等因素有关，特别是生活水平的提高造成了生活垃圾性质发生了巨大的变化。图 2 - 2 说明了这一问题i 蚓。 一_ 一 ， j ， t 图2 - 2 我国城市生活垃圾产生量与g d p 的关系 f t g 2 - 2r e l a t i o nb e t w e e np r o d u o i o no f m s w a n dg d pi nc h i n a 9 北京化工大学硕士学位论文 2 3 城市固体废物的物理组成 所谓的物理组成，事实上是按废物组成的材料特征进行区分，并描述其分和状 况的城市固体废物特征分析方法。我国城市固体废物的基本物理组成分类模式见图 2 3 。美国典型的城市固体废物物理组成分类模式见图2 - 4 。 尤机埽圾 町i 圳收物 有机妨圾广厂_ 彳；。1 物拓轧一扶扶i 纸：_ i ：- ：；：j - ：品苹 = 爿 f i g 2 - 3c a t e g o r i z eo f m s w i nc h i n a 城l 了生活嗣体坡物 1 _ 1 一i 囱机部分光机婶圾 广t 1 _ t 广_ r 一t 广t 广广t _ t _ 食品纸张纸板塑料织物橡胶皮莘庭院木类j e 他 玻璃镀锌灰洼铝 其他 包装坡物 图2 - 4 美国城市尉体废物组成分类 f j g 2 - 4c a t e g o r i z eo f m s w i na m e r i c a 比较2 3 和2 - 4 可知，两者首先在一级分类指标的选择上有差异。我国的有机 垃圾实际上是易腐垃圾，与美国状况比较，分类明显细致，反映了对堆肥化等生物 技术的重视，也反映了我国城市固体废物中厨余类食品垃圾占支配性比重的事实； 同时，无机垃圾实质上是惰性垃圾，其中二级分类铰细的划分反映了由于固体民用 燃料占有一定的比例，炉灰在废物构成中权重较大的事实；废品类的划分反映我国 重视废品回收的传统节约模式。美国的划分模式将废物分为有机和无机两部分，基 本上是科学原理的应用。美国突出庭院垃圾，也反映了居住与城市建设的特点；同 时，在于工业消费品有关的项目中，划分明显比我国更细( 对应于我国的废品类) ， 反映了在美国包装废物对城市固体废物的产生有较大的影响，借助分类组成为管 理者提供有利的依据。本研究基本采用图2 3 的固体废物物理分类组成，对固体废 物优化管理进行研究。 l o 第一章城市同体废物优化管理方法研究 2 4 城市固体废物产生的影响因素 2 4 1 城市人口 近2 0 年来，我国的城市化进程逐年加快，城市数量大幅度增加，城市规模不 断扩大，城市非农业人口迅速增长。我国2 0 0 0 年城市人口已达3 8 8 亿，其中非农 业人口的2 1 亿，共有城市6 6 3 个。预计到2 1 世纪中后期，我国城市数量将达到 8 0 0 个，城市化水平将达到3 5 【3 5 】。中国城市垃圾产生量随城市人口的增加呈直线 增长态势，而且随着中国城市发展进程的加快，这一趋势在今后若干年内还将持续 下去。可以说，城市人口的增加是影响城市垃圾产生量的最主要因素。 | 尹 峡 姐 v 咖 捌 烬 疑 囊 卜十一 r 一7 挈磊一 r 7 2 5 z 。釜 。三 一 1 0 妻 s 巷 。螺 1 9 7 91 9 8 11 9 8 31 髓51 9 8 71 9 8 91 9 9 11 9 9 31 9 9 5 1 9 9 7 1 9 9 92 0 0 0 巨至曼蔓三旦画四 图2 - 5 全国城市固体废物清运量与城市非农业人口的变化趋势 f i g 2 5 1 1 l ec h a n g i n gd i r e c t i o no f m s wq u a l i t ya n dn o n c i v i lp o p u l a t i o n 城市固体废物量的增长与城市人口增长基本同步，反映出城市人口对生活垃圾 产量变化的影响占据着主导地位。城市非农业人口只是城市人口其中的一部分，由 于目前还没有完整的对应于垃圾产量区域一致的人口统计，只能通过问接的城市非 农业人口说明垃圾产量的关系。由图2 5 中可看出，1 9 8 5 1 9 9 5 的十年间，垃圾产 量的增长速率比非农业人口的增长速率要快。分析其原因，这十年问，随着城市经 济的发展，城市数量和城区范围扩大，市场的开放，大量农业人口进入城区，其实 际居住在城市的人口增长速率超过了城市非农业人口的增长率，使得垃圾产量的增 长率进一步提高。 2 4 2 居民消费水平 城市垃圾产量与经济发展水平也有密切关系。一般来说，在经济发展初期，城 市固体废物产量会随着g d p 的增长而直线上升，但当发展到一定阶段后，城市垃 蚰 0 北京化工大学硕士学位论文 圾的增长速率就会变缓，并逐渐趋于稳定”1 。 在同一城市，不同收入水平的家庭，其固废产量也有区别。2 0 0 3 北京市年对 5 8 0 户城f 居民户每f 1 产废进行分类称重调查，整理分析后得到表2 1 。从这些数 据中町以分析出：家庭收入越商，人均垃圾产生量越大。 表2 1 北京市不同收入居比户人均垃圾日产士培年平均值 t a b l e2 - 1m s w a v e r a g ep r o d u c t i o ni nd i f f e r e n tf a m i l i e si nb e ij i n g 2 4 3 燃料结构对垃圾产量的影响 一般来讲，城市的燃气普及率越高，垃圾中的煤灰等无机物会大幅度减少，废 物产生量也会相应降低。根据2 0 0 3 年对北京市家庭人均垃圾产量的调查统计，使 用双气的家庭人均垃圾产量为o 3 4 k g 人d ，远远低于使用单气的平房家庭人均垃圾 产量( o 6 7 k g 人d ) 。双气楼房的人均垃圾产量受采暖季节影响较小，全年垃圾产 量波动较小，其中冬季因水果等消费量较小反而还有所降低；而单气平房在冬季因 需燃煤采暖，人均垃圾产量则明显增高( 见表2 2 ) 。 表2 3 是七座城市家庭能源对城市生活垃圾产量的影响统计表。从中可知， 烧煤户远比用煤气户垃圾产量要大，但北方因冬季采暖的特需，垃圾产量要大于南 方城市。从全国范围看，我国城市燃气的普及率1 9 8 6 年为2 8 5 2 ，1 9 9 5 年为7 0 ， 1 9 9 9 年已上升为8 1 7 4 。在人口一定的情况下，燃气的普及会使垃圾产生量产生 下降的趋势【3 5 1 。近十年来，虽然城镇居民人均收入有了大幅度提高，但人均垃圾产 量的增幅不大，这与气化率的提高有直接关系。 表2 2燃料结构对家庭垃圾人均产量的影响 t a b l e2 - 2t h ei m p a c to f e n e r g yc o n s u m i n gt om s w p r o d u c t i o n 1 2 第一章城市周体坡物优化管理方法研究 表2 - 3 家庭能源对生活垃圾产量的影响 t a b l e2 - 3t h ei m p a c to f e n e r g yc o n s u m i n gi nf a m i l i e st om s w p r o d u c t i o 2 5 城市固体废物各种处理方式比较研究 2 5 1 卫生填埋 卫生填埋法是城市固体固体废物的最终处置方法之一，填埋场可以直接接纳车 辆收运的固体废弃物，也可以处置焚烧余渣、堆肥残料等。卫生填埋场需对填埋单 元进行防渗处理、疏导沼气、用无毒无害的覆盖材料按规定的技术要求覆盖垃圾表 面，并且对收集的渗滤液和沼气进行妥善处理或利用。因此，在土地丰富、水文地 质单元良好的地区，填埋是垃圾处理的主要方法之一。 卫生填埋设施及作业设备简单、一次投资相对较小，运行费用较低，适应性及 灵活性强，是普遍采用的垃圾处理方法。但卫生填埋占用大量土地，垃圾渗滤液、 填埋气等二次污染物如处置不当将对环境产生潜在威胁。因此，填埋场操作运行管 理和二次污染防治是项目成败的关键。卫生填埋法是技术发展较成熟的一种垃圾处 理方法，具有工艺简单、处理费用较低、管理和运输方便等特点，适用于处置多种 类型的废弃物。但填埋法占地面积大，且永久性占用土地，由于人口增多和土地资 源的巨大压力，加之我国可供填埋用地越来越少，而且填埋对地下水始终存在较大 的安全隐患，填埋需要和其它资源化、减量化技术有机结合【蚓。 2 5 2 堆肥 堆肥是指利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微