高档别墅区垃圾收集系统设计与不同清运方式工作量比较

固体废物处理与处置课程设计高档别墅区垃圾收集系统设计与不同清运方式工作量比较摘 要日常生活中，人均每天产生1.21.4kg垃圾，城市生活垃圾良好的收集、清运系统是我们高质量的生活环境的保障。本文采用拟合函数求值、优化验证的方法设计了一个拥有1000户居民的高档别墅区生活垃圾收集系统。假定高档社区有94个公共场所垃圾收集点1000个服务到居民家的垃圾收集点，每个垃圾点有一个0.015m3的容器，且垃圾点收集频率相同时，根据不同的垃圾收集频率和日单班清运行程，分别列出了侧面装运收集车收集系统和车尾装运收集车收集系统共32种方案；并比较了采用侧面装运收集车和车尾装运收集车进行垃圾收集工作量的大小，得出在垃圾收集频率和日清运行程相同的情况下，侧面装运收集车容积小于车尾装运收集车容积，但工作量比车尾装运收集车工作量大。关键词 高档社区垃圾收集系统 工作量目 录1前言12设计任务及分析12.1 设计原始资料12.2 设计任务分析13收集系统工作量初步核算23.1 公共场所垃圾产量及垃圾容器数量23.2 服务到居民家中服务点数目及垃圾产量23.3 垃圾车大小及工作量估算33.3.1 工作量计算公式33.3.2 侧面装运收集车大小及工作量43.3.3 车尾装运收集车大小及工作量44收集方案的初步设计44.1 确定目标函数关系式44.2 利用目标函数求算工作量54.2.1 侧面装运收集车工作量54.2.2 车尾装运收集车工作量55收集方案的验证及分析55.1 验证每周平均收集量55.2 验证日最大收集量65.3 验证收集车利用率76工作量及配车数量的修正76.1 求算每周清运次数及配车数量76.2 不同收集系统工作量比较87评价与改进建议97.1 收集方案的筛选97.2 收集方案的不足与改进建议10101 前言随着城市化进程的加快和城市人口的增加，城市生活垃圾的产生量增长迅速，城市生活垃圾已经成为中国城市环境的主要污染源之一。居民区生活垃圾的收集是城市垃圾收集的重要组成部分。而居民区规模、档次的不同对垃圾收集系统也有不同的要求。根据城市居住区规划设计规范（GB50180-93)，居住区按居住户数或人口规模可分为居住区、小区、组团三级。各级标准控制规模，应符合表1的规定1。表1居住区分级控制规模居住区小区组团户数（户)1000016000300050003001000人口（人）3000050000100001500010003000居住区的规划还应考虑到配套建设的原则，即配建有一整套较完善的、能满足该区居民物质与文化生活所需的公共服务设施的居住生活聚居地。由于居住区楼层高低不一，因此低层、中高层的住宅区常采用不同的垃圾清运管理操作方式。低层居民住宅区垃圾清运通常有两种方式2：由低层居民区的垃圾收集是居民用自备的垃圾容器把垃圾搬运到居民区附近的而垃圾集装点的垃圾收集容器或垃圾收集车内，再由物业管理或环卫部门指派专门人员定期将垃圾从居民区运送出去；或是专门的城市垃圾收集工作人员负责定期、按时的将居民家中的垃圾清运至指定的地点或收集车。中高层居民住宅区的垃圾清运采用像类似于低层居民住宅区垃圾清运方式或者由垃圾通道落入低层的垃圾间等方式收集。高档别墅区物业管理更加完善，垃圾清运一般采用垃圾收集工作人员定期、按时到居民家中收集，且收集频率高、服务点多。本设计对拥有1000户居民的高级别墅住宅区设计了两种不同的收集系统：用侧面装运车收集，每车配备一名工人；用车尾装运车收集，每车配备两名工人。在确定这两种收集系统之后，对两种垃圾收集系统的工作量进行了分析比较。2 设计任务及分析2.1 设计原始资料居民区垃圾收集系统设计：一高级别墅住宅区，拥有1000户居民。为该居民区设计垃圾收集系统，并对两种不同的人收集系统进行评价：第一种系统是侧面装运收集车，配备一名工人；第二种系统是车尾装运收集车，配备两名工人。计算收集车大小，并比较不同收集系统所需要的工作量。2.2 设计任务分析小区的垃圾收集可简单分为搬运贮存和清运两个阶段。在高档别墅区，物业管理水平高，公共场合的垃圾、居民家中垃圾收集方式均为由专门垃圾收集人员按时、定期上门收集，收集频率高。服务到居民家中的垃圾收集点和公共场所垃圾收集点垃圾产量不同因而收集频率不同，且各自占总服务点的比例不同；所使用的收集车辆、配备工人数不同直接影响到工作量的大小；收集路线是否最优等等都是收集方案需要考虑的因素3。因原始资料没有给出小区的布局，本设计没有考虑对收集路线的规划，仅对收集系统的工作量进行核算、比较，得出更优的收集方案。求算收集方案和工作量必须先确定基本信息，即垃圾产量和垃圾收集服务点数量等。并依此数据为基础，先通过合理假设控制变量的方法核算出较简单的收集方案，然后对得到的结果进行验证和修正。最后对收集方案进行评价，比较两种收集系统的优劣，提出改进建议。设计思路如下：（1）根据高档别墅区生活特点，估算小区内垃圾产量及垃圾服务点分布数量等基本数据；（2）根据已估算出的基本数据，把侧面装运收集车和车尾装运收集车配备工人数看做单一变量，在垃圾收集周期和日单班清运行程相同条件下计算工作量，比较两种收集系统工作量的差异，对改变日清运行程和垃圾收集周期后的工作量进行预测；（3）通过将相关变量拟合目标函数的方法求算不同垃圾收集周期和日单班清运行程下的工作量，并验证结果，对结果进行改进和优化；（4）根据得出的最终方案，比较、评价两种收集系统，指出不足提出和改进建议。3 收集系统工作量初步核算把使用侧面装运收集车和使用车尾装运收集车两种收集系统配备工人数量的不同看做单一变量，垃圾收集周期与日清运行程等其余条件相同。先分别确定公共场所与居民家中垃圾产量和垃圾容器的数量，并初步估算出在两种收集系统使用的垃圾车大小和工作量。具体假设条件和计算过程如下：3.1 公共场所垃圾产量及垃圾容器数量假设：（1）公共场合垃圾产量是垃圾总产量的15%；（2）公共场所每个垃圾点有一个垃圾容器；由式（1）、（2）计算公共场所垃圾日产体积：（1）（2）式中，Vave为垃圾日产生总体积，m3/d；为公共场所垃圾量占住宅区总垃圾量的百分数，取15%；Q为垃圾容重变动系数，取0.9；Dave为垃圾平均容重，120kg/m3；K为垃圾产生高峰时的体积变动系数，取1.6；Vmax为垃圾产生高分时日产最大体积，m3/d；W为垃圾日产量，kg/d；（3）式中，R为住宅区户数，取1000；L为平均每户人数，取3.5；C为人均垃圾产量，取1.2kg/（人d）；Y为垃圾日不均匀系数，取1.2；P为居住人口变动系数，取1。由式（4）、（5）计算需设置垃圾容器数量：（4）（5）式中，Nave为平均需设置的垃圾容器数量，个；V为单个容器的容积，0.15m3；f为垃圾容器填充系数，取0.8；T为垃圾收集周期，1d；Nmax为垃圾产生高峰时所需设置的垃圾容器数量，个。根据垃圾产生高峰时需要设置的垃圾容器数量确定公共区应该布设的垃圾容器数量，经计算得Nmax=94。则公共场所垃圾收集点数量Np1=94。根据垃圾收集点服务半径不超过70m，94个垃圾点的服务面积可达1.5km3，能够满足1000户高档小区居民的要求。3.2 服务到居民家中服务点数目及垃圾产量假设：（1）每户居民有垃圾收集容器一个；（2）收集周期T=1d/次；由（6）（7）式分别计算每户垃圾平均产量和最大产量：（6）（7）式中，V户为每户垃圾日均产量，m3/d；V户max为每户垃圾最大产量，m3/d；按照每户最大垃圾日产量设置垃圾筒，经计算，V户max=0.063m3/d，服务到居民家的收集点数量Np2=1000。由以上计算得，公共场所垃圾收集点数量Np1=94，每个收集点有一个容积为0.15m3的垃圾桶；服务到居民家的垃圾收集点Np2=1000，每户居民有一个容积为0.1m3的垃圾桶。3.3 垃圾车大小及工作量估算假设：（1）因不考虑线路优化问题，可认为垃圾收集点均匀分布；（2）收集点间行驶时间相等；（3）垃圾车从车库到第一个垃圾收集点的时间和从最后一个垃圾收集点返回车库的时间不包括在每日工作时间8h内；（4）每辆垃圾车每天只清运一次。3.3.1 工作量计算公式垃圾车每次行程集装时间：（8）式中，Pscs为垃圾车每次形成集装时间，h；Nd是每天行程数，次/天；是非生产性因子，取0.15；H是每日工作时间，8h；Nd为每日行程数；s为处置场停留时间，取0.10h/次；速度常数a=0.016h，b=0.01125h/km；往返运输距离x=22km/次。每一行程能够收集垃圾点的数目（Np）：（9）（10）式中，n为收集工人数，人；tp为每个集装点需要的集装时间，取1人min/点；cp为每个垃圾集装点的垃圾容器数；Prh为服务到居民家的垃圾点占全部垃圾集装点的百分数，%；tdbc为收集点间行驶时间，取2min。估算垃圾车大小：（11）式中，r为垃圾车压缩系数，取2.5；为垃圾车容积利用率，取0.9。每一集装点收集的垃圾平均量Vp，m3/点，由下式计算：式中，NT为集装点总数，点，。计算每周的行程数，即收集次数：（12）式中，F为每周容器收集频率，次/周。收集车数量配备：（13）式中符号意义同前。3.3.2 侧面装运收集车大小及工作量侧面装运收集车配备一名工人，即n=1;由上式求得工作量结果如表2：表2侧面装运车工作量估算结果符号符号意义及单位计算公式值Pscs垃圾车每次行程集装时间，h（8）6.44Np每一行程能够收集垃圾点的数目，个（9）133tp每个集装点需要的集装时间，人min/点（10）0.91V车估算垃圾车大小，m3（11）2.53NW计算每周的行程数，即收集次数（12）58N车收集车数量配备（13）193.3.3 车尾装运收集车大小及工作量车尾装运收集车配备两名工人，即n=2；由上式可得结果如表3：表3车尾装运收集车计算结果符号符号意义及单位计算公式值Pscs垃圾车每次行程集装时间，h（8）6.44Np每一行程能够收集垃圾点的数目，个（9）79tp每个集装点需要的集装时间，人min/点（10）0.91V车估算垃圾车大小（11）1.51NW计算每周的行程数，即收集次数（12）97N车收集车数量配备（13）31由表2、表3可以看出，当垃圾收集周期为1天/次，日单班清运行程为1次/天时，侧面装运收集车单班一行程收集垃圾点的数目多于车尾装运垃圾收集车，每周行程数比车尾装运收集车少39次，需要配备车数量比车尾装运收集车少11辆。即在3.1、3.2的假设条件下，使用侧面装运收集车收集高档别墅区生活垃圾的方案由于车尾装运收集车收集方案。但在此假设条件下，收集车数量较多，容积小，收集工作成本高，当改变垃圾收集周期和日单班清运行程时收集车容积会增加，每周清运次数和收集车数量减少，相应的收集成本会降低。4 收集方案的初步设计在上部分中，只考虑了单班清运行程为1次/天，垃圾收集周期为1天/次的情况，核算出的收集车容积分别是2.53m3和1.51m3，换算成载重量分别是759kg/m3和459kg/m3远小于一般垃圾车容量，且配备垃圾车数量多，分别是19辆、31辆。按照上述假设，经计算可知，每一垃圾收集点每日垃圾平均量Vp=0.0427m3，收集效率低。因此可以通过增加垃圾收集周期的方式降低工作量，通过增加单班车清运行程数减少收集车数量。本部分，分两步对收集方案设计：（1） 先拟合工作量为目标函数的关系式，用此关系式求出两种收集系统的工作量；（2） 验证求算的收集方案，看是否可行。4.1 确定目标函数关系式将垃圾车大小V车、每周清运次数NW、需配备收集车数量N车为目标函数，以单班收集车清运行程Nd、容器收集周期T作为变量，由函数关系式求解。由式（8）、（9）、（10）、（11）得垃圾车大小V车关于单班收集车清运行程Nd、容器收集周期T的函数关系式：（14）其中，。其中，。4.2 利用目标函数求算工作量假设：（1）考虑到实际情况，单班收集车清运行程Nd、容器收集周期T的取值可限定在14，且为正整数；（2）当收集频率一定时，所有垃圾车均在同一时间工作，其余非收集时间闲置。将数值代入上述函数关系式，用excel求值，结果如下：4.2.1 侧面装运收集车工作量侧面装运收集车配备一名工人，由（14）-（16）式，求得参数值与工作量如表4：表4侧面装运收集车核算工作量参数值M1N1M2N2RM30.00719.8122306.21.636540846.6667垃圾车大小V车/m3每日行程数Nd1234垃圾收集周期T12.531.200.760.5325.052.401.511.0737.583.602.271.60410.114.803.032.14每周清运次数NW每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1551091632162285582108319375572414284154需配备收集车数量N车每日行程数Nd1234垃圾收集周期T11920212221010111137778455664.2.2 车尾装运收集车工作量车尾装运收集车配备两名工人，由（14）-（16）式求得参数值与工作量如表5：表5车尾装运收集车核算工作量参数值M1N1M2N2RM30.01319.8137622.23.636540846.6667垃圾车大小V车/m3每日行程数Nd1234垃圾收集周期T15.052.401.511.07210.114.803.032.14315.167.194.543.21420.219.596.054.28每周清运次数NW每日行程数Nd1234垃圾收集周期T14692137182223466991316314661412233546需配备收集车数量N车每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1510152023581032457423455 收集方案的验证及分析5.1 验证每周平均收集量按照每周清运次数进行垃圾收集的收集总量为额定收集量。按照4.2中得出的工作量，验证每种工作方案每周的额定垃圾收集量是否大于每周垃圾平均产量。每周垃圾平均产量：，每周额定收集量计算式：。结果如下：表6侧面装运收集车每周额定收集量每周额定收集量每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1347.4111326.6851308.1719288.87472353.7277329.6822310.0626288.87473360.0443332.6793311.9532288.87474353.7277335.6764310.0626288.8747表7车尾装运收集车每周额定收集量平均每周收集量每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1581.1241551.4683518.0313486.80732581.1241551.4683521.8126486.80733606.3904557.4626521.8126489.48214606.3904551.4683529.3751492.1568由表6，按照表4得出的工作方案计算侧面装运收集车每周额定垃圾收集量，只有8中方案符合要求，且与美洲垃圾产量相差不大；车尾装运收集车的方案平均每周收集量均远大于每周垃圾平均产量，说明设计方案中求出的每周清运次数大于实际需要的清运次数。5.2 验证日最大收集量按照方案中的日清运次数，一天中所有垃圾车都投入垃圾收集工作的总收集量为日最大垃圾收集量。在垃圾产生高峰时，垃圾收集车一天的最大收集量应不小于垃圾日产量。垃圾日最大产量由（2）式：垃圾收集车一天的最大收集量：由表4、表5中数据计算收集车日最大垃圾收集量，结果如下：表8侧面装运收集车最大收集量最大收集量/m3/d每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1120.0148119.8844119.1094117.68972126.3313119.8844124.7813117.68973132.6479125.8786119.1094128.38874126.3313119.8844136.125128.3887表9车尾装运收集车最大收集量最大运输量/m3/d每日行程数Nd1234垃圾收集周期T163.16566119.8844170.1563213.9812275.7988119.8844181.5000213.9812375.7988143.8613170.1563224.68034101.0651143.8613181.5000213.9812侧面装运收集车表中列出的16种方案日最大收集量均大于高峰垃圾产量，车尾装运收集车有一种方案不满足日最大收集量大于高峰垃圾产量的要求，其他均远大于日垃圾最高产量。5.3 验证收集车利用率在以上两种情况都满足的情况下，即可证明收集方案可行，但不同方案垃圾车配备数量、每周收集次数不同，因而成本不同。现定义收集车利用率：（15）上式为每周垃圾清运次数NW与收集车按照对应的收集周期最大清运次数的比值，表明对收集车的利用程度。小于1，垃圾车有闲置情况出现；大于1，说明配备垃圾车数量不满足每周清运次数；因此必须小于1且越接近1说明方案越合理。计算利用率结果如下：表10侧面装运收集车利用率收集车利用率每日行程数Nd1234垃圾收集周期T10.410.390.370.3520.800.790.710.7031.161.131.120.9641.601.601.301.29表11车尾装运收集车利用率收集车利用率每日行程数Nd1234垃圾收集周期T11.310.660.430.3322.191.310.820.6533.431.661.310.9343.432.191.671.31由表10，当收集周期为1时侧面装运收集车利用率小于0.5，说明有大量收集车闲置；由表11，当收集周期大于2时，车尾装运收集车利用率大于1，说明收集车数量不满足清运次数要求。两种收集系统收集车利用率均有大于1和小于0.5的情况，收集车数量和每周清运行程不一致。由以上对日最大收集量、周平均收集量、收集车利用率的验证均说明由函数关系式直接得出的收集方案不合理。造成此结果的原因主要是在函数结果求算过程中只把日清运行程和垃圾收集周期看做变量对求算工作量，而没有考虑到三个目标函数之间的关联性；并且是在假设所有收集车有闲置的情况下求得的收集车数量，结果偏大。因此必须对表4、5两种收集系统的收集方案进行修改。6 工作量及配车数量的修正在第四部分直接用函数关系式求算工作量来确定工作方案被证明是不可行的，因函数求解过程中没有考虑到三个目标函数之间的相关性和变量的取值问题。以下过程以已经确定的收集车容积为基础，计算每周所需清运次数和收集车数量。6.1 求算每周清运次数及配车数量考虑到每周的垃圾平均产量基本一定，可以垃圾车容积为基础先求算出每周清运次数和收集车数量，得到满足每周垃圾清运的可行方案。最后对收集方案进行修改使其满足垃圾产生高峰时的清运要求。每周最少清运次数以满足周平均垃圾产量为约束条件。每周清运次数按照下式计算：（16）其中V车为4.2中求出的垃圾收集车的体积垃圾车需配备数量按照下式计算：（17）对两种收集系统，按照4.2垃圾收集车容积不变，以此为基础利用（16）、（17）式计算工作量，结果如下：表12侧面装运收集车每周清运次数NW每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1521091732452265587123318375882413284462需配备收集车数量N车每日行程数Nd1234垃圾收集周期T18899244553333342233表13车尾装运收集车利用率每周清运次数NW每日行程数Nd1234垃圾收集周期T12655871232132844623919294147142231需配备收集车数量N车每日行程数Nd1234垃圾收集周期T144552223332222411226.2 不同收集系统工作量比较表12、13列出了经修正后两种垃圾收集系统的每周清运次数和收集车数量。与收集车容积整理得到如下收集方案：表14侧面装运收集车工作量垃圾车大小V车/m3每日行程数Nd1234垃圾收集周期T12.531.200.760.5325.052.401.511.0737.583.602.271.60410.114.803.032.14每周清运次数NW每日行程数Nd1234垃圾收集周期T1521091732452265587123318375882413284462需配备收集车数量N车每日行程数Nd1234垃圾收集周期T18899244553333342233表15车尾装运收集车工作量垃圾车大小V车/m3每日行程数Nd1234垃圾收集周期T15.052.401.511.07210.114.803.032.14315.167.194.543.21420.219.596.054.28每周清运次数NW每日行程数Nd1234垃圾收集周期T12655871232132844623919294147142231需配备收集车数量N车每日行程数Nd1234垃圾收集周期T14455222333222241122由表14、15可以看出，当日行程数和垃圾收集周期相同时，车尾装运收集车容量大于侧面装运收