基于不同目標(biāo)的大型生活垃圾堆肥處理工藝的優(yōu)選

目前我國(guó)城市垃圾的年產(chǎn)生量達(dá)1.5億t，且每年以8%~10%的速度增長(zhǎng)[1]。城市生活垃圾中，廚余類有機(jī)物含量穩(wěn)定在67%~79%，可回收類的有機(jī)物含量在14%~26%，各城市生活垃圾的有機(jī)成分總含量均在90%以上[2]。
生活垃圾堆肥技術(shù)在歐美國(guó)家起步較早，目前已經(jīng)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平。根據(jù)堆肥原理，分為好氧堆肥和厭氧堆肥2種。厭氧分解需在嚴(yán)格缺氧條件下進(jìn)行，厭氧微生物分解生長(zhǎng)較慢，故應(yīng)用不多。而好氧分解過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生高溫，可以殺滅病蟲卵、細(xì)菌，因此為目前采用的主要堆肥工藝。從20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用“二次發(fā)酵工藝”后，堆肥處理工藝流程一般為：前處理-主發(fā)酵-后發(fā)酵-后處理-貯存。由于不同處理工藝間，后處理(對(duì)發(fā)酵熟化的堆肥進(jìn)一步去除雜質(zhì)、破碎和造粒等)和貯存過(guò)程(堆存或裝袋)差異不大，因此生活垃圾堆肥廠的不同工藝主要表現(xiàn)在前處理階段中對(duì)垃圾原料粒徑的選擇和發(fā)酵階段的差異方面。
本實(shí)驗(yàn)以北京市南宮堆肥廠為例，利用模糊數(shù)學(xué)和層次分析法對(duì)10種堆肥處理工藝進(jìn)行比較研究，提出南宮堆肥廠生活垃圾堆肥工藝的最優(yōu)化方案，以期為城市垃圾堆肥工藝的改善提供借鑒和參考。
1研究方法
1.1研究對(duì)象概況
南宮堆肥廠位于北京市大興區(qū)贏海鄉(xiāng)，總面積為66hm2，距馬家樓垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站21km，距安定垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)19km。堆肥廠西側(cè)200m為104國(guó)道。該堆肥廠是我國(guó)建立較早的典型城市生活垃圾堆肥廠之一[3]。堆肥倉(cāng)長(zhǎng)27m，堆體高2.5m，采用強(qiáng)制通風(fēng)隧道式好氧發(fā)酵技術(shù)，高溫發(fā)酵期最高溫度可達(dá)60℃以上，處理能力為600t/d。堆肥原料主要來(lái)自北京市宣武區(qū)和豐臺(tái)區(qū)的生活垃圾。生活垃圾在馬家樓轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行篩分前處理，利用15mm和80mm兩組粒徑篩分別獲得15~80mm可堆肥物料、<15mm和>80mm粒徑段的生活垃圾進(jìn)行填埋處理。運(yùn)往南宮堆肥廠的堆肥物料經(jīng)過(guò)高溫發(fā)酵、后熟化和最終熟化3個(gè)階段進(jìn)行堆肥處理，其中高溫發(fā)酵階段在發(fā)酵倉(cāng)中進(jìn)行，后熟化和最終熟化分別在露天平臺(tái)進(jìn)行。
1.2采樣時(shí)間與方法
實(shí)驗(yàn)于2008年4月11日至5月12日在南宮堆肥廠進(jìn)行，每個(gè)發(fā)酵倉(cāng)中垃圾堆體沿著長(zhǎng)度方向設(shè)3~5個(gè)采樣點(diǎn)，高度取1.5m，每個(gè)采樣點(diǎn)取樣2kg，混合均勻后利用四分法取樣2kg，制樣供測(cè)試。每個(gè)發(fā)酵階段結(jié)束時(shí)進(jìn)行取樣，即堆肥之前、高溫發(fā)酵結(jié)束、后熟化結(jié)束以及最終熟化結(jié)束時(shí)各采樣1次。實(shí)驗(yàn)共設(shè)10個(gè)處理，各處理設(shè)計(jì)如表1所示。
表1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1中，CN10為0~15mm和15~80mm2種物料分別在不同發(fā)酵倉(cāng)中進(jìn)行單獨(dú)堆肥處理。在腐熟度測(cè)定方面，CN10中0~15mm物料與CN2相同，15~80mm物料與CN4相同。在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)核算時(shí)，CN10為CN2與CN4之和，即對(duì)0~15mm、15~80mm物料分別進(jìn)行單獨(dú)堆肥時(shí)的經(jīng)濟(jì)情況。
1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法
測(cè)定表征腐熟度的主要參數(shù)，包括電導(dǎo)率(EC)、吸光度比(E4/E6)、水溶性碳(WSC)、發(fā)芽率指數(shù)(GI)、總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)和發(fā)芽率(GI)。其中EC是將垃圾按1：10[W(g)：V(mL)]浸提過(guò)濾，用DDS-11A型電導(dǎo)測(cè)定儀測(cè)定；E4/E6是將上述垃圾浸提液過(guò)濾后，于465nm和665nm波長(zhǎng)處分別測(cè)定吸光度值(722型可見光分光光度儀)并取2者之比；WSC用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；TOC用重鉻酸容量法-外加熱法測(cè)定；TN用凱氏定氮法測(cè)定[4]；GI是取5mL浸提液于鋪有濾紙的9cm培養(yǎng)皿內(nèi)，播20粒飽滿的小青菜種子，放置于20℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，第48h測(cè)種子發(fā)芽率GI[5]。
1.4數(shù)據(jù)處理方法
數(shù)據(jù)處理主要選用模糊數(shù)學(xué)[6]和層次分析(AHP)法[7]。
2結(jié)果與討論
2.1以腐熟度指標(biāo)為單一目標(biāo)的工藝優(yōu)選
2.1.1確定評(píng)價(jià)因子

堆肥腐熟度是反映有機(jī)物降解和生物化學(xué)穩(wěn)定度的指標(biāo)，關(guān)于腐熟度指標(biāo)的選用，目前還沒(méi)有完全達(dá)成共識(shí)，但主要是從物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)方面進(jìn)行堆肥的腐熟度判斷。本研究主要選用電導(dǎo)率(EC)[4]、E4/E6[8]、水溶性碳(WSC)[9]、發(fā)芽率指數(shù)(GI)[10]和固相C/N[11]等指標(biāo)以定量地表征堆肥物料變化和堆肥產(chǎn)品的腐熟度狀況。由于堆肥產(chǎn)品腐熟度指標(biāo)的高低與原始物料的對(duì)應(yīng)指標(biāo)值有密切關(guān)系，表2給出了原始垃圾各指標(biāo)的初始值。此外，本研究還采用各腐熟度指標(biāo)的變化率來(lái)表征堆肥的腐熟程度，包括固相C/N降解率[12]、EC變化率(%)[4]、WSC變化率(%)[13]、E4/E6[3]和GI(%)[14]。最終熟化結(jié)束后針對(duì)每個(gè)處理，每個(gè)評(píng)價(jià)因子取其平行樣本的平均值，具體值如表3所示。
表2原垃圾的初始值

表3各評(píng)價(jià)因子值

2.1.2隸屬度函數(shù)模型
統(tǒng)一套用的函數(shù)模型為：

式中：r1~r4為各評(píng)價(jià)因子不同等級(jí)隸屬度值；ci為各評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值；si為各評(píng)價(jià)因子不同等級(jí)分級(jí)指標(biāo)值。
2.1.3確定評(píng)價(jià)因子等級(jí)
依據(jù)堆肥腐熟度指標(biāo)，將堆肥腐熟度劃分為4個(gè)等級(jí)：1級(jí)(好)、2級(jí)(較好)、3級(jí)(中)、4級(jí)(較差)，各評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)的分級(jí)指標(biāo)如表4所示。EC變化率、固相C/N降解率和GI具體分級(jí)指標(biāo)參照李春萍[3]等人的研究結(jié)果劃分；E4/E6和WSC變化率根據(jù)南宮堆肥廠多年來(lái)的測(cè)定數(shù)據(jù)，將其分為4個(gè)不同的等級(jí)來(lái)衡量堆肥產(chǎn)品的具體腐熟程度。
表4各評(píng)價(jià)因子分級(jí)指標(biāo)

2.1.4評(píng)價(jià)過(guò)程
利用超標(biāo)加權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)因子權(quán)重，其計(jì)算式為：

式中：ai為第i種評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；ci為第i種評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值；si為第i種評(píng)價(jià)因子多級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值；sij為第i種評(píng)價(jià)因子第j級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值；n為分級(jí)數(shù)。
為了進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，各單因子權(quán)重必須歸一化，即

式中：m為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)，計(jì)算出各因子權(quán)重后，組成權(quán)重模糊矩陣W={w1，w2，…，wm}。將各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，m個(gè)評(píng)價(jià)因子隸屬于n個(gè)不同級(jí)別的隸屬度組成隸屬度矩陣R(R為m×n階)，m=5，n=4。
2.1.5模糊評(píng)價(jià)結(jié)果
將隸屬度矩陣R與權(quán)重矩陣W進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，10個(gè)處理模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

9個(gè)處理的模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果是：CN8達(dá)到1級(jí)；CN2、CN5、CN6和CN9均達(dá)到2級(jí)；其余除CN1為4級(jí)外，均達(dá)到3級(jí)水平；CN10的腐熟度指標(biāo)數(shù)值為CN2和CN5的腐熟度指標(biāo)數(shù)值，因CN2和CN5的模糊評(píng)判結(jié)果均為2級(jí)，也就是說(shuō)CN10的腐熟度屬于2級(jí)。單考慮腐熟度指標(biāo)，各處理的優(yōu)劣順序?yàn)镃N8>(CN2、CN5、CN6、CN10、CN9)>(CN3、CN4、CN7)>CN1。
2.2以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為單一目標(biāo)的工藝優(yōu)選
針對(duì)南宮堆肥廠實(shí)際情況，對(duì)各實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，具體核算項(xiàng)目如表6所示。
表6供選擇的工藝經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表6中，各處理中肥料產(chǎn)品的銷量取值相同，原因是垃圾堆肥產(chǎn)品銷量較低，銷售價(jià)格也較低，根據(jù)南宮堆肥場(chǎng)提供資料顯示，各年肥料產(chǎn)品銷售量基本相同，因此取各年均值作為肥料產(chǎn)品銷量。總經(jīng)濟(jì)收入為國(guó)家補(bǔ)貼與肥料銷售收入之和，總支出為水電費(fèi)、工人工資、破碎機(jī)投入支出與設(shè)備折舊費(fèi)之和。
由表6可見，對(duì)于南宮堆肥廠，單就經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮各處理的投入產(chǎn)出比可看出，CN7的投入產(chǎn)出比最小，即相同額度的投入可獲得最多的經(jīng)濟(jì)收益，其次為CN10、CN8和CN4，再次為CN9和CN5，其他處理的投入產(chǎn)出比較大，也就是從經(jīng)濟(jì)方面考慮各處理的優(yōu)劣順序?yàn)镃N7>CN4>CN10>CN8>CN5>CN6>CN9>CN1>CN2>CN3。
2.3以腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為雙目標(biāo)進(jìn)行工藝優(yōu)選
2.3.1確定各目標(biāo)的權(quán)重
對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析，將其包含的影響因素分類，每類作為一個(gè)層次。一般而言，包括最高層A(目標(biāo)層)、中間層(準(zhǔn)則層B，準(zhǔn)則層C，……)以及最底層(候選方案層)。圖1為最優(yōu)垃圾堆肥處理工藝選擇的層次結(jié)構(gòu)模型圖。由圖1可以看出，目標(biāo)層為最優(yōu)工藝的選擇，準(zhǔn)則層包含2個(gè)因子(腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo))，最下層的供選方案層共有10個(gè)供選方案，在其中確定最優(yōu)的垃圾堆肥處理工藝。

圖1各處理層次結(jié)構(gòu)模型
據(jù)最優(yōu)工藝選擇層次結(jié)構(gòu)模型圖，利用1-9標(biāo)度法[7]構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣W[15]，依據(jù)該判斷矩陣確定準(zhǔn)則層中各因子對(duì)目標(biāo)層影響的權(quán)重，結(jié)果如表7所示。
表7層次間判斷矩陣

對(duì)上述判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)系數(shù)(CR=0)<0.1說(shuō)明該判斷矩陣符合一致性要求，即由此矩陣獲得的權(quán)重可用。
2.3.2計(jì)算各處理綜合得分確定優(yōu)選工藝
腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮，根據(jù)各指標(biāo)的不同權(quán)重，計(jì)算不同處理的最終得分，其具體計(jì)算數(shù)值及其排序見表8。由表8可見，綜合考慮腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，最優(yōu)的處理為CN8，其次為CN10。CN10是針對(duì)0~15mm和15~80mm單獨(dú)堆肥處理，可保留馬家樓15mm的篩子，篩上物和篩下物分別放在不同倉(cāng)內(nèi)單獨(dú)堆肥，這樣可節(jié)省0~15mm這部分的破碎費(fèi)用以及后期過(guò)25mm篩子的篩分費(fèi)用。所有處理最終排序?yàn)镃N8>CN10>CN5>(CN6、CN9)>CN2>(CN4、CN7)>CN3>CN1。
表8綜合得分的計(jì)算結(jié)果

2.4討論
生活垃圾堆肥廠堆肥工藝必須依據(jù)原料的性質(zhì)、對(duì)產(chǎn)品的要求以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素做相應(yīng)調(diào)整。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)對(duì)馬家樓轉(zhuǎn)運(yùn)站篩分的0~15mm垃圾的物理組成分析表明，其可堆腐物比例較高，如直接填埋不僅造成大量有機(jī)物流失，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生滲濾液、臭氣等二次污染。因此，生活垃圾堆肥廠除考慮原來(lái)的15~80mm垃圾物料之外，將0~15mm和0~80mm垃圾物料作為堆肥廠供選工藝原料，是非常必要的。
本研究中，以北京市南宮堆肥廠作為實(shí)例，提出了以腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為單一目標(biāo)的最優(yōu)堆肥工藝，以及以腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為雙目標(biāo)的最優(yōu)堆肥工藝。該結(jié)果不但能保障南宮堆肥廠處理能力和堆肥效率，還可為北京以及其他地區(qū)新建垃圾堆肥廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)作和管理提供技術(shù)支持。研究中采用的工藝篩選方法包括模糊數(shù)學(xué)和層次分析法，也可以為其他生活垃圾堆肥廠進(jìn)行工藝優(yōu)選時(shí)提供借鑒與參考。
3結(jié)論
3.1以堆肥品質(zhì)為單目標(biāo)，模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果以CN8處理的腐熟程度最好。
3.2以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為單目標(biāo)，CN7處理的的投入產(chǎn)出比最小、經(jīng)濟(jì)收益最多。
3.3以腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為雙目標(biāo)，利用層次分析法確定各自權(quán)重，綜合計(jì)算獲得最優(yōu)處理為CN8。
3.4綜合考慮腐熟度指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，得分排序結(jié)果為CN8為最優(yōu)工藝，CN10為次優(yōu)工藝，CN1為最差工藝。
參考文獻(xiàn)：略