張紅玉，王桂琴，李國學

（1.中國農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京100193；2.北京市環(huán)境衛(wèi)生設計科學研究所，北京100028）

據(jù)北京市渣土處統(tǒng)計，2000—2008年，北京市生活垃圾的清運量呈穩(wěn)定增長趨勢，垃圾清運量平均每年增加9.9%。2009年北京市生活垃圾產(chǎn)量有一定的回落，但總量仍然相對較大。由于人口結(jié)構(gòu)的變化和人們生活水平的提高，生活垃圾組分也在發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為無機物含量大幅度下降，有機物組分逐漸上升[1]，這種變化將對北京市生活垃圾處理與利用方式產(chǎn)生重要影響。近2年北京市垃圾物理和化學組分的調(diào)查表明，垃圾處理方式比例與垃圾物理組成比例極不適宜，主要表現(xiàn)在有機易腐物比例高，填埋比例過大；堆肥比例過小，只占6.1%；可燃組分高，焚燒比例過小，只占4.3%[2]。據(jù)《關(guān)于全面推進生活垃圾處理工作的意見》，到2015年北京市生活垃圾焚燒、堆肥和填埋比率達到4∶3∶3，垃圾分類率達到65%。為達到這一目標，生化和焚燒處理量必須大幅度提高，生活垃圾的分類收集與處理也必須大面積推行。目前北京市南城地區(qū)正施工建設日處理能力1 000t的南宮焚燒廠，該項目建成后，需要對南城地區(qū)生活垃圾進行物流方案調(diào)整和優(yōu)化，從而可以最大程度發(fā)揮現(xiàn)有堆肥設備能力，順暢南城地區(qū)垃圾物流渠道，大幅度提高垃圾處理“三化”能力。

目前，關(guān)于廢棄物物流模式的優(yōu)選方法主要有生命周期法[3－6]、逆向物流法[7－9]和層次分析法[10]。前2種優(yōu)選方法所需要的數(shù)據(jù)量大，方案優(yōu)選和評價時相應的工作量也較大，評價過程復雜，并且要對獲取的數(shù)據(jù)僅進行定量分析，而實際工程評價項目中有很多影響因素難以量化，因此限制了這2種方法的適用性。層次分析法（AHP）作為一種定性和定量分析相結(jié)合的多目標決策分析方法，可以根據(jù)分析對象的性質(zhì)和評價的總目標，將總體現(xiàn)象中的各種影響因素劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?，使之條理化。近年來，AHP在城市生活垃圾處理處置研究的許多方面均有應用[11－12]。本研究以南城地區(qū)的垃圾處理處置方案為研究對象，采用層次分析法（AHP）對生活垃圾篩分工藝改進和大類粗分條件下的5種分流方案進行了評價，分析現(xiàn)有垃圾處理處置方案的弊端，以及在混合收運和大類粗分條件下可行的優(yōu)化方案，為南城地區(qū)生活垃圾堆肥、焚燒和填埋綜合處理處置方案的科學篩選提供依據(jù)。

1 研究方法

AHP的基本原理是將需要評判系統(tǒng)的有關(guān)替代方案的各種要素，以上一層次為準則，對該層次元素進行逐次比較；依照規(guī)定的標度量化后寫成矩陣形式，即構(gòu)成判斷矩陣。兩兩比較，計算出各因素的權(quán)重，根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案[13]。將南城地區(qū)生活垃圾處理處置方案單個備選方案的各種要素以上一層次為準則，對該層次元素進行逐次兩兩比較，依照1～9標度法構(gòu)造判斷矩陣，根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案，最后科學合理確定南城地區(qū)生活垃圾物流分配的最優(yōu)方案。

1.1 南城地區(qū)生活垃圾物流分配方案優(yōu)選步驟

根據(jù)AHP 5級9等要求（表1），作專家打分表，發(fā)給生活垃圾處理業(yè)內(nèi)專家進行評分，評分結(jié)束后，對回收的數(shù)據(jù)進行整理，采用1～9標度法（表1）構(gòu)造出兩兩比較判斷矩陣[14]。剔除不相容的矩陣后，將矩陣元素平均并歸一化，得到18個判斷矩陣，其中準則層判斷矩陣17個，目標層判斷矩陣1個。最后對各層判斷矩陣進行計算，確定權(quán)重，并進行一致性檢驗，計算獲得最優(yōu)方案。

表1 AHP元素間相互比較重要程度分級

1.2 南城生活垃圾物流優(yōu)選結(jié)構(gòu)模型及備選方案

通過分析北京市南城地區(qū)混合收集和分類收集條件下生活垃圾處理處置的具體影響因素，并考慮對生活垃圾處理過程中的技術(shù)和經(jīng)濟指標的影響，確定南城地區(qū)生活垃圾處理處置結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型

目前，北京南部城區(qū)生活垃圾采用混合收集方式，垃圾物流的2個重要節(jié)點是馬家樓和小武基分選轉(zhuǎn)運站，處理能力分別為1 000t／d，均采用15mm和80mm兩級篩分，可將垃圾篩分為3部分，＜15mm和＞80mm粒徑段的垃圾主要轉(zhuǎn)運到安定填埋場填埋，15～80mm粒徑段垃圾轉(zhuǎn)運到南宮堆肥廠進行堆肥處理。南宮堆肥廠生活垃圾的堆肥過程包括高溫發(fā)酵（8d）、后熟化（12d）和最終熟化（12d）3個階段，生活垃圾經(jīng)過高溫發(fā)酵和后熟化2個階段后進行25mm篩分處理。篩上物為堆肥殘渣，轉(zhuǎn)運到安定填埋場填埋，篩下物運送到最終熟化場地進行穩(wěn)定化處理，堆肥結(jié)束后，堆肥物料經(jīng)過5mm篩分，5～25mm粒徑段物料為粗堆肥，這部分物料顆粒大、雜質(zhì)多，轉(zhuǎn)運到安定填埋場填埋，＜5mm粒徑段物料即為堆肥產(chǎn)品。本研究垃圾物流備選方案主要依據(jù)近幾年基于對生活垃圾物理組成和性質(zhì)變化進行的轉(zhuǎn)運站篩分工藝的改進和優(yōu)化[15－16]、不同物流環(huán)節(jié)垃圾特性以及生活垃圾的大類粗分[17]等研究結(jié)果的基礎上設置了物流方案，如表2所示。

表2 生活垃圾物流方案

1.3 評價因子確定及其數(shù)值的獲取

根據(jù)表2設置的各個方案，評價因子的確定主要根據(jù)生活垃圾的處理技術(shù)進行選擇。在堆肥技術(shù)方面，在南宮堆肥廠隧道發(fā)酵倉分別進行了方案2、方案3、方案4三種原料堆肥試驗，方案5堆肥原料在本實驗室自動控制的密閉發(fā)酵罐中進行。南宮堆肥樣品共計4個，分別為原料、高溫堆肥出料、后熟化以及最終熟化樣品。隧道高溫發(fā)酵倉是沿著發(fā)酵倉垃圾堆體長度方向（總長度27m），高度1.5m，等間距布置5個采樣點進行采樣，每個采樣點2kg樣品，混合均勻后利用四分法取樣2kg進一步制樣后供測試。發(fā)酵罐堆肥樣品是按照0、7、14、21和28d進行采集樣品，并進行物料平衡研究計算堆肥產(chǎn)量。堆肥腐熟度評價指標選擇固相C／N降解率、EC變化率（%）、WSC變化率（%）、E4／E6、GI（%）作為評價因子，其次測定了堆肥的養(yǎng)分含量（以N＋P2O5＋K2O計，%）和堆肥產(chǎn)量。各個指標的測定方法及來源參考[18－19]；焚燒處理選擇垃圾的低位熱值[12]、處理規(guī)模和發(fā)電量作為評價指標；填埋處置選擇垃圾填埋量、滲濾液產(chǎn)生量以及填埋場的使用年限作為評價指標，填埋廠的使用年限主要是根據(jù)設計年限和垃圾的容重、壓實密度和填埋量進行計算；經(jīng)濟指標主要選擇各個方案的總經(jīng)濟收益、總經(jīng)濟支出、產(chǎn)投比（%）作為評價因子。其中總經(jīng)濟支出包括3部分：填埋場的總運行成本、堆肥廠的總運行成本和堆肥殘渣處置費用、焚燒廠的運行成本和殘渣（包括飛灰）處理費用，以及各自運輸成本和滲濾液處理費用，由于堆肥廠、焚燒廠和填埋場基礎建廠投資為國家一次性投資，因此不計入各自運行成本；總經(jīng)濟收益是指填埋、堆肥和焚燒處理的國家補貼費用，及堆肥產(chǎn)品的銷售收入和焚燒發(fā)電的收益。具體數(shù)據(jù)見表3，根據(jù)實際數(shù)據(jù)的比較計算出各因素的權(quán)重，其中準則層B層和C層的C1、C2、C3根據(jù)專家打分得出各自的權(quán)重。

表3 各評價的因子值

表3中焚燒殘渣、飛灰和發(fā)電量的計算參考李季、寇曉 芳和宋立杰等人的研究結(jié)果[20－23]，生活垃圾經(jīng)過堆肥和焚燒處理，其殘渣性質(zhì)相對穩(wěn)定，且含水率較低，因此在填埋過程中幾乎不會產(chǎn)生滲濾液，在此忽略不計。因此，對于堆肥和焚燒相結(jié)合的處理方案，經(jīng)濟評價時不考慮其殘渣填埋過程中滲濾液的處理成本。

2 結(jié)果與分析

2.1 各方案堆肥腐熟度的模糊評價

由于固相EC變化率（%）、E4／E6、WSC變化率（%）、C／N降解率、GI（%）均是表征堆肥腐熟的指標，為了評價方便，將5個單項腐熟度指標利用模糊數(shù)學法轉(zhuǎn)換為腐熟度綜合指標進行評價，評價方法及評價因子等級參考王桂琴等人的研究方法[24]，最終評價結(jié)果如表4所示（E1無堆肥處理，因此不參與評價）。

表4 模糊評價結(jié)果

由表5可以看出，E2和E3的評價結(jié)果均為3級，E4的評價等級為2級，表明堆肥腐熟程度較好，E5的評價等級為1級，表明堆肥腐熟程度好，從而說明篩分工藝的優(yōu)化以及生活垃圾的大類粗分可以優(yōu)化堆肥物料，進而提高堆肥腐熟度。

2.2 準則D層判斷矩陣

準則D層共有9個元素，其對方案E構(gòu)建9個比較判斷矩陣，表5為D1（堆肥產(chǎn)量）對5個備選方案構(gòu)建的判斷矩陣，其中WD1代表E1、E2、E3、E4和E5影響D1的權(quán)重，其余8個判斷矩陣的構(gòu)建方法相同.

表5 判斷矩陣 D1－E1－5

2.1.1 堆肥技術(shù)單排序權(quán)重

由各判斷矩陣計算結(jié)果可知，D1－E 層次單排序為（0.045 6，0.065 8，0.152 7，0.247 2，0.488 8）T，可見5種方案中堆肥產(chǎn)量對堆肥技術(shù)影響差別較大。E1無堆肥處理，對方案本身影響最小，隨著篩分工藝改進，可用于堆肥的垃圾物料逐漸增多，因而D1對E2、E3、E4的影響越來越大，E5堆肥產(chǎn)量對方案的影響最大，主要是因為分類條件下，用于堆肥的垃圾全部是廚余垃圾，雜質(zhì)少，堆肥產(chǎn)率高，而混合收集條件下，垃圾中的塑料、織物、紙類、玻璃等不可堆腐物含量較高，約為30%，從而降低了堆肥產(chǎn)率。D2－E層次單排序為（0.041 9，0.089 7，0.137 0，0.220 6，0.510 9）T，表征腐熟度綜合指標對各方案的影響，腐熟度綜合指標在5種方案中的貢獻依次增大，說明了隨著篩分工藝的不斷優(yōu)化，原料中非堆肥組分不斷減少，促進了堆肥的腐熟度；E5是基于大類粗分后，只采用廚余垃圾作為堆肥原料，避免了塑料、灰土、玻璃等組分對堆肥的影響，因而腐熟度最高；D3－E層次單排序（0.036 0，0.080 6，0.144 9，0.247 1，0.491 3）T，說明了養(yǎng)分指標對堆肥技術(shù)的影響大小，養(yǎng)分含量對5種方案的貢獻依次增大，表明了篩分工藝的不斷優(yōu)化和大類粗分均可以提高堆肥的養(yǎng)分含量。

2.1.2 焚燒技術(shù)單排序權(quán)重

D4－E 層次單排序（0.047 0，0.047 0，0.282 9，0.452 3，0.170 7）T是處理規(guī)模對焚燒技術(shù)產(chǎn)生的影響，由于E1和E2兩個方案均未采用焚燒處理技術(shù)，因此其對方案本身的影響最小，E3的焚燒量最大，因此對焚燒技術(shù)的影響也最大；D5－E 層次 單 排 序 （0.047 5，0.194 9，0.266 7，0.064 1，0.426 9）T，表明的是垃圾熱值對焚燒技術(shù)的影響，E5垃圾熱值對方案本身的影響最大，這是因為生活垃圾進行分類后，垃圾熱值的貢獻主要是由塑料、木竹、紙類和織物這些易燃物決定，同時這些易燃垃圾的含水率明顯低于混合垃圾的含水率，因而熱值很高；D6－E 層次單排序（0.051 6，0.051 6，0.346 5，0.417 9，0.132 5）T，表征的是發(fā)電量對焚燒技術(shù)的影響，E1和E2未采用焚燒技術(shù)，因此兩者對方案的影響相同，且最小，E3的焚燒量最大，因此焚燒過程的發(fā)電量也最多。

2.1.3填埋技術(shù)單排序權(quán)重

D7－E 層次單排序（0.029 6，0.054 6，0.151 4，0.300 6，0.463 8）T、D8－E 層 次 單 排 序 （0.030 4，0.064 4，0.263 7，0.320 8，0.320 8）T，和 D9－E 層次單排序（0.043 0，0.043 0，0.142 5，0.263 5，0.508 1）T，分別表明的是垃圾填埋量、滲濾液產(chǎn)生量和填埋時間對方案的影響，可以看出三者對填埋技術(shù)的影響程度依次增大，其主要原因是5種方案的垃圾的填埋量依次減少，這樣填埋場產(chǎn)生的滲濾液也就相應降低，垃圾填埋量越少，所占用填埋場的空間就越小，因而，填埋時間就越長。

2.2 準則C層判斷矩陣

準則C層共構(gòu)建6個比較判斷矩陣，表6為堆肥技術(shù)與對其產(chǎn)生影響的各個因子構(gòu)建的判斷矩陣，其中WC1代表D1－3影響C1的權(quán)重，其余判斷矩陣構(gòu)建方法相同。

表6 D1，D2，D3－C1 判斷矩陣及權(quán)重

針對準則C層的6個判斷矩陣得到各因子的影響權(quán)重，其中C1－D1，D2，D3的層次單排序為（0.117 2，0.614 4，0.268 4）T，說明了堆肥產(chǎn)量、堆肥腐熟度和堆肥養(yǎng)分含量3個分指標對堆肥技術(shù)的影響程度。其中腐熟度對堆肥技術(shù)的影響程度最大，其次是堆肥的養(yǎng)分含量，堆肥產(chǎn)量的影響最小；C2－D4，D5，D6的 層 次 單 排 序 （0.683 3，0.116 8，0.199 8）T，說明了焚燒量、垃圾熱值和焚燒發(fā)電量3個分指標對焚燒技術(shù)的影響程度，其中垃圾的焚燒量對焚燒技術(shù)的貢獻最大，其次是發(fā)電量，影響最小的是垃圾熱值；C3－D7，D8，D9的層次單排序（0.109 5，0.309 0，0.581 6）T，說明了垃圾填埋量、滲濾液產(chǎn)生量和填埋時間3個分指標對填埋技術(shù)的影響程度，其中填埋時間對填埋技術(shù)的貢獻最大，其次是滲濾液產(chǎn)生量，貢獻最小的是垃圾填埋量；C4－E層次單排序（0.046 3，0.082 6，0.324 7，0.172 7，0.373 7）T，說明了總經(jīng)濟收益對5種方案的影響程度，方案五的經(jīng)濟收益對方案本身的貢獻最大，其次是方案三，方案一的經(jīng)濟收益最小，因此影響最??；C5－E 層次單排序0.486 4，0.260 9，0.050 7，0.129 4，0.072 6）T，說明了總經(jīng)濟支出對5種生活垃圾處理方案的影響程度，方案一的經(jīng)濟支出對方案本身的影響最大，因為方案一在經(jīng)濟收益最小的情況下，在保證填埋場正常運行時還要支出大量資金進行滲濾液處理，因此其影響最大；方案三的經(jīng)濟支出對方案的影響最??；C6－E層次單排序（0.051 4，0.084 5，0.176 8，0.419 3，0.268 0）T，說明了產(chǎn)投比對5種方案的影響程度，其中方案四的產(chǎn)投比對方案本身的影響最大，其次是方案五，影響最小的是方案一。

2.3 準則B層判斷矩陣

準則B層共構(gòu)建2個比較判斷矩陣，表7為技術(shù)指標與對其產(chǎn)生影響的各個因子構(gòu)建的判斷矩陣，其中WB1代表C1－3影響B(tài)1的權(quán)重，另外一個判斷矩陣構(gòu)建方法相同。

表7 C1，C2，C3－B1 判斷矩陣及權(quán)重

準則B層的2個判斷矩陣得到各因子的影響權(quán)重，其中B1－C1，C2，C3的層次單排序（0.461 5，0.461 5，0.076 9）T，說明了堆肥、焚燒和填埋技術(shù)對方案技術(shù)指標的影響程度，其中，堆肥和焚燒對方案的技術(shù)指標的影響最大，且兩者的影響程度一樣，填埋技術(shù)的影響程度最??；B2－C4，C5，C6的層次單排序（0.250 0，025 00，0.500 0）T，說明了總經(jīng)濟收益、總經(jīng)濟支出和產(chǎn)投比對方案經(jīng)濟指標的影響程度，其中總經(jīng)濟收益和總經(jīng)濟支出對方案本身的影響程度較小，且兩者的影響程度一致，而產(chǎn)投比的經(jīng)濟指標對方案本身的影響程度均是總經(jīng)濟收益和總經(jīng)濟支出的2倍，從而說明產(chǎn)投比分指標對方案經(jīng)濟指標的影響非常大。

2.4 目標層判斷矩陣

目標層（南城地區(qū)生活垃圾處理處置的最佳物流方案）以及其下層的影響因子包括技術(shù)和經(jīng)濟指標，構(gòu)建的比較判斷矩陣如表8所示，其中WA代表B1和B2影響A的權(quán)重。

表8 B－A判斷矩陣及權(quán)重

目標層中各因素A－B的層次單排序（0.666 7，0.333 3）T，說明整個生活垃圾處理處置方案中，技術(shù)因素對其影響最大，經(jīng)濟因素的影響程度相對較小。

2.5 結(jié)果

根據(jù)所有層次排序的結(jié)果（表9），計算各備選方案的得分，5種方案的得分指數(shù)分別為 E10.082 2；E20.091 4；E30.203 8；E40.303 8；E50.318 9。

表9 層次排序結(jié)果

5種方案的優(yōu)劣順序：E5最優(yōu)，其次為E4，E1最差，說明南城地區(qū)生活垃圾處理處置方案最可取的是基于大類粗分條件下的分類收集、分類處理處置的物流方案，即廚余垃圾直接堆肥處理，其他垃圾經(jīng)物資回收后進行焚燒處理，堆肥殘渣和焚燒殘渣進行填埋處置；其次可以考慮在混合收集條件下，馬家樓和小武基2個分選轉(zhuǎn)運站，將15mm篩分更改為40mm篩分，并保留80mm，將0～40mm粒徑段生活垃圾進行堆肥處理，40～80mm粒徑段生活垃圾生物干化后一并與＞80mm粒徑段垃圾進行焚燒處理，堆肥殘渣和焚燒殘渣進行填埋處置；生活垃圾處理處置最不可取的是原生垃圾直接進行填埋處置的方案。

3 結(jié) 論

1）AHP比較結(jié)果表明，混合收運條件下，原生垃圾完全填埋方式（E1），不但浪費了大量資源，而且會產(chǎn)生大量滲濾液，增加運行成本并對環(huán)境造成了潛在威脅，該方案最差；混合收集垃圾采用15mm和80mm篩分后進一步堆肥和填埋組合工藝（E2）的物流方案在保護環(huán)境和資源利用方面有一定的優(yōu)越性，但仍存在原生垃圾填埋量較大和滲濾液污染問題，同時堆肥產(chǎn)品雜質(zhì)多，養(yǎng)分含量低。

2）混合收運條件下，在E2基礎上取消15mm篩分同時增加焚燒工藝的物流方案（E3），堆肥養(yǎng)分含量有所提高，同時增加了焚燒環(huán)節(jié)，經(jīng)濟收益明顯增大，垃圾填埋量減少，基本實現(xiàn)了原生垃圾零填埋。

3）混合收運條件下，在E3基礎上增加40mm篩分其他工藝不變的物流方案（E4），顯著減少了物料中非堆肥組分，有利于堆肥腐熟，原生垃圾零填埋，進一步延長了填埋場使用壽命，很大程度實現(xiàn)了生活垃圾資源化，該物流方案可作為南城地區(qū)生活垃圾處理處置的過渡方案。

4）在大類粗粉條件下，廚余垃圾可直接進入堆肥廠堆肥，其它垃圾物資回收后進行焚燒處理，堆肥殘渣和焚燒殘渣進行填埋處置，該方案是5種方案中的最優(yōu)方案（E5），是南城地區(qū)乃至北京地區(qū)生活垃圾處理處置的最終可實施方案。

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