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环境园废物处理模式优化分析.pdf

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独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内 容外,本论文不包含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。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用 学位论文的规定,即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电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□, 在 年解密后适用本授权书。 不保密□。 (请在以上方框内打“√” ) 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 研究背景 随着人口不断增加和城市化水平的不断提高, 我国城市固体废物产生量不断增长, 2008 年,我国生活垃圾清运量就已达到了 15.44 亿 t[1]。与固体废物的持续增长不相适应,我国的环卫设施的规划与建设相对滞后,难以满足固体废物的处理需要。合理规划、加快建设环卫处理设施、实现固体 废物的减量化、资源化、无害化是城市可持续发展的迫切需求。 环卫处理设施占地面积大,并且需要较大的防护距离,在我国一些大中型城市,“土地资源紧缺与环卫处理设施需要大量土地 之间的矛盾”已经发展成为城市固体废物处理面临的主要问题[2]。而传统的分散布局、分散处理方式无形中增加了环卫设施选址及土地落实难度、提高了城市管理系统 成本。近年来,借鉴国外固体废物园区化综合处理模式,国内多个城市展开了以处 理设施集中布局、处理技术集成优化为主要特点固体废物综合处理园区的研究、规划和建设工作。 “环境园”[3]是深圳市在环卫设施布局规划中提出的概念,与“垃圾综合处理基地” 、 “垃圾综合利用循环经济园区”等称谓相同,都是指将分选、填埋、焚烧、生化处理等多种固体废物处理技术集于一身,实 现处理设施集中布局、二次污染集中控制的固体废物综合处理园区。 将原本承担区域固体废物处理任务的、分散布 局的处理设施集中在环境园中,使得环境园实质上成为了一个集中式区域固体 废物管理系统。固体废物产生及其组成的复杂性、处理技术的多样性、不同处理设 施之间物质与能量的交换等都增加了环境园规划的难度。因此,采用系统分析技术 ,建立规划模型,为环境园类固体废物处理模式的选择、园区内废物流优化配置提供决策支持是非常必要的。 1.2 国内外研究进展 经过多年的研究和实践,发达国家已经建立起 了一套较为完善的城市固体废物2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 管理决策系统,我国城市固体废物管理规划也取得了一定进展。 1.2.1 国外研究进展 在城市固体废物管理决策系统的研究中,实现 管理系统总费用的控制一直是优化模型研究的重要目标。早在 1968 年, Anderson L E.就以经济最优为目标对城市生活垃圾管理系统进行了优化。 1973 年,在 C1ark 建立的区域固体废物混合整数线性管理模型中,进一步将系统成本区分为固定成本和可变成本两部分。 Kuhner 和Harrington( 1975)[4]则以混合整数线性模型为基础,引入了针对不同时段固体废物管理的动态投资模型。随后,优化模型研究由 单纯的理论研究进入了实际应用中,如 Jenkins( 1982)[5]、 Wilsoneta1( 1997)[6]分别将模型应用于多伦多、香港的废物管理计划中。随着固体废物管理由末端治理向 全过程管理的转变,优化模型的研究也向全过程转变。 1998 年, Chang and Chang[7]考虑了固体废物处理系统物质和能量的回收要求,以总费用的最小为目标函数,建 立了一个非线性优化模型。其成本涵盖了运输、处理、建设以及回收成本,以及电能销售等可能获得的收益。同年,Daskalopoulos etal.[8]考虑了废物流的比率和组成,对进入城市卫生填埋场、焚烧厂、废物回收厂和堆肥厂的废物流进行了优化,建 立了以总费用最小为目标函数的线性模型,模型中还将固体废物管理系统可能造成的环境影响考虑了进去。 D’Antonio 和Fabbricino[9]则在模型的约束条件中引入了技术限制及法律限制。其后,在 2003 年,Fiorucci P.[9]针对土地资源紧缺问题,对填埋场的使 用年限进行了限制,通过对填埋场和其他处理厂的数量进行优化,决定运往处 理厂、填埋场以及回收系统的最理想的废物数量以及特性。基于约束条件的多样性 ,该系统是对一个非线性优化模型求解得出来的。 20 世纪 80 年代以后,固体废物管理模型开始由单一的经济目标,向考虑环境影响、综合效益的多目标模型转变。 1985 年, Perlack 和 Willis[10]在对美国某城市的固体废物处理与处置策略进行优化时,以总费用 最小和环境影响最小提出了一个多目标规划模型。 Chang 和 Wang[11]在 1997 年针对城市固体废物管理系统的优化问题提出了模糊目标规划模型,模型中考虑了四个 目标系统总费用、噪声污染控制、3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 大气污染控制以及交通运输限制。其中,后三 个目标主要表征着在实现环境影响目标的前提下,达到系统的优化。同年,他们还 进一步提出了一个模糊多目标混合整数规划模型[12],将与输入参数有关的信息和模糊目 标与多目标优化过程联系起来,并将该模型应用于台湾固体废物的长期管理策略中。 Solano( 2002)[13]则建立了一个线性优化模型,其目标函数涵盖了成本、能 量以及环境影响等多个目标。 Costi( 2004)[14]建立了一个决策支持系统,来帮助决策 者更好的实现不同的固体废物处理项目的决策。与在目标函数中直接引入环境 目标而成为多目标规划模型不同,该模型将对与环境影响的关注表现在了限制条件 上,通过对不同的处理设施可能带来的环境影响分析,在限制条件中对某些重要参数进行了限制。在 Minciardi( 2008)[15]提出的多目标优化模型中,其目标函数除 考虑了经济目标、环境目标外,还将固体废物中的不可回收物最小和最终进入填埋厂 处置的废物量最小最为目标,从而确定了四个目标函数,实现了进入不同处理设施的废物流的优化。 1.2.2 国内研究进展 国内在城市固体废物管理系统优化方面,开展 的时间较晚,主要受国外研究方法的影响。在 2000 年时,陈炳禄等[16]以总费用最低和综合效益最高为目标函数,建立了多目标动态规划模型,其中综合效益的取 值是采用层次分析法计算出来的,确定综合效益后,对综合效益和系统费用赋予不 同的权重,以广州市为例,得出了规划期内不同方案下生活垃圾进入不同处理设施 的废物流优化结果。同年,郭广寨等( 2000)[17]和李天威等( 2003)[18]也采用类似方法计算了进入不同处理设施的废物流最优流量。 2001 年,陈炳禄[19]等考虑决策部门意见,以系统总费用最小为目标函数建立了优化模型,并将其同样应用于广州市 生活垃圾管理系统的优化中。王海燕( 2005)[20]同样以系统总费用最小为目标函数建立 了混合整数规划模型,但由于模型中涉及到的参数较多,限制 了模型的应用。郭怀成等( 2004)[21]以系统总费用最小、系统产生的大气污染最小以及系统产生的 水体污染最小为目标建立了多目标规划模型。其中,对于大气污染的定量分析以生 活垃圾处理过程二氧化硫的排放量来进行衡量。而且,模型中还考虑了专家及决策部门的偏好。 2005 年,郭广寨等[22]建4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 立的多目标规划模型中,考虑了系统总费用以 及垃圾的减量化、无害化、资源化,并将该模型应用于上海市浦东新区。 2007 年,王洪涛等[23]针对生活垃圾的不同处理技术,综合考虑应用了多种分析方法以及多种 求解方法,建立了规划模型,不仅涉及到了废物流,同时还涉及到了元素流,并将 该模型应用到了北京市生活垃圾处理技术的优化中[24]。席北斗等( 2007)[25, 26], 同时考虑了系统总费用和环境影响两个目标,建立了多目标动态规划模型,其中,环 境目标以污染控制费用的形式得到了量化,从而使模型优化结果更具有客观意义。之后,在 2009 年时[27, 28],在考虑了模型参数的不确定性的基础上,又以系统总费 用最低建立了机会约束区间不确定性线性规划模型。 1.3 研究目的及意义 作为一个集中式区域固体废物管理系统,一方 面,在环境园处理系统的决策过程中可以借鉴国内外先进的规划方法;另一方 面,环境园处理系统又具有相对独立性,即具有其本身的特点,而需要针对其优化 专门进行研究,从而建立一套适合国内环境园系统的固体废物优化管理办法,为国 内固体废物综合处理园区的规划及政府部门的决策提供支持。 1.4 研究内容和技术路线 目前,国内环境园多以生活垃圾处理为核心进 行建设,本文也主要以环境园内生活垃圾处理模式为研究对象,研究内容包括以下几块 ( 1)城市生活垃圾处理及其二次污染控制技术分析; ( 2)不同优化规划方法及其特点研究; ( 3)环境园处理模式优化模型构建基于混合收集和分类收集两种不同的垃圾收运模式,分别建立优化模型; ( 4)实例分析将优化模型应用于深圳市坪山环境园规划中,根据不同情景,对优化结果进行分析。 ( 5)对模型构建及应用过程中存在的问题进行分析,提出改进意见。 5华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1-1 为本文研究的技术路线。 图 1-1 技术路线 6华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 环境园处理系统技术分析及管理方法研究 2.1 生活垃圾处理及其二次污染控制技术分析 2.1.1 传统处理方式 卫生填埋、焚烧、堆肥作为生活垃圾处理的 三大传统技术,在生 活垃圾处理领域,依然占据主导地位。图 2-1 给出了近 5 年来,我国生活垃圾 处理技术的发展趋势。 0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.002004 2005 2006 2007 2008填埋堆肥焚烧图 2-1 我国垃圾处理技术发展趋势[1]由图 2-1 可以看出,卫生填埋依然是我国生 活垃圾的主要处理方式,焚烧处理在近几年来快速增长, 2008 年时,已经达到了 15以上,与之相反,堆肥处理技术所占比重逐年下降。三种处理技术的比较如表 2-1 所示。 表 2-1 三种处理技术比较 比较内容 项目 卫生填埋 焚烧 堆肥 经济 单位投资万元( t/d) 16-26 30-60 10-20 运行费用(元 /t) 50-80 150 左右 50-110占地面积 大,按容积与 使用年限计算 小,约 90-120m2/t较小,约180-330m2/t 产品市场 沼气可回收发电 或制热 热能或电能易为社会消纳 产品可作农、 林、花卉用有机肥或土壤改良剂, 但必须有销售市场 7华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 续表 2-1 三种处理技术比较 比较内容 项目 卫生填埋 焚烧 堆肥 技术 选址 较困难, 要考虑地形地质条件,防止地表水、地下水污染, 一般远离市区,大于 10 公里 较易,可靠近市区建设 较易,可在市区或市郊建设,但需距居家 500m 以上距离 适用条件 垃圾中无机成分应大于 40 不添加辅助燃料时,进炉垃圾热值大于 5000 kJ/kg 有机物应大于 40最终处理 不需 残渣需作填埋处理,约占初始量的10-20 占总量约 20-30非堆肥物需作填埋处置 可靠性 可靠 较可靠 较可靠 操作安全性 好,但注意沼气爆炸 较好 好 管理水平 要求一般 要求高 要求较高 环境 大气污染 较小 较大 很小 水污染 较大 较小 较小 土壤污染 渗沥液污染 气体污染物 的沉降 重金属污染 社会 减量化 0 80 40资源化 电、热 电、热 有机肥 公众满意度 要求一般 要求高 要求较高 2.1.2 其它处理技术 ( 1)厌氧消化 欧洲各国对生活垃圾厌氧消化技术开展研究的 时间最长,到目前为止,已开发出多种实用化技术,并 在世界范围内得到应用[29],在大型沼气工程中,普遍采用热电联产工艺来回收沼气能源。近年来,由于传 统的生活垃圾处理技术在生物质垃圾处理方面的局限性,我国对垃圾厌氧消化技术 越来越重视,并开展了一些研究和示范推广工作。另外,厌氧消化产物沼渣和沼液 的处理及利用也是厌氧处理技术中的很重要的一部分。 ( 2)垃圾衍生燃料( RDF) RDF 即垃圾衍生燃料,是指将垃圾中的不可燃物质,如玻璃、灰土、金属等去除后,利用塑料、木竹、废纸、纺织物等可燃 组分,将其破碎、干燥并加入一定添8华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 加剂后,压缩成粒状、柱状或蜂窝状等所需形状的固体燃料[30-32]。国外典型的 RDF物质组成如表 2-2 所示。 表 2-2 RDF 典型物质组成 组分 纸 塑料胶片 硬塑料 非铁类金属 玻璃 木材、橡胶 其他 含量( ) 68.0 15.0 2.0 0.8 0.1 4.0 10.0 与原生垃圾相比 , RDF 具有热值高(可达 10000kJ/kg20000kJ/kg) 、易于贮存、便于运输等优点,在日本等一些 发达国家得到了积极应用 。其焚烧方式多采用流化床单独焚烧或是煤混合燃烧。 与原生垃圾直接焚烧相比, RDF 还具有很好的环保性能[33]。 我国在 RDF 制备技术及其相关设备的研发方面开展的较晚,但在国内已经有了一些应用和研究工作。由于我国生活垃圾中水 分和厨余垃圾含量高,原生垃圾一般经分选等预处理后将可燃垃圾用作制造 RDF。北京阿苏卫垃圾综合处理厂中就设置了这样的 RDF 生产线。 另外,垃圾热解、气化等技术也在近年来得到了积极发展。 2.2 环境园处理模式分析 2.2.1 循环经济型废物处理模式 循环经济的核心是“ 3R 原则” ,如图 2-2 所示。即 Reduce(减量化) 、 Reuse(再使用)和 Recycle(再循环) 。 图 2-2 循环经济原则 9华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 将循环经济理念运用于废物处理系统中,就形 成了废物处理过程的循环经济。就废物处理的目的和过程来看,其优先满足顺序应依次为 “减量化、再循环、再使用” 。 1)废物处理过程中的“减量化” 就整个区域的物质流动来看,在末端减量化应 该是使得污染物质和不能进入正常的经济社会系统循环的物质达到最小化。因 此废弃物处理过程中的减量化可表现为如下 4 点 ( 1)削减废弃物造成的污染及处理过程产生的二次污染。 ( 2)促进废弃物处理设施的土地集中布局。 ( 3)减少废弃物处理过程中自然资源的投入。 ( 4)降低最终填埋比例。 2)废物处理过程中的“再循环” 在废物处理设施集中布局的基础上, 根据废物的物质流量和组分特性,调整各废弃物处理单元的布局和 结构,使得一个处理单元产生的废水、废热、废气和废弃物成为另一个处理单元的能源和原料,提高废弃物物流中资源及能源的循环利用率。 3)废物处理过程中的“再使用” “再使用”原则则体现在科学、合理规划,保 证处理设施的使用率以及尽量回收利用废物中可回收组分上。 2.2.2 环境园实例 ( 1)德国 Pohlsche Heide 废物处理园区 Pohlsche Heide 废物处理园区隶属于德国的 GVOA 公司, 如图 2-3 所示, Pohlsche Heide 中心内主要废弃物处理设施为堆肥厂、 MBT(废弃物机械生物联合处理厂) 、填埋场以及废品分类回收站,另外还建有一个污水处理厂,对填埋场渗滤液及厌氧消化产生的沼液进行处理。 堆肥厂以处理生活垃圾中有机组分和园林废物 为主,生产高品质的有机肥料,堆肥残余物运往 MBT 厂进行处理。 MBT 厂将生活垃圾经破碎、筛分、风选、磁选等工艺后,回收可回收物,剩余的有机组分则 进入厌氧消化车间用于产气发电,消化残余物沼渣进一步消化稳定后运往填埋场处置。
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