环境污染与防治-城市固体废物优化管理模型研究进展DIC8

1、环境污染与防治-城市固体废物优化管理模型研究进展*苏 婧第一作者：苏婧，女，1981年生，硕士研究生。主要从事固体废物处理技术方面的研究。* 国家高技术研究发展计划项目（2002AA644010）；国家重点基础研究发展计划项目（2005CB724203），2 席北斗2 李秀金1 张蕾1，第一作者：苏婧，女，1981年生，硕士研究生。主要从事固体废物处理技术方面的研究。* 国家高技术研究发展计划项目（2002AA644010）；国家重点基础研究发展计划项目（2005CB724203）(1.北京化工大学环境工程系，北京 100029；2.中国环境科学研究院，北京 100012)摘要 随着我国城市人

2、口的不断增长和经济发展水平的逐步提高，传统的固体废物管理体制已经不能满足城市发展水平和环境保护的需要，多种处理方式综合协调发展已成为固体废物管理的发展方向，归纳总结了国内外固体废物管理优化模型的研究进展。从简单的零散管理到以经济投入最小为目标的单目标优化模型，再发展为兼顾环境和经济的多目标规划模型和多目标优选模型。对于多目标优化模型的求解以及各种模型的优劣作了分析，并探讨了固体废物管理优化模型今后发展的方向和趋势，为优化模型方面的进一步深入研究提供依据。关键词 优化模型 多目标 固体废物Research on optimum management model of municipal soli

3、d waste (MSW)SU Jing1，2，XI Bei-dou2，LI Xiu-jin1，ZHANG Lei1，2 .(1.College of Environmental Engineering, BeijingUniversity of Chemical Technology, Beijing 100029, China;2. Chinese Research Academy of Environmental sciences, Beijing 100012,China)Abstract:With the increasing of the population in cities

4、of china and the development of the industry, using simple method cant meet the development of the city and the standard of the environment. This article ascribe the feasibility of the synthesize treatment with various methods, and the research on optimum model of solid waste management, from simple

5、 management, single-objective optimum model to multi-objective optimum model. And then, analyzed the method on seeking the result of the multi-objective model, and the future direction of optimum model.Keywords：Optimum model Multi-objective Municipal solid waste 固体废物是城市生命体的最终代谢物，随着生产的发展和人民生活水平的提高，固体

6、废物的排放量猛增，另外由于固体废物管理和处理处置不当所造成的大气、水和土壤污染日趋严重，危及生态系统和人体健康。因此，加强对固体废物优化管理，合理开展综合利用、无害化处理处置显得日益重要。随着技术水平的不断提高，焚烧、堆肥、填埋、综合利用等多种处置技术逐渐成熟。但单一的处理方式远远不能满足各种组分复杂的垃圾处理要求。每种方式都有其自身的特点，所以多种方法综合处理非常必要。但如何协调各种方法之间的比例、固体废物流又该如何分配是优化管理模型研究的重点内容，自20世纪90年代末开始，国内外学者就固体废物多目标优化模型开展了一系列研究。本文以单目标到多目标的角度出发，以固体废物多目标优化模型研究进展为

7、主线，总结归纳了该领域的研究现状及发展趋势。1 城市固体废物管理模型的发展进程从固体废物优化管理模型研究历程来看，它经历了从单目标优化到多目标的优化模型的过程，如图1所示。 固体废物管理初期一直停留在随意堆放、自然降解阶段。国外从20世纪80年代起开始致力于管理优化模型的开发，研究处理的收运路线、各种处理方法的优化1-3。我国自90年代以来，李天威等4研究开发了以经济投入最小为目标，质量平衡、处理设施容量、分类收集的可行性等为约束条件，计算垃圾产生量的区域物流分配，使系统的总处理费用实现最小化。目标函数：MinZ（总费用）=焚烧费用回收费用堆肥费用填埋费用中转费用零散管理多目标规划多目标优化多

8、目标优选零散管理多目标规划多目标优化多目标优选单目标优化经济投入最小各处理方法的比例及物流分配和物流去向图1 固体废物优化的发展阶段90年代中后期，城市规模不断扩大、固体废物数量猛增，处理处置造成的环境污染不容忽视。人们开始考虑大气污染、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。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5。2 城市固体废物多目标优化管理模型2.1 多目标规划模型设x=(x1,x2,xn)为决策变量，这里，不同的x 定义为不同的方案。方案集（即可行域）为X=xE

9、n gi(x)0，i=1,p,其中gi(x)为第i个约束函数。设fj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6：optF(x) = (f1(x), f2(x),fm(x)T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。2.1.1 国外多目标规划模型国外在20世纪90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，必须将其对生态环境和社会综合效应的影响也纳入模型的考虑范围。他们采用的模型有线性规划模型（LP）、混合整数规划模型（MIP)、动力学模型（DP）以及多目标规划模型，其中以

10、多目标规划模型较为常见。1995年，Chang针对经济投入和环境影响之间的冲突进行系统分析78。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（FIMOMIP）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，Julian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9。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费用大。此时，对于可回收材料的利用就显得尤为重要。2000年，Chang等10采用模糊多目标非线性整数

11、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，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Minciar等2002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。2003年，Costi 11和Hokkanen等12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、社会影响作为约束条件的。Cheng等在确定各处理厂的位置时指出13，

12、在采用不确定整数线性规划模型，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。2.1.2 我国的多目标规划模型从理论上讲，由于固体废物产生及处理受多种不可预测因子的影响，优化模型应该包括费用最小、处理风险最小、社会效益最好3个目标的非线性规划模型。但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。2000年，陈炳禄等14以治理费用最小和综合效益最大为目标建立多目标动态规划模型，将处理成本和污染治理成本结合起来，化多目标为单目标，计算各个时期焚烧、堆肥、资源化回收和填埋的合理比例以及物流分配情况。这是我国目前采用较多的固体废物优化模型

13、，为进一步的案例研究提供了基础。2003年，刘常青等15应用该模型对福州市近、中期城市生活垃圾治理系统进行优化设计，并预测了2005、2010年的固体废物处理设施的建设情况。同时，就福州市生活垃圾产生进行分析16，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。2004年，国内学者胡治飞等17将不确定性方法用于固体废物管理规划模型中，并首次在多目标优化模型中考虑了对地下水以及大气造成的污染，就4种情景计算分析，在国内的多目标研究方面开辟了新的出路。2.2 多目标优选模型 设x=(x1,x2,xn)表示含有n 个备选方案的方案组，f1,f2fm表示m个目标属性，fi(xi)为第j个属性下

14、的偏好值，则多目标优选问题的模型结构为：maxF (x) = (f1(x) , f2(x) , ,f n (x) )T这实际上是一种层次分析法（见图2），该方法是Saaty于20世纪70年代提出的，它是定性分析与定量分析相结合的多目标决策分析方法。目标体系是分层展开的，在对实际问题中通过分析讨论的基础上，进行权值确定，通过若干次试验以达到最佳。总体目标总体目标目标1目标2子目标1子目标2子目标1子目标2方案1方案2方案3方案4图2 多目标优选模型组织结构图1995年， Hokkanen18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22种综合处理手段，多位决

15、策者选出了最佳的结合模式。1999年，我国郭广寨等19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行分析20，得到仓式静态好氧堆肥权值最大，适宜采用。2003年，崔兆杰21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。3 各种模型的对比研究 3.1 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，而对于大城市

16、则必须考虑到环境影响和社会效应，多目标模型正好可以解决该问题。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。3.2 多目标规划与多目标优选模型对比多目标规划模型可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主如下：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，使经济目标与环境目标相统一；其次，采用情景模型的方式，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

17、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会有不确定因素，只是将它们以权重的形式掩盖在其中。4 城市固体废物优化管理模型面临的挑战及研究趋势近年来，国内在固体废物优化方面总的趋势是考虑的因素越来越多，也使模型

18、更适合城市的实际情况。今后模型的挑战和发展方向笔者认为有以下几个方面。（1）固体废物产量和成分的预测模型有待深入开发 固体废物优化管理模型需要预测未来1015年固体废物产量及其成分组成。预测的准确性直接关系到模型的精确程度。国内外在预测模型的研究方面作了大量的工作：灰色模型可以在缺少数据的情况下使用，但是它考虑的因素较少；回归模型虽然考虑了较多的影响因素，但它属于静态分析，固体废物的产生本身具有动态特性；人工神经网络可以用非线性模型作预测，效果较好，但是由于模型本身不成熟，应用也比较少。（2）模型建立中有效数据获取和参数的选择有难度 由于多目标规划模型的研究推广，考虑到各个处理场造成的环境污染

19、，需要对各处理场处理后的剩余气体各种元素的含量及污染情况的数据进行详细调查分析，而这些数据较难获得。而且，在公式的表达方面也不能一味地按照国外地文献来做，主要是处理方式、成份组成等有一定的差异。所以需要在此方面深入研究。（3）多目标规划问题的最优解法有待继续寻求 如前所述，多目标规划问题可以较好地协调经济、环境以及社会等各方面的因素。但目前对多目标问题的解法基本就是采用阶段式求解，得出可行解中的最优解。寻求更科学、合理的求解方法是当务之急。（4）缺少公众的有效参与及相关政策支持优化模型本身是符合相关政策的基础上，为了服务群众，如果模型缺乏公众认可，模型的可行性便值得怀疑。所以需要在确定模型后，

20、采取调研的方式，使公众了解决策，参与决策，制定更为有效的决策方案。5 结 语 随着我国人民生活水平的提高和固体废物数量地猛增，固体废物的管理必须考虑处理过程中造成的环境影响。模型研究应考虑经济投资、环境因素和社会效应的结合，在阐明城市固体废物代谢过程与城市生命体活动互动关系的基础上，对城市固体废物管理系统进行深入分析，借助多目标规划模型手段，提出城市固体废物管理技术方法。从而为促进城市固体废物综合有效管理，实现固体废物与社会经济发展之间的良性互动提供科学依据。但因为环境因素难以量化，因此环境因素的量化将是模型开发的难点，也是热点问题。如果能将经济投入、环境影响和社会效应客观地表示出来，对于模型

21、的研究将会开辟一片新的天地。参考文献1 王志刚，陈新庚，陈炳禄,等.广州市城市生活垃圾处理策略的规划分析J.农业环境保护,2000，19（4）：248-250.2 马晓路.浅议城市固体废物的管理与处置J.青海环境,2002，12（1）：37-38.3 王志刚，陈新庚，陈炳禄,等.广州市城市生活垃圾管理系统规划J.环境污染与防治,2001，23（1）：4-7.4 李天威，严刚，王业耀.我国中小城市生活垃圾优化管理模型M.中国环境科学,2003，23（1）：105-109.5 何品晶，邵立明.固体废物管理M. 北京：高等教育出版社.2004：350-361.6 程理民，吴江，张玉林.运筹学模型与方

22、法教程M.北京：清华大学出版社.2000：236-238.7 Chang Nibin, Wang S F. Solid waste mnagement system aanlysis by multiobjective mixed integer programming modelJ. Journal of Environmental Management，1996,48：17-43.8 Chang Nibin, Wang S F. A fuzzy goal programming approach for the optimal planning of metropolitan solid

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