灰色关联在城市生活垃圾处理方案优选中的应用.pdf

监 测 与 评 价 灰色关联在城市生活垃圾处理 方案优选中的应用 * 张朝升 1 张可方 1 尚晓博 1 荣宏伟 1 张英民 2 1． 广州大学土木工程学院， 广州 510006;2． 环境保护部华南环境科学研究所， 广州 510655 摘要 根据城市生活垃圾和其处理技术的特点， 运用灰色关联法建立数学模型， 并应用于南方某城市生活垃圾处理方 案的优选。该城市 2020 年的预计生活垃圾产生情况 总人口为 131. 5 万， 生活垃圾产生量为 1404. 5 t/d， 其中可回收 垃圾量为 483. 5 t/d。拟采用备选方案 方案 1 为卫生填埋; 方案 2 为分类资源化， 可回收垃圾回收， 不可回收垃圾卫生 填埋; 方案 3 为分类资源化， 可回收垃圾回收， 不可回收垃圾焚烧。通过灰色关联模型计算， 求得灰色关联度 ε2 ＞ ε 3 ＞ ε1。结果表明， 方案 2 为该城市生活垃圾处理的最佳方案; 表明灰色关联法简易可行， 利用其得出的结论具有一定的 参考价值。 关键词 灰色关联; 城市生活垃圾; 处理方案; 卫生填埋; 垃圾焚烧 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 033 APPLICATION OF GREY CORRELATION IN OPTIMIZING SCHEMES FOR MUNICIPAL SOLID WASTE TREATMENT Zhang Chaosheng1Zhang Kefang1Shang Xiaobo1Rong Hongwei1Zhang Yingmin2 1． School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China;2． South China Institute of Environmental Sciences， Ministry of Environmental Protection of the People’ s Republic of China，Guangzhou 510655，China AbstractAccording to the character of municipal solid waste，a mathematical model was set up with gray correlation， which was applied in optimizing the schemes of municipal solid waste disposal． The city in 2020 is expected to be in a situation as followsthe total population of 1. 315 million，the amount of garbage will be 1， 404. 5 t/d ，of which 483. 5 t being the recyclable waste;The proposed options are as followsoption 1，sanitary landfill;option 2，classification of resources and recyclable garbage collection，and non-recyclable waste for sanitary landfill;option 3，classification resource，collecting recyclable garbage，incineration of non-recyclable garbage． Calculated by gray correlation model ，the correlation degree ε2 ＞ ε3 ＞ ε1 is got． The results show that option 2 is the best solution for municipal solid waste disposal ，grey association is simple and practicable， whose conclusion can be a valuable reference． Keywordsgrey correlation; municipal solid waste; treatment options;sanitary landfill;waste incineration * 国家环保公益性行业科研专项 200909055 。 1城市生活垃圾处理技术简述 目前， 在我国乃至世界范围内， 填埋、 焚烧、 堆肥 是主要的三种城市生活垃圾处理技术。 填埋按照环保措施的有无和完善程度， 一般可分 为简易填埋和卫生填埋。经济条件允许的情况下， 必 然选择卫生填埋， 避免对周边环境造成污染; 焚烧具 有占地小、 场地选择相对容易、 处理时间短、 减量化显 著、 无害化较彻底以及可利用垃圾焚烧余热发电等优 点， 近年来在国内得到了较大的发展， 但建设和处理 成本较高限制了它的广泛应用; 堆肥是处理厨余垃圾 等有机易腐垃圾的首选技术。其他处理技术， 包括厌 氧消化 沼气 、 生活垃圾资源化 是指将其直接作为 原料进行利用或者进行再生利用 、 垃圾衍生燃料 RDF 等。其中， 生活垃圾资源化即回收再利用， 是 未来城市生活垃圾处理的一个方向。 由于不同垃圾处理技术具有各自的特点， 在选用 处理技术时， 需要从资金成本、 选址、 技术难度等多方 721 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 面综合考虑各技术的适用性。 2灰色关联法 灰色系统理论 或称灰色理论 是我国学者邓聚 龙教授于 1982 年提出的 ［1］。灰色系统理论自建立以 来， 已成功应用于工程优化、 经济管理、 未来学研究、 农业系统、 生态系统等领域。近年来， 灰色系统理论 在环境科学中的应用也越来越受重视， 并取得了很多 成果 ［2- 4］。 灰色关联法是灰色理论的重要方法之一， 其基本 思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断曲 线的联系是否紧密。曲线越接近， 相应序列间的关联 度就越大。运用灰色关联分析法进行方案的优化选 择， 主要是通过判断备选方案与设定的理想方案之间 的关联度大小， 从而判断备选方案的优劣程度， 关联 度越高， 说明该备选方案的性能越优越， 越接近于理 想方案 ［5］。 灰色关联法的一般步骤可参见文献［ 6］ 。 3实际应用与模型建立 借助于灰色关联法， 建立数学评价模型， 对城市 生活垃圾处理方案进行评估优选。 3. 1灰色关联法计算过程 1 构造城市生活垃圾处理备选工艺方案的比较 数列和参比数列。 各备选方案的评价指标因子构成比较数列 xi j { xi 1 ， xi 2 ， ， xi n } i 1， 2， ， m i 代表备选工艺方案， 下同 ;j 1， 2， ， n j 代 表指标因子， 下同 。 由各备选方案在评价指标下的最优值， 确定假定 的最优方案， 构成参比数列 x0 j { x0 1 ， x0 2 ， ， x0 n } j 1， 2， ， n。 2 对 比 较 数 列 和 参 比 数 列 数 据 进 行 规 范 化 处理。 对于取值越大越好的效益型事件， 其比较数列规 范化公式为 xi j xi j x0 j 1 对于取值越小越好的成本型事件， 其比较数列规 范化公式为 xi j x0 j xi j 2 参比数列规范化后为 x 0 j x0 j x0 j 1， 1， 1， ，} { 1 3 3 计算差序列。 计算参比数列与比较数列在对应点的绝对差 Δi jx 0 j－ xi j 4 4 求绝对差的最大差与最小差。 Δmin min i， j Δi j min i min j x 0 j－ xi j {} min i min j 1 － xi j {} 0 Δmax max i， j Δi j max i max j x 0 j－ xi j {} max i max j 1 － xi j {} 5 5 计算备选工艺 xi与假定的最优方案 x0对于第 j 个指标的灰色关联系数 ξi j。 ξi j Δmin ρΔmax Δi j ρΔmax 6 式中ρ 为分辨系数， 0 ≤ ρ ≤ 1，一般取 ρ 0． 5 。 6 灰色关联分析法获得各指标的权重值 见 3. 2 。 7 计算灰色关联度。 εi∑ n j 1 ξi j wj 7 8 根据关联度大小确定优先选择的处理技术方 案， 关联度大者为最佳城市生活垃圾处理技术方案。 3. 2指标权值的确定 各指标权重值的确定， 首先由专家进行打分， 再 采用灰色关联法。 1 首先采用专家赋权的方法， 邀请 t 位专家对 j 个指标因子进行赋权 权值范围为 0 ～ 1 ， 赋权结果 形成比较数列 wj k { wj 1 ， wj 2 ， ， wj t } j 1， 2， ， n; k 1， 2， ， t k 代表参与赋权的专家数量， 下同 。 在 t 位专家对 j 个指标因子所赋权重中， 将权重 最大值选出， 由其构成参比数列 w0 k { maxwj k }j 1， 2， ， n ; k 1， 2， ， t 。 2 计算差序列。 计算参比数列与比较数列在对应点的绝对差 Δj kw0 k－ wj k 8 3 求绝对差的最大差与最小差 Δmin min j， k Δj k min j min k w0 k－ wj k {} min j min k 1 － wj k {} 0 ; Δmax max j， k Δj k max j max k w0 k－ wj k {} max j max k 1 － wj k {} 。 9 821 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 4 计算灰色关联系数 ξj k。 ξj k Δmin ρΔmax Δj k ρΔmax 10 式中 ρ 为分辨系数， 0 ≤ ρ ≤ 1， 一般取 ρ 0．5 。 5 计算灰色关联度。 灰色关联度 rj的计算公式见式 11 。 rj 1 t ∑ t k 1 ξj k 1 t ∑ t k 1 Δmin ρΔmax Δj k ρΔmax 11 6 经过归一化后得到 j 个指标因子的权值 wj rj ∑ n j 1 rj 12 4实例计算 我国南方某城市 2020 年预计总人口为 131. 5 万 人， 生活垃圾产生量为 1404. 5t/d， 其中可回收垃圾 量为 483. 5 t/d。拟采用填埋、 焚烧等处理技术， 备 选方案如下所示 方案 1 卫生填埋; 方案 2 分类资 源化， 可回收垃圾回收， 不可回收垃圾卫生填埋; 方 案 3 分类资源化， 可回收垃圾回收， 不可回收垃圾 焚烧。 4. 1评价指标数值计算 根据城市生活垃圾处理的特点及要求， 本次评价 拟采用建设投资、 运行成本、 占地面积、 处理效果和管 理难易程度 5 项指标。查阅相关资料， 对备选方案的 各项指标进行计算和赋值。 4. 1. 1各方案的工程投资、 运营成本、 占地面积的估 算 1 方案 1。 填埋平均日处理量为 1 404. 5 t/d， 则每年需填埋 垃圾 1 404. 5 365 512 642. 5 t; 填埋后压实的容重按 1 t/m3计， 则每年填埋垃圾 的容积为 512 642. 5 m3; 根据垃圾卫生填埋标准， 垃圾经压实后的容积与 填埋 覆 土 容 积 的 比 例 为 5 ∶ 1，因 此 每 年 覆 土 512 642. 5 /5 102 528. 5 m3; 垃圾 卫 生 填 埋 场 每 年 需 容 积 102 528. 5 512 642. 5 615 171 m3; 服务年限按 10 年计算， 10 年填埋的总容积为 6 151 710 m3; 填埋库区每平方米占地平均填埋 5 ～ 10 m3以上 垃圾， 即平均填埋深度为 5 ～10 m， 则填埋深度取10 m， 填埋场占地面积约为 6 151 710/10 615 171 m2; 填埋 库 区 面 积 宜 为 总 面 积 的 70 ～ 90 ， 取 90 ， 则总占地面积为 683 523. 3 m3。 采用人工衬层防渗的填埋场的投资估算指标为 38 元 / m3， 填埋场库容为 6 151 710 m3， 则总建设投 资为 23376. 5 万元。 新建填埋场进行污水处理并达到二级排放标准， 单位填埋量按 20 ～ 45 元 /t 控制， 取 20 元 /t， 则年运 行费用为 1 404. 5 365 20 /10 000 1 025. 3 万元。 2 方案 2。 取填埋平均日处理量为 921 t/d， 则每年需填埋 垃圾 336165 t; 可回收垃圾得到回收， 建设成本和运行成本忽略 不计， 与方案 1 同理可得方案 2 的建设投资为 15 329． 1 万元， 年运行成本为 672． 3 万元， 占地面积为 448 220 m2。 3 方案 3。 日处理能力为 600 ～ 1 200 t/d 的焚烧处理工程 项目的建设用地标准为 30 000 ～ 40 000 m2， 921 t/d 的焚烧工程用地标准粗略估计为 35 350 m2。 日处理能力为 600 ～ 1200 t/d 的焚烧厂的投资估 算指标为 35 ～ 65 万元 / td ， 取 50 万元 / td ， 则 总投资为 921 50 46 050 万元。 新建焚烧厂运行费用指标宜按 40 ～ 90 元 /t 垃圾 控制， 取 90 元 /t， 年 运 行 成 本 为 921 365 90 / 10 000 3 025. 49 万元。 4． 1． 2处理效果、 管理难易程度的赋值 1 首先确定两项指标的赋值区间， 处理效果分 为好、 较好、 一般、 较差、 差 5 项， 管理难易程度分为 易、 交易、 适中、 较难、 难 5 项， 其对应数值依次分别取 1、 3、 5、 7、 9。 2 邀请 10 位专家 A、 B、 、 J 对 3 个方案的处 理效果和管理难易程度两项指标进行打分， 并取平均 值作为最终打分结果。具体打分情况见表 1。 表 1备选方案处理效果与管理难易程度打分 方案ABCDEFGHIJ平均 处理效果B175755775576. 0 B297977997798. 0 B399997997798. 4 管理难易 程度 B197997799978. 2 B275775577556. 0 B353353335333. 6 3 经过评价指标的计算和赋值， 得到方案比选 表见表 2。 921 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 表 2方案比选结果 项目理想方案方案 1方案 2方案 3 编号B0B1B2B3 建设投资 /万元15239. 123376. 515239. 146050 运行成本/ 万元 a －1 672. 31025. 3672. 33025. 49 占地面积 /106m23. 5468. 3544. 82 3. 54 处理效果8. 46. 08. 08. 4 管理难易程度8. 28. 26. 03. 6 4. 2灰色关联分析过程 4． 2． 1确定比较数列和参考数列 由表 2 确定候选方案的比较数列为 x1 j{} 23376. 51025. 368. 356. 08. 2 ， x2 j 15239． 1672． 344． 828． 06． {} 0 ， x3 j 460503025． 493． 548． 43． {} 6 。 理 想 方 案 的 参 考 数 列 为x0 j 15239． 1672． 33． 548． 48． {} 2 。 4． 2． 2数据规范化处理 由式 1 和式 2 ， 得 x 0 j 1． 001． 001． 001． 001． }{ 00 ， x 1 j 0． 650． 660． 050． 711． {} 00 ， x 2 j 1． 001． 000． 080． 950． {} 73 ， x 3 j 0． 330． 221． 001． 000． {} 44 。 4． 2． 3计算灰色关联系数 由式 4 计算参考数列与比较数列在对应点的 绝对差 Δi jx 0 j－ xi j i 1， 2， 3， 4; j 1， 2， 3， 4， 5 可得 Δ1 j0．350．340．950．290．{}00， Δ2 j0． 000．000．920． 050．{}27 ， Δ 3 j 0． 670． 780． 000． 000． {} 56 。 于是由式 5 min i min j x 0 j－ xi j 0． 00 ， max i max j x 0 j－ xi j 0． 95 取分辨系数 ρ 0． 5， 由式 6 代入各点绝对差， 计 算 得 出 各 对 应 点 的 关 联 系 数 为 ξ1 j {0． 580． 580． 330． 621． 00}，ξ2 j {1． 001． 000． 340． 900． 64}，ξ3 j { 0． 410． 381． 001． 000． 46} 。 4． 2． 4灰色关联法确定权值 由 10 位专家 A、 B、 C、 、 J 根据 5 项指标在评 价优选中的重要程度对其进行权重评定， 评定赋值结 果见表 3。 表 3五个评价指标的赋权结果 项目ABCDEFGHIJ 项目投资0. 250. 300. 250. 300. 250. 350. 300. 300. 250. 30 运行成本0. 250. 250. 250. 250. 250. 300. 250. 250. 300. 25 占地面积0. 200. 200. 200. 150. 150. 100. 150. 150. 200. 10 处理效果0. 300. 200. 250. 250. 350. 200. 250. 250. 200. 30 管理难易程度0. 000. 050. 050. 050. 000. 050. 050. 050. 050. 05 由表 3 确定评价因素的比较数列 w1 k { 0. 250. 300. 250. 300. 25 0. 350. 300．300．250．30}，w2 k { 0．25 0．250. 250. 250. 250. 300．250．250. 30 0．25}，w3 k { 0．200．200．200．150. 15 0．100．150．150．200．10}， w4 k { 0．30 0．200．250．250．350．200．250．250．20 0．30}， w5 k { 0．000．050．050．050．00 0．050．050．050．050．05}。 理想方案的参考数列为 w0 k { 0． 300． 300． 250． 300． 35 0． 350． 300． 300． 300． 30}。 由式 8 计算参考数列与比较数列在对应点的 绝对差 Δj k w0 k－ wj k j 1， 2， 3， 4， 5; k 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10 可得 Δ1 k { 0. 050. 000. 000. 000. 10 0. 000. 000. 000. 050. 00}， Δ2 k { 0. 05 0. 050. 000. 050. 100. 050. 050. 050. 00 0. 05}， Δ3 k { 0. 10 0. 100. 050. 150. 20 0. 250. 150. 150. 100. 20}， Δ4 k { 0. 00 0. 100. 000. 050. 000. 150. 050. 050. 10 0. 00}，Δ5 k { 0. 30 0. 250. 200. 250. 35 0. 300. 250. 250. 250. 25}。 由式 9 ， min j { min k | w0 k－ wj k| } 0. 00 ， max j max k w0 k－ wj k 0． 35 。 取分辨系数 ρ 0． 5，由式 10 代入各点绝对 差， 计算得出各对应点的关联系数为 031 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 ξ1 k { 0. 781. 001. 001. 000. 64 1. 001. 001. 000. 781. 00}，ξ2 k {0. 780. 781. 000. 780. 640. 780. 78 0. 781. 000. 78}， ξ3 k{ 0. 640. 64 0. 780. 540. 470. 410. 540. 540. 64 0. 47}， ξ4 k { 1. 000. 641. 000. 78 1. 000. 540. 780. 780. 641. 00}，ξ5 k { 0. 370. 410. 470. 410. 330. 370. 41 0. 410. 410. 41}。 将上述 ξj k代入 rj 1 10∑ 10 k 1 ξj k可得候选方 案对理想方案的关联度 r1 0. 92 ，r2 0. 81 ，r3 0. 57 ，r4 0. 82 ， r5 0. 40 。 经归一化后得到 5 个评价因素的权重集为 wj { 0． 2610． 2300． 1620． 2330． 114}。 4． 2． 5计算灰色关联度 根据式 7 可得出ε1 0. 597，ε2 0. 829，ε3 0. 642 很明显，ε2＞ ε3＞ ε1。因此， 方案 2 即回收 卫生填埋为最佳的城市生活垃圾处理方案。 5结论 通过灰色关联法， 进行城市生活垃圾处理方案的 优选， 简易可行， 并具有一定的客观性和准确性， 应用 在类似的方案优选中， 可得出一定的结论并作为参考。 参考文献 ［1］劳期团． 环境管理使用技术方法［M］． 北京 中国环境出版社， 1994． ［2］唐然， 龙腾锐， 龙向宇． 模糊 － 灰色关联法在污水处理工艺优 选中的应用研究［J］． 给水排水， 2008， 34 S1 335- 339． ［3］Jia Zhenyuan，Ma Jianwei，Wang Fuji，et al．Characteristics forecasting of hydraulic valve based on grey correlation and ANFIS ［J］． Expert Systems with Applications， 2010， 37 1250- 1255． ［4］YukoSassa， YasuyukiTaki， HikaruTakeuchi， etal．The correlation between brain gray matter volume and empathizing and systemizing quotients in healthy children［J］． Neuro Image，2012， 60 2035- 2041． ［5］刘思峰， 党耀国， 方志耕， 等． 灰色系统理论及其应用［J］． 北 京 科学出版社， 1991． ［6］王浙明， 史惠祥， 苏雨生， 等． 灰色关联模型用于工程方案优化 ［J］． 中国给水排水， 2002，18 81- 84． 作者通信处张朝升510006广州市大学城外环西路 230 号广州 大学土木工程学院 电话 020 39366961 E- mailgdzcs 126． com 2012 － 10 － 19 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 57 页 按 10 000 kWh 折合3 t 标煤， 可折合年节省标 煤为 180 t。 4. 3. 3其他 改造后， 经检测， 氧化风机的噪声水平为 83 ～ 87 dB， 相比较改造前， 噪声水平略有下降。可见有利 于降低噪声， 改善环境。 5结论 高速离心风机应用于烟气脱硫系统中， 作为氧化 风机替代原有罗茨风机， 通过节能测算和实际运行效 果评 估， 改 造后可 做到 节 能、 降 噪， 年 节 约 标 煤 为 179. 9 t， 噪声水平下降约 2 ～ 3 dB， 且不影响脱硫石 膏的品质， 具有一定的工程应用和借鉴意义。 参考文献 ［1］王志轩， 潘荔， 杨帆， 等． 中国电力工业 “十一五” 节能减排成效 及问题思考［J］． 环境工程技术学报， 2012， 2 2 81- 89. ［2］冯金煌， 陈活虎． 脱硫喷淋塔除尘的影响因素及效果分析［J］． 环境工程，2010， 28 3 70- 72， 84. ［3］宋文清． 空气悬浮离心鼓风机在污水处理厂中的应用［J］． 城 市道桥与防洪， 2010 8 114- 116. ［4］何相之． 污水处理工程中高速单级透平鼓风机的应用［J］． 通 用机械， 2006 1 51- 52. ［5］谢长焕， 王鹏， 孟玉， 等． 空气悬浮离心鼓风机及其在污水处理 厂的应用［J］． 中国资源综合利用， 2008， 26 9 31- 32. 作者通信处陈活虎201900上海市同济路 999 号上海宝钢节能 技术有限公司 7 号楼 1005 室 E- mailchenhuohu 163． com 2012 － 11 － 21 收稿 131 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期