厦门市城市固废管理规划模型研究

阳艾利，陈秀娟，赵 珊，林夏婧

(1.厦门理工学院环境科学与工程学院，福建 厦门 361024；2.里贾纳大学应用科学与工程学院，萨斯喀彻温 里贾纳S4T 2K3; 3.山东大学水环境污染控制与资源化重点实验室，山东 济南 250100)

随着我国社会经济的高速发展，城市数量增加、规模扩大、人口增多、人民生活方式改变以及生活水平提高，城市固体废弃物(简称固废)产生量日益增加。目前，我国是世界上城市固废产生量最多的国家，全国661个城市中至少有200个城市被固废包围[1]。我国人均每天固废产生量约0.9 ～ 1.2 kg，并以每年3%～5%的速度增长，其管理问题已经受到了广泛关注。在固废管理系统的规划中，管理人员需要考虑到固废分配和处理设施扩容等一些问题[2]。高效的进行数据收集、量化分析、找出相互关系，在解决经济和环境目标同时，获得最佳的系统效率，实现方案优选，是固废管理规划所面临的问题[3-6]。在实际固废处置过程中，填埋法虽然投资少、处理费用低、处理量大、操作简便，但占地面积大，有害物质影响地下水水质；焚烧和堆肥处理虽然投资成本较高且易产生烟尘和臭气，但优点是占地面积小，处理后产品具有附加值，如焚烧发电和有机肥。厦门市正面临严重的土地资源短缺问题，无法建设太多个占地巨大的垃圾填埋场。因此，厦门市政府规定，超过60%的市政固废将通过焚烧和再回收进行处置，以延长垃圾填埋场的使用寿命[7]，同时厦门市的垃圾焚烧站使用国际先进技术，其污染物排放已经符合国际排放标准。向其他固废管理设施分流固废将尽可能延长填埋场的使用寿命，但由于分流过程存在较高的运营成本，可能会导致更高的系统成本。因此，如何通过有效分配固废来实现单位净成本下固废转移量的最大化是厦门市固废管理面临的首要问题。其次，垃圾填埋场有总容量限制，而焚烧炉和堆肥厂有每日的处理量限制。近年来由于人口的增长、生活水平的提高、旅游业的发展，市政垃圾的产生量持续高速增加，2000年以来年增长率都超过10%。这必然导致固废管理处置设施的容量不足，无法满足未来总体固废处理需求。此外，随着设施容量的扩增，固废产生量和可用设施容量之间的关系也会随着时间的推移而变化；相应的固废分配方案也会因不同的规划期而有所不同。因此，从长远规划的角度来看，每一规划期都要优化固废分配模式。然而，此前厦门市城市固废管理与治理规划的相关研究大部分年份较久，并未综合考虑到这些问题[8-10]。

本文旨在开发固废管理规划模型，用于支持厦门市的城市固废管理规划。该模型将在考虑经济成本最低的基础上，最大化向填埋场以外其他固废处置设施的固废分流，同时最大限度地提高系统效率。模型结果将为厦门的城市固废管理规划提供固废分配量和固废管理设施的扩容方案。

1 厦门市城市生活垃圾管理现状

厦门市是福建省唯一的经济特区，是国内最著名的海滨旅游区之一。占地约1 573.16 km2，主要包括6个区，总人口约381 万，人口分布为湖里区100.6 万，思明区98.3 万，集美区63.3 万，同安区53.6 万，翔安区32.7 万，海沧区32.5 万[11]。2011—2015年间，人口总增长率达6.5%[12]。2015年，厦门市生活垃圾总产生量约1.465 4×106t，日产生量约为4 016 t[13]。

目前，厦门的垃圾管理系统由两个垃圾中转站、3个焚烧炉、一个堆肥厂和两个垃圾填埋场组成。其中海沧区的西部垃圾焚烧站(IN1)日处置量600 t/d，翔安区的东部垃圾焚烧站(IN2)日处置量600 t/d，湖里区的后坑垃圾焚烧站(IN3)日处置量400 t/d，翔安区的东部垃圾堆肥厂(CF)日处置量750 t/d，海沧区的西部垃圾填埋场(LD1)仍在建设，还没有投入使用，翔安区的东部垃圾填埋场(LD2)处置量4.374 × 106t；还有湖里区和集美区的两个垃圾中转站 (TS1和TS2)。目前的固废分配模式是思明区的固废运到IN3焚烧，剩余的思明区的固废和湖里区的固废运输到LD2填埋；来自集美区和海沧区的固废被运到IN1焚烧，剩余的固废运往LD2填埋；同安区和翔安区的所有垃圾都被运到LD2和IN2处置。在这种情况下，垃圾填埋场处置的固废超过总数的60%，并且主要依靠LD2。因此，LD2的使用寿命会由于固废产生量的持续增加而严重缩短。据报道，按照目前的垃圾分配模式，LD2的容量只可以再使用5 a。因此，固废管理系统的建立需要考虑固废处理时，增加从填埋向焚烧和堆肥处置设施的转移策略。

2 厦门市固废管理规划模型

2.1 模型的建立

为反映厦门市固废产生量的动态变化，模型设置2018—2032年的15 a规划期，并划分为3个阶段，每个阶段为5 a。在厦门市固废管理规划模型中，引入分数线性规划和混合整数线性规划方法。分数线性规划方法用以最大化发挥系统效率，混合整数线性规划用以优化扩容方案，因此模型设置两种决策变量：连续变量和二进制变量。连续变量代表固废分配流量，包括从各个行政区运输到各个固废处理设施和垃圾中转站，和从中转站转运到固废处理设施。二进制变量则表示设备容量扩展的解决方案，每个设备可以有不同的扩容规模[14]。模型旨在通过有效分配固废流量，降低系统成本，实现固废填埋转移量的最大化。其目标函数：

(1)

式(1)中的B1为固废的运输成本，有

(2)

式(2)中：d表示垃圾中转站，d=1,2；i表示固废处置设施，i=1,2,3,4,5,6，其中i=1,2,3为焚烧炉，i=4为堆肥设施，i=5,6为填埋场；j表示厦门市6个行政区，j=1,2,3,4,5,6；k表示规划期，k=1,2,3；Aijk是规划期k内由区域j运往处置设施i的垃圾量(t/d)；Xdjk是规划期k内由区域j运往中转站d的垃圾量(t/d)；Tdik是规划期k内由中转站d运往处置设施i的垃圾量(t/d)；Lk是一个规划期k的时间长度(d)；TRijk是规划期k内固废从行政区j运输至设施i的运输成本(元/t)；TSdjk是规划期k内固废从行政区j运输至中转站d的运输成本(元/t)；TFdik是规划期k内固废从垃圾中转站d运向设施i的运输成本(元/t)；FTik是规划期k内焚烧炉和堆肥设施的废渣向填埋场运输成本(元/t)，i=1,2,3,4；FEk是焚烧炉到垃圾填埋场的废渣量(进入焚烧炉固废量的百分比)；FCk是从堆肥设施到垃圾填埋场的废渣量(进入堆肥厂固废量的百分比)。

式(1)中的B2为设施的运行成本

(3)

式(3)中：OCik是规划期k内固废处置设施的运行成本(元/t)；OPdk是规划期k内垃圾中转站的运行成本(元/t)。

式(1)中的B3为垃圾中转站和固废处理设施的库存成本，

(4)

式(4)中：Ck是规划期k内中转站垃圾的存储成本(元/t)；Hk是规划期k内垃圾中转站运输一批固废的安装成本(元/批)；Vdk是规划期k内垃圾中转站d的最低处理量(t/d)；Mk是规划期k内焚烧炉垃圾的存储费用(元/t)；Nk是规划期k内焚烧炉运输一批固废的安装成本(元/批)；Sik是规划期k内焚烧炉的最小处理量(t/d)，i=1,2,3。

式(1)中的B4为设施的扩建成本，

(5)

式(5)中：m是拟扩建方案，m=1,2,3；FLKik是规划期k内设施i的扩建成本(元)；Uimk是规划期k内焚烧炉是否扩建的进制变量，i=1,2,3；VLik为规划期k内填埋场是否扩建的二进制变量，i=5,6。

式(1)中的B5为系统收入，

(6)

式(6)中:ηk是焚烧炉回收率，即焚烧量占进料总量的百分比；RE1k是规划期k内回收垃圾的收入(元/t)；RE2k是规划期k内焚烧炉的收益(元/t)；RE3k是规划期k内堆肥的收入(元/t)。

式(1)中的B6为固废转移量

(7)

模型约束的设置用以反映厦门废物管理规划模型中决策变量与系统条件之间的关系。内容具体包括，设施容量、质量平衡、固废转移率、设施的处理需求和容量扩张。

1) 垃圾中转站的日容量约束

∀d,k。

(8)

式(8)中：TWdk是规划期k内中转站d的日容量(t/d)。

2) 垃圾填埋场的总容量约束

(9)

(10)

式(9)～(10)中：TL1是垃圾填埋场1的现有容量(t)；ΔTL1是垃圾填埋场1的总扩容量(t)；TL2是垃圾填埋场2的现有容量(t)；ΔTL2是填埋场2的总扩容量(t)。

3) 焚烧炉的日容量约束

∀k′=1,2,3。

(11)

式(11)中：TEi是焚烧炉的现有日容量(t/d)，i=1,2,3；ΔTEimk是焚烧炉在规划期k的初期扩容方案m下的扩容量(t/d)，i=1,2,3。

4) 堆肥设施的日容量约束

∀k′=1,2,3。

(12)

式(12)中：TC是堆肥设施的现有日容量(t/d)。

5) 总量平衡约束

(13)

式(13)中：Wjk是规划期k内行政区j的固废日产生量(t/d)。

6) 固废转移率约束

(14)

式(14)中：DGik是规划期k内垃圾向焚烧炉和堆肥设施的转移率，i=1,2,3,4。

7) 中转站和焚烧炉的最低处理需求量约束

∀k′=1,2,3；

(15)

(16)

(17)

8) 设施扩容的约束

(18)

(19)

(20)

9) 非负数约束

Aijk≥0, ∀i,j,k;Xdjk≥0, ∀d,j,k;Tdik≥0, ∀d,i,k。

(21)

2.2 模型数据

表1为厦门市6个行政区的固废日产生量，各规划期的固废日产生量是根据目前厦门市的固废日产生量按照过去5 a的年平均增长率进行计算得到的。

表1 各区固废日产生量

表2为固废管理设施的运营、库存和设置费用，以及垃圾回收、堆肥和焚烧的收益数据。

表2 固废管理设施的运营费用、固废库存费用、收益信息

表3为垃圾焚烧站和堆肥场的扩容方案和不同固废处理设施的扩容成本，其中LD1和LD2的总扩容量分别为8.5×106t和7.0×106t。相关数据由厦门市园林局、环保局和卫生管理处提供，其他数据来源于相关文献[11 ,13-14]。扩容选项是根据厦门固废增长量预估设置的，扩容费用数据是根据网上公开的数据和类似的固废管理优化文献综合估算得出。

表3 扩容方案及扩容费用

表4为焚烧炉和中转站的垃圾回收率、残渣率、转移率，以及最小的固废处理量信息。

表4 垃圾回收率、残渣率、转移率及最小固废处理量

3 厦门市固废管理规划优化方案

由于垃圾产生量的时空变化，不同规划阶段的垃圾分配模式将会有所不同。表5为规划模型计算所获得的不同固废管理设施物流规划方案。

表5 固废分配量规划结果

3.1 一期规划固废分配优化方案

由表5可知，思明区将每天分配1 095.55 t的固废到TS1，剩余179.49 t/d的固废将被运输到TS2。TS1的剩余容量将用于从湖里区接收固废，而湖里区其他的固废将被分配给IN3。从集美区产生的固废(520.51 t/d)将首先被运送到TS2，其余的一部分固废(151.15 t/d)将被直接运到IN1，另一部分固废(163.79 t/d)则被运往位于CF。海沧区的所有固废将被运送至IN1，而翔安区的所有固废则将被运送至CF。来自同安区每天437.63和275.82 t的固废将被分别运往IN2和CF。这是因为在所有的行政区中，湖里区和思明区是最接近TS1的，而集美区则是最接近TS2的。IN1位于海沧区，CF位于翔安区，而IN2是同安区最近的固废处理设施。从垃圾中转站到处置设施的固废分配模式是：TS1的固废将首先被转移到最近的处理设施，即CF，剩余的固废将在LD2处置；所有TS2收集的固废将被运到LD2，因为最近的焚烧站IN1将被用来处理思明区和海沧区的固废。

3.2 二期规划固废分配优化方案

在二期规划中，思明区的固废将分为三部分运输：每天将有1 400 t的固废运往TS1，约318.13 t/d的固废将分配给TS2，而剩下248.7 t/d的固废将被运送到LD1。每天有414.45和1 600 t来自湖里区的固废将被分别运往TS2和IN3。集美区产生的固废，将先运送467.42 t/d的固废去TS2，其余404.26和409.76 t/d的固废将分别被分配到IN1和CF。海沧区的所有固废将被运往IN1，同安区的所有固废则将运到CF进行处理。大部分翔安区的固废(527.48 t/d)将会被送往IN2，剩余152.97 t/d的固废会被运到CF。从中转站到处置设施的运送模式为：从TS1将转运382.52 t/d固废到IN2，495.82 t/d的固废到CF，521.66 t/d到LD2；TS2的所有固废(1 200.0 t/d)将转移到LD2。规划一期和二期之间固废分配模式的差异，主要是由于厦门市的固废产生量在这一时期迅速增加。与一期相比，规划二期思明区的固废产生量将大于TS1的处理能力。因此，TS1只能中转思明区的固废。湖里区的固废量也将超过IN3的处理量，导致IN3只处理湖里区的固废。

3.3 三期规划固废分配优化方案

在此阶段，厦门市固废产生量将继续大幅提高，一些设施的容量将会扩大，因此固废分配方案与二期有所不同。由思明区产生固废有479.55和586.6 t/d将被分配到TS1和TS2，其余大部分固废(1 981.79 t/d)将运往LD1。IN3的所有容量(2 200 t/d)将用于湖里区的固废处理，湖里区剩余固废将被运往TS1。集美区产生的部分固废将分配到TS2，另一部分将分配给IN1。同时IN1将处理海沧区的所有固废。同安区的固废将分别流向IN2(1 224.75 t/d)和CF(455.69 t/d)。翔安区的大部分固废(815.55 t/d)也将被运送到IN2，其他固废(224.89 t/d)将在CF处理。由TS1所收集的约1 400 t/d固废将被转至CF；TS1所收集的固废一部分被中转到CF处置，另一部分被中转到LD2处置。

3.4 设施扩建规划方案

表6给出了模型优化计算后在不同规划期内固废管理设施的扩容方案。结果表明，所有固废管理设施都将扩容，用于满足日益增加的固废产生量。在规划3期内，约16.3×106t的固废将从垃圾填埋场转移，这意味着焚烧炉和堆肥厂将处理厦门市超过79%的固废。因此，固废转移量将超过其现有的处理容量，应该为其扩容。具体的，IN1将在规划二期和三期开始时增加900 t/d的日处理容量。IN2则将在这两个时期开始时分别扩容540和600 t/d，N3和CF则将在每个规划期的开始进行扩容。对于垃圾填埋场，LD2是厦门市目前唯一在使用的垃圾填埋场，即使超过90％的固废被转移到焚烧炉和堆肥厂，LD2仍将在规划一期结束时被填满。因此，需要建设LD1来分担LD2的压力，同时未来也需要对LD2进行扩容，新建的LD1将有8.5×10-6t的容量在一期投入使用，LD2将在二期扩容到11.4×10-6t。

表6 固废设施扩容规划

4 结语

本文提出的以线性分数规划为基础的厦门市固废管理规划模型，可以通过固废转移和系统效率的最大化有效地解决城市固废管理可持续发展的问题，并为厦门市固废管理提供最优的固废流量分配和设施扩容规划方案。模型规划结果，可将厦门市超过79%的固废转移到焚烧炉和堆肥厂进行处置，极大地减轻垃圾填埋场的负担。值得一提的是，城市固体废物产生量是研究城市固体废物管理优化的基本因子，由于人口增加和迁居，经济高度发展和消费水平变化等因素，固废产生增长率呈现动态性和非线性等复杂特性，且各因子间相互作用相互影响，加大了固废产生量预测的难度。近年来厦门市政垃圾的产生量持续高速增加，即使作为垃圾分类试点城市，积极拓宽回收渠道，但垃圾收运中转仍是一锅端，近期很难出现库兹涅兹效应，使固废产生量下降。随着居民意识觉醒，垃圾转运配套工作跟上分类步伐，将来也有填埋量下降的可能。