采用层次分析法（AHP）优选生活垃圾综合处理物流模式

张红玉，王桂琴，李国学

（1.中国农业大学 资源与环境学院，北京100193；2.北京市环境卫生设计科学研究所，北京100028）

据北京市渣土处统计，2000—2008年，北京市生活垃圾的清运量呈稳定增长趋势，垃圾清运量平均每年增加9.9%。2009年北京市生活垃圾产量有一定的回落，但总量仍然相对较大。由于人口结构的变化和人们生活水平的提高，生活垃圾组分也在发生变化，主要表现为无机物含量大幅度下降，有机物组分逐渐上升[1]，这种变化将对北京市生活垃圾处理与利用方式产生重要影响。近2年北京市垃圾物理和化学组分的调查表明，垃圾处理方式比例与垃圾物理组成比例极不适宜，主要表现在有机易腐物比例高，填埋比例过大；堆肥比例过小，只占6.1%；可燃组分高，焚烧比例过小，只占4.3%[2]。据《关于全面推进生活垃圾处理工作的意见》，到2015年北京市生活垃圾焚烧、堆肥和填埋比率达到4∶3∶3，垃圾分类率达到65%。为达到这一目标，生化和焚烧处理量必须大幅度提高，生活垃圾的分类收集与处理也必须大面积推行。目前北京市南城地区正施工建设日处理能力1 000t的南宫焚烧厂，该项目建成后，需要对南城地区生活垃圾进行物流方案调整和优化，从而可以最大程度发挥现有堆肥设备能力，顺畅南城地区垃圾物流渠道，大幅度提高垃圾处理“三化”能力。

目前，关于废弃物物流模式的优选方法主要有生命周期法[3－6]、逆向物流法[7－9]和层次分析法[10]。前2种优选方法所需要的数据量大，方案优选和评价时相应的工作量也较大，评价过程复杂，并且要对获取的数据仅进行定量分析，而实际工程评价项目中有很多影响因素难以量化，因此限制了这2种方法的适用性。层次分析法（AHP）作为一种定性和定量分析相结合的多目标决策分析方法，可以根据分析对象的性质和评价的总目标，将总体现象中的各种影响因素划分为相互联系的有序层次，使之条理化。近年来，AHP在城市生活垃圾处理处置研究的许多方面均有应用[11－12]。本研究以南城地区的垃圾处理处置方案为研究对象，采用层次分析法（AHP）对生活垃圾筛分工艺改进和大类粗分条件下的5种分流方案进行了评价，分析现有垃圾处理处置方案的弊端，以及在混合收运和大类粗分条件下可行的优化方案，为南城地区生活垃圾堆肥、焚烧和填埋综合处理处置方案的科学筛选提供依据。

1 研究方法

AHP的基本原理是将需要评判系统的有关替代方案的各种要素，以上一层次为准则，对该层次元素进行逐次比较；依照规定的标度量化后写成矩阵形式，即构成判断矩阵。两两比较，计算出各因素的权重，根据综合权重按最大权重原则确定最优方案[13]。将南城地区生活垃圾处理处置方案单个备选方案的各种要素以上一层次为准则，对该层次元素进行逐次两两比较，依照1～9标度法构造判断矩阵，根据综合权重按最大权重原则确定最优方案，最后科学合理确定南城地区生活垃圾物流分配的最优方案。

1.1 南城地区生活垃圾物流分配方案优选步骤

根据AHP 5级9等要求（表1），作专家打分表，发给生活垃圾处理业内专家进行评分，评分结束后，对回收的数据进行整理，采用1～9标度法（表1）构造出两两比较判断矩阵[14]。剔除不相容的矩阵后，将矩阵元素平均并归一化，得到18个判断矩阵，其中准则层判断矩阵17个，目标层判断矩阵1个。最后对各层判断矩阵进行计算，确定权重，并进行一致性检验，计算获得最优方案。

表1 AHP元素间相互比较重要程度分级

1.2 南城生活垃圾物流优选结构模型及备选方案

通过分析北京市南城地区混合收集和分类收集条件下生活垃圾处理处置的具体影响因素，并考虑对生活垃圾处理过程中的技术和经济指标的影响，确定南城地区生活垃圾处理处置结构模型如图1所示。

图1 层次结构模型

目前，北京南部城区生活垃圾采用混合收集方式，垃圾物流的2个重要节点是马家楼和小武基分选转运站，处理能力分别为1 000t／d，均采用15mm和80mm两级筛分，可将垃圾筛分为3部分，＜15mm和＞80mm粒径段的垃圾主要转运到安定填埋场填埋，15～80mm粒径段垃圾转运到南宫堆肥厂进行堆肥处理。南宫堆肥厂生活垃圾的堆肥过程包括高温发酵（8d）、后熟化（12d）和最终熟化（12d）3个阶段，生活垃圾经过高温发酵和后熟化2个阶段后进行25mm筛分处理。筛上物为堆肥残渣，转运到安定填埋场填埋，筛下物运送到最终熟化场地进行稳定化处理，堆肥结束后，堆肥物料经过5mm筛分，5～25mm粒径段物料为粗堆肥，这部分物料颗粒大、杂质多，转运到安定填埋场填埋，＜5mm粒径段物料即为堆肥产品。本研究垃圾物流备选方案主要依据近几年基于对生活垃圾物理组成和性质变化进行的转运站筛分工艺的改进和优化[15－16]、不同物流环节垃圾特性以及生活垃圾的大类粗分[17]等研究结果的基础上设置了物流方案，如表2所示。

表2 生活垃圾物流方案

1.3 评价因子确定及其数值的获取

根据表2设置的各个方案，评价因子的确定主要根据生活垃圾的处理技术进行选择。在堆肥技术方面，在南宫堆肥厂隧道发酵仓分别进行了方案2、方案3、方案4三种原料堆肥试验，方案5堆肥原料在本实验室自动控制的密闭发酵罐中进行。南宫堆肥样品共计4个，分别为原料、高温堆肥出料、后熟化以及最终熟化样品。隧道高温发酵仓是沿着发酵仓垃圾堆体长度方向（总长度27m），高度1.5m，等间距布置5个采样点进行采样，每个采样点2kg样品，混合均匀后利用四分法取样2kg进一步制样后供测试。发酵罐堆肥样品是按照0、7、14、21和28d进行采集样品，并进行物料平衡研究计算堆肥产量。堆肥腐熟度评价指标选择固相C／N降解率、EC变化率（%）、WSC变化率（%）、E4／E6、GI（%）作为评价因子，其次测定了堆肥的养分含量（以N＋P2O5＋K2O计，%）和堆肥产量。各个指标的测定方法及来源参考[18－19]；焚烧处理选择垃圾的低位热值[12]、处理规模和发电量作为评价指标；填埋处置选择垃圾填埋量、渗滤液产生量以及填埋场的使用年限作为评价指标，填埋厂的使用年限主要是根据设计年限和垃圾的容重、压实密度和填埋量进行计算；经济指标主要选择各个方案的总经济收益、总经济支出、产投比（%）作为评价因子。其中总经济支出包括3部分：填埋场的总运行成本、堆肥厂的总运行成本和堆肥残渣处置费用、焚烧厂的运行成本和残渣（包括飞灰）处理费用，以及各自运输成本和渗滤液处理费用，由于堆肥厂、焚烧厂和填埋场基础建厂投资为国家一次性投资，因此不计入各自运行成本；总经济收益是指填埋、堆肥和焚烧处理的国家补贴费用，及堆肥产品的销售收入和焚烧发电的收益。具体数据见表3，根据实际数据的比较计算出各因素的权重，其中准则层B层和C层的C1、C2、C3根据专家打分得出各自的权重。

表3 各评价的因子值

表3中焚烧残渣、飞灰和发电量的计算参考李季、寇晓 芳和宋立杰等人的研究结果[20－23]，生活垃圾经过堆肥和焚烧处理，其残渣性质相对稳定，且含水率较低，因此在填埋过程中几乎不会产生渗滤液，在此忽略不计。因此，对于堆肥和焚烧相结合的处理方案，经济评价时不考虑其残渣填埋过程中渗滤液的处理成本。

2 结果与分析

2.1 各方案堆肥腐熟度的模糊评价

由于固相EC变化率（%）、E4／E6、WSC变化率（%）、C／N降解率、GI（%）均是表征堆肥腐熟的指标，为了评价方便，将5个单项腐熟度指标利用模糊数学法转换为腐熟度综合指标进行评价，评价方法及评价因子等级参考王桂琴等人的研究方法[24]，最终评价结果如表4所示（E1无堆肥处理，因此不参与评价）。

表4 模糊评价结果

由表5可以看出，E2和E3的评价结果均为3级，E4的评价等级为2级，表明堆肥腐熟程度较好，E5的评价等级为1级，表明堆肥腐熟程度好，从而说明筛分工艺的优化以及生活垃圾的大类粗分可以优化堆肥物料，进而提高堆肥腐熟度。

2.2 准则D层判断矩阵

准则D层共有9个元素，其对方案E构建9个比较判断矩阵，表5为D1（堆肥产量）对5个备选方案构建的判断矩阵，其中WD1代表E1、E2、E3、E4和E5影响D1的权重，其余8个判断矩阵的构建方法相同.

表5 判断矩阵 D1－E1－5

2.1.1 堆肥技术单排序权重

由各判断矩阵计算结果可知，D1－E 层次单排序为（0.045 6，0.065 8，0.152 7，0.247 2，0.488 8）T，可见5种方案中堆肥产量对堆肥技术影响差别较大。E1无堆肥处理，对方案本身影响最小，随着筛分工艺改进，可用于堆肥的垃圾物料逐渐增多，因而D1对E2、E3、E4的影响越来越大，E5堆肥产量对方案的影响最大，主要是因为分类条件下，用于堆肥的垃圾全部是厨余垃圾，杂质少，堆肥产率高，而混合收集条件下，垃圾中的塑料、织物、纸类、玻璃等不可堆腐物含量较高，约为30%，从而降低了堆肥产率。D2－E层次单排序为（0.041 9，0.089 7，0.137 0，0.220 6，0.510 9）T，表征腐熟度综合指标对各方案的影响，腐熟度综合指标在5种方案中的贡献依次增大，说明了随着筛分工艺的不断优化，原料中非堆肥组分不断减少，促进了堆肥的腐熟度；E5是基于大类粗分后，只采用厨余垃圾作为堆肥原料，避免了塑料、灰土、玻璃等组分对堆肥的影响，因而腐熟度最高；D3－E层次单排序（0.036 0，0.080 6，0.144 9，0.247 1，0.491 3）T，说明了养分指标对堆肥技术的影响大小，养分含量对5种方案的贡献依次增大，表明了筛分工艺的不断优化和大类粗分均可以提高堆肥的养分含量。

2.1.2 焚烧技术单排序权重

D4－E 层次单排序（0.047 0，0.047 0，0.282 9，0.452 3，0.170 7）T是处理规模对焚烧技术产生的影响，由于E1和E2两个方案均未采用焚烧处理技术，因此其对方案本身的影响最小，E3的焚烧量最大，因此对焚烧技术的影响也最大；D5－E 层次 单 排 序 （0.047 5，0.194 9，0.266 7，0.064 1，0.426 9）T，表明的是垃圾热值对焚烧技术的影响，E5垃圾热值对方案本身的影响最大，这是因为生活垃圾进行分类后，垃圾热值的贡献主要是由塑料、木竹、纸类和织物这些易燃物决定，同时这些易燃垃圾的含水率明显低于混合垃圾的含水率，因而热值很高；D6－E 层次单排序（0.051 6，0.051 6，0.346 5，0.417 9，0.132 5）T，表征的是发电量对焚烧技术的影响，E1和E2未采用焚烧技术，因此两者对方案的影响相同，且最小，E3的焚烧量最大，因此焚烧过程的发电量也最多。

2.1.3填埋技术单排序权重

D7－E 层次单排序（0.029 6，0.054 6，0.151 4，0.300 6，0.463 8）T、D8－E 层 次 单 排 序 （0.030 4，0.064 4，0.263 7，0.320 8，0.320 8）T，和 D9－E 层次单排序（0.043 0，0.043 0，0.142 5，0.263 5，0.508 1）T，分别表明的是垃圾填埋量、渗滤液产生量和填埋时间对方案的影响，可以看出三者对填埋技术的影响程度依次增大，其主要原因是5种方案的垃圾的填埋量依次减少，这样填埋场产生的渗滤液也就相应降低，垃圾填埋量越少，所占用填埋场的空间就越小，因而，填埋时间就越长。

2.2 准则C层判断矩阵

准则C层共构建6个比较判断矩阵，表6为堆肥技术与对其产生影响的各个因子构建的判断矩阵，其中WC1代表D1－3影响C1的权重，其余判断矩阵构建方法相同。

表6 D1，D2，D3－C1 判断矩阵及权重

针对准则C层的6个判断矩阵得到各因子的影响权重，其中C1－D1，D2，D3的层次单排序为（0.117 2，0.614 4，0.268 4）T，说明了堆肥产量、堆肥腐熟度和堆肥养分含量3个分指标对堆肥技术的影响程度。其中腐熟度对堆肥技术的影响程度最大，其次是堆肥的养分含量，堆肥产量的影响最小；C2－D4，D5，D6的 层 次 单 排 序 （0.683 3，0.116 8，0.199 8）T，说明了焚烧量、垃圾热值和焚烧发电量3个分指标对焚烧技术的影响程度，其中垃圾的焚烧量对焚烧技术的贡献最大，其次是发电量，影响最小的是垃圾热值；C3－D7，D8，D9的层次单排序（0.109 5，0.309 0，0.581 6）T，说明了垃圾填埋量、渗滤液产生量和填埋时间3个分指标对填埋技术的影响程度，其中填埋时间对填埋技术的贡献最大，其次是渗滤液产生量，贡献最小的是垃圾填埋量；C4－E层次单排序（0.046 3，0.082 6，0.324 7，0.172 7，0.373 7）T，说明了总经济收益对5种方案的影响程度，方案五的经济收益对方案本身的贡献最大，其次是方案三，方案一的经济收益最小，因此影响最小；C5－E 层次单排序0.486 4，0.260 9，0.050 7，0.129 4，0.072 6）T，说明了总经济支出对5种生活垃圾处理方案的影响程度，方案一的经济支出对方案本身的影响最大，因为方案一在经济收益最小的情况下，在保证填埋场正常运行时还要支出大量资金进行渗滤液处理，因此其影响最大；方案三的经济支出对方案的影响最小；C6－E层次单排序（0.051 4，0.084 5，0.176 8，0.419 3，0.268 0）T，说明了产投比对5种方案的影响程度，其中方案四的产投比对方案本身的影响最大，其次是方案五，影响最小的是方案一。

2.3 准则B层判断矩阵

准则B层共构建2个比较判断矩阵，表7为技术指标与对其产生影响的各个因子构建的判断矩阵，其中WB1代表C1－3影响B1的权重，另外一个判断矩阵构建方法相同。

表7 C1，C2，C3－B1 判断矩阵及权重

准则B层的2个判断矩阵得到各因子的影响权重，其中B1－C1，C2，C3的层次单排序（0.461 5，0.461 5，0.076 9）T，说明了堆肥、焚烧和填埋技术对方案技术指标的影响程度，其中，堆肥和焚烧对方案的技术指标的影响最大，且两者的影响程度一样，填埋技术的影响程度最小；B2－C4，C5，C6的层次单排序（0.250 0，025 00，0.500 0）T，说明了总经济收益、总经济支出和产投比对方案经济指标的影响程度，其中总经济收益和总经济支出对方案本身的影响程度较小，且两者的影响程度一致，而产投比的经济指标对方案本身的影响程度均是总经济收益和总经济支出的2倍，从而说明产投比分指标对方案经济指标的影响非常大。

2.4 目标层判断矩阵

目标层（南城地区生活垃圾处理处置的最佳物流方案）以及其下层的影响因子包括技术和经济指标，构建的比较判断矩阵如表8所示，其中WA代表B1和B2影响A的权重。

表8 B－A判断矩阵及权重

目标层中各因素A－B的层次单排序（0.666 7，0.333 3）T，说明整个生活垃圾处理处置方案中，技术因素对其影响最大，经济因素的影响程度相对较小。

2.5 结果

根据所有层次排序的结果（表9），计算各备选方案的得分，5种方案的得分指数分别为 E10.082 2；E20.091 4；E30.203 8；E40.303 8；E50.318 9。

表9 层次排序结果

5种方案的优劣顺序：E5最优，其次为E4，E1最差，说明南城地区生活垃圾处理处置方案最可取的是基于大类粗分条件下的分类收集、分类处理处置的物流方案，即厨余垃圾直接堆肥处理，其他垃圾经物资回收后进行焚烧处理，堆肥残渣和焚烧残渣进行填埋处置；其次可以考虑在混合收集条件下，马家楼和小武基2个分选转运站，将15mm筛分更改为40mm筛分，并保留80mm，将0～40mm粒径段生活垃圾进行堆肥处理，40～80mm粒径段生活垃圾生物干化后一并与＞80mm粒径段垃圾进行焚烧处理，堆肥残渣和焚烧残渣进行填埋处置；生活垃圾处理处置最不可取的是原生垃圾直接进行填埋处置的方案。

3 结 论

1）AHP比较结果表明，混合收运条件下，原生垃圾完全填埋方式（E1），不但浪费了大量资源，而且会产生大量渗滤液，增加运行成本并对环境造成了潜在威胁，该方案最差；混合收集垃圾采用15mm和80mm筛分后进一步堆肥和填埋组合工艺（E2）的物流方案在保护环境和资源利用方面有一定的优越性，但仍存在原生垃圾填埋量较大和渗滤液污染问题，同时堆肥产品杂质多，养分含量低。

2）混合收运条件下，在E2基础上取消15mm筛分同时增加焚烧工艺的物流方案（E3），堆肥养分含量有所提高，同时增加了焚烧环节，经济收益明显增大，垃圾填埋量减少，基本实现了原生垃圾零填埋。

3）混合收运条件下，在E3基础上增加40mm筛分其他工艺不变的物流方案（E4），显著减少了物料中非堆肥组分，有利于堆肥腐熟，原生垃圾零填埋，进一步延长了填埋场使用寿命，很大程度实现了生活垃圾资源化，该物流方案可作为南城地区生活垃圾处理处置的过渡方案。

4）在大类粗粉条件下，厨余垃圾可直接进入堆肥厂堆肥，其它垃圾物资回收后进行焚烧处理，堆肥残渣和焚烧残渣进行填埋处置，该方案是5种方案中的最优方案（E5），是南城地区乃至北京地区生活垃圾处理处置的最终可实施方案。

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