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目前我國城市垃圾的年產生量達1.5億t，且每年以8%~10%的速度增長[1]。城市生活垃圾中，廚余類有機物含量穩定在67%~79%，可回收類的有機物含量在14%~26%，各城市生活垃圾的有機成分總含量均在90%以上[2]。
生活垃圾堆肥技術在歐美國家起步較早，目前已經達到工業化應用水平。根據堆肥原理，分為好氧堆肥和厭氧堆肥2種。厭氧分解需在嚴格缺氧條件下進行，厭氧微生物分解生長較慢，故應用不多。而好氧分解過程同時產生高溫，可以殺滅病蟲卵、細菌，因此為目前采用的主要堆肥工藝。從20世紀80年代開始應用“二次發酵工藝”后，堆肥處理工藝流程一般為：前處理-主發酵-后發酵-后處理-貯存。由于不同處理工藝間，后處理(對發酵熟化的堆肥進一步去除雜質、破碎和造粒等)和貯存過程(堆存或裝袋)差異不大，因此生活垃圾堆肥廠的不同工藝主要表現在前處理階段中對垃圾原料粒徑的選擇和發酵階段的差異方面。
本實驗以北京市南宮堆肥廠為例，利用模糊數學和層次分析法對10種堆肥處理工藝進行比較研究，提出南宮堆肥廠生活垃圾堆肥工藝的最優化方案，以期為城市垃圾堆肥工藝的改善提供借鑒和參考。
1研究方法
1.1研究對象概況
南宮堆肥廠位于北京市大興區贏海鄉，總面積為66hm2，距馬家樓垃圾轉運站21km，距安定垃圾衛生填埋場19km。堆肥廠西側200m為104國道。該堆肥廠是我國建立較早的典型城市生活垃圾堆肥廠之一[3]。堆肥倉長27m，堆體高2.5m，采用強制通風隧道式好氧發酵技術，高溫發酵期最高溫度可達60℃以上，處理能力為600t/d。堆肥原料主要來自北京市宣武區和豐臺區的生活垃圾。生活垃圾在馬家樓轉運站進行篩分前處理，利用15mm和80mm兩組粒徑篩分別獲得15~80mm可堆肥物料、<15mm和>80mm粒徑段的生活垃圾進行填埋處理。運往南宮堆肥廠的堆肥物料經過高溫發酵、后熟化和最終熟化3個階段進行堆肥處理，其中高溫發酵階段在發酵倉中進行，后熟化和最終熟化分別在露天平臺進行。
1.2采樣時間與方法
實驗于2008年4月11日至5月12日在南宮堆肥廠進行，每個發酵倉中垃圾堆體沿著長度方向設3~5個采樣點，高度取1.5m，每個采樣點取樣2kg，混合均勻后利用四分法取樣2kg，制樣供測試。每個發酵階段結束時進行取樣，即堆肥之前、高溫發酵結束、后熟化結束以及最終熟化結束時各采樣1次。實驗共設10個處理，各處理設計如表1所示。
表1實驗設計
表1中，CN10為0~15mm和15~80mm2種物料分別在不同發酵倉中進行單獨堆肥處理。在腐熟度測定方面，CN10中0~15mm物料與CN2相同，15~80mm物料與CN4相同。在經濟指標核算時，CN10為CN2與CN4之和，即對0~15mm、15~80mm物料分別進行單獨堆肥時的經濟情況。
1.3測定項目及方法
測定表征腐熟度的主要參數，包括電導率(EC)、吸光度比(E4/E6)、水溶性碳(WSC)、發芽率指數(GI)、總有機碳(TOC)、總氮(TN)和發芽率(GI)。其中EC是將垃圾按1：10[W(g)：V(mL)]浸提過濾，用DDS-11A型電導測定儀測定；E4/E6是將上述垃圾浸提液過濾后，于465nm和665nm波長處分別測定吸光度值(722型可見光分光光度儀)并取2者之比；WSC用重鉻酸鉀氧化法測定；TOC用重鉻酸容量法-外加熱法測定；TN用凱氏定氮法測定[4]；GI是取5mL浸提液于鋪有濾紙的9cm培養皿內，播20粒飽滿的小青菜種子，放置于20℃培養箱中培養，第48h測種子發芽率GI[5]。
1.4數據處理方法
數據處理主要選用模糊數學[6]和層次分析(AHP)法[7]。
2結果與討論
2.1以腐熟度指標為單一目標的工藝優選
2.1.1確定評價因子
堆肥腐熟度是反映有機物降解和生物化學穩定度的指標，關于腐熟度指標的選用，目前還沒有完全達成共識，但主要是從物理學、化學和生物學指標方面進行堆肥的腐熟度判斷。本研究主要選用電導率(EC)[4]、E4/E6[8]、水溶性碳(WSC)[9]、發芽率指數(GI)[10]和固相C/N[11]等指標以定量地表征堆肥物料變化和堆肥產品的腐熟度狀況。由于堆肥產品腐熟度指標的高低與原始物料的對應指標值有密切關系，表2給出了原始垃圾各指標的初始值。此外，本研究還采用各腐熟度指標的變化率來表征堆肥的腐熟程度，包括固相C/N降解率[12]、EC變化率(%)[4]、WSC變化率(%)[13]、E4/E6[3]和GI(%)[14]。最終熟化結束后針對每個處理，每個評價因子取其平行樣本的平均值，具體值如表3所示。
表2原垃圾的初始值
表3各評價因子值
2.1.2隸屬度函數模型
統一套用的函數模型為：
式中：r1~r4為各評價因子不同等級隸屬度值；ci為各評價因子實測值；si為各評價因子不同等級分級指標值。
2.1.3確定評價因子等級
依據堆肥腐熟度指標，將堆肥腐熟度劃分為4個等級：1級(好)、2級(較好)、3級(中)、4級(較差)，各評價因子對應的分級指標如表4所示。EC變化率、固相C/N降解率和GI具體分級指標參照李春萍[3]等人的研究結果劃分；E4/E6和WSC變化率根據南宮堆肥廠多年來的測定數據，將其分為4個不同的等級來衡量堆肥產品的具體腐熟程度。
表4各評價因子分級指標
2.1.4評價過程
利用超標加權法計算各評價因子權重，其計算式為：
式中：ai為第i種評價因子的權重；ci為第i種評價因子實測值；si為第i種評價因子多級標準值的平均值；sij為第i種評價因子第j級的標準值；n為分級數。
為了進行模糊復合運算，各單因子權重必須歸一化，即
式中：m為評價因子個數，計算出各因子權重后，組成權重模糊矩陣W={w1，w2，…，wm}。將各項評價因子實測值代入相應的隸屬函數，m個評價因子隸屬于n個不同級別的隸屬度組成隸屬度矩陣R(R為m×n階)，m=5，n=4。
2.1.5模糊評價結果
將隸屬度矩陣R與權重矩陣W進行模糊復合運算，10個處理模糊數學評價結果見表5。
9個處理的模糊數學評價結果是：CN8達到1級；CN2、CN5、CN6和CN9均達到2級；其余除CN1為4級外，均達到3級水平；CN10的腐熟度指標數值為CN2和CN5的腐熟度指標數值，因CN2和CN5的模糊評判結果均為2級，也就是說CN10的腐熟度屬于2級。單考慮腐熟度指標，各處理的優劣順序為CN8>(CN2、CN5、CN6、CN10、CN9)>(CN3、CN4、CN7)>CN1。
2.2以經濟指標為單一目標的工藝優選
針對南宮堆肥廠實際情況，對各實驗方案進行經濟核算，具體核算項目如表6所示。
表6供選擇的工藝經濟指標
表6中，各處理中肥料產品的銷量取值相同，原因是垃圾堆肥產品銷量較低，銷售價格也較低，根據南宮堆肥場提供資料顯示，各年肥料產品銷售量基本相同，因此取各年均值作為肥料產品銷量。總經濟收入為國家補貼與肥料銷售收入之和，總支出為水電費、工人工資、破碎機投入支出與設備折舊費之和。
由表6可見，對于南宮堆肥廠，單就經濟指標考慮各處理的投入產出比可看出，CN7的投入產出比最小，即相同額度的投入可獲得最多的經濟收益，其次為CN10、CN8和CN4，再次為CN9和CN5，其他處理的投入產出比較大，也就是從經濟方面考慮各處理的優劣順序為CN7>CN4>CN10>CN8>CN5>CN6>CN9>CN1>CN2>CN3。
2.3以腐熟度指標和經濟指標為雙目標進行工藝優選
2.3.1確定各目標的權重
對目標進行分析，將其包含的影響因素分類，每類作為一個層次。一般而言，包括最高層A(目標層)、中間層(準則層B，準則層C，……)以及最底層(候選方案層)。圖1為最優垃圾堆肥處理工藝選擇的層次結構模型圖。由圖1可以看出，目標層為最優工藝的選擇，準則層包含2個因子(腐熟度指標和經濟指標)，最下層的供選方案層共有10個供選方案，在其中確定最優的垃圾堆肥處理工藝。
圖1各處理層次結構模型
據最優工藝選擇層次結構模型圖，利用1-9標度法[7]構造兩兩比較判斷矩陣W[15]，依據該判斷矩陣確定準則層中各因子對目標層影響的權重，結果如表7所示。
表7層次間判斷矩陣
對上述判斷矩陣進行一致性檢驗，其檢驗系數(CR=0)<0.1說明該判斷矩陣符合一致性要求，即由此矩陣獲得的權重可用。
2.3.2計算各處理綜合得分確定優選工藝
腐熟度指標和經濟指標綜合考慮，根據各指標的不同權重，計算不同處理的最終得分，其具體計算數值及其排序見表8。由表8可見，綜合考慮腐熟度指標和經濟指標，最優的處理為CN8，其次為CN10。CN10是針對0~15mm和15~80mm單獨堆肥處理，可保留馬家樓15mm的篩子，篩上物和篩下物分別放在不同倉內單獨堆肥，這樣可節省0~15mm這部分的破碎費用以及后期過25mm篩子的篩分費用。所有處理最終排序為CN8>CN10>CN5>(CN6、CN9)>CN2>(CN4、CN7)>CN3>CN1。
表8綜合得分的計算結果
2.4討論
生活垃圾堆肥廠堆肥工藝必須依據原料的性質、對產品的要求以及經濟發展水平等因素做相應調整。近年來，經過對馬家樓轉運站篩分的0~15mm垃圾的物理組成分析表明，其可堆腐物比例較高，如直接填埋不僅造成大量有機物流失，同時也會產生滲濾液、臭氣等二次污染。因此，生活垃圾堆肥廠除考慮原來的15~80mm垃圾物料之外，將0~15mm和0~80mm垃圾物料作為堆肥廠供選工藝原料，是非常必要的。
本研究中，以北京市南宮堆肥廠作為實例，提出了以腐熟度指標和經濟指標為單一目標的最優堆肥工藝，以及以腐熟度指標和經濟指標為雙目標的最優堆肥工藝。該結果不但能保障南宮堆肥廠處理能力和堆肥效率，還可為北京以及其他地區新建垃圾堆肥廠的設計、運作和管理提供技術支持。研究中采用的工藝篩選方法包括模糊數學和層次分析法，也可以為其他生活垃圾堆肥廠進行工藝優選時提供借鑒與參考。
3結論
3.1以堆肥品質為單目標，模糊數學評價結果以CN8處理的腐熟程度最好。
3.2以經濟指標為單目標，CN7處理的的投入產出比最小、經濟收益最多。
3.3以腐熟度指標和經濟指標為雙目標，利用層次分析法確定各自權重，綜合計算獲得最優處理為CN8。
3.4綜合考慮腐熟度指標和經濟指標，得分排序結果為CN8為最優工藝，CN10為次優工藝，CN1為最差工藝。
參考文獻：略
