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目前我国城市垃圾的年产生量达1.5亿t，且每年以8%~10%的速度增长[1]。城市生活垃圾中，厨余类有机物含量稳定在67%~79%，可回收类的有机物含量在14%~26%，各城市生活垃圾的有机成分总含量均在90%以上[2]。
生活垃圾堆肥技术在欧美国家起步较早，目前已经达到工业化应用水平。根据堆肥原理，分为好氧堆肥和厌氧堆肥2种。厌氧分解需在严格缺氧条件下进行，厌氧微生物分解生长较慢，故应用不多。而好氧分解过程同时产生高温，可以杀灭病虫卵、细菌，因此为目前采用的主要堆肥工艺。从20世纪80年代开始应用“二次发酵工艺”后，堆肥处理工艺流程一般为：前处理-主发酵-后发酵-后处理-贮存。由于不同处理工艺间，后处理(对发酵熟化的堆肥进一步去除杂质、破碎和造粒等)和贮存过程(堆存或装袋)差异不大，因此生活垃圾堆肥厂的不同工艺主要表现在前处理阶段中对垃圾原料粒径的选择和发酵阶段的差异方面。
本实验以北京市南宫堆肥厂为例，利用模糊数学和层次分析法对10种堆肥处理工艺进行比较研究，提出南宫堆肥厂生活垃圾堆肥工艺的最优化方案，以期为城市垃圾堆肥工艺的改善提供借鉴和参考。
1研究方法
1.1研究对象概况
南宫堆肥厂位于北京市大兴区赢海乡，总面积为66hm2，距马家楼垃圾转运站21km，距安定垃圾卫生填埋场19km。堆肥厂西侧200m为104国道。该堆肥厂是我国建立较早的典型城市生活垃圾堆肥厂之一[3]。堆肥仓长27m，堆体高2.5m，采用强制通风隧道式好氧发酵技术，高温发酵期最高温度可达60℃以上，处理能力为600t/d。堆肥原料主要来自北京市宣武区和丰台区的生活垃圾。生活垃圾在马家楼转运站进行筛分前处理，利用15mm和80mm两组粒径筛分别获得15~80mm可堆肥物料、<15mm和>80mm粒径段的生活垃圾进行填埋处理。运往南宫堆肥厂的堆肥物料经过高温发酵、后熟化和最终熟化3个阶段进行堆肥处理，其中高温发酵阶段在发酵仓中进行，后熟化和最终熟化分别在露天平台进行。
1.2采样时间与方法
实验于2008年4月11日至5月12日在南宫堆肥厂进行，每个发酵仓中垃圾堆体沿着长度方向设3~5个采样点，高度取1.5m，每个采样点取样2kg，混合均匀后利用四分法取样2kg，制样供测试。每个发酵阶段结束时进行取样，即堆肥之前、高温发酵结束、后熟化结束以及最终熟化结束时各采样1次。实验共设10个处理，各处理设计如表1所示。
表1实验设计
表1中，CN10为0~15mm和15~80mm2种物料分别在不同发酵仓中进行单独堆肥处理。在腐熟度测定方面，CN10中0~15mm物料与CN2相同，15~80mm物料与CN4相同。在经济指标核算时，CN10为CN2与CN4之和，即对0~15mm、15~80mm物料分别进行单独堆肥时的经济情况。
1.3测定项目及方法
测定表征腐熟度的主要参数，包括电导率(EC)、吸光度比(E4/E6)、水溶性碳(WSC)、发芽率指数(GI)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)和发芽率(GI)。其中EC是将垃圾按1：10[W(g)：V(mL)]浸提过滤，用DDS-11A型电导测定仪测定；E4/E6是将上述垃圾浸提液过滤后，于465nm和665nm波长处分别测定吸光度值(722型可见光分光光度仪)并取2者之比；WSC用重铬酸钾氧化法测定；TOC用重铬酸容量法-外加热法测定；TN用凯氏定氮法测定[4]；GI是取5mL浸提液于铺有滤纸的9cm培养皿内，播20粒饱满的小青菜种子，放置于20℃培养箱中培养，第48h测种子发芽率GI[5]。
1.4数据处理方法
数据处理主要选用模糊数学[6]和层次分析(AHP)法[7]。
2结果与讨论
2.1以腐熟度指标为单一目标的工艺优选
2.1.1确定评价因子
堆肥腐熟度是反映有机物降解和生物化学稳定度的指标，关于腐熟度指标的选用，目前还没有完全达成共识，但主要是从物理学、化学和生物学指标方面进行堆肥的腐熟度判断。本研究主要选用电导率(EC)[4]、E4/E6[8]、水溶性碳(WSC)[9]、发芽率指数(GI)[10]和固相C/N[11]等指标以定量地表征堆肥物料变化和堆肥产品的腐熟度状况。由于堆肥产品腐熟度指标的高低与原始物料的对应指标值有密切关系，表2给出了原始垃圾各指标的初始值。此外，本研究还采用各腐熟度指标的变化率来表征堆肥的腐熟程度，包括固相C/N降解率[12]、EC变化率(%)[4]、WSC变化率(%)[13]、E4/E6[3]和GI(%)[14]。最终熟化结束后针对每个处理，每个评价因子取其平行样本的平均值，具体值如表3所示。
表2原垃圾的初始值
表3各评价因子值
2.1.2隶属度函数模型
统一套用的函数模型为：
式中：r1~r4为各评价因子不同等级隶属度值；ci为各评价因子实测值；si为各评价因子不同等级分级指标值。
2.1.3确定评价因子等级
依据堆肥腐熟度指标，将堆肥腐熟度划分为4个等级：1级(好)、2级(较好)、3级(中)、4级(较差)，各评价因子对应的分级指标如表4所示。EC变化率、固相C/N降解率和GI具体分级指标参照李春萍[3]等人的研究结果划分；E4/E6和WSC变化率根据南宫堆肥厂多年来的测定数据，将其分为4个不同的等级来衡量堆肥产品的具体腐熟程度。
表4各评价因子分级指标
2.1.4评价过程
利用超标加权法计算各评价因子权重，其计算式为：
式中：ai为第i种评价因子的权重；ci为第i种评价因子实测值；si为第i种评价因子多级标准值的平均值；sij为第i种评价因子第j级的标准值；n为分级数。
为了进行模糊复合运算，各单因子权重必须归一化，即
式中：m为评价因子个数，计算出各因子权重后，组成权重模糊矩阵W={w1，w2，…，wm}。将各项评价因子实测值代入相应的隶属函数，m个评价因子隶属于n个不同级别的隶属度组成隶属度矩阵R(R为m×n阶)，m=5，n=4。
2.1.5模糊评价结果
将隶属度矩阵R与权重矩阵W进行模糊复合运算，10个处理模糊数学评价结果见表5。
9个处理的模糊数学评价结果是：CN8达到1级；CN2、CN5、CN6和CN9均达到2级；其余除CN1为4级外，均达到3级水平；CN10的腐熟度指标数值为CN2和CN5的腐熟度指标数值，因CN2和CN5的模糊评判结果均为2级，也就是说CN10的腐熟度属于2级。单考虑腐熟度指标，各处理的优劣顺序为CN8>(CN2、CN5、CN6、CN10、CN9)>(CN3、CN4、CN7)>CN1。
2.2以经济指标为单一目标的工艺优选
针对南宫堆肥厂实际情况，对各实验方案进行经济核算，具体核算项目如表6所示。
表6供选择的工艺经济指标
表6中，各处理中肥料产品的销量取值相同，原因是垃圾堆肥产品销量较低，销售价格也较低，根据南宫堆肥场提供资料显示，各年肥料产品销售量基本相同，因此取各年均值作为肥料产品销量。总经济收入为国家补贴与肥料销售收入之和，总支出为水电费、工人工资、破碎机投入支出与设备折旧费之和。
由表6可见，对于南宫堆肥厂，单就经济指标考虑各处理的投入产出比可看出，CN7的投入产出比最小，即相同额度的投入可获得最多的经济收益，其次为CN10、CN8和CN4，再次为CN9和CN5，其他处理的投入产出比较大，也就是从经济方面考虑各处理的优劣顺序为CN7>CN4>CN10>CN8>CN5>CN6>CN9>CN1>CN2>CN3。
2.3以腐熟度指标和经济指标为双目标进行工艺优选
2.3.1确定各目标的权重
对目标进行分析，将其包含的影响因素分类，每类作为一个层次。一般而言，包括最高层A(目标层)、中间层(准则层B，准则层C，……)以及最底层(候选方案层)。图1为最优垃圾堆肥处理工艺选择的层次结构模型图。由图1可以看出，目标层为最优工艺的选择，准则层包含2个因子(腐熟度指标和经济指标)，最下层的供选方案层共有10个供选方案，在其中确定最优的垃圾堆肥处理工艺。
图1各处理层次结构模型
据最优工艺选择层次结构模型图，利用1-9标度法[7]构造两两比较判断矩阵W[15]，依据该判断矩阵确定准则层中各因子对目标层影响的权重，结果如表7所示。
表7层次间判断矩阵
对上述判断矩阵进行一致性检验，其检验系数(CR=0)<0.1说明该判断矩阵符合一致性要求，即由此矩阵获得的权重可用。
2.3.2计算各处理综合得分确定优选工艺
腐熟度指标和经济指标综合考虑，根据各指标的不同权重，计算不同处理的最终得分，其具体计算数值及其排序见表8。由表8可见，综合考虑腐熟度指标和经济指标，最优的处理为CN8，其次为CN10。CN10是针对0~15mm和15~80mm单独堆肥处理，可保留马家楼15mm的筛子，筛上物和筛下物分别放在不同仓内单独堆肥，这样可节省0~15mm这部分的破碎费用以及后期过25mm筛子的筛分费用。所有处理最终排序为CN8>CN10>CN5>(CN6、CN9)>CN2>(CN4、CN7)>CN3>CN1。
表8综合得分的计算结果
2.4讨论
生活垃圾堆肥厂堆肥工艺必须依据原料的性质、对产品的要求以及经济发展水平等因素做相应调整。近年来，经过对马家楼转运站筛分的0~15mm垃圾的物理组成分析表明，其可堆腐物比例较高，如直接填埋不仅造成大量有机物流失，同时也会产生渗滤液、臭气等二次污染。因此，生活垃圾堆肥厂除考虑原来的15~80mm垃圾物料之外，将0~15mm和0~80mm垃圾物料作为堆肥厂供选工艺原料，是非常必要的。
本研究中，以北京市南宫堆肥厂作为实例，提出了以腐熟度指标和经济指标为单一目标的最优堆肥工艺，以及以腐熟度指标和经济指标为双目标的最优堆肥工艺。该结果不但能保障南宫堆肥厂处理能力和堆肥效率，还可为北京以及其他地区新建垃圾堆肥厂的设计、运作和管理提供技术支持。研究中采用的工艺筛选方法包括模糊数学和层次分析法，也可以为其他生活垃圾堆肥厂进行工艺优选时提供借鉴与参考。
3结论
3.1以堆肥品质为单目标，模糊数学评价结果以CN8处理的腐熟程度最好。
3.2以经济指标为单目标，CN7处理的的投入产出比最小、经济收益最多。
3.3以腐熟度指标和经济指标为双目标，利用层次分析法确定各自权重，综合计算获得最优处理为CN8。
3.4综合考虑腐熟度指标和经济指标，得分排序结果为CN8为最优工艺，CN10为次优工艺，CN1为最差工艺。
参考文献：略
