Методика создания и функционирования системы обращения с твердыми муниципальными отходами на муниципальном уровне

Аннотация

В. П. Миронюк, В. Ю. Цыплаков

Представлена методика формирования системы двухэтапного транспортирования, позволяющая определить оптимальное местоположение и количество мусороперегрузочных станций. Особенностью методики является возможность адаптации формируемой системы к местным условиям исследуемой территории.
Ключевые слова: твердые муниципальные отходы, технологический процесс перевозки, категория земель, санитарно - защитная зона, полигон размещения, критическое расстояние.

Ключевые слова:

05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте

Под твердыми муниципальными отходами (далее ТМО) понимаются остатки веществ, материалов, предметов, изделий, товаров, частично или полностью утративших свои первоначальные потребительские свойства для использования по прямому или косвенному назначению, образующиеся в бытовых условиях в результате жизнедеятельности населения, а также в офисах, торговых предприятиях, мелких промышленных объектах, школах, больницах, других муниципальных учреждениях [1].
До эры агломераций утилизация ТМО была обеспечена ассимиляционной способностью окружающей природной среды.
В настоящее время в условиях высокой концентрации населения на небольших территориях скорость образования ТМО больше скорости их естественной переработки окружающей средой. Поэтому рациональное управление муниципальными отходами, их вовлечение в народное хозяйство в качестве вторичных ресурсов крайне необходимо для снижения загрязнения окружающей среды.
Сейчас во всем мире проблема управления ТМО является одной из приоритетнейших, занимая второе место по затратам и инвестициям после сектора водоснабжения и канализации в системе муниципального хозяйства [2].
Согласно материалам проекта Европейского Сообщества INTERREG IIIA (International Regeneration) самую существенную долю в общей структуре затрат на удаление отходов составляют транспортные затраты и составляют от 20 до 35% от общих расходов на обращение [3].
В мировой практике одним из звеньев процесса повышения эффективности ликвидации ТМО в населенном месте (населенном пункте, городе, муниципальном районе) является внедрение технологического процесса перевозки твердых муниципальных отходов (далее ТМО) с двухэтапным транспортированием. Суть этого процесса заключается в использовании мусоросборных машин малой грузовместимости на первом этапе транспортирования, транспортировочных мусоровозов большой грузовместимости – на втором и промежуточной перегрузки ТМО на мусороперегрузочных станциях (далее МПС).
Основное предназначение МПС заключается в сокращении транспортных затрат в системе за счет уменьшения плеча вывоза подвижным составом малой грузовместимости на первом этапе транспортирования и обеспечения перевозок ТМО укрупненными партиями подвижным составом большой грузовместимости на втором этапе транспортирования.
Основной функцией МПС, как элемента транспортно - логистической системы перемещения ТМО в рамках заданной территории населенного места, является обеспечение смешанного автомобильного сообщения. МПС является промежуточным звеном в логистической цепи движения потоков твердых муниципальных отходов от пунктов зарождения (мусоросборные площадки) до пунктов поглощения (мусороперерабатывающие предприятия, полигоны захоронения ТБО, свалки) потоков (см. рис. 1). Поэтому вышеуказанные пункты, как элементы транспортно – логистической системы перемещения ТМО, должны быть включены в общую процедуру формирования этой системы исходя из принципов «интеграции отдельных звеньев логистической цепи в единую систему, обеспечения эффективного взаимодействия и согласованности построения и функционирования всех элементов логистической системы» [4]. Методика формирования подсистемы сбора и подсистемы ликвидации ТМО разрабатывается отдельными блоками, но на основе требований к транспортно – логистической системе, исходящих из целей функционирования общей системы обращения с твердыми муниципальными отходами в населенном месте.

Рис. 1. Принципиальная схема логистической цепи движения потока ТМО от пунктов сбора до пунктов ликвидации при двухэтапном транспортировании

Основными вопросами при формировании системы двухэтапного транспортирования являются определение местоположения и количества МПС при условии обеспечения минимальных затрат в системе при движении потоков ТМО в логистической цепи. При увеличении количества перегрузочных станций в системе сокращаются транспортные затраты, однако растут затраты на строительство и эксплуатацию МПС, при уменьшении количества МПС, наоборот транспортные затраты растут, а затраты на перегрузку МПС сокращаются. Поэтому задача определения количества МПС является оптимизационной.
Существующие методы и математические модели по оптимизации системы двухэтапного транспортирования ТМО [5,6,7,8] можно подразделить на два отличающихся друг от друга подхода:
1. Без ограничения при выборе места - позволяет найти координаты оптимальной точки на плоскости, при этом вводится допущение, что на полигоне размещения МПС ограничений при выборе места не существует.
2. Из множества пригодных для размещения мест - определяется множество реально возможных для размещения мест и из них выбираются наилучшие.
Однако методы ни первого, ни второго подхода не позволяют дать информацию об оптимальном количестве МПС.
В первом случае количество МПС определяется следующим образом: в систему вводится одна станция с фиксированной пропускной способностью (производительностью) и если грузопоток в системе превышает эту пропускную способность, то добавляется новая МПС и т. д. [7]. Однако изначальное эффективное количество МПС может быть больше единицы, при условии экономической целесообразности внедрения двухэтапного вывоза ТМО.
В методах второго подхода количество МПС основывается на экспертной оценке территории и входит в состав исходных данных [6,8]. То есть количество станций задается в систему извне, что только в редких случаях может привести к оптимальному результату.
Очевидно, что этими методами не возможно оптимизировать количество перегрузочных станций, то есть обеспечить наиболее благоприятные условия при достижении компромисса между снижением транспортных затрат и уменьшением издержек на строительство и эксплуатацию перегрузочных станций.
Вдобавок существующие методы и математические модели [5,7] имеют один весомый недостаток для применения их на практике – они не учитывают местных особенностей исследуемой территории, влияющих на систему. К местным особенностям территории относятся: рельеф земельного участка, дислокация жилых зданий и организаций различных отраслей экономики, положение и качество инженерных сетей, категория земель и т. д.
Задачу формирования сети МПС необходимо решать совместно с оптимизацией использования земель внутри исследуемой территории. При решении задачи в такой постановке помимо вопросов оптимального размещения объектов сети важно учитывать возможность их размещения в зависимости от экологического воздействия, существующей застройки и категории земель. Такого рода задачи возникают при разработке схем оптимального размещения МПС в рамках отдельно взятой административно-территориальной единицы (муниципальный район, городской округ и т.п.).
Методика определения оптимального местоположения и количества МПС разработана на базе двух вышеперечисленных подходов. Первый подход позволяет найти оптимальную точку на плоскости, а второй - подходящее место около найденной точки. Таким образом, второй подход выступает в качестве логического продолжения первого.
Методика включает три блока (поиск оптимальных точек на плоскости территории, уточнение местоположения МПС около оптимальной точки, проверка оптимальности сформированной сети).
В первом блоке (см. рис. 2) осуществляется поиск множества оптимальных точек на плоскости полигона размещения. Критерием оптимальности здесь является минимум суммарных затрат на продвижение потоков ТМО от пунктов сбора до пунктов ликвидации. Здесь же определяется производительность каждой МПС посредством закрепления за ней пунктов сбора ТМО. Также осуществляется закрепление МПС к пунктам ликвидации ТМО.
Далее, около найденных условно оптимальных точек, учитывая местные особенности территории, находятся места пригодные для размещения объектов (второй блок).
Вследствие решения второго блока возникает большая вероятность смещения реальных позиций МПС относительно условно оптимальных точек, найденных в первом блоке. При этом может произойти увеличение суммарных расходов на транспортировку, а также капитальных и эксплуатационных издержек МПС. Первый случай связан с изменением величины пробега при сборе и вывозе ТМО, второй – с рядом условий конкретной территории, влияющим на размеры тарифов выполнения операций перегрузки (стоимость земельного участка, затраты на подключение к инженерным сетям, стоимость пользования инженерными коммуникациями и т.п.). Следовательно, найденное в первом блоке количество МПС может быть неоптимальным. Поэтому в третьем блоке модели проводится проверка оптимальности сформированной сети МПС и, при необходимости, корректировка количества и местоположения объектов.
Рассмотрим более подробно каждый из блоков методики.
В первом блоке используются первичные исходные данные, характеризующие размеры транспортных затрат, параметры МПС, потоки отходов и касающиеся позиций пунктов сбора и ликвидации ТМО, в том числе в перспективе.
Причем выбор пунктов сбора производится при условии экономической целесообразности вывоза из них по двухэтапной схеме. Если сбор и вывоз ТМО из пункта по такой схеме невыгоден, то его параметры исключаются из набора информации, и вывоз ТМО из него должен выполняться по прямой схеме: пункт сбора – пункт ликвидации.
Отбор пунктов сбора, подходящих для включения в двухэтапную схему, производится путем ВЕР (break-even point) - анализа нахождения критического расстояния (L_кр) и сравнения с ним расстояний от пунктов сбора до пунктов ликвидации ТМО. Если расстояние от пункта сбора до пункта ликвидации строго больше чем L_кр, то параметры пункта сбора включаются в набор данных, если – не более чем L_кр, то параметры пункта не включаются в набор и перевозка осуществляется по прямой схеме.

Рис. 2. Блок-схема реализации методики формирования системы двухэтапного транспортирования ТМО

Расчет L_кр [7] осуществляется по формуле (1):
;  (1)
где ,  - затраты на загрузку мусоровозов большой и малой вместимости соответственно;
А_b, А_a – эксплуатационные затраты, зависящие от расстояния перевозки отходов, которые возникают при работе мусоровозов большой и малой вместимости соответственно;
В_b, В_a – эксплуатационные затраты, не зависящие от расстояния перевозки отходов, которые возникают при работе мусоровозов большой и малой вместимости соответственно.
При прямой схеме транспортирования планирование перевозок ТМО осуществляется при помощи решения транспортной задачи с учетом стоимости ликвидации ТМО.
При двухэтапной схеме транспортирования для формирования условно оптимальной структуры сети МПС используется математическая модель позиционирования точек на плоскости, критерий оптимальности которой заключается в минимуме затрат на продвижение потоков ТМО от пунктов зарождения к пунктам поглощения.
Целевая функция модели представлена в следующем виде (2):
   (2)
при условии:            
где  – удельные транспортные расходы на перевозку ТМО малыми сборными мусоровозами;
 - удельные транспортные расходы на перевозку ТМО большегрузными транспортировочными мусоровозами;
Р_j - тариф на перевалку ТМО через j–ую МПС;
U_k - тариф на утилизацию ТМО в k-ом пункте ликвидации;
S_j - постоянные затраты j–ой МПС, которые не зависят от объемов перевалки;
 - расстояние между i–ым пунктом сбора и j–ой МПС;
 - расстояние между j–ой МПС и k-ым пунктом ликвидации;
Q_ij - объем сбора и вывоза ТМО из i–ого пункта сбора на j–ую МПС;
Q_jk - объем завоза ТМО из j–ой МПС в k-ый пункт ликвидации;
q_a, q_b – грузовместимость малых сборных и большегрузных транспортировочных мусоровозов соответственно;
 - максимальная мощность k-ого пункта ликвидации;
γ_j - коэффициент уплотнения ТМО на j–ой МПС;
n – количество пунктов сбора;
m – количество МПС;
K – количество пунктов ликвидации.
Нахождение оптимальных мест для размещения и количества перегрузочных станций производится методом последовательного увеличения числа МПС в задаче, расчета и сравнения значений целевой функции Cm, которые получены в двух соседних циклах, до тех пор, пока не будет найдено минимальное значение затрат . Количество МПС (m), соответствующее минимальному значению затрат , будет являться оптимальным m*. Описание алгоритма решения этой задачи графическим способом представлено схемой алгоритма на рисунке 3.
В модели позиционирования точек на плоскости осуществляется совместное решение задачи нелинейного программирования отыскания координат МПС и задачи линейного программирования планирования перевозки ТМО. В последней задаче производится закрепление пунктов сбора за МПС, что позволяет рассчитать производительность станций. Производительность станции равняется суммарному объему отходов, вывезенных из закрепленных за ней пунктов сбора:
;    (3)
где W_j - производительность j – ой МПС, j=1,…,m.
Данные о производительности конкретной станции наряду с показателями, зависящими от принятого технологического процесса, применяемого технического оборудования на МПС, состава и свойств ТМО, используются при расчете параметров земельного участка необходимого для размещения станции.

*Параметр С [m] означает, что целевая функция С вычисляется от m (количества МПС)

Рис. 3. Блок-схема алгоритма формирования сети МПС

Потребность выполнения второго блока связана с представлениями о том, что фактически при формировании сети местоположение объекта может не совпасть с оптимальной точкой. Это связано с индивидуальными особенностями той территории, на которой производится формирование.
Действительно, при размещении объектов строительства на местности должны учитываться градостроительные, территориальные требования, а также ряд стоимостных и других факторов, которые оказывают влияние на принятие окончательного решения. Иногда, а порой и в большинстве случаев, оптимальное с точки зрения транспортных (или других) показателей место для размещения объекта не может быть использовано, так как находится, например, в зоне исторической застройки, зоне особо охраняемой природной территории, занято водоемом или на сложном рельефе и т.п., где нельзя, либо нежелательно возводить новостройки.
Таким образом, на выбор оптимального местоположения МПС влияют не только стоимостные показатели, но и показатели, которые трудно порой выразить в количественном виде. Процедура выбора окончательного места в рамках определенной территории носит многокритериальный характер.
Поэтому уточнение местоположения МПС около оптимальной точки производится при помощи аналитического иерархического метода (Analytic Hierarchy Process), который, относится к методам решения задач многокритериальной оптимизации и позволяет определять наилучший вариант исходя из многоцелевой оценки как количественных, так и качественных критериев выбора.
В третьем блоке методом пошагового добавления и вычитания перегрузочных станций до момента минимизации значения целевой функции проводится проверка оптимальности сети МПС. Блок – схема алгоритма проверки оптимальности сети представлена на рисунке 4.
Рассмотрим подробно эту процедуру.
Добавление МПС
1) В сеть добавляется одна станция, затем вычисляются затраты в системе до добавления и после добавления одной МПС. Сеть «до добавления одной МПС» или проверяемая сеть формируется с использованием первого и второго блока методики.
Затраты в сети «до добавления одной МПС» вычисляются с использованием математической модели (2). Так как сеть является уже сформированной и объекты такой сети не должны менять привязки на местности, то в модель необходимо добавить ограничение на не превышение максимальной производительности (пропускной способности) МПС: ().
Затраты «после добавления одной МПС» (Р) определяются при помощи математической модели (4), которая моделирует ситуацию, когда в уже сформированную сеть добавляется новая станция. Целевая функция модели представлена в следующем виде:
    (4)
при условии:

где D – номер МПС, которая добавляется в систему;
Q_iD - объем сбора и вывоза ТБО из i–ого пункта сбора на D–ую МПС;
Q_Dk - объем завоза ТБО из D–ой МПС в k-ый пункт ликвидации;
L_iD - расстояние между i–ым пунктом сбора и D– ой МПС
 - расстояние между D– ой МПС и k-ым пунктом ликвидации;
Р_TD - тариф на перевалку ТБО через D –ую МПС;
S_D - постоянные расходы D –ой МПС, которые не зависят от объемов перевалки.
2) Если С не больше, чем Р, то осуществляется переход ко второй процедуре проверки – вычитанию станции из сети (шаги 7 - 11).
3) Иначе производится поиск реального места для размещения добавленной станции в рамках территории населенного места по методике блока №2.
4) Вычисляются затраты в сформированной сети «после добавления МПС» с помощью модели (2), которые сравниваются с затратами в сети «до добавления одной МПС».

*Параметр С[m] означает, что целевая функция С вычисляется от m (количества МПС),
Р[m+1] – от m+1 и т.п.

Рис.4. Блок-схема алгоритма проверки оптимальности сформированной сети МПС
5) Если затраты в сети «до добавления одной МПС» не больше, чем в сформированной сети «после добавления МПС», то значению затрат в сети «до добавления МПС» присваивается значение затрат в сети «после добавления МПС», в сеть добавляется станция и процедура проходит новый цикл (1 - 5).
6) Иначе сеть «до добавления МПС» объявляется оптимальной. Следовательно, затраты в такой сети и количество МПС будет оптимальным.
Примечание: а) если в систему добавляется станция, то производительность станций в уже сформированной сети (после реализации второго блока) должна быть уменьшена на величину разности производительностей «до добавления МПС» и «после добавления МПС» Δ:
Δ=  - ;   (5)
где W_j -производительность j-ой МПС «до добавления МПС», (j=1,…,m);
 -производительность j-ой МПС «после добавления МПС», (j=1,…,m);
б) производительность j-ой МПС вычисляется по формуле (3).
Примечание: а) если в систему добавляется станция, то производительность станций в уже сформированной сети (после реализации второго блока) должна быть уменьшена на величину разности производительностей «до добавления МПС» и «после добавления МПС» Δ:
Δ=  - ;  (6)
где W_j -производительность j-ой МПС «до добавления МПС», (j=1,…,m);
 -производительность j-ой МПС «после добавления МПС», (j=1,…,m);
б) производительность j-ой МПС вычисляется по формуле (3).
Вычитание МПС
7) Из сети вычитается одна любая станция и вычисляются затраты в системе на выполнение услуги по вывозу ТБО до вычитания и после вычитания одной МПС в сети.
Затраты «после вычитания одной МПС» вычисляются при помощи математической модели (2), но в модель добавляется ограничение на не превышение максимальной производительности МПС: (), а число МПС будет на одно меньше исходного, то есть m-1.
8) Если затраты «до вычитания МПС» (Сm) не больше, чем «после вычитания одной МПС» (Сm-1), то сеть «до вычитания МПС» является оптимальной. Следовательно, затраты в такой сети и количество МПС будет оптимальным.
9) Вычисляются разности производительностей каждой перегрузочной станции сети Δ, (j=1,…,m-1). От производительности j-ой станции «после вычитания МПС» вычитается производительность j-ой станции «до вычитания МПС»:
Δ=  - ;    (7)
где  -производительность j-ой МПС «после вычитания МПС», (j=1,…,m-1);
W_j -производительность j-ой МПС «до вычитания МПС», (j=1,…,m).
Примечание: производительность МПС вычисляется по формуле (3), для станций «после вычитания МПС» в формуле (3): j=1,…,m-1.
10) Если есть возможность увеличить производительность каждой перегрузочной станции на величину ΔW_jсоответственно, то значению затрат в сети «до вычитания МПС» присваивается значение затрат в сети «после вычитания МПС», из сети отнимается станция и процедура проходит новый цикл (7 – 10).
11) Иначе сеть «до вычитания МПС» объявляется оптимальной. Следовательно, затраты в такой сети и количество МПС будет оптимальным.

Заключение
Система двухэтапного транспортирования является одним из звеньев процесса повышения эффективности ликвидации твердых муниципальных отходов, управление которыми остается злободневной проблемой муниципальных хозяйств. Элементами данной системы являются: пункты сбора, пункты ликвидации, специализированные транспортные средства и потоки отходов, а самыми основными элементами, без которых невозможного организовать двухэтапный процесс транспортирования отходов - пункты перегрузки твердых муниципальных отходов с одного подвижного состава на другой (МПС).
Проведено исследование процедур формирования систем двухэтапного транспортирования. Основная проблема здесь заключается в отсутствии математических моделей, способных адаптировать построение сети мусороперегрузочных станций к местным условиям рассматриваемой территории (городской округ, муниципальный район), а также способных определить оптимальное количество МПС.
Разработана методика формирования системы двухэтапного транспортирования твердых муниципальных отходов, особенностью которой является:
1) Определение не только оптимального местоположения МПС, но и оптимального количества.
2) Наличие блока уточнения местоположения МПС около оптимальной точки. Этот блок позволяет адаптировать формируемую систему к местным условиям территории за счет определения места методом подбора подходящих участков свободных от застройки, незанятых водоемами и несложного рельефа и т.д. Также в блоке производится ранжирование факторов, трудно оцениваемых в показателях затрат (качество рельефа земельного участка, пропускная способность подъездных путей, наличие инженерных сетей и т.д.), методом аналитической иерархии. Такой метод позволяет определять наилучший вариант исходя из оценки как количественных, так и качественных критериев.

Литература

1. 1.ГОСТ 30772-2001 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Термины и определения».
   2.Анисимов А. В. Прикладная экология и экономика природопользования. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 317 с.
   3.Управление твердыми бытовыми отходами. Проект Европейского Сообщества INTERREG IIIA «Кооперация в совместном создании системы управления отходами в Псковской области», 2008.
   4.Транспортная логистика. Под общей редакцией Л. Б. Миротина. – М.: Издательство «Экзамен», 2002. – 512 с.
   5.Журкович В. В., Потапов А. И. Отходы: Научное и учебно-методическое справочное пособие. – СПб. : Гуманистика, 2001.
   6.Рекомендации по выбору методов и организации удаления бытовых отходов. – М.: ОНТИ АКХ им. К. Д. Памфилова, 1985, 18 с.
   7. Северова Е. С. Разработка методики планирования перевозок твердых коммунальных отходов автомобильным транспортом: Дис. канд. техн. наук. – С. – Петербург: 2006. – 129 с.
   8.Сергеева В. Г. Формирование комплексной организационно – экономической системы управления санитарной очисткой в регионе: Автореф. дис. докт. экон. наук. – С.-Петербург: 2005. – 35 с.