物联网与“垃圾围城”

2019-06-13 14:57:23 文/云智芯 作者/ lilH 物联网

实时监控可以通过 RFID、 GPS 等物联网基础设施获取固废收集点、收集车、运输车等城市固体废物管理系统相关设备的实时状态,是智慧城市固体废物管理系统运行的基础和重要功能。

2010年,导演王九良拍摄了纪录片《垃圾围城》,用镜头讲述了一个在离城市不远的边缘,时刻存在的,城市的居民却始终不曾见过的场景。一辆接一辆的垃圾运输车从市区开出;羊羔在垃圾堆里啃食着烂菜叶、混合着塑料袋;拾荒者在垃圾堆成的“山”上忍受着恶臭的气味、脚边淌着腐烂的绿水,只为捡一些废品出来去换取微薄的收入;他们的脚边端着破碗吃饭的是他们的后代,废弃的、锋利的针头或一些其他的垃圾是这些孩子的玩具……

这些场面是城市居民不能想象的。

作为一个快速发展和崛起的中国,长时间以来,我们把太多的努力放在了对经济效率的追求上,恢弘的经济发展的巨幕下,很少有人关注那些藏污纳垢的阴影,城市里垃圾的处理就是其中之一。

上文提到的垃圾主是指城市生产生活过程中产生的固体废弃物,从来源上说可以分为三类:

(1)生活固体废弃物:主要是指城市居民在日常生活及相关活动中产生的生活垃圾,例如居民生活垃圾、商业垃圾等等;

(2)工业固体废弃物:主要是指在工业生产中产生的固体垃圾,例如废弃建筑材料、工业废渣等;

(3)危险固体废弃物:主要是指国家标准认定有着一定危害等级的固体废弃物,例如农药瓶、医院废弃注射器等,这些废弃物中大多对人体有害。

我国在面对固体废弃物处理上并非没有作为,事实上,早在上世纪九十年代,政府就已经出台了相关法律法规和政策性文件。1995年10月30日第八届全国人民代表大会常务委员会第十六次会议通过了《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》,简称“固废法”,这是国家为了防治固体废物污染环境,保障人体健康,维护生态安全,促进经济社会可持续发展而制定的法规。

上个世纪九十年代末,政府管理层面也己经产生了要对城市生活垃圾实行分类的环保意识,伴随着环保问题的频发,目前已有不少关于生活垃圾分类管理的法律文件,有法律、行政法规、地方性法律法规、政策性文件等。

1我国的固废处理现状

1. 生活固体废弃物的处理

对于普通的市民来说,把垃圾丢尽公共的垃圾桶,就算完成了一次垃圾的处理。事实上,固体废弃物的处理要经过 “产生—收集—储运—处置” 的流程。

对于生活垃圾的转运来说,垃圾转运站均为普通式密闭垃圾转运站,由可封闭建筑物、转运箱、吊装系统组成。各居民小区、垃圾收集点的垃圾用收集小车运到垃圾转运站内并倒入放置在地坑的垃圾箱中,松散的垃圾装满后盖好箱盖,操纵垂直式垃圾压缁机进行压实,一般经过四次压缩循环后即可压好一块垃圾。

当一块垃圾压好后,操纵推铲机械将压好的垃圾推进垃圾箱的储存仓重复垃圾倾倒、压缩循环,压好第二块垃圾,然后提升垃圾箱到一定的高度,将垃圾转运车驶入站内并使车厢与垃圾箱对接,操纵推铲机械把垃圾箱内的两块垃圾同时卸入车厢,垃圾转运车驶出垃圾转运站,将垃圾运进填埋场,空垃圾箱重新放回地坑内进行下一次作业。

2.危险固体废弃物的处理

危险固体废弃物较为特殊,其至少具有以下特性之一:易燃、易爆、有毒、有害及放射性、腐蚀性,可能会对人员、设备、环境造成伤害或者损伤。不仅对人体健康和生态安全的直接危害,如果不恰当处置则会造成进一步的污染危害。

针对危险废弃物的转运,我国制定了《危险废物贮存污染控制标准》 严格地规定了其转运的技术要求和操作程序。对于经营许可、运输许可、贮存前检验与登记管理设置是人员的交接安排都做出了明确规定。除此之外,在普通的处理流程开始之前,要对危险废物进行预处理。

危险废物的预处理一般是采用物理、化学、生物的方法改变废物的物理化学特性,使之便于进一步的处理或者将有害物质转化为无害的最终产物。

1)物理处理

物理处理是利用各种相分离(如重选、浮选、电选等)及固化技术,目前固化/稳定化技术是常用的物理方法,它是工业危险废物安全填埋的必要步骤,将工业危险废物中的污染组分采用固化基材将废物固定或包覆来减少废物有害成分的浸出毒性,减小废物的迁移性,降低对周围环境的污染。而且现在采用的新型固化基材,很好地改善了传统固化法使废物容积增大的缺陷。

2)化学处理

化学处理是采用化学方法(如氧化还原处理技术、油水分离技术、中和处理技术)将有害物质转化为无害的最终产物,或将其转变成为适于进一步处理、处置的形态。

其目的在于改变处理物质的化学性质,降低它的危害性。常作为危险废物最终处置前的预处理措施。但反应过程比较复杂,比较难以掌控,另外成本太高,不适合大规模处理。

3)生物处理

生物处理是利用微生物分解固体废物中可降解的有机物,从而可以被土壤和水体所接受。常用的方法有活性污泥法、气化池法、氧化塘法、堆肥法等。

与化学处理方法相比,生物处理在经济上一般比较便宜,对环境的影响更小,应用更普遍。但处理过程所需时间长,处理效率不够稳定。

目前,针对固体废弃物的基本处置技术主要有:

1)堆肥处理

堆肥处理就是在人工控制的条件下,将固体废弃物保温至 70℃储存、发酵,借助固体废弃物中微生物的分解能力,将有机物分解为无机养分。

堆肥处理的工艺比较简单,适合于易腐有机质含量较高的固体废弃物处理,但是其规模不宜太大。

2)焚烧与热解

焚烧是对固体废弃物进行高温分解以及深度氧化的处理技术,其优势在于将大量的含有有害物质的废弃物分解成为无害物质。

选择焚烧处理的方式占地量少、处理数量多,处理规模和效率较大,但是这种处理方法也有明显的缺点,比如说在焚烧作业的过程中会产生大量的烟尘,导致环境受到二次污染等。

而热解处理是把有机物在无氧或者缺氧的环境下进行高温加热,让它们能够分解成为气、 液、固三种状态的产物。

3)填埋处理

填埋处理分为直接填埋和卫生填埋两种。

直接填埋就是将固体废弃物直接填入已挖好的坑中盖上压实,使其含有的有机物通过各种反应得以分解,其优点是处理费用低、方法简单,但是容易造成地下水源的污染;

卫生填埋法就是将固体废弃物倒入具有一定地形特征的场地中,通过采取防渗、覆土和气体导排设施,消除对地下水源和大气的污染,其具有投资少、容量大和见效快的优点。

4)资源化利用

因为在固体废弃物中往往具有非常多的能够回收再次利用的成分,因此我们应当将其资源化利用,这样不但可以有效降低其对环境产生的污染,同时还可以让固体废弃物转变为经济效益。

垃圾资源化处理技术是近年来应用较多的处理技术,它的主要原理是把混合的陈腐垃圾、建筑工程施工废弃物以及工业废弃物整合粉碎,之后向其加入一定的配物料以及生化制剂,通过强制搅拌的方式让其产生生物化学作用,最后注模成型,将其制造成为可以再次利用的 复合建筑材料。在这一处理过程中不会存在废水、废渣的排放,同时这一处理技术的成本较低、能够带来较大的经济效益。

5)粉碎和分选技术

固体废弃物的类型、大小、结构都各不相同,为了更好的对其进行处理,我们首先应当对固体废弃物进行预加工。

第一是压实,对需要进行填埋的固体废弃物必须压实,从而有效降低其运输体积;

第二是粉碎,利用人力或者机械来破坏固体废弃物内部结构,让其破裂变碎 ;

第三是分选,结合固体废弃物的物理和化学特性,在对其处理之前必须分选,将其中的有害物质进行分离。

2基于物联网的固废流转系统

我国的固体废弃物处理技术与管理一直发展较缓,成效并不明显。随着物联网技术的发展,物联网的思维方式为固体废弃物的处理提供了更为广阔的思路。

2010年,IBM(International Business Machines Corporation)正式提出了“智慧的城市”愿景,希望为世界和中国的城市发展贡献自己的力量。IBM经过研究认为,城市由关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境六个核心系统组成:组织(人)、业务/政务、交通、通讯、水和能源。这些系统不是零散的,而是以一种协作的方式相互衔接。而城市本身,则是由这些系统所组成的宏观系统。在这样的思路下,我们可以重新思考,构建由宏观到微观的城市固体废弃物管理系统。

利用“智慧城市”概念构建城市固体废物管理系统,即将物联网( Internet of Things) 、云计算(Cloud Computing) 、虚拟化和大数据( Big Data) 等技术以“三网融合”形式构建智慧城市固体废物管理系统,促进城市固废产生、运输和处理,整个生命周期可智慧地感知、分析、集成和应对,从而实现管理决策的科学化和高效化,以更加精细和动态的方式管理城市固废。

根据智慧城市固体废物管理系统的建设目标和需求分析,其体系架构如图2 所示。

1)基础设施层

基础设施层是智慧城市固体废物管理系统的基础硬件和软件运行环境,包含物联网基础设施( 如 GPS、 RFID、各种传感器等) 以及服务器、操作系统、数据库管理系统、网络硬件和网络协议等。物联网基础设施可实现固废源状态、固废转运站状态等的感知,获取固废生命周期的环境、经济和社会方面的信息要素内容。

2)虚拟资源层

虚拟资源层是利用物联网、信息物理系统 ( cyber-physical system,CPS) 、计算系统虚拟化等技术,将基础设施层中的计算资源、存储资源、网络资源等软硬件资源形成虚拟资源池,降低物理资源和资源应用的强耦合依赖关系,以支持资源的按需使用及高可靠性、安全性、可用性、普适性的系统服务环境。

3)数据层

数据层作为固废信息要素内容的存储仓库,包括基础数据、 GIS 数据、业务逻辑、共享数据以及包含历史数据和城市固废管理系统运行数据的数据中心。

基础数据包括城市固废管理系统中的各种属性数据以及用于相关服务功能的数据;各种属性数据如固废源类型、固废源编号、收运人员信息、收运车辆信息、固废处理企业信息等;用于相关服务功能的数据如人口数据、经济数据、收运处理成本、环境影响评价基础数据等。

GIS 数据包含系统相关的空间地理信息,如固废源分布点、收运车实时位置、收运路线等。

业务逻辑是系统提供服务的规则和流程,包括领域实体( 如固废收集点、医疗固废处理企业、热解气化焚烧炉等对象) 、业务规则、数据完整性规则及工作程序。

共享数据是其他信息系统提供的数据,如环保行政部门提供的危险固废产生企业跨省转移信息、固体废物进口数据等。

4)基础支撑层

基础支撑层为系统的安全性、可靠性和高效性提供保障,通过虚拟资源的建模定义、封装/注册/发布、实例化和部署管理、智能搜索管理等技术实现虚拟资源的合理分配与自适应动态调度,以及提供信息系统的系统管理、应用开发环境、系统集成支持中间件、高性能与高可靠性支持四项基础支撑。

其中,系统管理包括系统安全管理、网络管理、监控调度管理及主机系统管理。

应用开发环境为应用服务的开发提供软件开发环境( 如 Java 和 . Net framework 等) 。

系统集成支持中间件为分布式应用软件在不同技术之间共享资源而提供平台和通信机制( 如 XML、ODBC、 JDBC 等) ,实现分布式应用之间的互连互通与互操作。

高性能与高可靠性支持包括用于多目标多约束优化调度的动态优化管理、用于评估服务质量的 QoS 评价管理以及故障恢复与集群技术等。

5)应用支撑层

应用支撑层为智慧城市固废管理系统的应用软件提供辅助支撑,简化应用系统开发过程,提高开发效率,具体包括电子表单、工作流、通信服务、集成管理、即时通信和信息交换等。

6)应用层

应用层是系统的核心部分,通过数据交换和执行业务逻辑,实现系统的各种功能,提供包括公共服务、决策支持、指挥调度、经济核算、执法管理和规划管理等城市固废管理系统的多种服务。

7)展现层

展现层是通过互联网、移动客户端、 APP 应用等多种媒介为公众、企业和政府直接展示呈现系统的服务内容。

智慧城市固体废物管理系统的主要服务功能如 图3 所示,可分为实时监控、基本属性查询、辅助决策和经济核算4 个方面。

1)实时监控

实时监控可以通过 RFID、 GPS 等物联网基础设施获取固废收集点、收集车、运输车等城市固体废物管理系统相关设备的实时状态,是智慧城市固体废物管理系统运行的基础和重要功能。

例如,在固废收集箱贴上 RFID 标签,通过 RFID 读写器可快速非接触地采集该固废收集箱内的固废类型、可纳固废量、上次收集时间、处置方式和处置单位等信息; 采集的信息可通过 Zigbee 网络或 GPRS 网络传送到数据库或者云端。

在固废收集车和运输车上安装 GPS 可获取车辆实时位置、运输轨迹和运输时间等信息。

通过实时监控,可获得固废从产生、运输、计量、回收、出入站等全程监控和全过程数据资料,可有效防止固废遗失和不当处置。

2)基本属性查询

基本属性查询用于城市固体废物管理系统各组成( 相关设备、设施、人员等) 的基础信息查询。

3)辅助决策

辅助决策功能帮助城市固体废物管理系统的管理者科学、高效、低成本地做出相关决策,或为决策者提供参考资料和决策依据。

辅助决策以城市固体废物管理系统底层基础信息、业务逻辑和数据分析为基础,在 GIS 和决策模型支持下,给出决策方案或模拟结果。例如,对于固废运输车辆调度,可根据底层的路况、运输路线、 GPS 获取的车辆位置、 RFID 获取的车辆状态( 运输固废类型、容量、已纳量等) ,调用相应决策模型和算法( 如经典的 VSP 模型、各种启发式求解算法) ,选择方法并在 GIS 的支持下安排合理优化的车辆调度方案。

4)经济核算

经济核算功能以相关价格、底层基础信息、固废作业流程与活动工作量、成本效益计算方法等为根据,用于城市固体废物管理系统的成本效益核算和成本管理,并可作为辅助决策的依

本文介绍了我国目前固废处理的现状,以及在“智慧城市”概念支持以及物联网技术支撑下的固废流转系统的设计。

固废处理是隐藏在快速的经济发展和光鲜城市生活背后的问题,也是世界各国都在面对的世界性难题,如何解决生态与发展的平衡是中国在进一步发展中面临的严峻挑战。在固废处理问题上,掩耳盗铃终究是自欺欺人,只有积极应对,才能求得出路。

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