一种考虑碳排放的食物垃圾厌氧处理优化方法

本发明属于食物垃圾处理，具体涉及一种考虑碳排放的食物垃圾厌氧处理优化方法。

背景技术：

1、快餐经济的加速发展和人口的增长导致产生了大量的食物垃圾，食物垃圾是一种具有巨大潜力的宝贵资源，科学利用和处理食物垃圾能促进可持续发展。垃圾“减量化、资源化、无害化”变革风暴的兴起，使得垃圾处理技术蓬勃发展。

2、利用微生物对食物垃圾进行厌氧单消化产生沼气，与焚烧、填埋和堆肥等其他处理方法相比，能量消耗、污染和臭味都更少。但是，由于食物垃圾的低碳氮比和高生物降解性可导致过程中的快速酸化，并导致挥发脂肪酸的积累反过来抑制消化过程。于是现在普遍采用其他底物与食物垃圾进行厌氧共消化来解决高有机负荷、快速酸化和毒性抑制剂问题。目前食物垃圾厌氧处理还存在不足：食物垃圾和厌氧共消化的处理量具有不确定性，导致管理者无法准确安排采购和仓储计划；食物垃圾的处理缺乏全面考虑整个系统的碳排放的影响，包括预处理、处理、运输、库存整个环节的碳排放。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑碳排放的食物垃圾厌氧处理优化方法，该方法以帮助食物垃圾处理系统确定多维目标的最佳混合处理方案，得到不同的食物垃圾和不同的混合比例对最优系统决策有不同的影响，控制整个系统的碳排放最小和经济利益最大化。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种考虑碳排放的食物垃圾厌氧处理优化方法，包括如下步骤：

4、步骤1：对食物垃圾和底物进行预处理，去除杂质和废物；将食物垃圾和底物按照一定的比例混合进行厌氧共消化反应；厌氧共消化反应过程中生产的产品包括沼气、生物柴油和肥料；

5、步骤2：确定食物垃圾厌氧处理的目标，以碳排放最小化为主要目标、总利润最大化和工作机会最大化为次要目标，具体如下：

6、

7、式中，f1为利润，利润是总收入和总成本之间的差异，sr为总收入，总收入由所有产品包括生物柴油、沼气和肥料的销售收入组成，fc为固定成本，vc为可变成本，固定成本和可变成本构成了总成本；f2为碳排放量，epre-treatment为预处理过程中的碳排放，etreatment为厌氧共消化反应过程中的碳排放，etransportation为运输过程中的碳排放，einventory为库存的碳排放；f3为工作机会，工作机会包括食物垃圾处理过程中的社会服务性质的工作数量，hpre-treatment为预处理过程中的工作数量，htreatment为厌氧共消化反应过程中的工作数量，etransportation为运输过程中的工作数量。

8、步骤3：设置约束条件，约束条件包括反应物料约束、产品约束、食物垃圾处理约束和库存约束；

9、步骤4：根据步骤2设置的目标和步骤3的约束条件求解目标获取最优方案，即选择底物的类型以及确定其数量和从食物垃圾二次收集点运回的食物垃圾总数量，进而实现在经济利益和碳排放达到平衡。

10、进一步地，所述预处理过程中的碳排放为预处理过程中食物垃圾和底物相关的单位碳排放；zi为预处理的食物垃圾的数量，为预处理的底物数量，i为垃圾处理厂的数量，m为底物类型。

11、进一步地，所述厌氧共消化反应过程中的碳排放为在厌氧共消化反应下处理食物垃圾和底物的混合物所带来的单位碳排放，为食物垃圾和底物混合后的数量，θ为处理混合物的反应比例。

12、进一步地，所述运输过程中的碳排放ce1、ce2和ce3分别为运输过程中食物垃圾、底物和产品相关的单位碳排放；sij为垃圾处理厂到食物垃圾收集站点的距离；qij为食物垃圾从食物垃圾收集站点运送到垃圾处理厂的数量；sih为垃圾处理厂到底物源站点的距离；为垃圾处理厂从底物源站点购买的底物m的数量；siu为垃圾处理厂到产品需求站点的距离；lqiu为产品需求站点从垃圾处理厂购买的生物柴油的数量；sqiu为产品需求站点从垃圾处理厂购买的化肥的数量，j为收集站点的数量，h为底物购买源站点，m为底物类型，u为产品需求站点。

13、进一步地，所述库存的碳排放ie1和iem为库存食物垃圾和底物相关的单位碳排放；qij为食物垃圾从食物垃圾收集站点运送到垃圾处理厂的数量；为垃圾处理厂从底物源站点购买的底物m的数量；zi为预处理的食物垃圾的数量，为预处理的底物数量。

14、进一步地，所述反应物料约束是指食物垃圾和底物之间的约束zi为预处理的食物垃圾的数量，为预处理的底物数量，ωmθ:νmθ为混合处理的食物垃圾和底物的比例，m为底物类型，θ表示处理混合物的反应比例，wp为共消厌氧反应过程需要的水量，为食物垃圾和底物混合后的数量；处理的食物垃圾和底物的量不能超过运输到垃圾处理厂的量0≤zi≤∑jqij，

15、进一步地，采用梯形模糊数来处理不确定的参数和和分别为收集到的食物垃圾和底物的总量；

16、

17、式中，a是确定的最小值，b是确定的最大值，c、d是最可能的值，e是确定的最小值，f是确定的最大值，g、h是最可能的值；

18、通过梯形模糊数与描述决策者对参数的态度的参数π相结合，可以构造并转换为等效的某些参数。

19、进一步地，所述产品销售约束是指产品(生物柴油、化肥和沼气)能被全部销售，其销售量等于生产量和为垃圾处理厂i在反应比例θ下混合的食物垃圾和底物的单位生物柴油和肥料产量；为食物垃圾和底物混合后的数量；lqiu为产品需求站点从垃圾处理厂购买的生物柴油的数量；sqiu为产品需求站点从垃圾处理厂购买的化肥的数量；

20、产品需求站点购买量不超过垃圾处理厂的售卖量ltiu和syiu分别为垃圾处理厂确定的生物柴油和肥料销售路线，lqiu为产品需求站点从垃圾处理厂购买的生物柴油的数量；sqiu为产品需求站点从垃圾处理厂购买的化肥的数量；

21、销售量必须满足市场需求甚至超过市场需求gd、ldu、sdu表示对沼气、生物柴油和化肥的市场需求；为垃圾处理厂i在反应比例θ下混合的食物垃圾和底物的单位沼气产量。

22、进一步地，所述食物垃圾处理约束是指食物垃圾(混合底物)最大处理能力，voi为发酵剂的总数，xmax为垃圾处理厂的发酵剂总数；

23、发酵剂中的干物质(除水以外的物质)总量应该在[α,,β,]之间，zi为预处理的食物垃圾的数量，为预处理的底物数量，表示食物垃圾和底物混合后的数量。

24、进一步地，所述库存约束是指未生物发酵的食物垃圾和底物不能超过垃圾处理厂最大库存量分别为食物垃圾和底物的最大库存量。

25、本发明构建了一个以碳排放最小化为主要目标、总利润最大化和工作机会最大化为次要目标的多目标混合整数线性规划模型，以优化基于厌氧共消化和酯交换技术的食物垃圾与其他底物混合处理系统；本发明考虑了不同基质、不同处理比例和不同客观偏好场景对系统决策的影响，也考虑了基质来源量的不确定性，通过构造梯形模糊数来求解能帮助食物垃圾系统管理者确定多维目标的最佳混合处理方案，得到不同的食物垃圾和不同的混合比例对最优系统决策有不同的影响，控制整个系统的碳排放最小。本发明可以确定系统的设计和安排是否同时平衡经济、环境和社会目标，同时给出了前置的采购和仓储计划，使得碳排放的控制更加全面、科学和合理。