Modelowanie systemów gospodarki odpadami komunalnymi

Stypka, Tomasz

Słowa kluczowe		modelowanie gospodarki odpadami komunalnymi, analiza wielokryterialna, AHP, IWM, MSW, trwały rozwój
Abstrakt		Celem pracy jest zaproponowanie, wykonanie i zastosowanie modelu opisującego gospodarkę odpadami komunalnymi, który to model umożliwia porównanie działania różnych systemów gospodarki odpadami ... więcej Celem pracy jest zaproponowanie, wykonanie i zastosowanie modelu opisującego gospodarkę odpadami komunalnymi, który to model umożliwia porównanie działania różnych systemów gospodarki odpadami biorąc pod uwagę zarówno oddziaływanie na środowisko naturalne jak i społeczne i efekty ekonomiczne. W celu wypracowania założeń do konstrukcji modelu autor przeanalizował istniejące dotychczas modele, które podzielił na trzy kategorie. Stosując używaną w inżynierii środowiska nomenklaturę autor nazwał je „białymi”, „szarymi” i „zielonymi”. Do kategorii modeli „białych” należą te które traktują wszystkie założenia jako pewne a otrzymane wyniki jako optymalne. W poszukiwaniu wyników stosują narzędzia programowania liniowego. W modelach „białych” podstawowym kryterium analizy jest koszt a problemy oddziaływania na środowisko są ewentualnie uwzględniane w sposób wycinkowy. Grupę modeli „szarych” stanowią modele próbujące odnieść się do problemu niepewności założeń i wynikających z tego niepewności wyników. Modele te bazują na teorii liczb szarych i zbiorów rozmytych wprowadzając również w ograniczonym zakresie pomiar oddziaływania na środowisko naturalne. Świadomość niepewności założeń kompensują zaawansowanym aparatem matematycznym. Modele „zielone” starają się oceniać poszczególne rozwiązania stosując kryteria trwałego/zrównoważonego rozwoju. Modele mierzą oddziaływanie na środowisko naturalne stosując takie narzędzia jak Analizę Cyklu Życia (LCA) oraz analizę wielokryterialną. Omawiając wady i zalety poszczególnych kategorii modeli autor dochodzi do wniosku, że modele „zielone” są najbardziej obiecującą grupą i należy dążyć do udoskonalania modeli z tej grupy. W celu pokazania możliwości i wad tego typu modeli przedstawiono zastosowanie analizę gospodarki odpadami w Krakowie przy zastosowaniu jednego z najpowszechniej stosowanych modeli z grupy modeli zielonych - modelu IWM-1. Jedną z wad modelu IWM-1 jest to, że dostarcza on informacje o emisjach poszczególnych związków, które to informacje są trudne do zinterpretowania przez decydenta. W celu rozwiązania tego problemu zaproponowano i porównano dwie metody integrowania wyników. Pierwsza metoda polegała na integrowaniu wyników za pomocą opłat za korzystanie ze środowiska, natomiast druga metoda polegała na integrowaniu wyników z wykorzystaniem zaproponowanych kategorii wpływu zgodnie z Oceną Wpływu Cyklu Życia (LCIA). Zastosowano metodę integrowania za pomocą opłat do analizy systemu gospodarki odpadami w Krakowie i Sztokholmie. Metoda okazała się mało przydatna ponieważ opłaty są nieproporcjonalne do uciążliwości poszczególnych związków i nie pokrywają wszystkich kosztów zewnętrznych. Druga metoda integrowania za pomocą LCIA dostarczyła wyniki, które, aby mogły służyć do podejmowania decyzji wymagały dalszej agregacji. Zaproponowano zastosowanie do tego metody Procesu Hierarchii Analitycznej (AHP). W oparciu o model IWM-1 i wypracowaną wcześniej metodę integrowania wyników, zaproponowano własny model analizy gospodarki odpadami tak zwany Regional Dynamic Integrated Waste Management Model (RDIWM) Model ten przewyższa model IWM-1 ponieważ umożliwia założenie różnych parametrów odpadów i systemu gospodarki odpadami w różnych częściach analizowanego regionu, oraz umożliwia zmianę tych parametrów w czasie. Dzięki temu możliwa jest analiza systemu na przestrzeni długiego okresu czasu i obserwowanie lokalnie występujących skutków środowiskowych. Model pozwala na analizowanie rejonu z podziałem na 9 podobszarów w 21 okresach czasowych. Zastąpienie jednostkowych kosztów średnich sumą kosztów stałych i zmiennych proporcjonalnych do strumienia przetwarzanych odpadów urealniło otrzymane wyniki ekonomiczne. Model, stanowiący integralną część pracy, zgodnie z zasadą przejrzystości, powstał jako transparentny skoroszyt Excel obejmujący 12 arkuszy kalkulacyjnych o łącznej wielkości 38,8 Mb. Ponieważ model RDIWM daje możliwość dyskontowana efektów ekonomicznych oraz środowiskowych przeanalizowano teoretyczne podstawy dyskontowania efektów ekologicznych. W celu zobrazowania możliwości modelu RDIWM zastosowano go do analizy gospodarki odpadami w Krakowie. Podzielono obszar miasta na trzy rejony i przeanalizowano dwa warianty systemu gospodarki odpadami: tradycyjny, oparty na składowisku odpadów i system z rozbudowanym recyklingiem i znajdującą się w tym samym co składowisko rejonie spalarnią odpadów. Koszty systemu jak również większość kategorii oddziaływań środowiskowych ma charakter globalny lub regionalny i ich analiza lokalna nie jest uzasadniona. Wyniki pokazały, że koszty środowiskowe recyklingu wynikające ze zwiększonego ruchu ulicznego, są ponoszone przez rejony w których odbywa się zbiórka, natomiast korzyści środowiskowe z recyklingu pojawiają się w rejonach w których powstają produkty z surowców wtórnych. Model umożliwił oszacowanie korzyści ekologiczne wynikających z recyklingu poszczególnych materiałów (papieru, metalu, szkła, plastiku) wyrażone w poszczególnych kategoriach wpływu LCA, osiąganych w rejonach ich przetwarzania. Zastosowanie spalarni oraz podniesienie poziomu recyklingu przynosi korzyści środowiskowe jedynie rejonowi w którym znajduje się spalarnia i składowisko (zmniejszenie emisji odoru i związków powodujących smog fotochemiczny) podczas gdy pozostałe rejony nie odczuwają z tego tytułu korzyści środowiskowych. Po zagregowaniu wyników za pomocą metody AHP otrzymano wynik pozwalający postawić tezę, że korzyści z nowego systemu są odnoszone globalnie, natomiast lokalnie, to jest w rejonach powstawania i zbiórki odpadów obciążenie środowiska wzrasta. The aim of this work is to propose, construct and deliver a model describing municipal waste management which would allow a comparison of the various waste management systems, taking into account the impact ... więcej The aim of this work is to propose, construct and deliver a model describing municipal waste management which would allow a comparison of the various waste management systems, taking into account the impact on both the natural environment as well as on society. In order to develop the assumptions for the construction of the model the author reviewed the current models and divided them into three categories. Using terminology used in environmental engineering, the author named them “white”, “grey” and “green”. The white category includes models which treat all assumptions as certain, and the results as optimal. They use linear programming as an optimization tool. The basic criterion for the white models is cost while the environmental impact issues are taken into account to a degree, if at all. The group of grey models tries to address the uncertainty issue in the assumptions and the resulting uncertainty of the results. These models are based on the theory of grey numbers and fuzzy sets and introduce to a limited extent a measure of the impact on the natural environment. An awareness of the uncertainty in the assumptions is compensated for by the advanced mathematical tools. The green models try to evaluate the various solutions by applying sustainable development criteria. The models measure the impact on the natural environment by using such tools as Life Cycle Analysis (LCA) and/or multi-criteria analysis. Discussing the pros and cons of the various model categories the author concludes that the green models are the most promising and the aim should be to focus on improving the models in this group. To demonstrate the potential benefits and drawbacks of these models one of the most popular green models - The Integrated Waste Management model (IWM-1) was applied to the analysis of waste management in Kraków. One of the drawbacks of the IWM-1 model is that it presents emission information for individual compounds which is difficult for a decision maker to interpret. To solve this problem, two methods of integrating the results were proposed and compared. The first method depended on integrating the results with the help of fees for using the environment, while the second depended on integrating the results using the proposed impact categories in accordance with Life Cycle Impact Analysis (LCIA). The method to integrate through fees to analyze the waste management systems in Kraków and Stockholm was adopted. The method turned out to be of little use because the fees were disproportionate to the burden of the individual compounds and did not cover all external costs. The second method of integration using LCIA produced results which required further aggregation before they could contribute to the decision-making process. For this the Analytic Hierarchy Process (AHP) was proposed. Based on the IWM-1 model and the previously developed method of integrating the results the Regional Dynamic Integrated Waste Management Model (RDIWM), written by the author was proposed. The RDIWM model is superior to the IWM-1 model because it allows various waste and waste management system parameters to be set in different parts of the area under analysis, and allows the user to change these parameters over time. This enables the system to be analyzed over a long period of time, and to observe local environmental effects. The model allows the area to be divided into 9 sub-areas over 21 time periods. Replacing the average unit cost with the sum of fixed and variable costs, proportional to the treated waste stream made the obtained economic results more realistic. The model is an integral part of the book and in accordance with the principle of transparency was created as an auditable 38.8 Mb Excel spreadsheet, containing 12 interlinked worksheets. Since the RDIWM model allows for economic and environmental discounting the theoretical basis of discounting the ecological effects was also analyzed. In order to illustrate the potential of the RDIWM model it was applied to the analysis of waste management in Kraków. The city was divided into three areas and two variants of the waste management system were analyzed. The first was traditional, based on landfill, whilst the second was a comprehensive recycling system with an incinerator located within the same area. System costs as well as most environmental impact categories are global or regional in character hence their analysis from a local perspective is unjustified. The results showed that the environmental costs from recycling, resulting from increased road traffic, are borne by areas where the collections are made while the environmental benefits from recycling appear in areas where products from recycled materials are created. The model allowed the environmental benefits derived from the recycling of different materials (paper, metal, glass, and plastic) to be estimated, expressed in terms of the impact of various LCA categories and achieved in the area of their processing. The use of incinerators and raising the recycling level brings environmental benefits only to the area where the incinerator and the landfill are located (reduction in odours and photochemical smog), while other areas do not have the environmental benefits. After aggregating the results, using AHP, a final result was obtained allowing to be put forward a hypothesis that the new system brings global environmental benefits while locally the environmental load increases in areas where waste is generated and collected Die Ziele der Arbeit sind das Vorschlagen, die Ausführung und die Anwendung des Modells, das die Wirtschaft von kommunalen Abfällen beschreibt und den Vergleich von verschiedenen Systemen der Abfallwirtschaft ... więcej Die Ziele der Arbeit sind das Vorschlagen, die Ausführung und die Anwendung des Modells, das die Wirtschaft von kommunalen Abfällen beschreibt und den Vergleich von verschiedenen Systemen der Abfallwirtschaft unter dem Aspekt der Einwirkung sowohl auf die Umwelt als auch gesellschaftliches Milieu ermöglicht. Um die Voraussetzungen für die Konstruktion des Modells auszuarbeiten hat der Autor die bisher existierenden Modelle analysiert. Er hat sie in drei Kategorien geteilt. Unter Anwendung der in der Umwelttechnik gebrauchten Nomenklatur hat der Autor die Kategorien „ weiß“, „grau“ und „grün“ genannt. Zur“ weißen“ Kategorie gehören die Modelle , die alle Voraussetzungen als sicher und die erhaltenen Ergebnisse als optimal betrachten. In der Suche nach Ergebnissen setzen sie Instrumente der Linearprogrammierung ein. Bei den „weißen“ Modellen sind die Kosten das Grundkriterium der Analyse und die Probleme der Einwirkungen auf die Umwelt werden eventuell ausschnittweise berücksichtigt. Die Gruppe der „grauen“ Modelle ( grey models GM) bilden Modelle, die versuchen sich auf die Unsicherheit der Voraussetzungen und daraus folgende Ungewissheit der Ergebnisse zu beziehen. Diese Modelle basieren auf Grauzahlentheorie und Fuzzy Mengen. Auch hier werden nur in einem begrenzten Bereich die Messungen der Einwirkungen auf die Umwelt eingeführt. Das Bewusstheit der Voraussetzungenunsicherheit wird durch den fortgeschrittenen mathematischen Apparat kompensiert. „ Grüne“ Modelle versuchen die einzelnen Lösungen auf Grund von Kriterien der ausgeglichenen Entwicklung einzuschätzen. Diese Modelle messen die Einwirkungen auf die Umwelt mit Hilfe solcher Instrumente wie LCA ( Lebenszyklusanalyse) oder Mehrkriterienanalyse. Bei der Betrachtung von Vor- und Nachteilen der einzelnen Modellkategorien kommt der Autor zum Schluss, dass die „ grünen“ Modelle am aussichtsreichsten sind und dass man nach Verfeinerung der Modelle aus dieser Gruppe streben sollte. Um die Möglichkeiten und Nachteile dieser Modelle zu zeigen hat man die Analyse der Abfallwirtschaft in Krakau bei der Anwendung eines am häufigsten eingesetzten Modells aus der „grünen” Gruppe IWM-1 dargestellt. Ein Nachteil des Modells IWM-1 ist das, dass es die Informationen über Emissionen der einzelnen Verbindungen gibt , was für die Entscheidenden schwer zu interpretieren ist. Um dieses Problem zu lösen hat man zwei Methoden von Integrieren der Ergebnisse vorgeschlagen und verglichen. Die erste Methode beruhte darauf, dass man die Ergebnisse mit Hilfe von Gebühren für die Nutzung der Umwelt integriert hat. Die zweite Methode beruhte auf Integrieren der Ergebnisse mit der Nutzung der vorgeschlagenen Kategorien des Einflusses gemäß der Lebenszykluseinflussanalyse (LCIA). Man hat die Methode des Integrierens mit Hilfe von Gebühren für die Analyse der Abfallwirtschaftsysteme in Krakau und Stockholm eingesetzt. Diese Methode hat sich als wenig nützlich erwiesen, weil die Gebühren in keinem richtigen Verhältnis zur Lästigkeit der einzelnen Verbindungen stehen und alle Außenkosten nicht decken. Die zweite Methode des Integrierens mit Hilfe von LCIA hat die Ergebnisse gegeben, die um zur Entscheidung dienen zu können, weitere Aggregation erforderten. Man hat hier die Methode des Analytischen Hierarchieprozesses (AHP) vorgeschlagen. In Anlehnung an das Modell IWM-1 und früher ausgearbeitete Methode des Integrierens der Ergebnisse hat man eigenes Modell der Abfallwirtschaftanalyse sog. Regional Dynamic Integrated Waste Management Model ( RDIWM) vorgeschlagen. Dieses Modell übertrifft das Modell IWM-1 , denn es ermöglicht die Annahme von verschiedenen Abfallparametern und der Abfallwirtschaftsysteme in verschiedenen Teilen der analysierten Region und es ermöglicht auch den Austausch dieser Parameter in der Zeit. Infolgedessen sind möglich: die Systemanalyse in einer langen Zeitdauer und die Beobachtung der regional auftretenden Umweltfolgen. Das Modell ermöglicht die Gebietanalyse mit Einteilung in 9 Untergebiete in 21 Zeitabschnitten. Die Ersetzung der Einzeldurchschnittskosten durch die Summe von festen und veränderlichen Kosten proportional zur verarbeiteten Abfallmengen hat die erhaltenen ökonomischen Ergebnisse real gemacht. Das Modell, das einen integrierten Teil dieser Arbeit bildet, entstand als transparenter Schnellhefter Excel und umfasst 12 Kalkulationsbogen mit Gesamtgröße von 38,8 Mb. Da das Modell RDIWM das Diskontieren von ökonomischen und Umwelteffekte ermöglicht, hat man die theoretischen Grundlagen für das Diskontieren der ökologischen Effekte analysiert. Um die Möglichkeiten des Modells RDIWM zu veranschaulichen hat man es zur Analyse der Abfallwirtschaft in Krakau eingesetzt. Man hat das Stadtgebiet in 3 Rayonen geteilt und man hat 2 Varianten der Abfallwirtschaft analysiert: die traditionelle Variante mit der Mülldeponie und das System mit dem ausgebauten Recycling und der Müllverbrennungsanlage , die sich in demselben Rayon wie Deponie befindet. Die Systemkosten und die Mehrheit von Kategorien der Umwelteinwirkungen haben den globalen oder den regionalen Charakter und ihre lokale Analyse ist unbegründet. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Umweltkosten vom Recycling, die aus dem zugenommenen Verkehr erfolgen, werden von den Rayonen getragen, in denen sich die Sammlung stattfindet. Die Umweltnutzen vom Recycling erscheinen in den Rayonen , in denen Produkte aus Sekundärrohstoffen hergestellt werden. Das Modell ermöglicht die Einschätzung der ökologischen Nutzen , die vom Recycling der einzelnen Stoffe ( Papier, Metall, Glas, Kunststoff) erfolgen und die in einzelnen Kategorien des Einflusses LCA in Rayonen ihrer Verwertung ausgedrückt sind. Die Anwendung der Müllverbrennungsanlage und die Entwicklung vom Recycling bringen die Umweltnutzen nur auf dem Gebiet, wo sich die Verbrennungsanlage und die Deponie befinden ( die Verminderung der Gestank Emission und der Verbindungen, die den fotochemischen Smog verursachen) und die anderen Gebiete haben aus diesem Grund keinen ökologischen Umweltnutzen. Nach Aggregation der Ergebnisse mit Hilfe von AHP-Methode hat man ein Ergebnis bekommen, das eine Annahme lässt , dass die Vorteile des neuen Systems nur global sind. Örtlich dagegen d.h. in den Rayonen, wo die Sammlung und die Herstellung der Produkte stattfindet, nimmt die Umweltbelastung zu.