基于OPMSE與BAT的啤酒行業(yè)排放限值仿真*

姜秋俚　胡筱敏　王鵬飛　韓天放　苑芷茜

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院　沈陽 110819；　2.遼寧省環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心　沈陽 110161)

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基于OPMSE與BAT的啤酒行業(yè)排放限值仿真*

姜秋俚1,2胡筱敏1王鵬飛1韓天放1苑芷茜2

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院沈陽 110819；2.遼寧省環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心沈陽 110161)

摘要以O(shè)PMSE仿真計(jì)算啤酒行業(yè)排放污水中COD，BOD，NH3-N質(zhì)量濃度為研究對(duì)象，查詢及調(diào)研清河流域典型啤酒行業(yè)產(chǎn)生污水中COD，BOD，NH3-N質(zhì)量濃度范圍，經(jīng)BAT處理后通過OPMSE的仿真計(jì)算，得出排放污水中污染物質(zhì)量濃度正態(tài)分布置信區(qū)間、最佳出水及最差出水質(zhì)量濃度。結(jié)果表明：置信水平為99%時(shí)，COD，BOD，NH3-N的置信區(qū)間分別為(75.83，95.95)，(19.30，25.88)，(5.68，6.85)；最佳出水質(zhì)量濃度分別為4.14 mg/L，5.36 mg/L，2.71 mg/L；最差出水質(zhì)量濃度分別為20.64 mg/L，20.70 mg/L，10.86 mg/L。將仿真結(jié)果與現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，擬定啤酒行業(yè)的污染物直接排放限值為COD=100 mg/L，BOD=30 mg/L，NH3-N=8 mg/L；間接排放限值為COD=400 mg/L，BOD=80 mg/L，NH3-N=25 mg/L。

關(guān)鍵詞污染防治最佳可行技術(shù)排放限值啤酒行業(yè)仿真Petri網(wǎng)

The Simulation of Emission Limits for Beer Industries Based on OPMSE and BAT

JIANG Qiuli1,2HU Xiaomin1WANG Pengfei1HAN Tianfang1YUAN Zhiqian2

(1.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

AbstractRegarding emission concentration of COD, BOD and NH3-N for beer industry wastewater by OPMSE simulation calculation as the object of study, concentrations of COD, BOD and NH3-N in typical beer industry wastewater along Qinghe River Basin are investigated and after treatment of BAT, through the OPMSE simulation calculation, it is found out the concentrations of each indexes in the discharged wastewater in conditions of pollutants concentration normal distribution confidence interval, the optimum effluent and the worst effluent. The results show that: when the confidence level is 99% and the confidence interval of COD, BOD and NH3-N is(75.83，95.95),(19.30，25.88)and(5.68，6.85)respectively, the concentrations of the optimum effluent are COD=4.14 mg/L，BOD=5.36 mg/L and NH3-N=2.71 mg/L respectively and the concentrations of the worst effluent are COD=20.64 mg/L，BOD=20.70 mg/L，NH3-N=10.86 mg/L. A comparison conducted between the emission standards and simulation results indicates that the direct emission limits of beer industry are stipulated as COD=100 mg/L，BOD=30 mg/L and NH3-N=8 mg/L and the indirect emission limits stipulated as COD=400 mg/L, BOD=80 mg/L and NH3-N=25 mg/L.

Key Wordsthe best feasible technology on pollution prevention and controlemission limitsbeer industrysimulationPetri net

0引言

污染防治最佳可行技術(shù)(BAT)是為減少污染物的排放，實(shí)現(xiàn)高水平的環(huán)境保護(hù)而提出的先進(jìn)且可行的污染防治工藝和技術(shù)。它與國家或地區(qū)在某一時(shí)期的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和環(huán)境管理要求相適應(yīng)[1]。美國的水污染物直接排放標(biāo)準(zhǔn)以技術(shù)為依據(jù)制定，但是根據(jù)不同行業(yè)的工業(yè)技術(shù)、污染物產(chǎn)生量水平、處理技術(shù)等因素確定各種污染物排放限值[2]。本文基于對(duì)象Petri網(wǎng)的離散事件系統(tǒng)建模仿真環(huán)境(OPMSE)對(duì)啤酒行業(yè)污染物的BAT處理工藝進(jìn)行模擬仿真，估計(jì)總體均值的置信區(qū)間、最佳出水及最差出水質(zhì)量濃度，從而對(duì)清河流域水污染物排放限值的制定提供一定依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)是一種適用于多種系統(tǒng)的圖形化、數(shù)字化建模工具[3]。Petri網(wǎng)具有4個(gè)建模因素：庫所(Place)、變遷(Transition)、弧(Arc)和令牌(Token)。在Petri網(wǎng)建模過程中，通常利用庫所表示狀態(tài)，變遷表示事件，利用庫所、變遷、弧的連接表示系統(tǒng)的靜態(tài)功能和結(jié)構(gòu)，通過變遷點(diǎn)弧和令牌的移動(dòng)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。只要滿足給定的條件或約束，其模型將會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，這種因果關(guān)系作用下的推演過程正好體現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特征[4]。

1.2面向?qū)ο驪etri網(wǎng)

面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(object oriented petri nets，OOPN)，基本思想是將目標(biāo)系統(tǒng)映射為一個(gè)相互協(xié)作的對(duì)象，并用Petri網(wǎng)來描述各個(gè)對(duì)象的行為以及對(duì)象之間的通信關(guān)系。為了提高模型的可維護(hù)性和可重用性，OOPN利用了信息隱藏機(jī)制使得每個(gè)對(duì)象(即一個(gè)個(gè)Petri子網(wǎng))的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不為外界所知，而只對(duì)外提供其調(diào)用接口[5]。

1.3OPMSE

使用OPMSE的分析技術(shù)可以得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和性能特征，借助OPMSE強(qiáng)大的描述能力可以描述一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，結(jié)合其他技術(shù)可以形成系統(tǒng)的不同層次的描述，OPMSE使用圖形化的建模方式，具有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)和強(qiáng)大的描述能力[6]。

1.4具體方法

根據(jù)啤酒行業(yè)生產(chǎn)和排污過程，采用基于Petri網(wǎng)理論的OPMSE軟件，對(duì)啤酒行業(yè)水污染物BAT處理工藝的削減能力進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真計(jì)算過程中采用區(qū)間計(jì)算的方法進(jìn)行多次仿真，并以所有仿真的結(jié)果作為統(tǒng)計(jì)樣本，當(dāng)設(shè)定總體滿足或近似滿足正態(tài)分布時(shí)，用仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)樣本對(duì)總體正態(tài)分布的均值進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，從而得出總體正態(tài)分布均值的置信區(qū)間。

2結(jié)果與討論

2.1基于OPMSE啤酒行業(yè)廢水處理工藝仿真

啤酒生產(chǎn)過程中，廢水主要來源為：糖化廢水，過濾廢水，廢酒花，冷卻水，罐洗廢水，洗瓶、洗罐水。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中，每日所產(chǎn)生污染物的量不同，導(dǎo)致污水的污染指標(biāo)不盡相同，因此模擬中設(shè)置污水的COD質(zhì)量濃度為1 000～3 000 mg/L，BOD質(zhì)量濃度為600～1 800 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為10～35 mg/L。啤酒生產(chǎn)廢水處理工藝基本流程為：粗格柵過濾—集水井—旋轉(zhuǎn)格柵—調(diào)節(jié)池—預(yù)酸化池—投配罐—EC厭氧反應(yīng)器—接觸氧化池—斜板沉淀—污泥濃縮池—污泥脫水機(jī)。

廢水處理工藝模擬流程圖，即啤酒生產(chǎn)工藝中，啤酒廢水處理工藝細(xì)化，如圖1所示。

T0—粗格柵過濾；T1—污水提升；T2—過濾；T3—調(diào)節(jié)水質(zhì)；

由于實(shí)際處理過程中，處理效率不可能為一個(gè)固定的數(shù)值，因此，模擬中設(shè)定水解酸化池對(duì)COD的處理效率為10%～30%，對(duì)BOD的處理效率為35%～40%；設(shè)定EC厭氧反應(yīng)器對(duì)COD的處理效率為75%～80%，對(duì)BOD的處理效率為80%～85%，對(duì)NH3-N的處理效率為28%～32%；設(shè)定接觸氧化池對(duì)COD的處理效率為60%～90%，對(duì)BOD的處理效率為70%～95%，對(duì)NH3-N的處理效率為56%～64%。

對(duì)于含有多個(gè)隨機(jī)變量的系統(tǒng)而言，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果的方法是非常前沿的。選取其中一次OPMSE仿真，從開始到結(jié)束如表1所示。

表1　啤酒行業(yè)單次模擬仿真結(jié)果　mg/L

2.2啤酒行業(yè)BAT水處理組合仿真結(jié)果分析

通過對(duì)清河流域的華潤(rùn)雪花啤酒(鐵嶺)有限公司分析研究，對(duì)基于OPMSE的啤酒行業(yè)BAT水處理組合進(jìn)行了模擬仿真，且通過模擬仿真得到了最終排放污染物的COD、BOD、NH3-N質(zhì)量濃度。仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2　啤酒行業(yè)BAT水處理計(jì)算仿真模型

圖3　BAT水處理計(jì)算仿真模型的BOD最終

圖4　BAT水處理計(jì)算仿真模型的NH3-N最終

對(duì)于以上100次仿真結(jié)果，對(duì)其均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值以及最小值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2　啤酒行業(yè)BAT水處理計(jì)算仿真模型

結(jié)合表2數(shù)據(jù)，可以得出不同污染指標(biāo)在用正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)時(shí)不同置信水平的置信區(qū)間，如表3所示。

表3　啤酒行業(yè)BAT水處理出水污染

從表3可以看出，啤酒行業(yè)BAT水處理組合對(duì)該廠的污染物去除的總體效果還是較好的，出水水質(zhì)可以達(dá)到《酵母工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25462—2010)的直接排放標(biāo)準(zhǔn)[7]。表2仿真結(jié)果中的最小值指出了通過最大化處理效率所能達(dá)到的水質(zhì)。也就是說，通過人為提高水處理的效率和去除率之后，所能達(dá)到的出水污染指標(biāo)質(zhì)量濃度。建議所有啤酒行業(yè)在采用該BAT處理組合的基礎(chǔ)上，提高各處理方法的工作效率，達(dá)到更好的污染物減排效果和最低的出水污染指標(biāo)質(zhì)量濃度，最佳和最差的出水質(zhì)量濃度如表4所示。

表4　啤酒行業(yè)BAT水處理出水

2.3啤酒行業(yè)排放限值研究

根據(jù)仿真結(jié)果的置信區(qū)間以及現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)[7]，進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5　仿真結(jié)果與現(xiàn)有排放限值的對(duì)比　mg/L

綜合上述仿真結(jié)果以及和現(xiàn)有限值的對(duì)比，可初步擬定基于BAT的清河流域啤酒行業(yè)污染物排放限值一份，如表6所示。

表6　基于BAT的清河流域啤酒行業(yè)

3結(jié)論

(1)對(duì)BAT削減能力的仿真計(jì)算得出了啤酒行業(yè)污水經(jīng)過BAT處理之后COD，BOD，NH3-N的質(zhì)量濃度正態(tài)分布均值在不同置信水平下的置信區(qū)間。在置信水平為99%時(shí)，COD置信區(qū)間為(75.83，95.95)，BOD置信區(qū)間為(19.30，25.88)，NH3-N置信區(qū)間為(5.68，6.85)。

(2)經(jīng)過仿真可以得到BAT處理之后的最佳出水質(zhì)量濃度和最差出水質(zhì)量濃度，啤酒行業(yè)的最佳出水各指標(biāo)質(zhì)量濃度為：COD=20.53 mg/L，BOD=4.18 mg/L，NH3-N=2.71 mg/L,最差出水各指標(biāo)質(zhì)量濃度為：COD=190.86 mg/L，BOD=60.36 mg/L，NH3-N=10.86 mg/L。最佳出水的各指標(biāo)質(zhì)量濃度可以為污染物削減潛力和企業(yè)減排的空間給出指導(dǎo)意義，而最差出水質(zhì)量濃度也可以為污染源預(yù)警提供指導(dǎo)。

(3)仿真結(jié)果表明，啤酒行業(yè)BAT對(duì)于COD的去除效果較好，BOD的去除效果相對(duì)較差，企業(yè)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上應(yīng)該適當(dāng)改進(jìn)處理工藝來提高處理工藝對(duì)BOD的去除。根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有的排放限值，擬定清河流域啤酒行業(yè)污染物排放限值，直接排放限值為COD=100mg/L，BOD=30mg/L，NH3-N=8mg/L；間接排放限值為COD=400mg/L，BOD=80mg/L，NH3-N=25mg/L。

參考文獻(xiàn)

[1]國家環(huán)境保護(hù)部.污染防治最佳可行技術(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)通則[R].2011.

[2]周揚(yáng)勝，安華.美國的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[J].環(huán)境科學(xué)研究，1997，10(1)：57-62.

[3]袁崇義.Petri網(wǎng)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1989.

[4]孫景衛(wèi).基于Petri網(wǎng)的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)安全性分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[5]李杰,王書亭,陳立平.面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的離散事件系統(tǒng)仿真建模[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001.29(5):12-16.

[6]羅雪山.基于對(duì)象Petri網(wǎng)的離散事件系統(tǒng)建模仿真環(huán)境[J].計(jì)算機(jī)仿真，2000,17(3):42-44.

[7]環(huán)境保護(hù)部.酵母工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 25462—2010[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2010.

胡筱敏,男,1958年生，江西婺源人,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治。

(收稿日期：2015-07-01)

作者簡(jiǎn)介姜秋俚，男，1981年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治。

*基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)-水體污染控制與治理(2012ZX07505-005)。