姜秋俚　王鵬飛　韓天放　胡筱敏

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

?

基于OPMSE的畜禽養(yǎng)殖行業(yè)排放限值仿真*

姜秋俚1,2王鵬飛1韓天放1胡筱敏1

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

摘要通過(guò)對(duì)清河流域畜禽養(yǎng)殖行業(yè)產(chǎn)生污水的各指標(biāo)(BOD5，COD，NH3-N)濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出了排放污水中各污染物指標(biāo)的濃度值范圍。通過(guò)OPMSE的仿真計(jì)算，得出了排放污水經(jīng)過(guò)BAT處理后，污染物濃度正態(tài)分布均值在90%，95%，99%置信水平下的置信區(qū)間。在置信水平為99%時(shí)，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的COD置信區(qū)間為(42.00，48.19)，BOD5置信區(qū)間為(7.47,8.74)，NH3-N置信區(qū)間為(6.78，7.88)。同時(shí)，依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果還得出了處理后污染物濃度的極小值和極大值，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的最佳出水COD，BOD5，NH3-N指標(biāo)質(zhì)量濃度分別為22.0，2.1，3.09 mg/L，最差出水COD，BOD5，NH3-N指標(biāo)質(zhì)量濃度分別為84.4，14.2，13.29 mg/L。將仿真結(jié)果與現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，擬定畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的COD，BOD5，NH3-N直接排放限值分別為50，9，8 mg/L。關(guān)鍵詞對(duì)象Petri網(wǎng)模型仿真環(huán)境(OPMSE)最佳經(jīng)濟(jì)可行技術(shù)(BAT)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)排放限值

0引言

畜禽養(yǎng)殖行業(yè)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境影響的污染物主要來(lái)自畜禽糞便。大部分畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)(區(qū))所產(chǎn)生的污水、廢糞渣、惡臭氣體等不僅影響了周邊居民的正常生活，同時(shí)也造成了生態(tài)環(huán)境的失衡，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)影響了環(huán)境體系。有資料顯示，約有80%的養(yǎng)殖場(chǎng)(區(qū))并沒(méi)有對(duì)上述廢棄物做較為完善的處理，很多是直接不經(jīng)過(guò)處理就向周邊環(huán)境排放。畜禽糞便中含有大量的N，P等營(yíng)養(yǎng)元素，不經(jīng)過(guò)處理直接排放到周邊的水體中，長(zhǎng)期排放則會(huì)造成水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化。同時(shí)，這些物質(zhì)堆積在土壤上，會(huì)使得地下水中的硝態(tài)氮和硬度超標(biāo)。同時(shí)，糞便中大量的細(xì)菌會(huì)嚴(yán)重影響地下水的質(zhì)量。所以畜禽養(yǎng)殖廠廢水的治理是當(dāng)前水處理領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題之一，因此，排放限值的制定對(duì)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)污染物的減排具有關(guān)鍵性的作用。本文以清河流域沿岸的典型畜禽養(yǎng)殖行業(yè)(大型奶牛養(yǎng)殖場(chǎng))的排污特點(diǎn)，采用基于Petri網(wǎng)理論的OPMSE軟件，對(duì)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)水污染物BAT處理工藝的削減能力進(jìn)行了仿真計(jì)算，探討研究制定畜禽養(yǎng)殖行業(yè)污染物排放限值的方法，從而嚴(yán)格控制畜禽養(yǎng)殖行業(yè)排放的水污染物對(duì)清河流域水質(zhì)的影響，以期改善清河流域水質(zhì)。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1基于Petri網(wǎng)與OPMSE的研究意義

Petri理論是分析離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方法之一，目前應(yīng)用范圍涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)及通信等眾多領(lǐng)域，已成眾多學(xué)者研究離散事件、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)大建模工具[1]。由于環(huán)境影響評(píng)價(jià)工程分析項(xiàng)目的系統(tǒng)屬性為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，而污染物的產(chǎn)生、排放過(guò)程屬于隨機(jī)過(guò)程，所以Petri網(wǎng)特點(diǎn)非常適合對(duì)現(xiàn)今的環(huán)評(píng)工程分析方法的改進(jìn)[2]。因此，基于Petri網(wǎng)與OPMSE的仿真研究具有重要意義，填補(bǔ)研究空白。

1.2具體方法

主要研究了基于OPMSE的仿真算法，在結(jié)合典型畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定BAT處理工藝中各個(gè)處理工段對(duì)污染物去除率的區(qū)間范圍，對(duì)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)水污染物的BAT處理工藝進(jìn)行多次仿真計(jì)算，在使用OPMSE進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，用區(qū)間計(jì)算方法替代傳統(tǒng)的單一數(shù)值計(jì)算方法，即對(duì)區(qū)間范圍內(nèi)的數(shù)字進(jìn)行隨機(jī)選取并代入計(jì)算，然后經(jīng)過(guò)多次仿真計(jì)算，并將所有計(jì)算結(jié)果作為樣本，估計(jì)總體均值的置信區(qū)間，使得結(jié)果更科學(xué)。在經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算之后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析典型畜禽養(yǎng)殖行業(yè)經(jīng)過(guò)BAT削減處理后的水污染物排放濃度，從而確定畜禽養(yǎng)殖行業(yè)水污染物直接排放限值。主要分為以下幾步。

(1)典型污染行業(yè)具體企業(yè)調(diào)研、統(tǒng)計(jì)。

(2)仿真系統(tǒng)的分析。仿真系統(tǒng)包括仿真軟件、仿真模型、數(shù)據(jù)庫(kù)等。首先，確定采用的仿真軟件為OPMSE。仿真模型則是基于該軟件，采用編程加圖示邏輯的過(guò)程。數(shù)據(jù)則采用獨(dú)立計(jì)算方式，即單個(gè)模型僅采用本模型所需的數(shù)據(jù)。

(3)仿真系統(tǒng)的建模。根據(jù)典型畜禽養(yǎng)殖行業(yè)具體的生產(chǎn)流程，結(jié)合具體的排污特性，確定污水處理BAT工藝流程，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制流程圖、編程等確定污染物處理工藝的仿真計(jì)算過(guò)程，從而得到典型畜禽養(yǎng)殖行業(yè)中經(jīng)過(guò)BAT削減處理后的污染物排放濃度。

(4)仿真系統(tǒng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。基于OPMSE，通過(guò)區(qū)間計(jì)算的方法，進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)仿真結(jié)果得出結(jié)論，從而制定畜禽養(yǎng)殖行業(yè)水污染物的直接排放限值。

2結(jié)果與討論

2.1基于OPMSE畜禽養(yǎng)殖行業(yè)廢水處理工藝仿真

畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)廢水出水一般采用綜合式厭氧消化處理，可以產(chǎn)生沼氣并剩余沼液，在實(shí)際操作時(shí)根據(jù)需要調(diào)節(jié)處理工藝的處理水平和運(yùn)行模式，污染防治最佳可行技術(shù)工藝模擬流程如圖1所示。在該工藝模擬流程圖中，主要對(duì)污水COD，BOD5，NH3-N三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模擬。由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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，經(jīng)文獻(xiàn)查閱及歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查找，模擬中設(shè)置污水的COD質(zhì)量濃度為1 000～1 600 mg/L，BOD5質(zhì)量濃度為150～200 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度為100～150 mg/L。

圖1　畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污染防治最佳可行技術(shù)工藝流程圖

模擬中設(shè)定綜合式厭氧消化處理對(duì)COD，BOD5，NH3-N的處理效率分別為95%～98%，93%～96%，90%～95%。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(kāi)始到結(jié)束如表1所示。

表1　畜禽養(yǎng)殖行業(yè)單次模擬仿真結(jié)果　mg/L

2.2畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理組合仿真結(jié)果分析

對(duì)基于OPMSE的畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理組合進(jìn)行了模擬仿真，得到了最終排放污染物的COD，BOD5，NH3-N質(zhì)量濃度。圖2、圖3、圖4、表2給出了計(jì)算仿真系統(tǒng)的結(jié)果。

根據(jù)表2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。

圖2　畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理計(jì)算仿真

圖3　畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理計(jì)算仿真

圖4　畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理計(jì)算仿真

指標(biāo)仿真次數(shù)均值/(mg·L-1)標(biāo)準(zhǔn)差最大值/(mg·L-1)最小值/(mg·L-1)COD10045.0911.7984.422.0BOD51008.102.4014.22.1NH3-N1007.332.0913.293.09

表3　畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理出水

由表3可見(jiàn)，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理組合對(duì)該場(chǎng)的污染物去除效果較好，出水水質(zhì)可以達(dá)到《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 21/1627—2008)。表2中最小值指最佳水質(zhì)，建議畜禽養(yǎng)殖行業(yè)采用該BAT處理組合的基礎(chǔ)上，提高各方法的處理效率，達(dá)到減排最佳效果和最低出水濃度。表4給出了理想狀況下最佳和最差的出水水質(zhì)的污染指標(biāo)濃度。

表4　畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT水處理出水

2.3畜禽養(yǎng)殖行業(yè)排放限值研究

我國(guó)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)遵照以技術(shù)為依據(jù)的準(zhǔn)則，對(duì)于新設(shè)立的污染源，應(yīng)基于國(guó)際先進(jìn)的污染控制技術(shù)，對(duì)其污染物的排放執(zhí)行嚴(yán)格的控制要求；對(duì)現(xiàn)有污染源的污染物排放，其排放控制要求應(yīng)根據(jù)較先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)定，并規(guī)定在一定時(shí)期內(nèi)達(dá)到或接近新設(shè)立污染源的控制要求[3]。美國(guó)以技術(shù)為依據(jù)制定水污染物直接排放標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)的污染物排放限值根據(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)等因素進(jìn)行確定[4]。美國(guó)《清潔水法》中規(guī)定，一般采用的技術(shù)包括最佳實(shí)用技術(shù)(BPT)、最佳常規(guī)污染物控制技術(shù)(BCT)和最佳可行技術(shù)(BAT)。對(duì)新建企業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，則通常會(huì)使用經(jīng)證實(shí)的最佳可行控制技術(shù)(BADT)所能實(shí)現(xiàn)的最大排放削減進(jìn)行確定[5]。將不一樣的技術(shù)手段、標(biāo)準(zhǔn)的控制對(duì)象和控制的不同時(shí)間階段進(jìn)行結(jié)合，從而對(duì)美國(guó)排污單位的污染治理能力進(jìn)行合理的展現(xiàn)。在實(shí)際可達(dá)和可操作的前提下，對(duì)水環(huán)境污染物的控制目標(biāo)達(dá)到最大限度的實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)仿真結(jié)果的置信區(qū)間以及現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了對(duì)比。將不同的排放指標(biāo)值的大小做了比較，見(jiàn)表5。

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

通過(guò)上述仿真結(jié)果以及和現(xiàn)有限值的對(duì)比，初步擬定基于BAT的清河流域畜禽養(yǎng)殖行業(yè)污染物排放限值，如表6所示。

表6　基于BAT的清河流域畜禽養(yǎng)殖

3結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)BAT削減能力的仿真計(jì)算得出了畜禽養(yǎng)殖行業(yè)污水經(jīng)過(guò)BAT處理之后COD，BOD5，NH3-N的濃度正態(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(42.00，48.19)，BOD5置信區(qū)間為(7.47，8.74)，NH3-N置信區(qū)間為(6.78,7.88)。

(2)經(jīng)過(guò)仿真可以得到BAT處理之后的最佳出水濃度和最差出水濃度，最佳出水COD，BOD5，NH3-N指標(biāo)質(zhì)量濃度分別為22.0,2.1,3.09 mg/L,最差出水COD，BOD5，NH3-N指標(biāo)質(zhì)量濃度分別為84.4,14.2,13.29 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，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)BAT對(duì)于COD的去除效果較好，BOD5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(lái)提高處理工藝對(duì)BOD5的去除。根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有的排放限值，擬定清河流域畜禽養(yǎng)殖行業(yè)污染物排放限值，COD，BOD5，NH3-N直接排放限值分別為50，9，8 mg/L。證實(shí)了采用基于Petri網(wǎng)理論的OPMSE軟件技術(shù)應(yīng)用于典型畜禽養(yǎng)殖行業(yè)水污染物的防治研究具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]JAMES L，PETERSON.Petri網(wǎng)理論和系統(tǒng)模擬[M].吳哲輝，譯.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1989：8-30，97-120.

[2]胡筱敏，馬云峰，趙研，等.環(huán)境評(píng)價(jià)Petri網(wǎng)理論可移植性的方法學(xué)研究[J].生態(tài)環(huán)境，2011(6)：43-48.

[3]裴蓓.中美水環(huán)境污染物排放標(biāo)準(zhǔn)比較[J].凈水技術(shù)，2011，30(4)：1-3.

[4]陳蕊，劉新會(huì)，楊志峰.歐盟工業(yè)廢水污染物排放限值的制定[J].環(huán)境污染與防治，2005，27(1)：1-4.

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

Simulation on Emission Limit Values for Livestock Industry Based on the OPMSE

JIANG Qiuli1，2WANG Pengfei1HAN Tianfang1HU Xiaomin1

(1.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversityShenyang110819)

AbstractThe concentration range of different pollutants from the discharged sewage is obtained by analyzing the concentration index of the discharged sewage from livestock industry in the Qinghe river basin. The confidence intervals at the 90%, 95% and 99% confidence levels of normal distribution means of pollution concentration are also acquired after being treated by BAT according to the simulating calculation of OPMSE. In the livestock industry, the 99% confidence intervals of COD, BOD5 and NH3-N are (42.00,48.19), (7.47,8.74) and (6.78,7.88) respectively. Meanwhile, the maximum and minimum values of the treated pollutant concentrations are also obtained by simulating calculation. The optimum concentrations of COD, BOD5 and NH3-N of effluents from livestock industry are 22.0 mg/L, 2.1 mg/L and 3.09 mg/L, while the worst concentrations of COD, BOD5 and NH3-N of effluents from livestock industries are 84.4 mg/L, 14.2 mg/L and 13.29 mg/L. Then making a comparison between the existing emission standards and simulating results, new emission limits are determined preliminarily, and the direct and interim emission limits of livestock industries are COD=50 mg/L, BOD5=9 mg/L, NH3-N=8 mg/L respectively.

Key Wordsobject Petri net modeling and simulation environmentbest available technologylivestock industryemissions limits

(收稿日期：2015-10-26)

通信作者胡筱敏，男，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染防治。

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：水體污染控制與治理國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07505-002)。