基于OPMSE与BAT的啤酒行业排放限值仿真*

姜秋俚　胡筱敏　王鹏飞　韩天放　苑芷茜

(1.东北大学资源与土木工程学院　沈阳 110819；　2.辽宁省环境监测实验中心　沈阳 110161)



基于OPMSE与BAT的啤酒行业排放限值仿真*

姜秋俚1,2胡筱敏1王鹏飞1韩天放1苑芷茜2

(1.东北大学资源与土木工程学院沈阳 110819；2.辽宁省环境监测实验中心沈阳 110161)

摘要以OPMSE仿真计算啤酒行业排放污水中COD，BOD，NH3-N质量浓度为研究对象，查询及调研清河流域典型啤酒行业产生污水中COD，BOD，NH3-N质量浓度范围，经BAT处理后通过OPMSE的仿真计算，得出排放污水中污染物质量浓度正态分布置信区间、最佳出水及最差出水质量浓度。结果表明：置信水平为99%时，COD，BOD，NH3-N的置信区间分别为(75.83，95.95)，(19.30，25.88)，(5.68，6.85)；最佳出水质量浓度分别为4.14 mg/L，5.36 mg/L，2.71 mg/L；最差出水质量浓度分别为20.64 mg/L，20.70 mg/L，10.86 mg/L。将仿真结果与现有排放标准对比，拟定啤酒行业的污染物直接排放限值为COD=100 mg/L，BOD=30 mg/L，NH3-N=8 mg/L；间接排放限值为COD=400 mg/L，BOD=80 mg/L，NH3-N=25 mg/L。

关键词污染防治最佳可行技术排放限值啤酒行业仿真Petri网

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术(BAT)是为减少污染物的排放，实现高水平的环境保护而提出的先进且可行的污染防治工艺和技术。它与国家或地区在某一时期的技术、经济发展水平和环境管理要求相适应[1]。美国的水污染物直接排放标准以技术为依据制定，但是根据不同行业的工业技术、污染物产生量水平、处理技术等因素确定各种污染物排放限值[2]。本文基于对象Petri网的离散事件系统建模仿真环境(OPMSE)对啤酒行业污染物的BAT处理工艺进行模拟仿真，估计总体均值的置信区间、最佳出水及最差出水质量浓度，从而对清河流域水污染物排放限值的制定提供一定依据。

1实验方法

1.1Petri网

Petri网是一种适用于多种系统的图形化、数字化建模工具[3]。Petri网具有4个建模因素：库所(Place)、变迁(Transition)、弧(Arc)和令牌(Token)。在Petri网建模过程中，通常利用库所表示状态，变迁表示事件，利用库所、变迁、弧的连接表示系统的静态功能和结构，通过变迁点弧和令牌的移动描述系统的动态行为。只要满足给定的条件或约束，其模型将会自动地进行状态转换，这种因果关系作用下的推演过程正好体现了系统的动态行为特征[4]。

1.2面向对象Petri网

面向对象Petri网(object oriented petri nets，OOPN)，基本思想是将目标系统映射为一个相互协作的对象，并用Petri网来描述各个对象的行为以及对象之间的通信关系。为了提高模型的可维护性和可重用性，OOPN利用了信息隐藏机制使得每个对象(即一个个Petri子网)的内部实现细节不为外界所知，而只对外提供其调用接口[5]。

1.3OPMSE

使用OPMSE的分析技术可以得到系统的结构特征和性能特征，借助OPMSE强大的描述能力可以描述一个复杂系统，结合其他技术可以形成系统的不同层次的描述，OPMSE使用图形化的建模方式，具有严密的理论基础和强大的描述能力[6]。

1.4具体方法

根据啤酒行业生产和排污过程，采用基于Petri网理论的OPMSE软件，对啤酒行业水污染物BAT处理工艺的削减能力进行了仿真计算，仿真计算过程中采用区间计算的方法进行多次仿真，并以所有仿真的结果作为统计样本，当设定总体满足或近似满足正态分布时，用仿真结果的统计样本对总体正态分布的均值进行区间估计，从而得出总体正态分布均值的置信区间。

2结果与讨论

2.1基于OPMSE啤酒行业废水处理工艺仿真

啤酒生产过程中，废水主要来源为：糖化废水，过滤废水，废酒花，冷却水，罐洗废水，洗瓶、洗罐水。由于实际生产过程中，每日所产生污染物的量不同，导致污水的污染指标不尽相同，因此模拟中设置污水的COD质量浓度为1 000～3 000 mg/L，BOD质量浓度为600～1 800 mg/L，NH3-N质量浓度为10～35 mg/L。啤酒生产废水处理工艺基本流程为：粗格栅过滤—集水井—旋转格栅—调节池—预酸化池—投配罐—EC厌氧反应器—接触氧化池—斜板沉淀—污泥浓缩池—污泥脱水机。

废水处理工艺模拟流程图，即啤酒生产工艺中，啤酒废水处理工艺细化，如图1所示。

T0—粗格栅过滤；T1—污水提升；T2—过滤；T3—调节水质；

由于实际处理过程中，处理效率不可能为一个固定的数值，因此，模拟中设定水解酸化池对COD的处理效率为10%～30%，对BOD的处理效率为35%～40%；设定EC厌氧反应器对COD的处理效率为75%～80%，对BOD的处理效率为80%～85%，对NH3-N的处理效率为28%～32%；设定接触氧化池对COD的处理效率为60%～90%，对BOD的处理效率为70%～95%，对NH3-N的处理效率为56%～64%。

对于含有多个随机变量的系统而言，其统计结果的方法是非常前沿的。选取其中一次OPMSE仿真，从开始到结束如表1所示。

表1　啤酒行业单次模拟仿真结果　mg/L

2.2啤酒行业BAT水处理组合仿真结果分析

通过对清河流域的华润雪花啤酒(铁岭)有限公司分析研究，对基于OPMSE的啤酒行业BAT水处理组合进行了模拟仿真，且通过模拟仿真得到了最终排放污染物的COD、BOD、NH3-N质量浓度。仿真结果如图2～图4所示。

图2　啤酒行业BAT水处理计算仿真模型

图3　BAT水处理计算仿真模型的BOD最终

图4　BAT水处理计算仿真模型的NH3-N最终

对于以上100次仿真结果，对其均值、标准差、最大值以及最小值进行了统计，如表2所示。

表2　啤酒行业BAT水处理计算仿真模型

结合表2数据，可以得出不同污染指标在用正态分布统计时不同置信水平的置信区间，如表3所示。

表3　啤酒行业BAT水处理出水污染

从表3可以看出，啤酒行业BAT水处理组合对该厂的污染物去除的总体效果还是较好的，出水水质可以达到《酵母工业水污染物排放标准》(GB 25462—2010)的直接排放标准[7]。表2仿真结果中的最小值指出了通过最大化处理效率所能达到的水质。也就是说，通过人为提高水处理的效率和去除率之后，所能达到的出水污染指标质量浓度。建议所有啤酒行业在采用该BAT处理组合的基础上，提高各处理方法的工作效率，达到更好的污染物减排效果和最低的出水污染指标质量浓度，最佳和最差的出水质量浓度如表4所示。

表4　啤酒行业BAT水处理出水

2.3啤酒行业排放限值研究

根据仿真结果的置信区间以及现有的标准[7]，进行了对比，结果如表5所示。

表5　仿真结果与现有排放限值的对比　mg/L

综合上述仿真结果以及和现有限值的对比，可初步拟定基于BAT的清河流域啤酒行业污染物排放限值一份，如表6所示。

表6　基于BAT的清河流域啤酒行业

3结论

(1)对BAT削减能力的仿真计算得出了啤酒行业污水经过BAT处理之后COD，BOD，NH3-N的质量浓度正态分布均值在不同置信水平下的置信区间。在置信水平为99%时，COD置信区间为(75.83，95.95)，BOD置信区间为(19.30，25.88)，NH3-N置信区间为(5.68，6.85)。

(2)经过仿真可以得到BAT处理之后的最佳出水质量浓度和最差出水质量浓度，啤酒行业的最佳出水各指标质量浓度为：COD=20.53 mg/L，BOD=4.18 mg/L，NH3-N=2.71 mg/L,最差出水各指标质量浓度为：COD=190.86 mg/L，BOD=60.36 mg/L，NH3-N=10.86 mg/L。最佳出水的各指标质量浓度可以为污染物削减潜力和企业减排的空间给出指导意义，而最差出水质量浓度也可以为污染源预警提供指导。

(3)仿真结果表明，啤酒行业BAT对于COD的去除效果较好，BOD的去除效果相对较差，企业在现有基础上应该适当改进处理工艺来提高处理工艺对BOD的去除。根据仿真结果并结合现有的排放限值，拟定清河流域啤酒行业污染物排放限值，直接排放限值为COD=100mg/L，BOD=30mg/L，NH3-N=8mg/L；间接排放限值为COD=400mg/L，BOD=80mg/L，NH3-N=25mg/L。

参考文献

[1]国家环境保护部.污染防治最佳可行技术评价技术通则[R].2011.

[2]周扬胜，安华.美国的环境标准[J].环境科学研究，1997，10(1)：57-62.

[3]袁崇义.Petri网[M].南京：东南大学出版社，1989.

[4]孙景卫.基于Petri网的全自动驾驶系统安全性分析[D].北京：北京交通大学，2014.

[5]李杰,王书亭,陈立平.面向对象Petri网的离散事件系统仿真建模[J].华中科技大学学报,2001.29(5):12-16.

[6]罗雪山.基于对象Petri网的离散事件系统建模仿真环境[J].计算机仿真，2000,17(3):42-44.

[7]环境保护部.酵母工业水污染物排放标准：GB 25462—2010[S].北京：中国环境科学出版社,2010.

胡筱敏,男,1958年生，江西婺源人,东北大学教授,博士生导师，主要研究方向为环境污染防治。

(收稿日期：2015-07-01)

作者简介姜秋俚，男，1981年生，博士研究生，主要研究方向为环境污染防治。

*基金项目：国家科技重大专项-水体污染控制与治理(2012ZX07505-005)。