基于OPMSE的畜禽养殖行业排放限值仿真*

姜秋俚　王鹏飞　韩天放　胡筱敏

(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的畜禽养殖行业排放限值仿真*

姜秋俚1,2王鹏飞1韩天放1胡筱敏1

(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)

摘要通过对清河流域畜禽养殖行业产生污水的各指标(BOD5，COD，NH3-N)浓度进行统计，得出了排放污水中各污染物指标的浓度值范围。通过OPMSE的仿真计算，得出了排放污水经过BAT处理后，污染物浓度正态分布均值在90%，95%，99%置信水平下的置信区间。在置信水平为99%时，畜禽养殖行业的COD置信区间为(42.00，48.19)，BOD5置信区间为(7.47,8.74)，NH3-N置信区间为(6.78，7.88)。同时，依据仿真计算结果还得出了处理后污染物浓度的极小值和极大值，畜禽养殖行业的最佳出水COD，BOD5，NH3-N指标质量浓度分别为22.0，2.1，3.09 mg/L，最差出水COD，BOD5，NH3-N指标质量浓度分别为84.4，14.2，13.29 mg/L。将仿真结果与现有排放标准对比，拟定畜禽养殖行业的COD，BOD5，NH3-N直接排放限值分别为50，9，8 mg/L。关键词对象Petri网模型仿真环境(OPMSE)最佳经济可行技术(BAT)畜禽养殖行业排放限值

0引言

畜禽养殖行业产生对环境影响的污染物主要来自畜禽粪便。大部分畜禽养殖场(区)所产生的污水、废粪渣、恶臭气体等不仅影响了周边居民的正常生活，同时也造成了生态环境的失衡，在带来经济效益的同时影响了环境体系。有资料显示，约有80%的养殖场(区)并没有对上述废弃物做较为完善的处理，很多是直接不经过处理就向周边环境排放。畜禽粪便中含有大量的N，P等营养元素，不经过处理直接排放到周边的水体中，长期排放则会造成水体严重富营养化。同时，这些物质堆积在土壤上，会使得地下水中的硝态氮和硬度超标。同时，粪便中大量的细菌会严重影响地下水的质量。所以畜禽养殖厂废水的治理是当前水处理领域急需解决的问题之一，因此，排放限值的制定对畜禽养殖行业污染物的减排具有关键性的作用。本文以清河流域沿岸的典型畜禽养殖行业(大型奶牛养殖场)的排污特点，采用基于Petri网理论的OPMSE软件，对畜禽养殖行业水污染物BAT处理工艺的削减能力进行了仿真计算，探讨研究制定畜禽养殖行业污染物排放限值的方法，从而严格控制畜禽养殖行业排放的水污染物对清河流域水质的影响，以期改善清河流域水质。

1实验方法

1.1基于Petri网与OPMSE的研究意义

Petri理论是分析离散事件动态系统的方法之一，目前应用范围涉及到计算机科学及通信等众多领域，已成众多学者研究离散事件、动态系统的强大建模工具[1]。由于环境影响评价工程分析项目的系统属性为离散事件动态系统，而污染物的产生、排放过程属于随机过程，所以Petri网特点非常适合对现今的环评工程分析方法的改进[2]。因此，基于Petri网与OPMSE的仿真研究具有重要意义，填补研究空白。

1.2具体方法

主要研究了基于OPMSE的仿真算法，在结合典型畜禽养殖行业BAT技术的基础上，通过设定BAT处理工艺中各个处理工段对污染物去除率的区间范围，对畜禽养殖行业水污染物的BAT处理工艺进行多次仿真计算，在使用OPMSE进行仿真计算时，用区间计算方法替代传统的单一数值计算方法，即对区间范围内的数字进行随机选取并代入计算，然后经过多次仿真计算，并将所有计算结果作为样本，估计总体均值的置信区间，使得结果更科学。在经过仿真计算之后，根据计算结果分析典型畜禽养殖行业经过BAT削减处理后的水污染物排放浓度，从而确定畜禽养殖行业水污染物直接排放限值。主要分为以下几步。

(1)典型污染行业具体企业调研、统计。

(2)仿真系统的分析。仿真系统包括仿真软件、仿真模型、数据库等。首先，确定采用的仿真软件为OPMSE。仿真模型则是基于该软件，采用编程加图示逻辑的过程。数据则采用独立计算方式，即单个模型仅采用本模型所需的数据。

(3)仿真系统的建模。根据典型畜禽养殖行业具体的生产流程，结合具体的排污特性，确定污水处理BAT工艺流程，通过计算机绘制流程图、编程等确定污染物处理工艺的仿真计算过程，从而得到典型畜禽养殖行业中经过BAT削减处理后的污染物排放浓度。

(4)仿真系统的计算和数据分析。基于OPMSE，通过区间计算的方法，进行模拟仿真，并对计算数据进行分析，依据仿真结果得出结论，从而制定畜禽养殖行业水污染物的直接排放限值。

2结果与讨论

2.1基于OPMSE畜禽养殖行业废水处理工艺仿真

畜禽养殖场废水出水一般采用综合式厌氧消化处理，可以产生沼气并剩余沼液，在实际操作时根据需要调节处理工艺的处理水平和运行模式，污染防治最佳可行技术工艺模拟流程如图1所示。在该工艺模拟流程图中，主要对污水COD，BOD5，NH3-N三个指标进行模拟。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，经文献查阅及历史监测数据查找，模拟中设置污水的COD质量浓度为1 000～1 600 mg/L，BOD5质量浓度为150～200 mg/L，NH3-N质量浓度为100～150 mg/L。

图1　畜禽养殖场污染防治最佳可行技术工艺流程图

模拟中设定综合式厌氧消化处理对COD，BOD5，NH3-N的处理效率分别为95%～98%，93%～96%，90%～95%。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　畜禽养殖行业单次模拟仿真结果　mg/L

2.2畜禽养殖行业BAT水处理组合仿真结果分析

对基于OPMSE的畜禽养殖行业BAT水处理组合进行了模拟仿真，得到了最终排放污染物的COD，BOD5，NH3-N质量浓度。图2、图3、图4、表2给出了计算仿真系统的结果。

根据表2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。

图2　畜禽养殖行业BAT水处理计算仿真

图3　畜禽养殖行业BAT水处理计算仿真

图4　畜禽养殖行业BAT水处理计算仿真

指标仿真次数均值/(mg·L-1)标准差最大值/(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　畜禽养殖行业BAT水处理出水

由表3可见，畜禽养殖行业BAT水处理组合对该场的污染物去除效果较好，出水水质可以达到《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627—2008)。表2中最小值指最佳水质，建议畜禽养殖行业采用该BAT处理组合的基础上，提高各方法的处理效率，达到减排最佳效果和最低出水浓度。表4给出了理想状况下最佳和最差的出水水质的污染指标浓度。

表4　畜禽养殖行业BAT水处理出水

2.3畜禽养殖行业排放限值研究

我国的污染物排放标准遵照以技术为依据的准则，对于新设立的污染源，应基于国际先进的污染控制技术，对其污染物的排放执行严格的控制要求；对现有污染源的污染物排放，其排放控制要求应根据较先进技术进行设定，并规定在一定时期内达到或接近新设立污染源的控制要求[3]。美国以技术为依据制定水污染物直接排放标准，不同行业的污染物排放限值根据不同行业的工业技术、污染物产生量水平、处理技术等因素进行确定[4]。美国《清洁水法》中规定，一般采用的技术包括最佳实用技术(BPT)、最佳常规污染物控制技术(BCT)和最佳可行技术(BAT)。对新建企业的污染物排放标准，则通常会使用经证实的最佳可行控制技术(BADT)所能实现的最大排放削减进行确定[5]。将不一样的技术手段、标准的控制对象和控制的不同时间阶段进行结合，从而对美国排污单位的污染治理能力进行合理的展现。在实际可达和可操作的前提下，对水环境污染物的控制目标达到最大限度的实现。本文根据仿真结果的置信区间以及现有的标准，进行了对比。将不同的排放指标值的大小做了比较，见表5。

表5　仿真结果与现有排放限值的对比　mg/L

通过上述仿真结果以及和现有限值的对比，初步拟定基于BAT的清河流域畜禽养殖行业污染物排放限值，如表6所示。

表6　基于BAT的清河流域畜禽养殖

3结语

(1)对BAT削减能力的仿真计算得出了畜禽养殖行业污水经过BAT处理之后COD，BOD5，NH3-N的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(42.00，48.19)，BOD5置信区间为(7.47，8.74)，NH3-N置信区间为(6.78,7.88)。

(2)经过仿真可以得到BAT处理之后的最佳出水浓度和最差出水浓度，最佳出水COD，BOD5，NH3-N指标质量浓度分别为22.0,2.1,3.09 mg/L,最差出水COD，BOD5，NH3-N指标质量浓度分别为84.4,14.2,13.29 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，畜禽养殖行业BAT对于COD的去除效果较好，BOD5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BOD5的去除。根据仿真结果并结合现有的排放限值，拟定清河流域畜禽养殖行业污染物排放限值，COD，BOD5，NH3-N直接排放限值分别为50，9，8 mg/L。证实了采用基于Petri网理论的OPMSE软件技术应用于典型畜禽养殖行业水污染物的防治研究具有重要意义。

参考文献

[1]JAMES L，PETERSON.Petri网理论和系统模拟[M].吴哲辉，译.徐州：中国矿业大学出版社，1989：8-30，97-120.

[2]胡筱敏，马云峰，赵研，等.环境评价Petri网理论可移植性的方法学研究[J].生态环境，2011(6)：43-48.

[3]裴蓓.中美水环境污染物排放标准比较[J].净水技术，2011，30(4)：1-3.

[4]陈蕊，刘新会，杨志峰.欧盟工业废水污染物排放限值的制定[J].环境污染与防治，2005，27(1)：1-4.

[5]周扬胜，安华.美国的环境标准[J].环境科学研究，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，博士生导师，主要研究方向为环境污染防治。

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：水体污染控制与治理国家科技重大专项(2012ZX07505-002)。