基于“SAOM+智慧監(jiān)控云”技術的污水處理系統(tǒng)在農村地區(qū)的應用

葛建新，樊小境

（北京潔禹通環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100089）

目前，我國水生態(tài)環(huán)境面臨的一個重要問題是農村生活污水排放量已遠遠超出收納水體的環(huán)境容量，成為水污染治理的重頭戲。2018年生態(tài)環(huán)境部報告顯示，中國有200多萬個自然村，60多萬個行政村，我國農村污水處理率僅為22%[1]，具體表現(xiàn)為，“東部區(qū)域污水處理率達到34.1%，中部區(qū)域達到13%，而西部只有12.4%?！眹医y(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年我國鄉(xiāng)村常住人口數(shù)為55162萬人。按照人均排放污水30～40升/天計算，我國農村年排放生活污水高達60.40～80.54億噸。大部分的農村污水未經處理或處理未達標即排進周邊水體，造成河道、湖泊污染嚴重，地表水水質惡化，周邊生態(tài)環(huán)境遭到破壞，給周邊居民的身體健康帶來隱患，嚴重阻礙了農村的社會發(fā)展。因此，改善農村水環(huán)境刻不容緩。

2018年《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018-2022年）》明確提出，將實施農村人居環(huán)境整治三年行動計劃，以農村垃圾、污水治理和村容村貌提升為主攻方向。緊隨其后，《全國農村環(huán)境綜合整治“十三五”規(guī)劃》提出“到2020年，農村污水處理率要達到30%以上是重點任務”，并強調“積極推廣低成本、低能耗、易維護、高效率的污水處理技術，鼓勵采用生態(tài)處理工藝?！?/p>

1 農村污水處理現(xiàn)狀

1.1 農村污水特點

1.1.1 水量特點

農村生活污水在量上具有空間差異大、時間波動顯著、瞬時變化較大等特點[2]，導致傳統(tǒng)處理工藝除污效果不穩(wěn)定，處理后水質難以穩(wěn)定達標。具體表現(xiàn)為[3]：

（1）全國各地生活污水排放量差異較大，如干旱缺水的西北地區(qū)，人均排污最低的甚至不足5升/天，而在東南沿海地區(qū)，農村生活污水人均產量達到70～100升/天，個別地區(qū)人均排污甚至高達120升/天。

（2）時間波動顯著，污水排放有明顯的早中晚三峰特征或早晚雙峰，日變化系數(shù)較大，一般可達3.0～5.0。

（3）季節(jié)性變化明顯，夏季排放量顯著高于冬季，春節(jié)前后又有明顯的排放峰值。農村地區(qū)以上特點會時常造成污水處理系統(tǒng)的低壓、低化學需氧量（COD）環(huán)境，當進水量小于設備設計水量時會導致設備難以連續(xù)穩(wěn)定運行，甚至出現(xiàn)設備停止運行的情況，更難以保證出水達標。

1.1.2 水質特點

農村生活污水種類繁多，成分復雜，主要有廚房洗滌水、洗衣污水、洗浴污水、清洗農具污水、沖洗衛(wèi)生間的糞便污水、生活垃圾堆放滲濾產生的污水、人畜混居產生的畜禽糞便以及部分降水等。其中，廚房污水是農村生活污水中有機物的主要來源，排放量占生活污水總量的20%；洗滌污水占生活污水總量的50%以上，含大量的氨氮、磷等元素，是造成農村水體富營養(yǎng)化的主要原因；廁所污水是農村生活污水中氮、磷、COD、細菌、病毒的主要貢獻者[4]。農村生活污水中含有COD、氮、磷等元素，且不含重金屬元素等有害物質，利于運用生物處理技術。

1.2 現(xiàn)有污水處理技術及存在的問題

農村生活污水外排前需要控制的污染物主要包括化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、懸浮物（SS）、總氮、總磷。目前，國內外農村污水處理模式主要以就地或就近建設污水處理站為主，即分散型污水處理模式?，F(xiàn)有污水處理技術主要有活性污泥法、自然生態(tài)法和生物膜法[5]。由于農村地區(qū)本身的特點，關于中國農村污水治理的主流技術（即60%以上采用的技術）目前還沒有達成共識。近年來，政府投資的支持使農村污水處理設施建設得到迅猛發(fā)展[6]，但普遍出現(xiàn)設備閑置、停運的現(xiàn)象。農村污水處理面臨“建得起、用不起”，或“建不起、更用不起”的困境。關于農村污水處理設施普遍閑置的原因，有關專家進行了系統(tǒng)的分析研究[7-8]，認為主要存在以下幾個問題：

（1）工程成本高，缺乏運行維修資金。

（2）技術復雜，缺乏訓練有素的專業(yè)運行管理人員。

（3）工程設施多，地點分散，管理難度大。

（4）管護不到位，責任不到人，管理主體不具備設施運行管理職責。

（5）污水收集管網(wǎng)不健全，污水量小于設計水量，影響正常運行。因此，農村地區(qū)急需一種低成本、低能耗、易維護、效率高的生態(tài)型污水處理工藝及高效智能運維系統(tǒng)。

2 研究基礎

2.1 SAOM關鍵技術及處理工藝

SAOM定義為智能多級AO生物膜處理工藝，是針對農村地區(qū)排放污水特點（空間差異大、時間波動顯著、瞬時變化較大）專門開發(fā)的，其關鍵性技術包括生物倍增技術、雙擎多級AO可調技術及適用于一體化污水處理設備的氣提回流技術，可解決農村水質難以達標的排放行業(yè)難題，實現(xiàn)出水穩(wěn)定且達到國家及地區(qū)標準。SAOM污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 SAOM污水處理工藝流程圖

2.1.1 生物倍增技術

生物倍增技術是以傳統(tǒng)活性污泥技術為研究基礎，創(chuàng)建的一種新型微生物馴化及微混環(huán)境新方法。在所需生化池進水端采用極低能耗的內循環(huán)方式對污水中的COD濃度進行調節(jié)，即以極小量的空氣為推動力，推進曝氣池中泥水混合物的流動，促進其進行高速內循環(huán)，從而實現(xiàn)了大比倍循環(huán)的技術要求，使COD的降解速度更為平緩，使活性污泥系統(tǒng)的遴選馴化環(huán)境趨于穩(wěn)定，保證生物倍增工藝所需的優(yōu)勢菌群數(shù)量極大化；生物倍增技術中地毯式曝氣方式與布空技術使曝氣更加均勻。傳統(tǒng)工藝曝氣設備的布置間距為50～100cm，生物倍增工藝相鄰曝氣頭的間距為10～15cm，生物倍增工藝曝氣的通氣量為0.5～1m3/m·h，是傳統(tǒng)曝氣的10%～15%。該技術產生的氣泡直徑小、比表面積大、上升速度平緩，微生物更容易獲取氧，極大地提高了氧的傳遞效率。綜上，適宜的污泥濃度、溶氧效率、微混環(huán)境、可控性優(yōu)選，使生物倍增技術所需的優(yōu)勢菌群數(shù)量極大化，實現(xiàn)在自然馴化下培養(yǎng)出比傳統(tǒng)活性污泥技術多一倍的微生物量，大大提高了微生物對有機物的降解效率。

2.1.2 雙擎多級AO可調技術

通過設置兼氧-好氧可調區(qū)，實現(xiàn)同一池體多種工藝并存。系統(tǒng)設置脫氮A1O區(qū)、除磷A2O區(qū)、脫氮除磷A2O區(qū)、倒置A2O區(qū)及多級AO區(qū)，根據(jù)水質變化，切換調整厭氧、缺氧及好氧各功能區(qū)的反應時間、曝氣強度、污泥及混合液回流量，通過多段進水、多段回流實現(xiàn)不同水質硝化反硝化效果，最終達到去碳、脫氮、除磷等污染物的目的。同時，可有效解決農村生活污水間歇性COD值低，可生化性不強；不同時段的水質、水量波動大；北方地區(qū)低溫低難以連續(xù)穩(wěn)定運行及達標難的問題。

2.1.3 污水氣提回流技術

在農村污水脫氮除磷過程中采用傳統(tǒng)生物處理工藝，對于污泥回流和消化液回流的處理主要存在以下問題：混合液回流方式工程上不好處理，用泵回流則電耗高。為保證一定的脫氮除磷效率，混合液回流比往往很大，相當于進水水量的1-4倍；如果污水量較大，混合液回流使用泵回流的話，電耗很大。為了克服上述不足，該技術提供了一種能耗低、氣提效果好的污泥回流或硝化液回流氣提方式，其結構設計為：污泥回流和硝化液回流氣提裝置主要單元為風機、與風機連接的是氣提管道。氣提管道包括若干根支管以及主管，支管為圓環(huán)形，各個支管上下錯開設置，各個支管均與主管連通，主管連接風機；支管上表面開設有間隔排布的氣提孔，氣提孔內固接有氣提噴嘴，氣提噴嘴包括兩端的錐形段以及中間的壓縮段，錐形段最大孔徑與中間壓縮段孔徑比為3：1。該技術的有益效果為，由氣提裝置代替泵達到污泥回流或硝化液回流的要求，大大節(jié)約了能耗。

2.2 智慧監(jiān)控云系統(tǒng)

目前已應用到農村污水處理設施，由于缺乏甚至沒有專業(yè)的設備運維平臺，且處理地點分散，設備單元較多，管理難度大，導致其因故障長期得不到維護而出現(xiàn)設備閑置的現(xiàn)象。該系統(tǒng)開發(fā)的智慧監(jiān)控云平臺，與具備自動監(jiān)測功能的一體化設備配套使用，實現(xiàn)將“互聯(lián)網(wǎng)+”模式應用到農村地區(qū)污水處理行業(yè)。通過對系統(tǒng)智慧硬件、新型傳感器、信息化平臺功能進行研究，開展云平臺技術體系、網(wǎng)絡體系、功能體系三大體系構建，開發(fā)出智慧監(jiān)控云系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破帶寬傳輸技術、監(jiān)控實時技術、數(shù)據(jù)處理技術、客戶云服務技術的挑戰(zhàn)，使系統(tǒng)具備大數(shù)據(jù)處理功能，可實現(xiàn)設備實時巡檢，設備報警，大數(shù)據(jù)匯總與下載，系統(tǒng)診斷與專家在線診斷；還具備智能運維功能，可實現(xiàn)在遠程電腦端及手機APP端登錄，智能實現(xiàn)工單派送、技術人員維修、訂單完成數(shù)據(jù)傳回等功能。最終實現(xiàn)農村分散污水處理設備科學化、信息化、高效化的管理。

3 基于“SAOM+智慧監(jiān)控云”技術的污水處理系統(tǒng)在農村地區(qū)的應用

該技術旨在解決農村污水水質難以達標的技術難題；解決污水處理設施難以可持續(xù)運行的行業(yè)問題；解決農村污水處理點多分散、管理效率低、管控難到位的管理機制問題?；凇癝AOM+智慧監(jiān)控云”污水處理系統(tǒng)的研發(fā)，將具有穩(wěn)定脫氮除磷效果及設備智能運維等功能的一體化污水處理設備及智能監(jiān)控云系統(tǒng)應用于河北某縣農村地區(qū)污水處理項目現(xiàn)場，驗證該系統(tǒng)的污水處理效果及智能運維功能，設計總體工藝路線如圖2所示。

圖2 污水處理總體工藝路線圖

3.1 污水處理工藝設備

項目涉及主要設備包括一體化污水處理設備以及配套調節(jié)池、監(jiān)控室、格柵井等。生活污水經過格柵井后二次提升，進入生活污水調節(jié)池；調節(jié)池主要調節(jié)水質水量，進水經前期攪拌實現(xiàn)均質均相混合后經泵提升至一體化設備內；在設備內依次經過厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)（可根據(jù)季節(jié)性變化、晝夜變化或運行工況變化按需調整兼氧、好氧功能區(qū)反應時間及劃分比例，還可在脫氮AO、除磷AO、脫氮除磷A2O、倒置A2O及多段多級AO等各處理技術之間靈活切換調整）。同時，通過氣提的方式進行消化液及污泥回流，自動加藥設備根據(jù)在線水質監(jiān)測結果智能啟動，強化除氮、除磷效果；出水進入MBR膜池，去除污水中的懸浮物和微小顆粒，過濾出水進入回用水箱，在此經消毒處理后達標排放或資源化利用；生化系統(tǒng)產生剩余污泥氣提至污泥濃縮池，定期將污泥濃縮池污泥輸送至污泥脫水設備進行脫水處理，處理后的泥餅外運至專門的污泥處理單位進行后續(xù)的處置。設備采用埋地式結構，上部覆土，可種植花木、草坪，進一步美化環(huán)境，現(xiàn)場應用效果如圖3所示。

圖3 一體化污水處理設備現(xiàn)場應用效果

3.2 污水處理效果

項目組將基于SAOM技術的一體化污水處理設備應用于河北某縣農村地區(qū)污水處理項目現(xiàn)場，驗證該設備的污水處理效果。對該一體化設備3月份進出口水質進行在線監(jiān)測及取樣化驗，得到數(shù)據(jù)如表1，將采集數(shù)據(jù)繪制成折線圖如圖4所示。

表1 一體化污水處理設備3月份運行記錄

圖4 一體化污水處理系統(tǒng)出水水質數(shù)據(jù)折線圖

從表1及圖4可看出，污水經過一體化處理系統(tǒng)處理后，出水 COD＜50mg/L，總磷＜0.5mg/L，總氮＜15mg/L，氨氮＜5mg/L，SS＜10mg/L，穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準。

3.3 智能運維系統(tǒng)應用效果

智慧監(jiān)控云是基于物聯(lián)網(wǎng)技術針對農村分散式污水處理站管理模式開發(fā)的，具備設備遠程管理及智慧運維功能的智能運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智慧硬件、新型傳感器、信息化平臺組成。實際應用效果如圖5所示，可實現(xiàn)如下功能：

圖5 智慧監(jiān)控云系統(tǒng)應用效果

（1）設備實時監(jiān)控?？蓪崿F(xiàn)無人值守設備運行狀態(tài)的監(jiān)控，可提供高清晰的監(jiān)控畫面，可以清晰地查詢設備情況和泵站周圍的環(huán)境變化，幾個人即可監(jiān)控成百上千個設備的運行情況，實時發(fā)現(xiàn)故障，同時節(jié)省人力90%以上。

（2）設備實時設置和控制?？梢酝ㄟ^主畫面的對應按鈕分別切換到各個設備的分畫面，并在分畫面進行自動與手動轉換控制，包括風機、水泵、自控閥門等。

（3）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計。對接入平臺的各項歷史運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并按匯總值自動生成報表，對設備管理提供各種參數(shù)依據(jù)，支持各種監(jiān)測信息、控制信息、報警信息、操作信息的存儲和查詢；對所有聯(lián)網(wǎng)的水處理設備進行信息管理，實現(xiàn)設備維護全記錄。

（4）報警及遠程專家協(xié)助。設備報警后，在線專家可通過歷史數(shù)據(jù)分析，結合設備及環(huán)境監(jiān)測畫面實現(xiàn)在線診斷，并出具診斷報告，提高設備故障診斷的專業(yè)性及準確率；同時系統(tǒng)將具體報警信息推送至指定人員的手機上，使相關的維護人員收到報警短信后能第一時間了解設備的情況，有應對措施地實現(xiàn)故障的及時處理。

（5）電腦端及手機端隨時登錄，管理人員可通過電腦端實時監(jiān)控水質參數(shù)及設備狀態(tài)，運維人員可通過手機端完成接單、設備歷史數(shù)據(jù)查看、運維數(shù)據(jù)上傳等。智能監(jiān)控云處理技術的開發(fā)，有利于推進污水處理系統(tǒng)的信息化顯示及智能化運維，有利于實現(xiàn)農村分散式污水處理科學化、信息化、高效化的管理。

4 結論

基于“SAOM+智慧監(jiān)控云”技術的污水處理系統(tǒng)應用于農村地區(qū)，其出水指標可達到：pH為6-9，COD＜50mg/L，總磷＜0.5mg/L，總氮＜15mg/L，氨氮＜5mg/L，SS＜10mg/L，出水水質穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準；一體化污水處理設備的設計有利于解決由于設備單元分散、農村技術人員缺乏，導致現(xiàn)場施工量大、質量難以保證的問題，可實現(xiàn)投資、占地、運行成本三個50%以上的節(jié)省。智慧監(jiān)控云系統(tǒng)可實現(xiàn)農村污水處理設備的遠程監(jiān)測、智能化控制及智慧運維。