養(yǎng)殖廢水處理設(shè)施自動化智能化運(yùn)營與管控

馮文謙，史金才，練植嬋，廖勁松，廖新俤，2*

（1.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司，廣東云浮 527400；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣州 510642）

畜禽養(yǎng)殖場未經(jīng)處理的廢水中含有大量污染物質(zhì)，其污染負(fù)荷很高，這種高濃度有機(jī)廢水直接排入或隨雨水沖刷進(jìn)入江河湖庫，會大量消耗水體中的溶解氧，使水體變黑發(fā)臭[1]，鑒于此，國家逐漸加大對養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)保監(jiān)管力度。目前國內(nèi)很多規(guī)模化養(yǎng)殖場已配套廢水處理設(shè)施，但存在處理出水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的問題[2-4]，其中廢水處理設(shè)施現(xiàn)場管理人員配備不足或?qū)I(yè)性不強(qiáng)是導(dǎo)致出水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重要原因之一。國內(nèi)很早就有學(xué)者提出將先進(jìn)的控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于水處理，其能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中相關(guān)參數(shù)的變化，適時自動地調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而確保水處理設(shè)施處于最佳的工作狀態(tài)，以提高處理效果，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[5-7]。本文以某規(guī)?；B(yǎng)殖場為例，探討自動化智能化運(yùn)營和管控技術(shù)在養(yǎng)殖場廢水處理設(shè)施中的應(yīng)用效果，通過配置自動化智能化管控設(shè)施來實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、在線監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報等功能，進(jìn)一步提高廢水處理設(shè)施管控效果和效率，降低運(yùn)營管控成本，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 自動化智能化運(yùn)營和管控方案

1.1.1 視頻監(jiān)控

通過配套監(jiān)控攝像頭、球機(jī)、硬盤錄像機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，并具備24 h實(shí)時監(jiān)控、移動監(jiān)測、紅外夜視監(jiān)控等功能。視頻攝像頭安裝于養(yǎng)殖場環(huán)保區(qū)的各處理環(huán)節(jié)，如固液分離區(qū)、厭氧池、一級AO（缺氧池+好氧池）和二級AO 處理池體、沉淀池、清水池，以及配藥房、電控房、設(shè)備房等。將各攝像頭采集的實(shí)時視頻信號在監(jiān)控電腦或電視墻進(jìn)行展示，以便各級環(huán)保管理人員實(shí)時觀察廢水處理設(shè)施各環(huán)節(jié)的現(xiàn)場運(yùn)行狀況。

1.1.2 在線監(jiān)測運(yùn)行參數(shù)和出水指標(biāo)數(shù)據(jù)

在廢水處理設(shè)施相關(guān)監(jiān)控點(diǎn)（如進(jìn)水口、一級AO和二級AO 處理池體、系統(tǒng)出水口等）安裝在線監(jiān)測探頭，實(shí)時監(jiān)控廢水處理設(shè)施運(yùn)行參數(shù)（如污泥濃度、DO、pH 等）和出水水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)（如COD、氨氮等），并通過環(huán)保數(shù)據(jù)采集儀采集在線監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)，然后在監(jiān)控電腦或電視墻進(jìn)行展示，以便各級環(huán)保管理人員實(shí)時監(jiān)控環(huán)保處理設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)。

1.1.3 預(yù)警預(yù)報

智能監(jiān)控報警系統(tǒng)主要是通過現(xiàn)場PLC 工控系統(tǒng)和人機(jī)操作界面提前設(shè)定各項報警指標(biāo)的閾值，當(dāng)系統(tǒng)判定相關(guān)的指標(biāo)超過閾值時，云端數(shù)據(jù)會自動把相關(guān)報警信息發(fā)送到終端用戶手機(jī)或監(jiān)控電腦，并提供相關(guān)的解決措施，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報功能。

1.1.4 自動聯(lián)動運(yùn)作控制系統(tǒng)

自動聯(lián)動控制系統(tǒng)主要是先設(shè)定廢水處理設(shè)施運(yùn)行參數(shù)（如污泥濃度、DO、pH 值等）的目標(biāo)值，系統(tǒng)自動將在線監(jiān)測設(shè)備的實(shí)測數(shù)據(jù)與目標(biāo)值進(jìn)行對比，并根據(jù)對比的結(jié)果自動調(diào)整閥門開關(guān)、水泵流量、鼓風(fēng)機(jī)頻率等執(zhí)行設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)廢水處理設(shè)施自動聯(lián)動運(yùn)作，免于人工調(diào)節(jié)。

1.2 養(yǎng)殖場總體情況

1.2.1 養(yǎng)殖場廢水處理設(shè)施配置情況

養(yǎng)殖場位于廣東省某市，養(yǎng)殖類型為種鴨，種鴨飼養(yǎng)量18 萬羽，鴨舍32 棟，占地面積約9.87 hm2，其中環(huán)保區(qū)占地面積0.255 hm2，清糞方式為全自動刮糞，廢水產(chǎn)生量約為250 m3·d-1，養(yǎng)殖場配套了廢水處理設(shè)施，設(shè)計處理量為270 m3·d-1，處理工藝流程：固液分離→厭氧池→一級AO 池→中間沉淀池→二級AO 池→二沉池→混凝/絮凝池→終沉池→消毒池→清水池→出水達(dá)標(biāo)排放。其中核心處理環(huán)節(jié)為總池容1 712 m3的兩級AO 池體，因此本文主要闡述兩級AO 池體的自動化智能化控制技術(shù)。兩級AO 池體進(jìn)水水質(zhì)檢測結(jié)果見表1，廢水排放執(zhí)行廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放限值》（DB 4426—2001）第二時段一級標(biāo)準(zhǔn)，主要排放指標(biāo)數(shù)值要求見表2。

表1 兩級AO池體進(jìn)水水質(zhì)Table 1 Inlet water quality of two-stage AO tank

表2 廢水排放標(biāo)準(zhǔn)要求Table 2 Requirements of wastewater discharged standard

1.2.2 養(yǎng)殖場廢水處理設(shè)施在線監(jiān)控設(shè)備配置情況

該養(yǎng)殖場廢水處理設(shè)施在線監(jiān)控設(shè)備配置情況如下：各處理環(huán)節(jié)配置攝像頭；一級和二級好氧池配置污泥濃度檢測儀、DO儀、pH計；清水池配置COD在線監(jiān)測儀、氨氮在線監(jiān)測儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控效果

2.1.1 污泥濃度控制

本項目養(yǎng)殖場廢水處理設(shè)施中的兩級AO 反應(yīng)池均采用運(yùn)行方式靈活、運(yùn)行管理相對容易、運(yùn)行費(fèi)用較低的活性污泥法。相關(guān)研究表明，好氧池污泥濃度控制在5 000～8 000 mg·L-1，活性污泥法的微生物處于連續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)在較短時間內(nèi)對有機(jī)物的降解[8-9]。如圖1所示，一級和二級好氧池污泥濃度均在4 000～7 000 mg·L-1，基本控制在適宜范圍?？梢姡ㄟ^在線監(jiān)測設(shè)備可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測一級和二級好氧池污泥濃度，當(dāng)污泥濃度過低或過高時，通過自動聯(lián)動控制系統(tǒng)，聯(lián)動中間沉淀池、二沉池的排泥系統(tǒng)及污泥回流系統(tǒng)，可將一級和二級好氧池的污泥濃度控制在合適范圍，從而有效保障對廢水中污染物質(zhì)的去除效果。

2.1.2 DO控制

活性污泥法工藝以曝氣池為核心處理設(shè)備，曝氣池中DO 濃度的穩(wěn)定控制是提高運(yùn)行效率、保證出水水質(zhì)、降低曝氣系統(tǒng)能耗的必要條件，直接影響有機(jī)物的去除效率[10-11]，而對DO 濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的前提，具有重要的實(shí)際意義[12]。一般來說，好氧池的DO濃度應(yīng)控制在2.0 mg·L-1，DO濃度高（＞2.0 mg·L-1）時，有機(jī)物降解反應(yīng)很快完成，DO 對有機(jī)物降解速率的影響較小；相反，DO 濃度較低（＜0.8 mg·L-1）時，有機(jī)物的降解則需較長時間，DO 對有機(jī)物降解速率有明顯的影響，DO濃度越低，有機(jī)物降解速率越小[13]。同時，DO 濃度過高或過低都會影響同步脫氮除磷的效果，當(dāng)DO 濃度控制在1.5 mg·L-1左右時，系統(tǒng)的脫氮除磷效果最佳[14]。為確保兩級AO池體對有機(jī)物的去除和脫氮除磷效果，應(yīng)控制好一級和二級好氧池的DO 濃度，為微生物活動提供足夠的溶解氧。如圖2 所示，本項目整個3 月份一級好氧池的DO 濃度維持在1.5 mg·L-1左右，二級好氧池的DO 濃度維持在3～5 mg·L-1。一般厭氧出水COD 在1 500 mg·L-1左右，然后進(jìn)入一級AO反應(yīng)池，由于一級好氧池廢水中有機(jī)物濃度較高，因此，異養(yǎng)微生物降解有機(jī)物時大部分DO 被利用，造成一級好氧池中的DO 濃度較低；當(dāng)廢水進(jìn)入二級好氧池，此時的COD僅為300 mg·L-1左右，由于大部分有機(jī)物已被降解，所以對DO 的消耗較少，因此，二級好氧池的DO 濃度較高。可見，通過在線監(jiān)測DO 濃度，可根據(jù)一級和二級好氧池對DO 的實(shí)際需求合理調(diào)整供氧量，從而有效確保一級好氧池和二級好氧池的DO 維持在適宜范圍，為微生物生長繁殖提供足夠的DO。

2.1.3 pH值控制

廢水中有機(jī)物的去除主要通過異養(yǎng)微生物的代謝作用，異養(yǎng)微生物把有機(jī)碳源作為電子供體，用于產(chǎn)能和合成細(xì)胞物質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對COD 的去除。研究表明，當(dāng)pH 值在6.5 以下時，異養(yǎng)微生物活性受抑制，從而影響其對有機(jī)物的去除[15]，而當(dāng)pH 值在10以上時，同樣不利于異養(yǎng)微生物數(shù)量的增加[16]。在硝化反應(yīng)中，一般認(rèn)為，自養(yǎng)微生物硝化過程對pH值高度敏感，其最佳pH 值范圍為7～8[17]。如圖3 所示，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，本項目整個3 月份一級好氧池和二級好氧池的pH 值均能保持在6.5～8.5，基本屬于正常范圍，因此，無需對pH 值進(jìn)行調(diào)節(jié)。若在線監(jiān)測的pH值過低（＜6.5）或過高（＞10.0），則需進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 出水水質(zhì)的實(shí)時監(jiān)控效果

2.2.1 COD監(jiān)控效果

如圖4 所示，2021 年3 月份兩級AO 的進(jìn)水COD濃度在1 200～1 400 mg·L-1，出水標(biāo)準(zhǔn)要求COD 為70 mg·L-1，通過對廢水處理設(shè)施有效的運(yùn)營管控，COD去除率均在95%以上，兩級AO 出水COD 均在70 mg·L-1以下，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)控制要求。

2.2.2 氨氮監(jiān)控效果

如圖5 所示，2021 年3 月份兩級AO 的進(jìn)水氨氮濃度在800～1 100 mg·L-1，出水標(biāo)準(zhǔn)要求氨氮為10 mg·L-1，通過對廢水處理設(shè)施有效的運(yùn)營管控，氨氮去除率基本達(dá)到99%，兩級AO 出水氨氮均在10 mg·L-1以下，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)控制要求。

2.3 自動化智能化技術(shù)提升管控效果和效率

2.3.1 預(yù)警預(yù)報作用

本項目廢水處理設(shè)施配置的在線監(jiān)控設(shè)備具備預(yù)警預(yù)報功能。當(dāng)廢水處理設(shè)施關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常，或者廢水處理設(shè)施運(yùn)行參數(shù)和出水水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏離正常值等情況，報警系統(tǒng)會及時把相關(guān)的報警信息和解決方案通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到現(xiàn)場環(huán)保操作人員的監(jiān)控電腦和手機(jī)APP上，現(xiàn)場操作人員根據(jù)報警信息和提供的解決方案，及時排查和處理廢水處理設(shè)施存在的問題，保障廢水處理設(shè)施恢復(fù)有效運(yùn)作，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。周振聯(lián)等[18]也提到安徽金隆銅業(yè)有限公司于2016 年建立環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)控的對象包括煙氣、水質(zhì)等，當(dāng)污染物排放指標(biāo)達(dá)預(yù)警值時，系統(tǒng)以短信形式發(fā)送給相關(guān)人員，生產(chǎn)與環(huán)保崗位操作者能在第一時間采取相應(yīng)的措施，最大程度地降低和消除環(huán)境風(fēng)險。

2.3.2 視頻監(jiān)控和在線監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)

視頻與在線監(jiān)控勞動強(qiáng)度低、效率高，能夠有效保障環(huán)保安全。由于養(yǎng)殖場生物安全防疫要求，環(huán)保技術(shù)員進(jìn)場開展日常環(huán)保培訓(xùn)和巡查難度很大，而且環(huán)保區(qū)現(xiàn)場操作人員的技術(shù)水平普遍較低，從而嚴(yán)重影響環(huán)保設(shè)施處理效果。同時，環(huán)保工藝流程長，涉及的設(shè)施設(shè)備多且復(fù)雜，日常人工巡檢費(fèi)時費(fèi)力，工作效率低。本項目養(yǎng)殖場環(huán)保區(qū)配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時監(jiān)控整個環(huán)保區(qū)各處理環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)問題時能及時采取有效措施進(jìn)行解決，能夠最大程度避免出現(xiàn)環(huán)保事故，同時有效降低現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度。呂玉鳳[19]在污水處理廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化運(yùn)行研究上，也提到視頻監(jiān)控的重要性。本項目配置了在線監(jiān)測設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測廢水處理設(shè)施運(yùn)行參數(shù)（如污泥濃度、DO、pH 值等）和出水水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)（如COD、氨氮等），操作人員可根據(jù)數(shù)據(jù)信息，及時發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，還可以通過自動聯(lián)動控制系統(tǒng)自行聯(lián)動水泵、閥門等設(shè)備，免于人工干預(yù)，克服了工作效率低且操作繁瑣問題，避免環(huán)保事故發(fā)生。王偉賢[20]也提到如果污水處理廠的控制完全由操作工人現(xiàn)場控制，由于儀表的準(zhǔn)確性差并且非連續(xù)性監(jiān)測，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整慢，且人工操作勞動強(qiáng)度大，容易發(fā)生錯誤，使得設(shè)備不在最佳狀態(tài)，工藝要求得不到可靠的保證，導(dǎo)致出水水質(zhì)達(dá)不到要求。

2.4 自動化智能化技術(shù)降低管控成本

養(yǎng)殖場環(huán)保區(qū)配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)和在線監(jiān)測設(shè)備，現(xiàn)場操作人員通過控制室的監(jiān)控電腦或者移動手機(jī)APP 即可實(shí)時查看各處理環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)及出水水質(zhì)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，無需對環(huán)保處理設(shè)施逐一進(jìn)行巡檢、排查或采樣檢測等一系列繁瑣操作。尤其是廢水處理設(shè)施配置了自動聯(lián)動控制系統(tǒng)，可根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化自動調(diào)整閥門開關(guān)、水泵流量、鼓風(fēng)機(jī)頻率等，免于人工操作。這樣一方面無需配備手工檢測設(shè)備，另一方面環(huán)保區(qū)人員配置可以減少，降低人力成本。據(jù)統(tǒng)計，本項目采用自動化智能化技術(shù)后每年可節(jié)省20萬元以上的環(huán)保管理成本，并降低了環(huán)保事故的發(fā)生率，有效提高了養(yǎng)殖企業(yè)的環(huán)境效益和社會效益。

3 結(jié)論

（1）通過配置視頻監(jiān)控系統(tǒng)和在線監(jiān)控設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控規(guī)模化養(yǎng)殖場廢水處理設(shè)施每個環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀況、運(yùn)行參數(shù)（污泥濃度、DO、pH）和出水水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)（COD、氨氮），確保污泥濃度、DO、pH 值等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)均控制在合理范圍，分別為4 000～7 000 mg·L-1、1.5 mg·L-1（一級好氧池）和3～5 mg·L-1（二級好氧池）、6.5～8.5；兩級AO 出水水質(zhì)COD、氨氮均達(dá)標(biāo)，分別為70 mg·L-1以下和10 mg·L-1以下，保障了設(shè)施運(yùn)行效果，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，有效規(guī)避了環(huán)境風(fēng)險。

（2）在線監(jiān)控設(shè)施還設(shè)有預(yù)警預(yù)報和自動聯(lián)動運(yùn)作等功能，當(dāng)廢水處理設(shè)施關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常時能進(jìn)行報警，自動聯(lián)動控制系統(tǒng)能根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化自動調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，做到及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，最大程度避免環(huán)保事故發(fā)生。

（3）廢水處理設(shè)施實(shí)施自動化智能化運(yùn)營與管控，既可提高設(shè)施的管控效果和效率，又降低運(yùn)營人員的投入和人員勞動強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了降本增效。