基于物聯(lián)網(wǎng)的分散式污水處理設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙翔盟

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

0 引 言

我國(guó)的污水處理工程在近幾年取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《2020年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，截至2020年底，全國(guó)全年污水排放量達(dá)5 713 633 萬(wàn)m3，有2 618 座污水處理廠，其中縣城處理設(shè)施為1 708 座。污水總處理量5 572 782 萬(wàn)m3，全國(guó)污水處理率97.54%，縣城部分污水處理率95.05%，大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了污水的全面處理。但在部分村鎮(zhèn)，對(duì)生活污水進(jìn)行處理的建制鎮(zhèn)僅有12 300 個(gè)，僅占總數(shù)的65.35%。但就每千米排污管線對(duì)應(yīng)處理污水的體積看，全國(guó)排污管線總長(zhǎng)度802 721 km，總處理污水5 572 782 萬(wàn)m3，每千米排污管線對(duì)應(yīng)處理污水的體積為6.94 萬(wàn)m3；村鎮(zhèn)排污管線總長(zhǎng)度198 409.18 km，日處理污水2 157.36 萬(wàn)t，按理想情況全年365 天計(jì)，總處理污水787 436.4 萬(wàn)m3，每千米排污管線對(duì)應(yīng)處理污水的體積僅為3.97 萬(wàn)m3，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平[1]6.94 萬(wàn)m3。究其原因，是污水排放的分散性問(wèn)題，主要由過(guò)于分散的排放位置和比較小的排放量造成，這一問(wèn)題主要體現(xiàn)在農(nóng)村地區(qū)，但同時(shí)也有一部分未納入城市市政管網(wǎng)覆蓋范圍，地處市郊或遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的工地、廠房、野戰(zhàn)部隊(duì)駐地、風(fēng)景名勝區(qū)、療養(yǎng)院、度假區(qū)、獨(dú)立別墅區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部、機(jī)場(chǎng)也存在相同的問(wèn)題。

現(xiàn)階段，我國(guó)污水處理設(shè)施仍是以區(qū)域集中再處理的方式為主，特點(diǎn)是廣域收集、中心處理，但該設(shè)計(jì)適用于人口密度大、保障能力強(qiáng)的城市與比較發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)城區(qū)。而上述農(nóng)村等地區(qū)，按傳統(tǒng)的污水處理模式開展設(shè)施建設(shè)工程所消耗的人力物力與取得的效果并不匹配。同時(shí)，中西部及丘陵山區(qū)存在著大量不利于工程施工作業(yè)的地區(qū)，這些地區(qū)不具備建設(shè)傳統(tǒng)處理設(shè)施的條件。針對(duì)上述污水排放量小且分散、污水類型復(fù)雜、排放量波動(dòng)大的地區(qū)，宜采用分散式污水處理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的就近處理、分類排放以及有效利用，能降低排污管網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)占地面積小、對(duì)環(huán)境影響較小。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使其能夠因地制宜、靈活多樣地建設(shè)適合當(dāng)?shù)氐奈鬯幚碓O(shè)施。對(duì)于任何一個(gè)高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，探究其魯棒性（Robust）都具有重大意義。依托高度物聯(lián)網(wǎng)化的分散式污水處理設(shè)施，可以展開對(duì)魯棒性的研究，有助于再次提高其運(yùn)行的穩(wěn)定程度，特別是保證其在苛刻條件下的基本運(yùn)行。

1 分散式污水處理設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

分散式污水處理設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。本設(shè)計(jì)將分散式污水處理系統(tǒng)解耦合，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為4 個(gè)子系統(tǒng)，分別是污水收集系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、污水利用系統(tǒng)、污水監(jiān)控系統(tǒng)。4 個(gè)系統(tǒng)將收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)將數(shù)據(jù)應(yīng)用于系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行的決策輔助中。系統(tǒng)主要框架如下：

圖1 分散式污水處理設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

（1）污水收集系統(tǒng)：建設(shè)工程前，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際地理氣候等情況，結(jié)合設(shè)計(jì)目的，設(shè)計(jì)分散污水的收集系統(tǒng)，并輔助收集系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程與后期維護(hù)。

（2）污水處理系統(tǒng)：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)，將污水根據(jù)特征分成不同的種類并給予最適宜的處理方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化處置，提高整體處理水平。

（3）污水利用系統(tǒng)：建設(shè)再生水供需平臺(tái)，將處理后的水再次分類，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)。利用統(tǒng)一回用對(duì)接系統(tǒng)，統(tǒng)籌再生水需求與供給，完成再生水的分配與利用，提高水資源利用率并降低相關(guān)企業(yè)用水成本。

（4）污水監(jiān)控系統(tǒng)：利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)上述3 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與量化，保證污水從被收集到二次利用全過(guò)程清晰明了，便于設(shè)備的維護(hù)與遠(yuǎn)程控制，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)增強(qiáng)設(shè)備的自動(dòng)化程度和智能化程度。同時(shí)，通過(guò)高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，為處理設(shè)施的魯棒性探究奠定基礎(chǔ)，為系統(tǒng)的干擾對(duì)抗提供先決條件。

2 污水收集處理與利用的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

污水收集系統(tǒng)是分散式設(shè)施的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)中的作用不可忽視。本文從調(diào)研、設(shè)計(jì)、實(shí)施、維護(hù)等4 個(gè)角度進(jìn)行分析。調(diào)查村落附近現(xiàn)有的污水設(shè)施，查閱天氣、水文資料，了解當(dāng)?shù)氐乩須夂?、產(chǎn)業(yè)組成、經(jīng)濟(jì)情況、發(fā)達(dá)程度和風(fēng)俗習(xí)慣。在充分調(diào)研的前提下，可使用流量傳感器與水質(zhì)傳感設(shè)備對(duì)當(dāng)?shù)嘏盼矍闆r進(jìn)行采樣調(diào)查，結(jié)合大數(shù)據(jù)庫(kù)的決策輔助，估算工程規(guī)模，考慮污水的處理方式、特殊污水的分流、天然降水收集的需求、設(shè)施的成本與壽命、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與后期維護(hù)難度，結(jié)合預(yù)期要求與項(xiàng)目預(yù)算給出設(shè)計(jì)方案。提前與畜牧業(yè)、化工業(yè)等排污成分特殊的用戶溝通，建議其安裝特異化前置處理設(shè)施。選擇氣候、地理?xiàng)l件適宜的時(shí)間施工，首先進(jìn)行雨污管網(wǎng)改造與巷道污水整治，安排個(gè)人用戶開展院落污水引流改造，盡量使用現(xiàn)有管道排污，做好施工期間污水臨時(shí)排放的安排。定期進(jìn)行管線檢修，提醒用戶注意保護(hù)設(shè)施。運(yùn)行初期可派駐維護(hù)人員盯守，制定適用于該設(shè)備運(yùn)行的處理程序與邏輯。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)，將污水根據(jù)特征成分，分成不同的種類并給予最適宜的處理方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化處置，提高整體處理水平。將前置系統(tǒng)預(yù)處理過(guò)的污水與普通污水匯總到處理設(shè)施中，并將固液分離，固體做淤泥發(fā)酵處理，液體經(jīng)污水處理設(shè)施處理并達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后收集。

膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor,MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)，廣泛用于污水處理、廢水利用等領(lǐng)域。該技術(shù)根據(jù)高分子結(jié)構(gòu)和安裝方式的不同可分為10 余種不同的類型，其特點(diǎn)十分適合處理小規(guī)模污水，因此在小規(guī)模污水站的應(yīng)用極為廣泛。該技術(shù)具有出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、剩余污泥少、占地面積小、不受設(shè)置場(chǎng)合限制、可去除氨氮及難降解有機(jī)物、操作管理方便、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)[2]。

針對(duì)去除污水中的磷元素（P），生物除磷法是常用方法。磷被用作營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在污水中代謝、生長(zhǎng)和繁殖。水中大量的磷以多聚磷酸鹽的形式被消化并儲(chǔ)存在細(xì)菌中，從而形成高磷污泥，通過(guò)污泥系統(tǒng)排出污泥，達(dá)到除磷的目的。然而，在缺氧條件下，細(xì)菌會(huì)將磷重新釋放到水中，造成二次污染[3]。除重金屬去鐵除錳的常用工藝有錳沸石法、高錳酸鉀氧化法、過(guò)濾法和曝氣直接氧化法[4]。直接曝氣氧化法設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能耗低，能滿足循環(huán)水水質(zhì)要求。曝氣裝置基于錳砂催化、吸附和過(guò)濾除鐵錳的原理，將空氣中的氧氣溶解在水中，然后將水中的Fe2+和Mn2+氧化成不溶性Fe3+和MnO2，再結(jié)合天然錳砂的催化、吸附和過(guò)濾，去除水中的鐵錳離子[5]。針對(duì)農(nóng)村廢水、污水進(jìn)行細(xì)菌消滅MBR 處理后的出水具有低濁度、低氨氮的特征，污水處理設(shè)施產(chǎn)出水中的細(xì)菌含量大于等于104個(gè)/L 時(shí)，應(yīng)根據(jù)該設(shè)施特性，選擇氧化性或非氧化性的殺菌劑投放于各生化池，常用的消毒劑有次氯酸鈉、二氧化氯、紫外線等[6]。

建設(shè)再生水供需平臺(tái)，將處理完成后的水再次進(jìn)行分類，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)。利用統(tǒng)一的回用對(duì)接系統(tǒng)，統(tǒng)籌再生水需求與供給，完成再生水的分配與利用，提高水資源利用率并降低相關(guān)企業(yè)用水成本。根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978—1996）》[7]，將處理后的再生水進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)結(jié)果分為3 類，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)中的不同等級(jí)，Ⅰ類符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)、Ⅱ類符合一般工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)、Ⅲ類符合國(guó)家最低排放標(biāo)準(zhǔn)。按等級(jí)用途可分為Ⅰ類符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)：灌溉使用、工業(yè)生產(chǎn)、畜牧飲用、儲(chǔ)備水源、排入河流。Ⅱ類符合工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)：工業(yè)冷卻、器物沖洗、牲畜用水、綠化用水、排入河流。Ⅲ類符合國(guó)家最低排放標(biāo)準(zhǔn)：工業(yè)冷卻、綠化用水、排入河流。大力推動(dòng)再生水回用政策對(duì)于解決水資源緊缺問(wèn)題具有重大意義。

根據(jù)就地收集、就地處理、就地利用的理念，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)考慮被處理污水的去向問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)水資源的最大化節(jié)約利用。全面評(píng)估再生水資源的價(jià)值，在評(píng)價(jià)體系中加入環(huán)境效益、社會(huì)效益等，以促進(jìn)再生水在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步中發(fā)揮更大作用[8]。

3 設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)與云平臺(tái)概述

利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)上述3 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與量化，保證污水從被收集到二次利用的全過(guò)程清晰明了，便于設(shè)備的維護(hù)與遠(yuǎn)程控制，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)增強(qiáng)設(shè)備的自動(dòng)化程度和智能化程度。系統(tǒng)處理流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)處理流程

（1）收集系統(tǒng)進(jìn)水監(jiān)控

①進(jìn)水流量監(jiān)控：監(jiān)測(cè)各部分流入量、調(diào)節(jié)進(jìn)水量，以防止過(guò)載，估算處理能力是否滿足需求以及各管線運(yùn)行狀態(tài)。

②管線情況：重點(diǎn)檢測(cè)易損位置，判斷漏水情況。

③進(jìn)水敏感物質(zhì)檢測(cè)：檢測(cè)危險(xiǎn)化學(xué)品、生化廢水、富營(yíng)養(yǎng)化元素、排泄物、畜牧廢水。

④異常處理：通知相關(guān)責(zé)任人、選擇臨時(shí)解決方案。

（2）處理設(shè)施狀態(tài)監(jiān)控

①處理設(shè)施數(shù)據(jù)監(jiān)控：格柵攔截情況、調(diào)節(jié)池水位、沉降池水位、沉降池濁度、生化池進(jìn)水量、生化池水位、設(shè)備凈化量、清水池出水量、清水池水位、設(shè)備工作狀態(tài)。

②異常處理：自動(dòng)或人工遠(yuǎn)程控制、各池水位調(diào)節(jié)、水位高低、電磁閥開閉、潛水泵開閉、重置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備處理量失常、反洗泵反洗、藥劑配比加入、更換備用電源。

（3）再生水利用系統(tǒng)監(jiān)控

監(jiān)控水量分析、去向分析、產(chǎn)耗比分析和利用情況。

對(duì)于云平臺(tái)，基于智能數(shù)據(jù)分析與AI、5G、WLAN 等核心技術(shù)，采用SOA 架構(gòu)，將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)施管理、自動(dòng)處置、運(yùn)維管理、統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)管理等11 個(gè)大系統(tǒng)的31 項(xiàng)功能，并創(chuàng)新利用物聯(lián)網(wǎng)量化再生水利用情況、自動(dòng)處理常見故障。

分散式污水處理設(shè)施中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和處理設(shè)備的控制自動(dòng)化，通過(guò)相應(yīng)的應(yīng)用程序設(shè)置和調(diào)整參數(shù)，安排無(wú)人值守與有效調(diào)度。另一方面，污水處理系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)能進(jìn)行故障的快速篩查和機(jī)器的自主維護(hù)。

在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，管理人員可以結(jié)合不同設(shè)備的維護(hù)特點(diǎn)預(yù)先設(shè)定維護(hù)周期，系統(tǒng)自動(dòng)提醒管理人員進(jìn)行維護(hù)。如果加工設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可以發(fā)出報(bào)警，定位故障設(shè)備，幫助管理人員快速解決故障，確保加工設(shè)備的正常運(yùn)行。

配合污水收集處理與利用綜合系統(tǒng)，建成包括遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)在內(nèi)的綜合運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)，為農(nóng)村生活污水提供從處理工藝選擇到運(yùn)營(yíng)管理模式的一體化、高性價(jià)比的技術(shù)支持。通過(guò)遠(yuǎn)程信息采集系統(tǒng)可以采集不同處理工藝的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，為技術(shù)篩選提供科學(xué)依據(jù)。

4 系統(tǒng)魯棒性初探

系統(tǒng)的故障處置、信息共享等功能，能夠保障設(shè)施的正常運(yùn)行，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)系統(tǒng)開發(fā)預(yù)測(cè)維修管理、故障仿真、診斷評(píng)估、管理決策等功能。通過(guò)建立獨(dú)特的故障模型，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行特殊優(yōu)化處理，可以極大提高設(shè)施在故障情況下的自我處置能力與運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)為核心，建立新型分布式污水處理運(yùn)營(yíng)模式。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果與管理體制緊密相關(guān)，目前國(guó)內(nèi)已有部分地區(qū)嘗試將監(jiān)控系統(tǒng)與處理設(shè)施的第三方運(yùn)營(yíng)相結(jié)合，并制定日常監(jiān)督檢查考核標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合全國(guó)污水處理設(shè)施獨(dú)立運(yùn)行管理的成熟經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，應(yīng)建立包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在內(nèi)的政府、運(yùn)營(yíng)商、居民等多目標(biāo)綜合管理運(yùn)行技術(shù)體系。此舉不僅可以提高第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行管理水平，包括優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)的成本和質(zhì)量，而且有利于政府行政管理部門的有效監(jiān)督和長(zhǎng)效管理，很可能成為今后治理零散污水的新型運(yùn)營(yíng)模式[9-10]。