智能調(diào)控技術(shù)在農(nóng)村污水治理中的應(yīng)用

劉夢 王武強 劉丁 劉力 徐建平 國墨杰 葉玉樹

摘? 要：針對農(nóng)村生活污水進水量波動引起的農(nóng)污處理站點生化系統(tǒng)污泥問題，以江蘇省某農(nóng)村污水處理項目為例，對進水智能調(diào)控技術(shù)在農(nóng)村污水治理中的應(yīng)用進行評估。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)的應(yīng)用對水量、水質(zhì)、污泥質(zhì)量濃度均起到很好的調(diào)節(jié)作用。應(yīng)用智能調(diào)控技術(shù)后，進水的每日時變化系數(shù)由原來的15降至3以下，出水水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)，調(diào)控3個月后，農(nóng)污處理站點生化系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度上漲12%。該工程案例的改造可為農(nóng)村污水治理工程的智慧運營提供可推廣的解決方案。

關(guān)鍵詞：污水治理；水智能調(diào)控；穩(wěn)定運行；水質(zhì)穩(wěn)定；解決方案

中圖分類號：TU992.3? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0075-04

Abstract： This paper aims at the problem of sludge in biochemical system of rural sewage treatment station caused by the fluctuation of rural domestic sewage influent. Taking a rurwal sewage treatment project in Jiangsu Province as an example， the application of intelligent control technology of inflow water in rural sewage treatment was evaluated. The results of the experiment show that the application of this technology plays a good role in regulating the amount of water， the quality of water and the mass concentration of sludge. The daily variation coefficient of influent decreased from the original 15 to less than 3， the effluent water quality was stable， and after 3 months of regulation the sludge mass concentration increased by 12%. The reconstruction of this project case can provide a scalable solution for the intelligent operation of rural sewage treatment projects.

Keywords： sewage treatment; water intelligent control; stable operation; stable water quality; solution

近年來，國家全面實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加強農(nóng)村人居環(huán)境整治，加大了農(nóng)村生活污水治理的力度，各地為了響應(yīng)政策紛紛建設(shè)了農(nóng)村生活污水處理設(shè)施。然而，在一些地區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施仍舊存在“曬太陽”的現(xiàn)象[1]。由于人員管理不專業(yè)、運維資金無保障、工藝技術(shù)適應(yīng)性較差等多方原因，設(shè)施的運行效果并不理想[2]。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果，大部分地區(qū)的正常運行率僅為60%～70%[3]。

目前已建成的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施大多是市政污水廠的“縮影”，國內(nèi)污水處理的運營維護模式在市政污水廠已成熟應(yīng)用，但是在農(nóng)村污水治理運營維護中，尚處于探索階段[4]，波動的進水同樣也加劇了運維的復(fù)雜程度[5]。農(nóng)村生活污水的收集管網(wǎng)來水水量每天都有1～3次的水量峰值波動，由于進水量波動（長時間不進水或大水量進水沖擊）導(dǎo)致生化系統(tǒng)污泥老化、污泥過度氧化、污泥解絮、污泥沉降性能變差及污泥流失（跑泥）等。污泥濃度降低，處理效果逐漸減弱，最終出水水質(zhì)無法達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

針對上述問題，研發(fā)了智能調(diào)控技術(shù)，利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等手段把排水管網(wǎng)中無序和波動的污水流量，調(diào)整為相對穩(wěn)定的生化系統(tǒng)進水流量的綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前此項技術(shù)已在多個項目實現(xiàn)應(yīng)用，本文分析了智能調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用效果，對比了智能調(diào)控模式和傳統(tǒng)運行模式下的站點運行情況，為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的運維提供技術(shù)輔助。

1? 材料與方法

1.1? 實驗站點

此農(nóng)污處理站點于2020年投入運行，處理規(guī)模45 t/d，采用A2O工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)。圖1為此站點的工藝流程圖。

處理站采用地埋式一體化設(shè)備，預(yù)處理設(shè)備長度6.9 m，直徑2.8 m；一體化污水處理設(shè)備長度9.5 m，直徑2.8 m；配備有2臺提升泵，1用1備，流量2.0 m3/d，揚程6 m，功率0.3 kW；原有儀表包含電磁流量計和靜壓液位計，為了評估智能調(diào)控技術(shù)的運行效果增加污泥濃度計，表1為儀表技術(shù)參數(shù)。

1.2? 實驗方法

智能調(diào)控技術(shù)包括在線監(jiān)測設(shè)備、現(xiàn)場工藝設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)、PLC和智能恒進水算法模型，利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等手段把排水管網(wǎng)中無序和波動的污水流量，調(diào)整為相對穩(wěn)定的生化系統(tǒng)進水流量的綜合調(diào)節(jié)。

PLC將現(xiàn)場工藝設(shè)備和在線監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)上傳至云平臺，云平臺可以存儲和調(diào)用海量的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建恒進水算法模型。模型根據(jù)調(diào)節(jié)池容積、出水流量，計算出生化系統(tǒng)的小時進水流量、泵的開啟頻次時長等參數(shù)，使生化系統(tǒng)進水保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，盡可能達到“恒水量進水”的目標(biāo)。水量模型根據(jù)流量計監(jiān)測的實時來水水量數(shù)據(jù)不斷修正，并及時調(diào)整進水方案，使調(diào)控更加精準(zhǔn)。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 水量預(yù)測分析

自應(yīng)用智能調(diào)控技術(shù)后，生化系統(tǒng)進水比較平穩(wěn)，進而有效保障了處理站出水水質(zhì)的長效達標(biāo)。如圖2所示，上面的曲線圖展示了4種水量和調(diào)蓄池的液位情況，下面的曲線圖對比了恒進水模式的水量變化和傳統(tǒng)高啟低停模式的水量變化，從圖2中可以看出，應(yīng)用智能調(diào)控技術(shù)后，處理站的進水量非常平穩(wěn)，同時調(diào)蓄池的液位維持在1.3 m左右。

智能調(diào)控準(zhǔn)確的基礎(chǔ)在于對站點來水的預(yù)測，研究創(chuàng)建農(nóng)污站點的進水水量數(shù)學(xué)模型，采用智慧算法和數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，經(jīng)過長時間的時段特征學(xué)習(xí)、溫度特征學(xué)習(xí)、雨量特征學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以精準(zhǔn)預(yù)測未來12 h中每小時的污水管來水量。如圖3所示，實際污水管來水曲線和預(yù)測污水管來水曲線這2條曲線吻合較好，表明進水水量數(shù)學(xué)模型可以很好地預(yù)測站點進水量。

為了評價進水水量預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，采用均方根誤差（Root Mean Square Error，簡稱RMSE）作為評價指標(biāo)，衡量預(yù)測污水管來水和實際污水管來水2組數(shù)據(jù)間的差異[6]。

RMSE=■ ，

式中：yi和fi分別為管網(wǎng)來水的模型預(yù)測值和實測值；N為樣本數(shù)量。選取模型學(xué)習(xí)2周后的數(shù)據(jù)，2022年12月30日至2023年1月5日為期 7 d的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)周期為1 h/條，通過公式計算其RMSE=0.229，表明進水水量預(yù)測模型準(zhǔn)確度較高。

基于模型的預(yù)測結(jié)果，可對站點的提升泵下發(fā)調(diào)控指令。如圖4所示，計劃生化系統(tǒng)進水曲線與實際生化系統(tǒng)進水曲線幾乎重合，表明站點現(xiàn)場的調(diào)控設(shè)備可按計劃指令實時進行調(diào)控。

智能調(diào)控模型起到了很好的削峰作用，實現(xiàn)生化池的平滑進水。

K=■，

式中：K為每日的時變化系數(shù)；Qmax為每日的最大時進水流量；Q為當(dāng)日24 h平均進水流量。如圖5所示，每日進水時變化系數(shù)由原來的15降低至3以下，最低至2左右。

2.2? 污泥質(zhì)量濃度分析

站點自應(yīng)用智能調(diào)控技術(shù)后，生化池的活性污泥質(zhì)量濃度持續(xù)上漲，初始污泥質(zhì)量濃度為1 735.04 mg/L，經(jīng)過一個月的時間，污泥質(zhì)量濃度達到1 900 mg/L，如圖6所示，污泥質(zhì)量濃度上漲10%。

經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運行后，生化池的活性污泥質(zhì)量濃度可以穩(wěn)定在1 940 mg/L左右，如圖7所示，相比于初始污泥質(zhì)量濃度上漲12%，表明智能調(diào)控技術(shù)對水量的調(diào)節(jié)有助于生化系統(tǒng)活性污泥質(zhì)量濃度的提升，穩(wěn)定的活性污泥質(zhì)量濃度有助于活性污泥對污染物的降解，有利于出水水質(zhì)的長效達標(biāo)。

圖7? 污泥質(zhì)量濃度增長趨勢圖

2.3? 效益分析

該農(nóng)村污水處理項目運用智能調(diào)控技術(shù)后，運行成本低廉。此站點的主要耗電設(shè)備包含提升泵2臺，1用1備，流量2.0 m3/d，揚程6 m，功率0.3 kW；隔膜氣泵3臺，2用1備，功率為350 W。改造前，隔膜氣泵按照固定周期運行，存在過度曝氣的現(xiàn)象，生化池活性污泥質(zhì)量濃度較低。改造后隔膜氣泵與進水提升泵進行聯(lián)動，根據(jù)水量按需曝氣，既保障了生化池的污泥質(zhì)量濃度，又降低了運行成本，經(jīng)測算可節(jié)約50%的運行成本。

3? 結(jié)論

智能調(diào)控針對農(nóng)村污水處理中的痛點問題，制定出“一村一策”的定制化進水策略，有效保障農(nóng)污站點生化池的平穩(wěn)進水，運行成本低廉，更加適用于農(nóng)村生活污水的治理。

1）智能調(diào)控技術(shù)的水量調(diào)節(jié)功能。智能調(diào)控技術(shù)采用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等數(shù)字技術(shù)，將管網(wǎng)不規(guī)則的來水流量進行數(shù)據(jù)累積、分析和2周以上時間的深度學(xué)習(xí)，在預(yù)測來水流量的基礎(chǔ)上，改變提升泵原有以液位“高啟低?！毙盘柨刂频哪Ｊ郊爱a(chǎn)生的脈沖式進水波動給生化系統(tǒng)帶來的水量沖擊，采用以流量累積為信號的平穩(wěn)進水的控制模式，以15 min/次或60 min/次的頻率下發(fā)指令，可以有效實現(xiàn)對進水的均衡調(diào)度，智能調(diào)控技術(shù)可以將每日的時變化系數(shù)由原來的15大幅降低至2左右，使生化系統(tǒng)具備相對穩(wěn)定的進水流量。

2）智能調(diào)控技術(shù)的污泥活性調(diào)節(jié)功能。智能調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用有效保障了生化系統(tǒng)進水負荷，為活性污泥創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境，穩(wěn)定控制食微比F/M，合理化控制每個工藝段水力停留時間HRT，不僅防止了活性污泥質(zhì)量濃度降低，還促進了微生物和菌膠團生長和繁衍，改善活性污泥性狀，生化系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度提高了12%并趨于穩(wěn)定。

參考文獻：

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