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分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用
2019-7-30 閱讀(611)
0引言
由于農(nóng)居分散,來水水量不穩(wěn)定,如采用集中處理模式,排水管網(wǎng)及配套的處理設(shè)施投資及運行費用較高且管理難度大。與逐年提高的城市污水處理率相比,農(nóng)村污水治理工作任重道遠。我國50%污染水量來源于農(nóng)村生活污水。治理工作不僅是興建污水處理設(shè)施,提高已建設(shè)施的運行管理水平,而且將關(guān)系到設(shè)施是否可以持續(xù)發(fā)揮污染物減排的作用。
因此,本文分析了我國農(nóng)村生活污水處理模式,針對分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運行管理中暴露的突出問題,利用物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)農(nóng)村生活污水遠程監(jiān)控管理系統(tǒng),以提高運營管理效率,減少運行成本,有效保障設(shè)施的正常運行和出水水質(zhì)的穩(wěn)定達標(biāo)。
1農(nóng)村生活污水的處理模式
就排水體制而言,許多農(nóng)村地區(qū)尚無排水系統(tǒng),雨水和污水沿道路邊溝或路面排至附近水體。建有排水系統(tǒng)或管道的地區(qū),除小部分經(jīng)濟條件較好的村鎮(zhèn)實行雨污分流制外,大部分地區(qū)采用的是合流制排水系統(tǒng)。
研究表明,對于分散的農(nóng)村生活污水,小型處理設(shè)施是一種綜合效益尚佳的選擇,是國內(nèi)外常用的技術(shù)手段。和城鎮(zhèn)污水處理廠一樣,分散式污水處理設(shè)施也有發(fā)生故障的風(fēng)險,直接影響出水水質(zhì)。農(nóng)村生活污水處理設(shè)施由于位置分散,技術(shù)、設(shè)備、人力和資金方面無法得到保證,無法派駐足夠的人力去監(jiān)控這些站點的水質(zhì)及運行情況,更無法及時搶修站點的突發(fā)事故,容易出現(xiàn)農(nóng)村偏遠地帶污水處理設(shè)施出水水質(zhì)不達標(biāo)的情況,使得農(nóng)村生活污水處理設(shè)施在實際運行中的效果并不理想。
在電力、交通、化工、航天等領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)解決分散式設(shè)施的管理問題。在環(huán)保領(lǐng)域,我國目前成熟的污水處理監(jiān)控技術(shù),主要是集中式污水處理廠的污水處理過程的實時監(jiān)控和調(diào)度管理,其應(yīng)用可從簡單的邏輯控制到復(fù)雜的分散化控制。而針對農(nóng)村分散式生活污水處理設(shè)施的監(jiān)控技術(shù),尚處于起步階段。一方面,農(nóng)村生活污水處理工藝多樣,設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、一體化水平不高,限制了監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用;另一方面,遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)程度、技術(shù)水平也參差不齊,進而影響到以遠程監(jiān)控系統(tǒng)為平臺的長效管理模式與機制研究,不利于各類技術(shù)的推廣應(yīng)用和政F監(jiān)督管理。
在這種背景下,本文梳理了我國農(nóng)村生活污水的處理模式以及適用范圍。針對分散式處理設(shè)施的運行和管理難題,通過分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理和功能,探討遠程監(jiān)控系統(tǒng)在分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施中的應(yīng)用及其特點,為設(shè)施的長效運行和有效監(jiān)管提供技術(shù)保障,并降低了運行、維護和監(jiān)管的成本。
2農(nóng)村生活污水分散式處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點與應(yīng)用
為了應(yīng)對上述分散式污水處理設(shè)施管理難題和運營風(fēng)險,避免處理設(shè)施“重建設(shè)輕管護”的現(xiàn)象,以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的遠程監(jiān)控技術(shù)顯示了良好的應(yīng)用前景,可以極大地提高管理效率。
2.1分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的原理與功能
計算機監(jiān)控技術(shù)主要適用于對處于分散狀態(tài)的生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、控制與統(tǒng)計管理,包括集中式、分散式和分布式3種。當(dāng)生產(chǎn)或采集現(xiàn)場地理位置比較偏僻、氣候和其他一些條件比較惡劣時,就無法在生產(chǎn)或數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場建立計算機監(jiān)控系統(tǒng),這時就需要建立分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng),通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對現(xiàn)場的控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。目前,常用的通信網(wǎng)絡(luò)是GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)。在GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)平臺上構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的無線傳輸,具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、縮短建設(shè)周期、降低建設(shè)成本等優(yōu)點,而且設(shè)備安裝方便、維護簡單,是目前國內(nèi)污水處理領(lǐng)域遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主要通信傳輸手段。遠程監(jiān)控系統(tǒng)有2種類型,一種是現(xiàn)場控制和遠程監(jiān)控并存,遠程監(jiān)控系統(tǒng)一般只具有監(jiān)督功能,利用現(xiàn)場控制系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)過程分析、預(yù)測、歸納總結(jié),以便提出新的生產(chǎn)計劃;另一種是生產(chǎn)現(xiàn)場沒有監(jiān)控系統(tǒng),將采集的數(shù)據(jù)送到遠程計算機進行處理,這種遠程監(jiān)控系統(tǒng)必須很好地處理遠程調(diào)用中數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的可靠傳送和實時性問題。隨著GPRS通信方式的出現(xiàn),第二種類型的遠程監(jiān)控系統(tǒng)更加符合分散式污水處理設(shè)施的集中管理需求、適應(yīng)現(xiàn)場條件。
基于第二種類型的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的原理如下:現(xiàn)場監(jiān)測層采集的監(jiān)控數(shù)據(jù),通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控管理服務(wù)器,服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行解析,將正確合理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。終端(計算機或者移動設(shè)備)從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù),獲得現(xiàn)場設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài),并根據(jù)管理要求對這些監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)視與控制?;蛘咭部梢詫⒔馕龊蟮臄?shù)據(jù)直接傳輸?shù)浇K端計算機,獲得實時狀態(tài)數(shù)據(jù),而不經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的存儲,這樣可以提高系統(tǒng)的實時性。與一般的計算機控制系統(tǒng)相比,分布式控制系統(tǒng)具有高可靠性、開放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、易于維護、控制功能齊全等特點。
該系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)見圖1,其中安裝在現(xiàn)場的硬件設(shè)備主要是設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)察儀和數(shù)據(jù)采集儀,遠程監(jiān)控管理中心的主要硬件設(shè)備是服務(wù)器和終端設(shè)備(計算機或移動設(shè)備)。
遠程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案主要是分散式污水處理設(shè)施的采集控制方案、設(shè)施的采集控制GPRS組網(wǎng)方案和軟件監(jiān)控方案。對于分散式污水處理設(shè)施的采集控制方案,主要由設(shè)備的控制器、GPRS數(shù)據(jù)采集儀以及采集監(jiān)控點構(gòu)成。對于設(shè)施的采集控制GPRS組網(wǎng)方案,主要由接受側(cè)和發(fā)送側(cè)構(gòu)成。在發(fā)送側(cè),由現(xiàn)場設(shè)備控制器(PLC,Programmable Logic Controller)采集設(shè)備狀態(tài)量,數(shù)據(jù)采集處理單元通過PLC協(xié)議解析,獲得采集量數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)向無線公網(wǎng)IP發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)包或向手J號碼終端發(fā)送短信,從而實現(xiàn)設(shè)備側(cè)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送功能。在接受側(cè),可以通過手J短信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)接受狀態(tài)量數(shù)據(jù),也可以將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,外部網(wǎng)絡(luò)通過防火墻VPN技術(shù)可以在授權(quán)情況下通過Web瀏覽器查看內(nèi)部服務(wù)器中顯示的各個處理站點的設(shè)備狀態(tài),并進行相應(yīng)的管理操作。上述的GPRS組網(wǎng)方案可用圖2表示。對于軟件監(jiān)控方案,主要是指系統(tǒng)的功能,目前市場上常見的遠程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品幾乎都包含了以下功能:①利用GPS或GIS系統(tǒng)快速定位污水處理站點位置,準(zhǔn)確展現(xiàn)每個站點的瞬時數(shù)據(jù);②對污水處理站點的數(shù)據(jù)進行采集、記錄、監(jiān)測、計算、報警;③可以實現(xiàn)遠程查看,實時監(jiān)控站點。
2.2分散式處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點
該系統(tǒng)通常由硬件系統(tǒng)(主要有遠程控制柜,包含不銹鋼控制柜、GPRS控制器、工藝控制器、電流檢測、浪涌抑制器、供電隔離等)和軟件(監(jiān)控系統(tǒng)軟件)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成,具有下述功能與特點。
2.2.1可以實現(xiàn)污水處理站點全自動運行
全自動運行模式尤其適合分散站點的日常運行,它不需要像常規(guī)的污水處理廠必須配備24 h值班人員跟蹤維護并調(diào)整參數(shù),否則點多分散的處理站點將浪費許多人力。全自動運行,對于工藝、設(shè)備和系統(tǒng)都有一定的要求。對設(shè)備來說,需要通過設(shè)備結(jié)構(gòu)和動力設(shè)計,保證在通水通電情況下能夠全自動運行;對工藝來說,在進行設(shè)計和施工時,對技術(shù)參數(shù)和運行條件實行PLC全自動控制;對系統(tǒng)來說,它是全自動運行的“大腦”,通過相應(yīng)軟件功能的開發(fā),確保自動化控制的水平,進而保障設(shè)施的運行管理水平。
2.2.2可以實現(xiàn)處理站點無人值守
實現(xiàn)無人值守包括兩方面的含義。一層含義是指設(shè)備運行的無人值守。無論是無動力還是微動力處理裝置,由于實現(xiàn)了設(shè)備電氣化和自動控制,污水處理現(xiàn)場無需增派人員進行值守,各種參數(shù)的配置和調(diào)整可在系統(tǒng)中設(shè)置,無需現(xiàn)場手動調(diào)整;另一層含義是指設(shè)備維護的無人值守。電器設(shè)備的正常運行,是保證設(shè)施正常運行的基礎(chǔ)。依靠遠程監(jiān)控系統(tǒng),可使分散式設(shè)備的維護問題簡化:一方面系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時間定期提醒相應(yīng)的設(shè)備需要維護,管理人員只需按照提示定期巡檢即可,保證了設(shè)備保養(yǎng)的及時率;另一方面當(dāng)某套裝置出現(xiàn)運行故障,系統(tǒng)立即報警并通知工作人員進行故障排除和維修,保證了裝置的正常運行,提高了設(shè)備故障的響應(yīng)率和響應(yīng)時間。
2.2.3可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理
通過GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將農(nóng)村分散式污水處理站點數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng),工作或管理人員可以遠程查看站點現(xiàn)場情況,實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)和進出水情況,實現(xiàn)對系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。
由于系統(tǒng)具有遠程控制功能,方便管理者根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整設(shè)施的運行參數(shù),只需在系統(tǒng)界面中更改設(shè)置即可。此外,在加強政F監(jiān)督管理力度方面,監(jiān)控系統(tǒng)平臺可以作為執(zhí)F的有力保障,監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置不同的登陸權(quán)限,既有利于將設(shè)施展現(xiàn)于行政及環(huán)境監(jiān)察部門的監(jiān)督之下,也可以將系統(tǒng)納入城市數(shù)字化建設(shè)的大平臺。
2.2.4可以及時排除站點事故
系統(tǒng)實時監(jiān)控站點水質(zhì)、水量以及設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故時,系統(tǒng)啟動報警程序,按照設(shè)定的模式(短信、郵件等)通知管理人員;管理人員利用各種終端/遠端設(shè)備通過網(wǎng)頁或者APP形式進入系統(tǒng)平臺,根據(jù)實時數(shù)據(jù)和站點圖象進行事故處理,并可以查詢站點歷史數(shù)據(jù),為分析決策提供針對性依據(jù)。例如,當(dāng)某站點進水量偏離系統(tǒng)設(shè)置的大值或小值時,系統(tǒng)就會報警:若超過設(shè)定的大值,可能因為排水管網(wǎng)有雨水或地下水浸入;若低于設(shè)定的小值,很可能出現(xiàn)了管網(wǎng)漏水或堵塞。根據(jù)系統(tǒng)報警值,處理不同的突發(fā)Qing況。
2.3分散式處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
為了加強農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的管理,確保已建成的污水處理設(shè)施的正常運行,目前,江浙部分地區(qū)已應(yīng)用了分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng),取得了初步成效。
江蘇常熟市從2012年開始對5 m3/d以上分散式污水處理設(shè)施建設(shè)了遠程監(jiān)控體系,目前該系統(tǒng)已全部覆蓋了全市90余臺分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施。每臺設(shè)施加裝系統(tǒng)時的硬件費用約為2 000元,每月的通訊成本不足10元/臺,系統(tǒng)運行后,農(nóng)村生活污水處理成本下降了0.68元m3。
浙江臨安針對1 700多個農(nóng)村生活污水處理設(shè)施,重點對處理能力30 m3/d(含)以上、受益農(nóng)戶在100戶(含)以上和位于飲用水水源地的農(nóng)村生活污水治理設(shè)施建設(shè)了監(jiān)管系統(tǒng),以區(qū)域地圖形式監(jiān)控當(dāng)?shù)氐奈鬯卫砬闆r,每套處理設(shè)施不僅安裝了電磁流量計,還同時安裝了水質(zhì)分析儀,可對水質(zhì)信息、水量走S、處理池信息、設(shè)備工作狀態(tài)信息等各種信息實時查看和監(jiān)管。該系統(tǒng)不僅可以為主管部門運行維護污水處理設(shè)施提供參考服務(wù),也可以為污水治理工程提供考核匯總數(shù)據(jù)。
南京市溧水區(qū)針對一體化A/O-生態(tài)溝工藝和兼氧FMBR工藝,開發(fā)了相應(yīng)的處理設(shè)施監(jiān)控方案以及監(jiān)控系統(tǒng),目前正在進行系統(tǒng)的安裝調(diào)試。這套遠程監(jiān)控系統(tǒng)的一個突出特點就是實現(xiàn)了污水處理設(shè)施的“全流程管理”,即將項目的前期準(zhǔn)備、規(guī)劃設(shè)計、施工進度和投入運行以來的所有資料,都儲存在系統(tǒng)中。利用用戶決策的數(shù)據(jù)分析工具,對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化查詢、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)整合等工作,既提高了工程項目管理的統(tǒng)籌力度,行政管理部門也可以借此對項目的全流程進行有效監(jiān)督。
3展望
由于面廣量大,農(nóng)村生活污水治理設(shè)施運行效果很難保證,監(jiān)管任務(wù)重、難度大。在此背景下,依托數(shù)字化網(wǎng)絡(luò),開發(fā)遠程監(jiān)控平臺,將對處理設(shè)施的穩(wěn)定運行和水質(zhì)達標(biāo)起到核心的保障作用,對降低運行成本和提高監(jiān)管效率亦將起到關(guān)鍵作用。在分散式處理設(shè)施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用過程中,應(yīng)進一步保證人員專業(yè)水平和數(shù)量充足,以加強對數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺的管理效率。
目前,分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下方面的問題:
(1)遠程監(jiān)控系統(tǒng)和污水處理工藝的匹配問題。我國小型分散式污水處理設(shè)施工藝種類、建造特點以及設(shè)備類型多樣,且自動化和施工水平不一。如何在同一個系統(tǒng)下實現(xiàn)不同工藝的污水處理設(shè)施的遠程控制,對監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提出了較高的要求。
(2)建立包括遠程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的綜合運行及管理技術(shù),對農(nóng)村生活污水,從處理工藝選擇到運營管理方式提供一體化、經(jīng)濟的技術(shù)支撐。一方面,通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以收集不同處理工藝的大量運行數(shù)據(jù),為技術(shù)的篩選提供科學(xué)依據(jù);另一方面,既可以利用系統(tǒng)的事故報警、維護考核等功能,保障設(shè)施的正常運行,還可以利用系統(tǒng)的預(yù)測性維護管理、故障模擬、診斷和評估模型以及管理決策等功能,實現(xiàn)智能化管理。結(jié)合國外污水處理設(shè)施獨立運行管理的成熟經(jīng)驗和以往的實踐,應(yīng)建立包括遠程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的政F、運營方、村民等多對象、多目標(biāo)的綜合管理及運行技術(shù)體系。
(3)以遠程監(jiān)控系統(tǒng)為核心,建立新型農(nóng)村生活污水運營模式。監(jiān)控系統(tǒng)的運行效果與管理體制緊密相關(guān),目前國內(nèi)已有部分地區(qū)嘗試將監(jiān)控系統(tǒng)與處理設(shè)施的第三方運營相結(jié)合,并制定日常監(jiān)督檢查考核標(biāo)準(zhǔn)。此舉不僅可以提高第三方專業(yè)服務(wù)機構(gòu)的運行管理水平,包括優(yōu)化運行維護的成本和質(zhì)量,而且有利于政F行政管理部門的有效監(jiān)督和長效管理,很可能成為今后治理農(nóng)村生活污水的新型運營模式。