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分散式農村生活污水處理設施遠程監(jiān)控系統(tǒng)及其應用
2019-7-30 閱讀(622)
0引言
由于農居分散，來水水量不穩(wěn)定，如采用集中處理模式，排水管網及配套的處理設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，農村污水治理工作任重道遠。我國50%污染水量來源于農村生活污水。治理工作不僅是興建污水處理設施，提高已建設施的運行管理水平，而且將關系到設施是否可以持續(xù)發(fā)揮污染物減排的作用。
因此，本文分析了我國農村生活污水處理模式，針對分散式農村生活污水處理設施運行管理中暴露的突出問題，利用物聯(lián)網和網絡通訊技術開發(fā)農村生活污水遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)，以提高運營管理效率，減少運行成本，有效保障設施的正常運行和出水水質的穩(wěn)定達標。
1農村生活污水的處理模式
就排水體制而言，許多農村地區(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，對于分散的農村生活污水，小型處理設施是一種綜合效益尚佳的選擇，是國內外常用的技術手段。和城鎮(zhèn)污水處理廠一樣，分散式污水處理設施也有發(fā)生故障的風險，直接影響出水水質。農村生活污水處理設施由于位置分散，技術、設備、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)控這些站點的水質及運行情況，更無法及時搶修站點的突發(fā)事故，容易出現農村偏遠地帶污水處理設施出水水質不達標的情況，使得農村生活污水處理設施在實際運行中的效果并不理想。
在電力、交通、化工、航天等領域，廣泛應用分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)解決分散式設施的管理問題。在環(huán)保領域，我國目前成熟的污水處理監(jiān)控技術，主要是集中式污水處理廠的污水處理過程的實時監(jiān)控和調度管理，其應用可從簡單的邏輯控制到復雜的分散化控制。而針對農村分散式生活污水處理設施的監(jiān)控技術，尚處于起步階段。一方面，農村生活污水處理工藝多樣，設施的標準化、自動化、一體化水平不高，限制了監(jiān)控系統(tǒng)的應用;另一方面，遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)程度、技術水平也參差不齊，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，不利于各類技術的推廣應用和政F監(jiān)督管理。
在這種背景下，本文梳理了我國農村生活污水的處理模式以及適用范圍。針對分散式處理設施的運行和管理難題，通過分析物聯(lián)網技術的原理和功能，探討遠程監(jiān)控系統(tǒng)在分散式農村生活污水處理設施中的應用及其特點，為設施的長效運行和有效監(jiān)管提供技術保障，并降低了運行、維護和監(jiān)管的成本。
2農村生活污水分散式處理設施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點與應用
為了應對上述分散式污水處理設施管理難題和運營風險，避免處理設施“重建設輕管護”的現象，以物聯(lián)網技術和網絡通信技術為核心的遠程監(jiān)控技術顯示了良好的應用前景，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)控技術主要適用于對處于分散狀態(tài)的生產過程進行集中監(jiān)視、控制與統(tǒng)計管理，包括集中式、分散式和分布式3種。當生產或采集現場地理位置比較偏僻、氣候和其他一些條件比較惡劣時，就無法在生產或數據采集現場建立計算機監(jiān)控系統(tǒng)，這時就需要建立分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過通信網絡系統(tǒng)對現場的控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。目前，常用的通信網絡是GPRS與Internet網絡。在GPRS與Internet網絡平臺上構建監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現相關設備數據的無線傳輸，具有可充分利用現有網絡、縮短建設周期、降低建設成本等優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單，是目前國內污水處理領域遠程監(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，利用現場控制系統(tǒng)處理過的數據進行生產過程分析、預測、歸納總結，以便提出新的生產計劃;另一種是生產現場沒有監(jiān)控系統(tǒng)，將采集的數據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用中數據在網絡上的可靠傳送和實時性問題。隨著GPRS通信方式的出現，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施的集中管理需求、適應現場條件。
基于第二種類型的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的原理如下：現場監(jiān)測層采集的監(jiān)控數據，通過無線通訊網絡傳輸至監(jiān)控管理服務器，服務器對數據進行解析，將正確合理的數據存入數據庫。終端(計算機或者移動設備)從數據庫取出數據，獲得現場設備的當前狀態(tài)，并根據管理要求對這些監(jiān)控狀態(tài)數據進行處理，實現對設備的監(jiān)視與控制?；蛘咭部梢詫⒔馕龊蟮臄祿苯觽鬏數浇K端計算機，獲得實時狀態(tài)數據，而不經過數據庫的存儲，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)調性、易于維護、控制功能齊全等特點。
該系統(tǒng)的硬件組成結構見圖1，其中安裝在現場的硬件設備主要是設備運行狀態(tài)監(jiān)察儀和數據采集儀，遠程監(jiān)控管理中心的主要硬件設備是服務器和終端設備(計算機或移動設備)。
遠程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案主要是分散式污水處理設施的采集控制方案、設施的采集控制GPRS組網方案和軟件監(jiān)控方案。對于分散式污水處理設施的采集控制方案，主要由設備的控制器、GPRS數據采集儀以及采集監(jiān)控點構成。對于設施的采集控制GPRS組網方案，主要由接受側和發(fā)送側構成。在發(fā)送側，由現場設備控制器(PLC，Programmable Logic Controller)采集設備狀態(tài)量，數據采集處理單元通過PLC協(xié)議解析，獲得采集量數據，通過數據傳輸單元(DTU)向無線公網IP發(fā)送GPRS數據包或向手J號碼終端發(fā)送短信，從而實現設備側數據采集與發(fā)送功能。在接受側，可以通過手J短信服務網絡接受狀態(tài)量數據，也可以將上述數據發(fā)送至遠程監(jiān)控中心內部網絡服務器，外部網絡通過防火墻VPN技術可以在授權情況下通過Web瀏覽器查看內部服務器中顯示的各個處理站點的設備狀態(tài)，并進行相應的管理操作。上述的GPRS組網方案可用圖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，準確展現每個站點的瞬時數據;②對污水處理站點的數據進行采集、記錄、監(jiān)測、計算、報警;③可以實現遠程查看，實時監(jiān)控站點。
2.2分散式處理設施遠程監(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)兩部分構成，具有下述功能與特點。
2.2.1可以實現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整參數，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、設備和系統(tǒng)都有一定的要求。對設備來說，需要通過設備結構和動力設計，保證在通水通電情況下能夠全自動運行;對工藝來說，在進行設計和施工時，對技術參數和運行條件實行PLC全自動控制;對系統(tǒng)來說，它是全自動運行的“大腦”，通過相應軟件功能的開發(fā)，確保自動化控制的水平，進而保障設施的運行管理水平。
2.2.2可以實現處理站點無人值守
實現無人值守包括兩方面的含義。一層含義是指設備運行的無人值守。無論是無動力還是微動力處理裝置，由于實現了設備電氣化和自動控制，污水處理現場無需增派人員進行值守，各種參數的配置和調整可在系統(tǒng)中設置，無需現場手動調整;另一層含義是指設備維護的無人值守。電器設備的正常運行，是保證設施正常運行的基礎。依靠遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可使分散式設備的維護問題簡化：一方面系統(tǒng)根據設定的時間定期提醒相應的設備需要維護，管理人員只需按照提示定期巡檢即可，保證了設備保養(yǎng)的及時率;另一方面當某套裝置出現運行故障，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，提高了設備故障的響應率和響應時間。
2.2.3可以實現遠程監(jiān)控管理
通過GPRS與Internet網絡系統(tǒng)，將農村分散式污水處理站點數據實時傳輸到監(jiān)控系統(tǒng)，工作或管理人員可以遠程查看站點現場情況，實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)和進出水情況，實現對系統(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，方便管理者根據現場情況調整設施的運行參數，只需在系統(tǒng)界面中更改設置即可。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)可以設置不同的登陸權限，既有利于將設施展現于行政及環(huán)境監(jiān)察部門的監(jiān)督之下，也可以將系統(tǒng)納入城市數字化建設的大平臺。
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、水量以及設備的運行數據。當出現突發(fā)事故時，系統(tǒng)啟動報警程序，按照設定的模式(短信、郵件等)通知管理人員;管理人員利用各種終端/遠端設備通過網頁或者APP形式進入系統(tǒng)平臺，根據實時數據和站點圖象進行事故處理，并可以查詢站點歷史數據，為分析決策提供針對性依據。例如，當某站點進水量偏離系統(tǒng)設置的大值或小值時，系統(tǒng)就會報警：若超過設定的大值，可能因為排水管網有雨水或地下水浸入;若低于設定的小值，很可能出現了管網漏水或堵塞。根據系統(tǒng)報警值，處理不同的突發(fā)Qing況。
2.3分散式處理設施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用
為了加強農村生活污水處理設施的管理，確保已建成的污水處理設施的正常運行，目前，江浙部分地區(qū)已應用了分散式農村生活污水處理設施遠程監(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施建設了遠程監(jiān)控體系，目前該系統(tǒng)已全部覆蓋了全市90余臺分散式農村生活污水處理設施。每臺設施加裝系統(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多個農村生活污水處理設施，重點對處理能力30 m3/d(含)以上、受益農戶在100戶(含)以上和位于飲用水水源地的農村生活污水治理設施建設了監(jiān)管系統(tǒng)，以區(qū)域地圖形式監(jiān)控當地的污水治理情況，每套處理設施不僅安裝了電磁流量計，還同時安裝了水質分析儀，可對水質信息、水量走S、處理池信息、設備工作狀態(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施提供參考服務，也可以為污水治理工程提供考核匯總數據。
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)了相應的處理設施監(jiān)控方案以及監(jiān)控系統(tǒng)，目前正在進行系統(tǒng)的安裝調試。這套遠程監(jiān)控系統(tǒng)的一個突出特點就是實現了污水處理設施的“全流程管理”，即將項目的前期準備、規(guī)劃設計、施工進度和投入運行以來的所有資料，都儲存在系統(tǒng)中。利用用戶決策的數據分析工具，對數據進行優(yōu)化查詢、統(tǒng)計分析、數據整合等工作，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，農村生活污水治理設施運行效果很難保證，監(jiān)管任務重、難度大。在此背景下，依托數字化網絡，開發(fā)遠程監(jiān)控平臺，將對處理設施的穩(wěn)定運行和水質達標起到核心的保障作用，對降低運行成本和提高監(jiān)管效率亦將起到關鍵作用。在分散式處理設施遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用過程中，應進一步保證人員專業(yè)水平和數量充足，以加強對數字化網絡系統(tǒng)平臺的管理效率。
目前，分散式農村生活污水處理設施的遠程監(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施工藝種類、建造特點以及設備類型多樣，且自動化和施工水平不一。如何在同一個系統(tǒng)下實現不同工藝的污水處理設施的遠程控制，對監(jiān)控系統(tǒng)的設計提出了較高的要求。
(2)建立包括遠程監(jiān)控系統(tǒng)在內的綜合運行及管理技術，對農村生活污水，從處理工藝選擇到運營管理方式提供一體化、經濟的技術支撐。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據，為技術的篩選提供科學依據;另一方面，既可以利用系統(tǒng)的事故報警、維護考核等功能，保障設施的正常運行，還可以利用系統(tǒng)的預測性維護管理、故障模擬、診斷和評估模型以及管理決策等功能，實現智能化管理。結合國外污水處理設施獨立運行管理的成熟經驗和以往的實踐，應建立包括遠程監(jiān)控系統(tǒng)在內的政F、運營方、村民等多對象、多目標的綜合管理及運行技術體系。
(3)以遠程監(jiān)控系統(tǒng)為核心，建立新型農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，目前國內已有部分地區(qū)嘗試將監(jiān)控系統(tǒng)與處理設施的第三方運營相結合，并制定日常監(jiān)督檢查考核標準。此舉不僅可以提高第三方專業(yè)服務機構的運行管理水平，包括優(yōu)化運行維護的成本和質量，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村生活污水的新型運營模式。
