智慧環(huán)保平臺在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用研究

詹懷明

（福建科航環(huán)?？萍加邢薰?，福建 福州 350007）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，農(nóng)村的人居環(huán)境不斷改善，但因?yàn)檗r(nóng)村地區(qū)的居民分布較廣，導(dǎo)致生活污水處理存在濃度低、水量小等特征，且實(shí)際的處理效果不佳，容易導(dǎo)致農(nóng)村居民用水受到污染。當(dāng)前，農(nóng)村生活污水問題變得愈發(fā)嚴(yán)重，這對農(nóng)村居民的生活質(zhì)量造成了一定威脅，因此，農(nóng)村生活污水治理成為了改善農(nóng)村人居環(huán)境的主要途徑之一。近些年，隨著人們生活水平的顯著提升以及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的深入，對于農(nóng)村生活污水的治理要求也在不斷提高，而全國各地區(qū)對于農(nóng)村污水處理場站的建設(shè)和運(yùn)維管理投入力度在不斷增加。雖然污水處理場站的數(shù)量有所增加，但因其存在位置分散、規(guī)模不足等特點(diǎn)，既導(dǎo)致農(nóng)村生活污水的整體處理效果不佳，又增加了運(yùn)維管理的難度和成本。

基于以上原因，傳統(tǒng)的運(yùn)維管理模式已難以滿足現(xiàn)代化的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的運(yùn)維工作要求。因此，非常需要推動自動化、智能化、信息化系統(tǒng)的建設(shè)，以及建立場站管理、任務(wù)管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能效管控、應(yīng)急管理、決策中心等多項(xiàng)功能為一體的智慧環(huán)保平臺和移動APP，以此實(shí)現(xiàn)對各污水處理場站關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)的獲取、站點(diǎn)的統(tǒng)一管理、異常信息預(yù)警以及統(tǒng)計(jì)分析等智能化的管理，從而有效提高運(yùn)營單位的運(yùn)維管理效能，并降低運(yùn)營成本。

1 農(nóng)村生活污水的來源與特點(diǎn)

1.1 來源

農(nóng)村生活污水主要源于廚房污水、洗滌污水和廁所污水。其中，廚房污水排放量約占農(nóng)村生活污水總量的1/5，洗滌污水約占總量的1/2。而污水中含有的氨氮、磷等元素，是導(dǎo)致農(nóng)村水體富營養(yǎng)化的主要因素。其中，廁所污水是生活污水中的氨氮、化學(xué)需氧量、病菌的主要來源。

1.2 特點(diǎn)

農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：（1）分散性非常高，所以統(tǒng)一收集的難度較大：主要是農(nóng)村地形相對復(fù)雜，且經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度偏低，難以通過市政管網(wǎng)進(jìn)行集中收集，而大多數(shù)情況是農(nóng)村居民會將生活污水直接排放至房外的渠溝或潑灑在地面。（2）水量較小，波動較大：也是因?yàn)檗r(nóng)村地域具有分散性的特點(diǎn)，常住人口數(shù)量較少，所以產(chǎn)生的生活污水較少，但農(nóng)村居民生活用水習(xí)慣相似，每日得早、中、晚均有一個用水高峰期，其他時段的用水較少。另外，存在明顯的季節(jié)性特征，如夏季的排放量遠(yuǎn)高于冬季，而節(jié)假日的排放量也遠(yuǎn)高于非節(jié)假日。（3）營養(yǎng)含量高：在農(nóng)村生活污水中，通常會含有化學(xué)需氧量、氮、磷等元素，具有較強(qiáng)的可生化性。其中，化學(xué)需氧量較低，但氮、磷含量較高，但并不含有重金屬元素等毒害物質(zhì)，所以可通過生物處理技術(shù)進(jìn)行處理。（4）水質(zhì)與水量存在著明顯的區(qū)域性差異：主要是因?yàn)椴煌r(nóng)村地區(qū)的發(fā)展水平、地形氣候、居民個人習(xí)慣等均存在一定差異，所以各地區(qū)生活污水的水量、水質(zhì)也會存在一定的差異。

2 農(nóng)村生活污水處理場站存在的問題

2.1 處理場站的建設(shè)問題

在農(nóng)村地區(qū)的污水處理場站，其處理規(guī)模為5 t～數(shù)百 t。早期的農(nóng)村污水處理場站主要是采用水解酸化配套人工濕地處理工藝，而新建的農(nóng)村污水處理場站主要是采用AO工藝的一體化處理場站，該工藝有效減少了處理場站的占地面積。一直以來，由于農(nóng)村污水處理場站的位置相對分散，距離較遠(yuǎn)，所以集中化管理十分困難。而且，多數(shù)情況下一體化處理場站需要建設(shè)于農(nóng)村小型角落，構(gòu)建方式為地埋式，但由于農(nóng)村地區(qū)夏季雜草和農(nóng)作物較多，因此，尋找合適的設(shè)施位置的難度較大。另外，隨著環(huán)保理念深入人心，環(huán)境治理更加注重源頭治理，但農(nóng)村污水處理場站正處于起步發(fā)展階段，還未形成完善的管理體系。

2.2 部分生活處理場站的運(yùn)行不正常

本研究對100個農(nóng)村生活污水處理場站的運(yùn)行、數(shù)量情況進(jìn)行了抽樣檢查，檢查結(jié)果詳見表1。

表1 農(nóng)村生活污水處理場站的進(jìn)出水量情況

通過表1可以看出，部分農(nóng)村污水設(shè)施并未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如集中式污水處理場站與分散式污水處理場站均存在一定問題，主要原因是處理場站的監(jiān)管系統(tǒng)不完善、農(nóng)戶納入率較低以及雨污不分流等[1]。

2.3 日常維護(hù)管理存在問題

（1）已建成的農(nóng)村污水處理場站點(diǎn)位較多及分散，且傳統(tǒng)的維護(hù)管理方式是采用人工方式進(jìn)行記錄和巡查，耗費(fèi)時間較長、浪費(fèi)人力物力。

（2）新建的處理場站設(shè)備種類、數(shù)量越來越多，設(shè)備管理也出現(xiàn)了諸多問題，如：設(shè)備的采購和管理不明確、維修保養(yǎng)困難，信息數(shù)據(jù)滯后；填寫的設(shè)備卡片及臺賬，各種單據(jù)的人員由于較多，導(dǎo)致工作效率較差，管理工作交叉，最終致使設(shè)備的管理效率低、管理質(zhì)量差；而設(shè)備的備品、備件的倉儲和使用的不科學(xué)，也不能滿足場站信息化建設(shè)的需求。

（3）管理人員缺乏、經(jīng)驗(yàn)不夠，而設(shè)施的維護(hù)人員通常都是當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民，所以對工藝系統(tǒng)不了解，更沒有經(jīng)驗(yàn)，基于以上原因，不能保證場站處理工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至有些設(shè)備設(shè)施成了擺設(shè)。

（4）因?yàn)閳稣鞠鄬Ψ稚?，所以對設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況不能及時反饋，也因此對污水處理場站是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況無法及時了解，最終導(dǎo)致沒有發(fā)揮其真正的污水處理作用。

（5）維護(hù)考核機(jī)制不客觀，沒有形成合理的考核機(jī)制，如有些地方采用紙質(zhì)的考核方法，且主觀因素較多。

2.4 日常維護(hù)管理資金不足

在生活污水處理場站日常運(yùn)維的管理工作中內(nèi)容較多，如清渣、更換填料與濾料、維修破損管網(wǎng)以及滲漏池體等，以上工作均需要一定的資金投入，但大部分的農(nóng)村地區(qū)難以落實(shí)市、縣和鎮(zhèn)三級財(cái)政，也未出臺相應(yīng)的扶持政策，導(dǎo)致農(nóng)村污水處理場站的運(yùn)維存在一定的資金問題。

3 農(nóng)村生活污水智慧環(huán)保平臺的建設(shè)及架構(gòu)

3.1 建設(shè)的必要性

目前，已建成的農(nóng)村污水處理場站大部分處于無人值守的狀態(tài)。因此，無法對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻監(jiān)控，更無法實(shí)時記錄各設(shè)施的設(shè)備運(yùn)行時間、維修及保養(yǎng)等全生命周期，且日常耗材、藥劑、配件等使用調(diào)配不合理，運(yùn)營成本較高。同時，操作人員無法對無人值守的設(shè)施進(jìn)行及時的巡檢、維護(hù)，很容易出現(xiàn)故障報(bào)備延時，以及巡檢及維護(hù)效率不高等問題。針對以上行業(yè)痛點(diǎn)，監(jiān)管部門或運(yùn)維部門應(yīng)抓緊著手建設(shè)農(nóng)村生活污水智慧環(huán)保平臺，從而統(tǒng)籌運(yùn)營管理農(nóng)村污水處理場站，以保證農(nóng)村污水處理過程的安全性、能效管控的合理性以及運(yùn)維管理的高效性。

3.2 建設(shè)規(guī)劃原則

建設(shè)規(guī)劃原則主要包括以下幾方面：（1）以先進(jìn)技術(shù)為支撐，以業(yè)務(wù)需求為保障，并通過數(shù)據(jù)驅(qū)動提高智能化的管理水平。同時，積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，保障平臺建設(shè)的先進(jìn)性，同時將需求作為導(dǎo)向，以確保平臺設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和可靠性；（2）積極利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與遠(yuǎn)程控制，提高數(shù)據(jù)互聯(lián)共享水平。并且，積極利用4G或5G的通信技術(shù)、PLC以及CPS控制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施的集成化管理，以全面收集現(xiàn)場工控機(jī)內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而為運(yùn)維管理、設(shè)備故障診斷、設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)等提供保障，同時也提高數(shù)據(jù)互聯(lián)共享的水平[2]。（3）重視預(yù)警、預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)防范?？赏ㄟ^收集、積累的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，以動態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，有力提高常規(guī)與突發(fā)情況下數(shù)據(jù)的全面分析和應(yīng)用水平，并及時進(jìn)行預(yù)警、預(yù)報(bào)，以此為風(fēng)險(xiǎn)防范決策提供重要參考依據(jù)。（4）加強(qiáng)平臺可擴(kuò)展性建設(shè)。要設(shè)計(jì)科學(xué)合理的平臺架構(gòu)，并通過PLC以及CPS技術(shù)將環(huán)保設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，從而使設(shè)備具備計(jì)算、通信、精準(zhǔn)控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)等功能，同時能擴(kuò)展應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的其他領(lǐng)域。（5）安全性與保密性。在平臺的建設(shè)過程中，要嚴(yán)格遵守國家安全保密相關(guān)的法律法規(guī)和政策，要從物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全等層面展開系統(tǒng)的安全保密設(shè)計(jì)，以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸與存儲信息的安全性、完整性，同時完善認(rèn)證與授權(quán)訪問的控制管理邏輯。

3.3 總體架構(gòu)

平臺系統(tǒng)由感知層、傳輸層、支撐層與應(yīng)用層構(gòu)成，具體內(nèi)容詳見表2。

表2 智慧環(huán)保云平臺架構(gòu)

在以上架構(gòu)的基礎(chǔ)上，還需要建立完善的規(guī)范體系，這既是支撐平臺建設(shè)和運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用協(xié)同與信息共享的要求，而且還有助于降低項(xiàng)目成本，提高項(xiàng)目建設(shè)效率，同時還是系統(tǒng)不斷優(yōu)化、改進(jìn)和升級的技術(shù)支撐[3]。

4 智慧環(huán)保平臺的設(shè)計(jì)

平臺的功能主要包括場站管理、任務(wù)管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能效管控、應(yīng)急管理、決策中心和移動APP應(yīng)用等功能模塊（如圖1所示），下面將對此進(jìn)行一一分析。

圖1 智慧環(huán)保平臺系統(tǒng)圖

4.1 場站管理

場站是平臺管控的主要組成部分，其運(yùn)維管理內(nèi)容主要包括場站地圖、站點(diǎn)介紹、站長聯(lián)系制、工藝流程、質(zhì)量監(jiān)管、設(shè)備監(jiān)測、任務(wù)管理、簽到記錄以及遠(yuǎn)程控制子模塊等。

4.2 任務(wù)管理

任務(wù)管理是場站過程管理的主要組成部分，其主要內(nèi)容包括任務(wù)總覽、下發(fā)任務(wù)、歷史任務(wù)、運(yùn)維臺賬、日常巡查子模塊等，同時也和各項(xiàng)任務(wù)模塊和對應(yīng)管理權(quán)限者關(guān)聯(lián)；而任務(wù)類型常見的設(shè)置為“巡查、清掏、檢測、維護(hù)、協(xié)同、通告”，任務(wù)級別主要包括加急、突發(fā)和正常三級。

4.3 設(shè)備管理

設(shè)備的正常、穩(wěn)定運(yùn)行是確保污水處理達(dá)標(biāo)的重要基礎(chǔ)。因此，設(shè)備管理是農(nóng)村生活污水處理場站運(yùn)維管理的關(guān)鍵，而管理模塊也是針對全部場站設(shè)備進(jìn)行集中管理[4]。設(shè)備的信息內(nèi)容豐富，主要包括站點(diǎn)編號、站點(diǎn)名稱、設(shè)備的編號和名稱、設(shè)備序列號、數(shù)量、工位位置、設(shè)備廠家、規(guī)格型號、技術(shù)參數(shù)、維修記錄、更換技術(shù)、建檔日期等。設(shè)備管理模塊還采用數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同PLC或CPS工作，連接的站點(diǎn)設(shè)備、儀器通過RS232或者RS485采集接口、模擬量采集接口、繼電器控制接口，實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的數(shù)值、運(yùn)行電流、故障信息等的高效采集，同時具備設(shè)備的啟?？刂谱饔?，數(shù)據(jù)采集儀器內(nèi)置的嵌入式控制能夠?qū)LC設(shè)備以及配套環(huán)保設(shè)備進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)收集與控制，通過無線網(wǎng)絡(luò)或者4G或5G網(wǎng)絡(luò)與平臺系統(tǒng)協(xié)同建立平臺級的遠(yuǎn)程監(jiān)測與監(jiān)控，實(shí)時收集站點(diǎn)污水處理工藝流程各階段設(shè)備儀器的相關(guān)信息，如進(jìn)、出水口流量、鼓風(fēng)機(jī)、泵體運(yùn)行狀況信息等，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、故障預(yù)警通知，對實(shí)時收集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、統(tǒng)計(jì)和分析，同時能夠?qū)?quán)限內(nèi)各場站進(jìn)行組態(tài)控制管理，對于各場站的污水處理工藝提供組態(tài)控制圖，還具備設(shè)備參數(shù)設(shè)置功能和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)展示、設(shè)備自動和手動功能。該模塊與場站管理模塊關(guān)聯(lián)，能夠?yàn)闆Q策中心、應(yīng)急管理模塊提供數(shù)據(jù)保障。

4.4 質(zhì)量管理

質(zhì)量管理模塊能對各場站的在線監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理、展示和查詢，工作人員可通過數(shù)據(jù)采集儀器采集并存儲在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。該模塊和場站管理聯(lián)系密切，能夠?yàn)闆Q策中心、應(yīng)急管理等模塊提供重要的數(shù)據(jù)保障。同時，該模塊顯示的相關(guān)內(nèi)容能結(jié)合處理工藝進(jìn)行后臺自定義，且涉及的信息包括但不限于站點(diǎn)編號、流量、水質(zhì)情況等。此外，如果水質(zhì)數(shù)據(jù)存在異常，還能及時顯示報(bào)警數(shù)據(jù)信息。

4.5 能效監(jiān)控

該模塊和設(shè)備管理模塊相關(guān)聯(lián)，并通過實(shí)時收集站點(diǎn)污水處理工藝流程中各階段儀器設(shè)備的相關(guān)信息，如進(jìn)出水口流量、設(shè)施運(yùn)行情況等，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測以及故障報(bào)警。同時，還可以保存實(shí)時收集的數(shù)據(jù)，以此對各場站噸水電耗進(jìn)行計(jì)算，并追蹤各場站能耗情況，預(yù)判設(shè)備運(yùn)行情況，分析并評估異常用電情況和提示報(bào)警；還可以將出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)作為主要目的，從而對工藝流程各環(huán)節(jié)的歷史數(shù)據(jù)展開分析以及數(shù)學(xué)建模與算法設(shè)計(jì)，從而使平臺具備自適應(yīng)、學(xué)習(xí)功能[5]。

4.6 應(yīng)急管理

應(yīng)急管理主要是指為了降低突發(fā)事件的危害，且基于對突發(fā)事件的原因、過程以及后果的科學(xué)分析，有效利用各方面資源，以及運(yùn)用各種手段與方法對突發(fā)事件進(jìn)行有效的應(yīng)對、控制和處理的過程。同時，該平臺還建立了應(yīng)急管理體系，主要包括應(yīng)急處置方法、應(yīng)急預(yù)案文檔、應(yīng)急監(jiān)測方法、專家系統(tǒng)、環(huán)保法規(guī)庫等，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急事件的前期、中期、后期的全程管控。

4.7 決策中心

在建設(shè)過程中，智慧平臺是以“數(shù)采+大數(shù)據(jù)+環(huán)?！钡慕ㄔO(shè)思路，并融合云計(jì)算、數(shù)采信息物理系統(tǒng)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息等新一代技術(shù)手段，以“狀態(tài)感知、實(shí)時分析、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、統(tǒng)一平臺、智慧決策、精準(zhǔn)執(zhí)行和學(xué)習(xí)提升”的頂層構(gòu)架設(shè)計(jì)，從而全面感知環(huán)境質(zhì)量、污染排放、環(huán)境業(yè)務(wù)過程等數(shù)據(jù)，以構(gòu)建全方位、多層次、全覆蓋的立體傳輸網(wǎng)絡(luò)；而通過超融合架構(gòu)的環(huán)保生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺，以支撐污染源的實(shí)時監(jiān)控、環(huán)境預(yù)測預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)分析、智慧決策、環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法等環(huán)保業(yè)務(wù)的整合，從而全面提升生態(tài)環(huán)境管理細(xì)化、高效化和智能化水平。

4.8 移動APP應(yīng)用

移動APP運(yùn)用的是移動互聯(lián)技術(shù)，且通過手機(jī)、Pad等終端就能隨時隨地獲取信息，既打破了時空地域限制，還可以通過可視化圖表等方式展示各個場站的綜合數(shù)據(jù)。這樣能查看總能耗的詳情，也能細(xì)分到區(qū)域以及各設(shè)備的能耗詳情，并且，還能映射智慧平臺的場站管理、任務(wù)管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能效管控、應(yīng)急管理、決策中心等功能。同時，還能實(shí)時顯示告警信息，既可以進(jìn)行告警確認(rèn)、解決以及查看詳情，也可以根據(jù)條件篩選查看歷史告警信息。由以上功能可以看出，APP端可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量錄入、績效考核、遠(yuǎn)程抄表等操作，也能查看組態(tài)詳情，還可以設(shè)置不同的報(bào)警方式；還能實(shí)現(xiàn)在線工單自動推送，工單執(zhí)行記錄、智能規(guī)劃提醒、巡檢地點(diǎn)地圖導(dǎo)航、工單延期提醒，工單處理反饋等功能；實(shí)現(xiàn)多種類二維碼，如設(shè)備二維碼，備品備件二維碼，采樣記錄二維碼等，自動識別相關(guān)功能的聯(lián)動打開，無需進(jìn)入模塊后掃描，實(shí)現(xiàn)掃碼后自動進(jìn)模塊并自動引導(dǎo)操作的功能，實(shí)現(xiàn)管理全程數(shù)字化；實(shí)現(xiàn)手機(jī)中控室概念功能，且通過權(quán)限管理手機(jī)可調(diào)取現(xiàn)場任意一站點(diǎn)的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時還可以調(diào)取相關(guān)備信息，維護(hù)、巡檢、設(shè)備故障以及視頻實(shí)時畫面等。

在實(shí)際的污水處理過程中，通過智慧環(huán)保平臺和移動APP的應(yīng)用，能順利展開運(yùn)維管理工作，實(shí)現(xiàn)了污水處理工藝、運(yùn)維管理與人工智能技術(shù)的融合；而且，通過對多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的利用，提高了環(huán)保信息化智能管控水平，進(jìn)而有效提高了農(nóng)村生活污水處理過程的安全性、能效管理的合理性以及運(yùn)維管理的高效性。

5 結(jié)語

目前，農(nóng)村生活污水處理場站的運(yùn)維管理仍存在一定問題。因此，為了能有效提高監(jiān)管的運(yùn)營水平，降低運(yùn)營成本，應(yīng)積極利用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，并通過建立完善的農(nóng)村生活污水智慧環(huán)保平臺和應(yīng)用移動APP，既可以為生活污水處理場站的精細(xì)化管理提供重要保障，同時又有效提高了污水處理工作的效率與質(zhì)量，顯著降低了運(yùn)維管理成本。