農(nóng)村污水處理系統(tǒng)電氣智能化設(shè)計與前景發(fā)展研究

0 引言

目前，農(nóng)村水污染情況普遍存在且較為嚴(yán)重，原因是農(nóng)村存在大量污水直排現(xiàn)象，且農(nóng)村污水處理率的增長仍非常緩慢，污水管網(wǎng)不完善，部分污水管網(wǎng)破損嚴(yán)重，加之農(nóng)村周邊部分小企業(yè)存在偷排漏排的情況，造成周邊環(huán)境的水質(zhì)被污染。農(nóng)村污水問題制約了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，并嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境與村民的身體健康。

針對農(nóng)村污水治理面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)，現(xiàn)有治理模式已難以滿足生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的需求。為突破治理瓶頸，應(yīng)構(gòu)建技術(shù)升級與全民參與的雙輪驅(qū)動體系。依托智能化控制技術(shù)路徑，優(yōu)化供配電系統(tǒng)架構(gòu)，采用節(jié)能型電機(jī)設(shè)備，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建智能化污水處理系統(tǒng)。此外，研究對近200名受訪者進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研其對鄉(xiāng)村污水治理的了解與關(guān)心程度，推測當(dāng)今現(xiàn)狀，提出相應(yīng)解決措施，旨在為提高農(nóng)村污水處理效率提供參考。

1政策背景

1.1核心目標(biāo)

當(dāng)前，農(nóng)村生活污水治理仍面臨投入大、管理成本高等難題。農(nóng)村水污染問題不僅危害當(dāng)?shù)鼐用窠】?，也可通過水體流動影響城市供水安全，進(jìn)一步加劇全國水污染狀況。應(yīng)加大農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究力度，提出具有高時效性與低成本的智能化方案[]。

數(shù)據(jù)表明，截至2020年初，我國農(nóng)村污水處理率為 25.5% ；2022年，我國農(nóng)村污水處理率約為28% ；《全國農(nóng)村環(huán)境綜合整治“十三五”規(guī)劃》顯示，農(nóng)村污水處理率達(dá)到 30% 的預(yù)期，農(nóng)村污水處理率有所提高，但還未達(dá)到計劃水平。因此，在污水處理方面，還需要積極推進(jìn)污水處理系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，提高污水處理率。因此，加強(qiáng)農(nóng)村污水治理迫在眉睫，對農(nóng)村水循環(huán)系統(tǒng)與電能循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)一步規(guī)劃設(shè)計，是鄉(xiāng)村建設(shè)的重要指標(biāo)。隨著新農(nóng)村建設(shè)工作的推進(jìn)，我國積極推進(jìn)污水治理工作，致力于農(nóng)村污水凈化與減排，尤其對村鎮(zhèn)生活污水處理，因地制宜選擇處理工藝，采用先進(jìn)技術(shù)，以提升污水處理設(shè)施治污效能。

1.2“雙碳”目標(biāo)

在全球氣候變化和環(huán)境污染日益加劇的背景下，減少碳排放已成為各國政府的重要目標(biāo)。2020年，我國政府提出了“雙碳”目標(biāo)，即到2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實現(xiàn)碳中和。而污水處理廠在能源消耗與碳排放上有大量占比，因此其低碳化設(shè)計對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。通過查詢論文，了解到市一家污水處理廠的配置如下。一期配電室的額定容量為 500kV？A ，當(dāng)前負(fù)載為 300kV？A ，功率因數(shù)為 0.82 。二期配電室的額定容量為 800kV？A ，當(dāng)前負(fù)載為 600kV？A ，功率因數(shù)為 ?？梢姡渚哂胸?fù)載過高、功率因數(shù)低等特點(diǎn)。為降低無用碳排量，可以適當(dāng)引入智能電力管理系統(tǒng)，根據(jù)功率因數(shù)公式（見式1），選取較高可信度的數(shù)據(jù)采集器和合適的PLC等自動化控制設(shè)備，及時反饋調(diào)節(jié)，在相同的視在功率下，提高有功功率和功率因數(shù)[2]。

式中：cosφ表示功率因數(shù)， P 表示有用功率， S 表示可視功率。

1.3 現(xiàn)存問題

根據(jù)已有設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)我國污水處理設(shè)施的設(shè)計、運(yùn)行還存在諸多問題，如在廠房建設(shè)初期，僅需要建造費(fèi)用，而運(yùn)行期間則需要不斷投人維護(hù)費(fèi)用與人工成本，導(dǎo)致設(shè)施“建得起、運(yùn)行不起”。此外，部分污水處理廠專業(yè)化程度較高，缺少相應(yīng)技術(shù)人員，只能面向社會招聘相關(guān)領(lǐng)域人員，大多數(shù)員工只能檢測廠房電量及運(yùn)行轉(zhuǎn)速等參數(shù)，無法高效率協(xié)調(diào)調(diào)度終端系統(tǒng)，難以保障整體安全高效運(yùn)行。

2改進(jìn)策略

2.1供配電系統(tǒng)選擇

供配電系統(tǒng)大致包括變壓器、調(diào)速電機(jī)等。大部分污水處理廠所需電量較大，因此需要變壓器并聯(lián)運(yùn)行，其中變壓器并聯(lián)運(yùn)行應(yīng)保證各變壓器電壓比相同，有相同連接組及相等短路阻抗標(biāo)玄值、阻抗角。由于制作工藝存在誤差，應(yīng)保證電壓比之差小于 0.5% 。關(guān)于變壓器選取，應(yīng)滿足式（2），由此可推導(dǎo)出式（3）式（4）。

式中： 表示阻抗值， 表示電流標(biāo)幺值， S 表示可視功率值， 表示阻抗共軛值， 表示電流共軛值， 表示可視功率共軛值。其中， 與 可通過變壓器短路試驗求出。

由此可計算出2臺變壓器的負(fù)載系數(shù) 。由于負(fù)載系數(shù)取值范圍為0＼～1，為防止變壓器發(fā)生過載，應(yīng)保證2臺變壓器的負(fù)載系數(shù)均小于1。這種合理的負(fù)荷計算和變壓器的容量選擇可提高污水處理系統(tǒng)的供配電安全性與可靠性，提高其穩(wěn)定運(yùn)行能力[3]。

以下為短路試驗具體內(nèi)容。短路試驗又稱負(fù)載試驗，在高壓側(cè)施加額定電壓，低壓側(cè)短路，在高壓側(cè)施加電壓，試驗電流為高壓側(cè)額定電流，試驗電流較小。記錄此時高壓側(cè)的電壓和電流，進(jìn)而計算阻抗電壓，具體公式見式（5）。

式中： 表示高壓側(cè)阻抗值， 表示高壓側(cè)電壓值， 表示高壓側(cè)電流值。

2.2智能化系統(tǒng)設(shè)置

污水處理智能化管理模式大致分為兩方面，包括核心環(huán)境支撐與輔助環(huán)境支撐。核心環(huán)境支撐包括物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與云平臺；輔助環(huán)境支撐包括遠(yuǎn)程監(jiān)測管理、集約化管理與GPS人員考勤監(jiān)控。

為保障站點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，定期巡檢、保養(yǎng)和維修是重要且有效的手段。在巡檢流程中，管理員分配巡檢人員巡檢關(guān)聯(lián)站點(diǎn)。其中，巡檢任務(wù)按周期生成任務(wù)并通過調(diào)度中心分配最優(yōu)方案，巡檢完成后提交巡檢記錄，若無問題則進(jìn)人下一個周期。在保養(yǎng)方面，若污水處理系統(tǒng)需要保養(yǎng)處理，平臺根據(jù)周期派工，保養(yǎng)完成后進(jìn)入新周期。若巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備老化或存在安全隱患，應(yīng)及時上報至調(diào)度中心，及時停工，確保問題得到及時解決。若整體系統(tǒng)能迭代更新，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析與可行性分析后，建議維修后迭代污水處理系統(tǒng)，相關(guān)流程見圖1。

3拓寬群眾對污水處理常識的普及渠道

3.1居民對現(xiàn)有污水治理情況的看法與了解程度通過微信朋友圈、線下面對面采訪等方式收集近200名居民對所居住地區(qū)污水治理情況的看法，篩選出103名居住于鄉(xiāng)村郊區(qū)的居民，匯總數(shù)據(jù)，并根據(jù)匯總好的數(shù)據(jù)，繪制年齡構(gòu)成與當(dāng)?shù)嘏欧盼鬯闹饕獊碓达灎顖D（見圖2）。

篩選數(shù)據(jù)后，利用Matlab軟件繪制年齡與滿意程度的散點(diǎn)圖，將滿意程度以數(shù)字量化，5代表非常差，4代表較差，3代表一般，2代表較好，1代表非常好。將年齡分為1＼～5檔，分別對應(yīng)18歲以下、18＼～30歲、31＼～45歲、46＼～60歲、60歲以上，并利用線性回歸、多項式回歸與指數(shù)回歸方法繪制回歸函數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)其滿意程度均在2.5附近（見圖3）。由此可知，各年齡段對所居住地區(qū)污水程度的滿意程度為一般偏好一點(diǎn)，說明污水處理任重而道遠(yuǎn)[4]。

3.2推測現(xiàn)有數(shù)據(jù)，提出解決措施

根據(jù)現(xiàn)有居民對污水處理的看法，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)施的處理能力在應(yīng)對日益增長的污水排放需求時已顯不足?；谶@些數(shù)據(jù)，提出以下針對性措施，以提高污水處理能力，保障生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3.2.1 提高現(xiàn)有設(shè)施的技術(shù)水平

現(xiàn)有設(shè)施在處理效率和能耗方面存在一定的改進(jìn)空間。引進(jìn)先進(jìn)的污水處理技術(shù)，如膜分離技術(shù)、生物強(qiáng)化技術(shù)或智能控制系統(tǒng)等，可顯著提高污水處理的效率和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。同時，采用大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和優(yōu)化調(diào)度，能進(jìn)一步降低運(yùn)行成本和能耗[5]。

3.2.2 加強(qiáng)污水處理設(shè)施的日常維護(hù)

現(xiàn)有設(shè)施的高效運(yùn)轉(zhuǎn)離不開日常維護(hù)工作。從實際數(shù)據(jù)來看，部分設(shè)施因維護(hù)不及時導(dǎo)致污水處理能力下降或故障頻發(fā)。因此，應(yīng)建立健全維護(hù)制度，定期檢修設(shè)備，引入專業(yè)運(yùn)維團(tuán)隊，制訂科學(xué)維護(hù)計劃，確保設(shè)施長時間高效運(yùn)行。

3.2.3 提高居民的環(huán)保意識和參與度

數(shù)據(jù)表明，居民生活習(xí)慣對污水排放量和水質(zhì)影響顯著。通過社區(qū)宣傳、學(xué)校教育、媒體推廣等方式，提高公眾對污水處理重要性的認(rèn)識，培養(yǎng)節(jié)約用水和正確處理生活廢棄物的習(xí)慣。此外，鼓勵居民主動參與環(huán)?；顒樱缟鐓^(qū)清理、廢水再利用推廣等，為污水處理工作提供良好的社會基礎(chǔ)[6]

4結(jié)束語

農(nóng)村污水處理關(guān)系到生態(tài)環(huán)境保護(hù)和居民生活質(zhì)量。研究分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國農(nóng)村污水處理系統(tǒng)在技術(shù)水平、設(shè)施維護(hù)及公眾參與等方面仍有很大的提升空間。結(jié)合政策背景、技術(shù)現(xiàn)狀及“雙碳”目標(biāo)的要求，研究提出了選用合適供配電系統(tǒng)、設(shè)置智能化系統(tǒng)、提高設(shè)施技術(shù)水平、加強(qiáng)日常維護(hù)及增強(qiáng)公眾環(huán)保意識等措施，為農(nóng)村污水處理的發(fā)展提供參考。

未來，隨著科技的進(jìn)步和政策支持的進(jìn)一步加強(qiáng)，農(nóng)村污水處理設(shè)施將逐步向智能化、低碳化方向發(fā)展。引入先進(jìn)技術(shù)和完善的管理體系，不僅能夠提升污水處理能力，還能實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。同時，公眾的積極參與將為污水處理工作提供堅實的社會基礎(chǔ)，推動農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[7]。

農(nóng)村污水處理是關(guān)乎社會責(zé)任與生態(tài)未來的系統(tǒng)工程。通過全社會的共同努力，農(nóng)村污水處理系統(tǒng)將更加高效、環(huán)保和智能化，為美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻(xiàn)重要力量。

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