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分散式農村污水處理設施遠程監控系統及其應用

2020-05-21 11:31:31

引言


由于農居分散,來水水量不穩定,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發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,針對分散式農村污水處理設備運行管理中暴露的突出問題,利用物聯網和網絡通訊技術開發農村生活污水遠程監控管理系統,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,許多農村地區尚無排水系統,雨水和污水沿道路邊溝或路面排至附近水體。建有排水系統或管道的地區,除小部分經濟條件較好的村鎮實行雨污分流制外,大部分地區采用的是合流制排水系統。


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。和城鎮污水處理廠一樣,分散式污水處理設施也有發生故障的風險,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、航空航天等領域,廣泛應用分布式遠程監控系統解決分散式設施的管理問題。在環保領域,我國目前成熟的污水處理監控技術,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,限制了監控系統的應用;另一方面,遠程監控系統的開發程度、技術水平也參差不齊,進而影響到以遠程監控系統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府監督管理。


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,通過分析物聯網技術的原理和功能,探討遠程監控系統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管提供技術保障,并降低了運行、維護和監管的成本。


2農村生活污水分散式處理設施遠程監控系統的特點與應用


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,以物聯網技術和網絡通信技術為核心的遠程監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分布式遠程監控系統的原理與功能


計算機監控技術主要適用于對處于分散狀態的生產過程進行集中監視、控制與統計管理,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控系統,這時就需要建立分布式遠程監控系統,通過通信網絡系統對現場的控制系統進行監測控制。目前,常用的通信網絡是GPRS與Internet網絡。在GPRS與Internet網絡平臺上構建監控系統,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控系統的主要通信傳輸手段。遠程監控系統有2種類型,一種是現場控制和遠程監控并存,遠程監控系統一般只具有監督功能,利用現場控制系統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控系統,將采集的數據送到遠程計算機進行處理,這種遠程監控系統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控系統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控系統的原理如下:現場監測層采集的監控數據,通過無線通訊網絡傳輸至監控管理服務器,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,并根據管理要求對這些監控狀態數據進行處理,實現對設備的監視與控制?;蛘咭部梢詫⒔馕龊蟮臄祿苯觽鬏數浇K端計算機,獲得實時狀態數據,而不經過數據庫的存儲,這樣可以提高系統的實時性。與一般的計算機控制系統相比,分布式控制系統具有高可靠性、開放性、靈活性、協調性、易于維護、控制功能齊全等特點。


該系統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監察儀和數據采集儀,遠程監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)。


遠程監控系統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,主要由接受側和發送側構成。在發送側,由現場設備控制器(PLC,Programmable Logic Controller)采集設備狀態量,數據采集處理單元通過PLC協議解析,獲得采集量數據,通過數據傳輸單元(DTU)向無線公網IP發送GPRS數據包或向手機號碼終端發送短信,從而實現設備側數據采集與發送功能。在接受側,可以通過手機短信服務網絡接受狀態量數據,也可以將上述數據發送至遠程監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,并進行相應的管理操作。上述的GPRS組網方案可用圖2表示。對于軟件監控方案,主要是指系統的功能,目前市場上常見的遠程監控系統產品幾乎都包含了以下功能:①利用GPS或GIS系統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、監測、計算、報警;③可以實現遠程查看,實時監控站點。


2.2分散式處理設施遠程監控系統的特點


該系統通常由硬件系統(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(監控系統軟件)系統兩部分構成,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;對系統來說,它是全自動運行的“大腦”,通過相應軟件功能的開發,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。依靠遠程監控系統,可使分散式設備的維護問題簡化:一方面系統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,保證了設備保養的及時率;另一方面當某套裝置出現運行故障,系統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可以實現遠程監控管理


通過GPRS與Internet網絡系統,將農村分散式污水處理站點數據實時傳輸到監控系統,工作或管理人員可以遠程查看站點現場情況,實時監控設備運行狀態和進出水情況,實現對系統的統一監控和分布式管理。


由于系統具有遠程控制功能,方便管理者根據現場情況調整設施的運行參數,只需在系統界面中更改設置即可。此外,在加強政府監督管理力度方面,監控系統平臺可以作為執法的有力保障,監控系統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境監察部門的監督之下,也可以將系統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


系統實時監控站點水質、水量以及設備的運行數據。當出現突發事故時,系統啟動報警程序,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設置的ZUI大值或ZUI小值時,系統就會報警:若超過設定的ZUI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ZUI小值,很可能出現了管網漏水或堵塞。根據系統報警值,處理不同的突發情況。


2.3分散式處理設施遠程監控系統的應用


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,江浙部分地區已率先應用了分散式農村生活污水處理設施遠程監控系統,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控體系,目前該系統已全部覆蓋了全市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管系統,以區域地圖形式監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、水量走勢、處理池信息、設備工作狀態信息等各種信息實時查看和監管。該系統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。


南京市溧水區針對一體化A/O-生態溝工藝和兼氧FMBR工藝,開發了相應的處理設施監控方案以及監控系統,目前正在進行系統的安裝調試。這套遠程監控系統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,都儲存在系統中。利用用戶決策的數據分析工具,對數據進行優化查詢、統計分析、數據整合等工作,既提高了工程項目管理的統籌力度,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,監管任務重、難度大。在此背景下,依托數字化網絡,開發遠程監控平臺,將對處理設施的穩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管效率亦將起到關鍵作用。在分散式處理設施遠程監控系統的應用過程中,應進一步保證人員專業水平和數量充足,以加強對數字化網絡系統平臺的管理效率。


目前,分散式農村生活污水處理設施的遠程監控系統主要存在以下方面的問題:


(1)遠程監控系統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。如何在同一個系統下實現不同工藝的污水處理設施的遠程控制,對監控系統的設計提出了較高的要求。


(2)建立包括遠程監控系統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、經濟高效的技術支撐。一方面,通過遠程監控系統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高級功能,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,應建立包括遠程監控系統在內的政府、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)以遠程監控系統為核心,建立新型農村生活污水運營模式。監控系統的運行效果與管理體制緊密相關,目前國內已有部分地區嘗試將監控系統與處理設施的第三方運營相結合,并制定日常監督檢查考核標準。此舉不僅可以提高第三方專業服務機構的運行管理水平,包括優化運行維護的成本和質量,而且有利于政府行政管理部門的有效監督和長效管理,很可能成為今后治理農村生活污水的新型運營模式。


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