農(nóng)村生活污水處理設(shè)施智慧化運(yùn)維管理技術(shù)
一、技術(shù)簡(jiǎn)介
本技術(shù)通過(guò)開發(fā)經(jīng)濟(jì)耐用的在線水質(zhì)傳感器，結(jié)合針對(duì)性的智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理設(shè)施自動(dòng)化、智慧化的無(wú)人值守運(yùn)維管理，旨在利用新的技術(shù)手段解決處理工藝、設(shè)備的技術(shù)瓶頸和管理難題，適用于農(nóng)村生活污水處理設(shè)施站點(diǎn)分布廣、數(shù)量多的地區(qū)，有效降低設(shè)備后期的運(yùn)維費(fèi)用和管理難度。
二、適用范圍
農(nóng)村生活污水處理設(shè)施智慧化運(yùn)維管理技術(shù)適用于各類農(nóng)村生活污水處理設(shè)施。對(duì)采用生物處理工藝的設(shè)施，根據(jù)所采用的工藝、出水要求和設(shè)備自動(dòng)化程度的現(xiàn)狀，通過(guò)針對(duì)性地設(shè)置在線水質(zhì)傳感器、配備專用的智能邊緣計(jì)算單元和調(diào)控過(guò)程執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)污水處理設(shè)施的智能化、信息化升級(jí)改造，使得云端平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)感知設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)的調(diào)控策略實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)施的內(nèi)各子設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的最優(yōu)化運(yùn)行。該技術(shù)的采用，無(wú)論對(duì)應(yīng)采用生物或生態(tài)處理工藝的設(shè)施，均可大幅降低設(shè)施巡檢費(fèi)用50%以上，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并維修設(shè)施故障狀態(tài)，遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)確保發(fā)揮長(zhǎng)效。
三、技術(shù)內(nèi)容
圖1 農(nóng)村生活污水處理設(shè)施智能化運(yùn)維技術(shù)示意圖
（1）技術(shù)簡(jiǎn)介
針對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)維管理的三大難點(diǎn)——1.水質(zhì)水量變化大，污染物濃度低，2.設(shè)施站點(diǎn)規(guī)模小、數(shù)量大，3.缺乏專業(yè)運(yùn)維人員。從在線水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工藝設(shè)備數(shù)字化孿生，工藝智慧分析和調(diào)控方法三個(gè)方向，形成系統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)化的農(nóng)村生活污水整體解決方案，實(shí)現(xiàn)提升處理工藝技術(shù)整體的適用性、穩(wěn)定性和易用性。通過(guò)開發(fā)和采用光學(xué)、離子選擇性電極、微流控等新型的免維護(hù)、免試劑、經(jīng)濟(jì)耐用的水質(zhì)傳感技術(shù)，在技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)有效的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的處理工藝設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)處理工藝狀態(tài)和效果的實(shí)時(shí)感知，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智慧調(diào)控提供了基本依據(jù)。根據(jù)不同的工藝技術(shù)開發(fā)的邊緣計(jì)算單元，能夠根據(jù)不同的處理工藝的調(diào)控需求采集相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)和子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)邊緣計(jì)算按照設(shè)定的分析模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)構(gòu)建污染物及其中間體與運(yùn)行參數(shù)的相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)矩陣，并將設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳到云端，實(shí)現(xiàn)在云端實(shí)時(shí)構(gòu)建污水處理工藝的數(shù)字孿生。云端平臺(tái)的工藝智慧分析和調(diào)控方法可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析不斷挖掘，分析工藝各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)農(nóng)村生活污水治理技術(shù)、運(yùn)維及管理效率的影響，不斷優(yōu)化該技術(shù)工藝的運(yùn)行控制策略，并對(duì)存在差異性的不同站點(diǎn)反饋出相應(yīng)的控制邏輯，指導(dǎo)做出的運(yùn)維和管理措施，節(jié)約運(yùn)行成本、提升工作效率、同時(shí)確保運(yùn)行有效性。大數(shù)據(jù)的積累，還用于開展對(duì)不同區(qū)域環(huán)境、不同經(jīng)濟(jì)條件、不同進(jìn)水條件以及采用了不同模式治理終端的數(shù)據(jù)分析，對(duì)技術(shù)工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)和綜合評(píng)估，篩選出不同區(qū)域、經(jīng)濟(jì)條件和應(yīng)用場(chǎng)景下的實(shí)用治理技術(shù)，針對(duì)其技術(shù)總結(jié)處理效果和達(dá)標(biāo)率，為治理技術(shù)、運(yùn)維及管理的需求提供優(yōu)化依據(jù)。
（2）數(shù)字式在線水質(zhì)傳感器
針對(duì)農(nóng)村污水處理開發(fā)有各類在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，該型傳感器采用光學(xué)法和電化學(xué)法等無(wú)需化學(xué)試劑的檢測(cè)方法，具有能耗低、響應(yīng)快、可靠性高、安裝方便等特點(diǎn)，特別適合戶外遠(yuǎn)距離、大范圍的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，該型傳感器具備良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作少，維護(hù)方便。
圖2 數(shù)字式在線水質(zhì)傳感器
（3）邊緣計(jì)算單元
智能物聯(lián)網(wǎng)通訊與控制網(wǎng)關(guān)系列產(chǎn)品，基于32 位ARM處理器和移遠(yuǎn)通信模組的硬件平臺(tái)；模塊與服務(wù)器通訊采用TLS加密連接，保證信息安全。設(shè)備集成多種接口，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備直接接入云端，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保證系統(tǒng)持續(xù)在線。支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信的4G/3G/2G網(wǎng)絡(luò)，滿足各種地區(qū)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入條件，在信號(hào)條件極差的地庫(kù)、偏遠(yuǎn)農(nóng)村、山區(qū)和下水道，還可以接入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)或采用LORA網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。
圖3 智能物聯(lián)網(wǎng)通訊與控制網(wǎng)關(guān)系列產(chǎn)品
（4）智慧運(yùn)維管理平臺(tái)
智慧運(yùn)維管理平臺(tái)包括物聯(lián)網(wǎng)中間件子系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控子系統(tǒng)、智慧分析和遠(yuǎn)程調(diào)控等子系統(tǒng)，將各個(gè)環(huán)境治理設(shè)施基礎(chǔ)信息、運(yùn)行維護(hù)管理人員及其產(chǎn)生的信息，現(xiàn)場(chǎng)邊緣計(jì)算單元采集的工藝運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及視頻（圖像）資料等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集上來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并且將其與用戶的運(yùn)維管理業(yè)務(wù)深度整合。其中，智慧分析和遠(yuǎn)程調(diào)控子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智慧化運(yùn)維的核心，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)分析不同站點(diǎn)的運(yùn)行場(chǎng)景與運(yùn)行參數(shù)，針對(duì)性地對(duì)不同站點(diǎn)反饋相應(yīng)的控制參數(shù)，使設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與進(jìn)水水質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境相吻合，實(shí)現(xiàn)每個(gè)站點(diǎn)的最優(yōu)化運(yùn)行。平臺(tái)系統(tǒng)采用C/S和B/S一體化設(shè)計(jì)，為用戶提供統(tǒng)一的環(huán)境數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)各類型組織人員隨時(shí)對(duì)組織內(nèi)管轄的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理；充分利用各類終端設(shè)備和相應(yīng)的應(yīng)用層軟件，將各類運(yùn)維管理工作聚合在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)。
圖4 智慧運(yùn)維管理平臺(tái)示意圖
四、技術(shù)應(yīng)用情況
（1）應(yīng)用情況
農(nóng)村生活污水智慧管理平臺(tái)目前已經(jīng)在嘉興、溫州、常州、合肥等多個(gè)項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用，設(shè)施站點(diǎn)年平均在線率達(dá)到97%以上，項(xiàng)目涉及多種技術(shù)工藝和應(yīng)用場(chǎng)景，均能夠大幅提高設(shè)施的運(yùn)維管理效率，達(dá)到預(yù)期使用效果。
1）嘉興36座農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái)
圖5 嘉興36座農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)及預(yù)警平臺(tái)
2）溫州某河道水質(zhì)提升工程智慧運(yùn)維平臺(tái)
圖6 溫州某河道水質(zhì)提升工程智慧運(yùn)維平臺(tái)
3）肥西縣花崗鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施智慧運(yùn)維平臺(tái)
圖7 肥西縣花崗鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施智慧運(yùn)維平臺(tái)
（2）推廣模式
1）EPC模式。根據(jù)區(qū)域內(nèi)設(shè)施設(shè)備的現(xiàn)狀以及業(yè)主需求制定相應(yīng)的工程實(shí)施方案和原位管理制度，對(duì)現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的信息化升級(jí)改造，達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收后移交業(yè)主，并為后續(xù)運(yùn)維管理平臺(tái)提供持續(xù)的技術(shù)服務(wù)。
2）BOT模式。以約定的運(yùn)維價(jià)格承擔(dān)區(qū)域內(nèi)農(nóng)村污水處理設(shè)施的運(yùn)維管理工作，在當(dāng)?shù)爻闪I(yè)化運(yùn)維隊(duì)伍，對(duì)現(xiàn)有污水處理設(shè)施進(jìn)行智慧化升級(jí)改造，并配套建設(shè)相應(yīng)的運(yùn)維管理平臺(tái)。在約定的承包期限結(jié)束后，將整套運(yùn)維管理體系移交當(dāng)?shù)卣蚱髽I(yè)，僅提供信息化和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的技術(shù)服務(wù)。
五、治理成效或應(yīng)用效果
（1）大幅降低設(shè)施的巡檢次數(shù)和成本。例如，花崗鎮(zhèn)孫集社區(qū)的污水治理站點(diǎn)，在接入平臺(tái)之后，站點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)巡檢次數(shù)低至6次/年，站點(diǎn)所有運(yùn)行工況實(shí)時(shí)在平臺(tái)上展現(xiàn)，當(dāng)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)觸發(fā)調(diào)控策略時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)下發(fā)調(diào)控指令。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)觸發(fā)預(yù)警策略時(shí)，自動(dòng)通知運(yùn)維人員進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)或現(xiàn)場(chǎng)維修調(diào)試。
（2）大幅減少現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)維工作量。現(xiàn)場(chǎng)工作人員只進(jìn)行常規(guī)的、相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)維工作，例如，溫州某河道水質(zhì)提升工程采用MBR處理工藝，以往運(yùn)維人員需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行輪班值守，在實(shí)現(xiàn)智慧化升級(jí)改造后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)維人員遠(yuǎn)程通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)掌握設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警，并根據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)的提示進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工作。當(dāng)系統(tǒng)提示藥劑量不足時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充藥劑，當(dāng)提升MBR壓力有上升趨勢(shì)，則通知運(yùn)維人員進(jìn)行MBR膜清洗。
（3）設(shè)施的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)維管理臺(tái)賬均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，為治理設(shè)施的治理成效評(píng)估提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，為運(yùn)維管理流程、制度的優(yōu)化提供了依據(jù)。
六、推廣應(yīng)用前景
廣東地區(qū)歷年已建的農(nóng)村污水處理設(shè)施總計(jì)約3萬(wàn)座，隨著已建設(shè)施數(shù)量的快速增加，各種管理運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題日趨嚴(yán)重。越來(lái)越多的地方政府和企業(yè)開始意識(shí)到長(zhǎng)效管理機(jī)制和配套運(yùn)維管理技術(shù)的重要性。開展農(nóng)村生活污水處理設(shè)施實(shí)時(shí)工況監(jiān)控、預(yù)警和智能調(diào)控系統(tǒng)服務(wù)，能夠讓運(yùn)維企業(yè)實(shí)時(shí)掌握設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)地進(jìn)行人工和智能遠(yuǎn)程干預(yù)，優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)，提高設(shè)施的達(dá)標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)率，同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并通知現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員進(jìn)行檢修，達(dá)到設(shè)施最優(yōu)化運(yùn)行，發(fā)揮長(zhǎng)效。同時(shí)，能夠?yàn)榻鉀Q政府機(jī)構(gòu)對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)行情況監(jiān)管力量不足的難點(diǎn)，將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)、在線、智慧化監(jiān)管模式，通過(guò)污水處理設(shè)施運(yùn)行情況的視頻監(jiān)控、出水流量監(jiān)控，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、后臺(tái)預(yù)警算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人管理、無(wú)人維護(hù)、運(yùn)行異常的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，加強(qiáng)監(jiān)督。
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