智能調控技術在農村污水治理中的應用

劉夢 王武強 劉丁 劉力 徐建平 國墨杰 葉玉樹

摘? 要：針對農村生活污水進水量波動引起的農污處理站點生化系統污泥問題，以江蘇省某農村污水處理項目為例，對進水智能調控技術在農村污水治理中的應用進行評估。實驗結果表明，該技術的應用對水量、水質、污泥質量濃度均起到很好的調節作用。應用智能調控技術后，進水的每日時變化系數由原來的15降至3以下，出水水質穩定達標，調控3個月后，農污處理站點生化系統污泥質量濃度上漲12%。該工程案例的改造可為農村污水治理工程的智慧運營提供可推廣的解決方案。

關鍵詞：污水治理；水智能調控；穩定運行；水質穩定；解決方案

中圖分類號：TU992.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0075-04

Abstract： This paper aims at the problem of sludge in biochemical system of rural sewage treatment station caused by the fluctuation of rural domestic sewage influent. Taking a rurwal sewage treatment project in Jiangsu Province as an example， the application of intelligent control technology of inflow water in rural sewage treatment was evaluated. The results of the experiment show that the application of this technology plays a good role in regulating the amount of water， the quality of water and the mass concentration of sludge. The daily variation coefficient of influent decreased from the original 15 to less than 3， the effluent water quality was stable， and after 3 months of regulation the sludge mass concentration increased by 12%. The reconstruction of this project case can provide a scalable solution for the intelligent operation of rural sewage treatment projects.

Keywords： sewage treatment; water intelligent control; stable operation; stable water quality; solution

近年來，國家全面實施鄉村振興戰略，加強農村人居環境整治，加大了農村生活污水治理的力度，各地為了響應政策紛紛建設了農村生活污水處理設施。然而，在一些地區農村生活污水處理設施仍舊存在“曬太陽”的現象[1]。由于人員管理不專業、運維資金無保障、工藝技術適應性較差等多方原因，設施的運行效果并不理想[2]。根據調研統計結果，大部分地區的正常運行率僅為60%～70%[3]。

目前已建成的農村生活污水處理設施大多是市政污水廠的“縮影”，國內污水處理的運營維護模式在市政污水廠已成熟應用，但是在農村污水治理運營維護中，尚處于探索階段[4]，波動的進水同樣也加劇了運維的復雜程度[5]。農村生活污水的收集管網來水水量每天都有1～3次的水量峰值波動，由于進水量波動（長時間不進水或大水量進水沖擊）導致生化系統污泥老化、污泥過度氧化、污泥解絮、污泥沉降性能變差及污泥流失（跑泥）等。污泥濃度降低，處理效果逐漸減弱，最終出水水質無法達到相關標準。

針對上述問題，研發了智能調控技術，利用云計算、大數據、人工智能等手段把排水管網中無序和波動的污水流量，調整為相對穩定的生化系統進水流量的綜合調節系統。目前此項技術已在多個項目實現應用，本文分析了智能調控技術的應用效果，對比了智能調控模式和傳統運行模式下的站點運行情況，為農村生活污水處理設施的運維提供技術輔助。

1? 材料與方法

1.1? 實驗站點

此農污處理站點于2020年投入運行，處理規模45 t/d，采用A2O工藝，出水水質執行一級A標準。圖1為此站點的工藝流程圖。

處理站采用地埋式一體化設備，預處理設備長度6.9 m，直徑2.8 m；一體化污水處理設備長度9.5 m，直徑2.8 m；配備有2臺提升泵，1用1備，流量2.0 m3/d，揚程6 m，功率0.3 kW；原有儀表包含電磁流量計和靜壓液位計，為了評估智能調控技術的運行效果增加污泥濃度計，表1為儀表技術參數。

1.2? 實驗方法

智能調控技術包括在線監測設備、現場工藝設備、智能網關、PLC和智能恒進水算法模型，利用云計算、大數據、人工智能等手段把排水管網中無序和波動的污水流量，調整為相對穩定的生化系統進水流量的綜合調節。

PLC將現場工藝設備和在線監測設備的數據通過智能網關上傳至云平臺，云平臺可以存儲和調用海量的數據，利用這些數據創建恒進水算法模型。模型根據調節池容積、出水流量，計算出生化系統的小時進水流量、泵的開啟頻次時長等參數，使生化系統進水保持相對平穩的狀態，盡可能達到“恒水量進水”的目標。水量模型根據流量計監測的實時來水水量數據不斷修正，并及時調整進水方案，使調控更加精準。

2? 結果與討論

2.1? 水量預測分析

自應用智能調控技術后，生化系統進水比較平穩，進而有效保障了處理站出水水質的長效達標。如圖2所示，上面的曲線圖展示了4種水量和調蓄池的液位情況，下面的曲線圖對比了恒進水模式的水量變化和傳統高啟低停模式的水量變化，從圖2中可以看出，應用智能調控技術后，處理站的進水量非常平穩，同時調蓄池的液位維持在1.3 m左右。

智能調控準確的基礎在于對站點來水的預測，研究創建農污站點的進水水量數學模型，采用智慧算法和數據學習訓練，經過長時間的時段特征學習、溫度特征學習、雨量特征學習等數據學習和訓練，可以精準預測未來12 h中每小時的污水管來水量。如圖3所示，實際污水管來水曲線和預測污水管來水曲線這2條曲線吻合較好，表明進水水量數學模型可以很好地預測站點進水量。

為了評價進水水量預測模型的準確性，采用均方根誤差（Root Mean Square Error，簡稱RMSE）作為評價指標，衡量預測污水管來水和實際污水管來水2組數據間的差異[6]。

RMSE=■ ，

式中：yi和fi分別為管網來水的模型預測值和實測值；N為樣本數量。選取模型學習2周后的數據，2022年12月30日至2023年1月5日為期 7 d的數據，數據周期為1 h/條，通過公式計算其RMSE=0.229，表明進水水量預測模型準確度較高。

基于模型的預測結果，可對站點的提升泵下發調控指令。如圖4所示，計劃生化系統進水曲線與實際生化系統進水曲線幾乎重合，表明站點現場的調控設備可按計劃指令實時進行調控。

智能調控模型起到了很好的削峰作用，實現生化池的平滑進水。

K=■，

式中：K為每日的時變化系數；Qmax為每日的最大時進水流量；Q為當日24 h平均進水流量。如圖5所示，每日進水時變化系數由原來的15降低至3以下，最低至2左右。

2.2? 污泥質量濃度分析

站點自應用智能調控技術后，生化池的活性污泥質量濃度持續上漲，初始污泥質量濃度為1 735.04 mg/L，經過一個月的時間，污泥質量濃度達到1 900 mg/L，如圖6所示，污泥質量濃度上漲10%。

經過一段時間的穩定運行后，生化池的活性污泥質量濃度可以穩定在1 940 mg/L左右，如圖7所示，相比于初始污泥質量濃度上漲12%，表明智能調控技術對水量的調節有助于生化系統活性污泥質量濃度的提升，穩定的活性污泥質量濃度有助于活性污泥對污染物的降解，有利于出水水質的長效達標。

圖7? 污泥質量濃度增長趨勢圖

2.3? 效益分析

該農村污水處理項目運用智能調控技術后，運行成本低廉。此站點的主要耗電設備包含提升泵2臺，1用1備，流量2.0 m3/d，揚程6 m，功率0.3 kW；隔膜氣泵3臺，2用1備，功率為350 W。改造前，隔膜氣泵按照固定周期運行，存在過度曝氣的現象，生化池活性污泥質量濃度較低。改造后隔膜氣泵與進水提升泵進行聯動，根據水量按需曝氣，既保障了生化池的污泥質量濃度，又降低了運行成本，經測算可節約50%的運行成本。

3? 結論

智能調控針對農村污水處理中的痛點問題，制定出“一村一策”的定制化進水策略，有效保障農污站點生化池的平穩進水，運行成本低廉，更加適用于農村生活污水的治理。

1）智能調控技術的水量調節功能。智能調控技術采用大數據、云計算、人工智能等數字技術，將管網不規則的來水流量進行數據累積、分析和2周以上時間的深度學習，在預測來水流量的基礎上，改變提升泵原有以液位“高啟低?！毙盘柨刂频哪Ｊ郊爱a生的脈沖式進水波動給生化系統帶來的水量沖擊，采用以流量累積為信號的平穩進水的控制模式，以15 min/次或60 min/次的頻率下發指令，可以有效實現對進水的均衡調度，智能調控技術可以將每日的時變化系數由原來的15大幅降低至2左右，使生化系統具備相對穩定的進水流量。

2）智能調控技術的污泥活性調節功能。智能調控技術的應用有效保障了生化系統進水負荷，為活性污泥創造了良好的生長環境，穩定控制食微比F/M，合理化控制每個工藝段水力停留時間HRT，不僅防止了活性污泥質量濃度降低，還促進了微生物和菌膠團生長和繁衍，改善活性污泥性狀，生化系統污泥質量濃度提高了12%并趨于穩定。

參考文獻：

[1] 施晴，黃燕軍，周玉宇，等.皖南地區農村生活污水處理設施現狀調查[J].凈水技術，2022，41（5）：62-66.

[2] 崔玉峰.強化農村生活污水處理設施管理的思考[J].資源節約與環保，2020（1）：14-15.

[3] 崔艷智，袁溪，于奇，等.推動農村生活污水處理設施長效運維[J].環境經濟，2021（23）：58-61.

[4] 張傳后，周磊.農村生活污水處理設施運營管理模式研究[J].鄉村科技，2021（12）：117-119.

[5] 朱明君，任亮，楊忠蓮，等.小型一體化農村生活污水處理設施進水負荷特征與運行優化研究[J].節能環保，2022（7）：10-14.

[6] 王鑫，吳際，劉超，等.基于LSTM循環神經網絡的故障時間序列預測[J].北京航空航天大學學報，2018，44（4）：772-784.