农村生活污水包括人类、家禽粪尿及洗涤、洗浴和厨房废水等,具有排放面广、污染物浓度较高、水质差异大、总水量大但个体水量小等特点^[1] 。由于农居分散,来水水量不稳定,如采用集中处理模式,排水管网及配套的处理设施投资及运行费用较高且管理难度大。我国农村生活污水排放量为80亿~90亿m³/年^[2] ,96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统,90%以上的生活污水直接排入附近河流^[3] 。特别是农村生活污水中富含氮磷,占总磷排放负荷的60%^[4] ,是引起水体富营养化的重要原因。

　　 与逐年提高的城市污水处理率相比,农村污水治理工作任重道远。我国50%污染水量来源于农村生活污水^[1] 。治理工作不仅是兴建污水处理设施,提高已建设施的运行管理水平,而且将关系到设施是否可以持续发挥污染物减排的作用。因此,本文分析了我国农村生活污水处理模式,针对分散式农村生活污水处理设施运行管理中暴露的突出问题,利用物联网和网络通讯技术开发农村生活污水远程监控管理系统,以提高运营管理效率,减少运行成本,有效保障设施的正常运行和出水水质的稳定达标。

　　 就排水体制而言,许多农村地区尚无排水系统,雨水和污水沿道路边沟或路面排至附近水体。建有排水系统或管道的地区,除小部分经济条件较好的村镇实行雨污分流制外,大部分地区采用的是合流制排水系统。

　　 根据上述排水体制,我国农村生活污水的处理模式有集中处理和分散处理2种。集中处理是指将村镇的污水收集起来统一送入已建污水处理厂处理或者兴建小型污水处理厂;分散处理是指对单户或多户污水就地处理。前一种模式适合城市周边村镇或者居住集中、利于管网收集的村镇^[1] 。后一种模式适用于人口居住分散,无法集中收集的农户。

　　 研究表明,对于分散的农村生活污水,小型处理设施是一种综合效益尚佳的选择,是国内外常用的技术手段^[4] 。我国从20世纪80年代起开展分散式生活污水处理技术的研发工作^[5] ,早期主要针对人畜粪尿等处理对象,积极研发推广三格式化粪池、沼气池、沼气池+兼氧过滤以及沼气池+人工湿地等技术。随着农村水体污染现象加剧,处理技术的研究方向以提高出水水质为主要目的(我国要求满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》规定的一级B标准)。该阶段工艺研发主要围绕A/O及其变形工艺,以及生物膜工艺等展开,主要有微生物渗滤系统+人工湿地、地埋式无动力/微动力处理装置、水力旋转生物膜反应器、双膜H/O、波式潜流人工湿地、悬浮填料生物接触氧化法等。目前国外应用较多的中小型污水处理技术有超压缩生物滤池反应器技术、营养生物膜和旋转生物接触器等。

　　 和城镇污水处理厂一样,分散式污水处理设施也有发生故障的风险,直接影响出水水质。农村生活污水处理设施由于位置分散,技术、设备、人力和资金方面无法得到保证,无法派驻足够的人力去监控这些站点的水质及运行情况,更无法及时抢修站点的突发事故,容易出现农村偏远地带污水处理设施出水水质不达标的情况,使得农村生活污水处理设施在实际运行中的效果并不理想。农村生活污水治理,不仅要因地制宜地研发可行性技术,更需逐步建立相应的管理和服务体系,确保污水处理设施的长效运行^[6] ,以此达到改善农村水环境的目的。

　　 在电力、交通、化工、航空航天等领域,广泛应用分布式远程监控系统解决分散式设施的管理问题^[7] 。在环保领域,我国目前成熟的污水处理监控技术,主要是集中式污水处理厂的污水处理过程的实时监控和调度管理,其应用可从简单的逻辑控制到复杂的分散化控制。而针对农村分散式生活污水处理设施的监控技术,尚处于起步阶段。一方面,农村生活污水处理工艺多样,设施的标准化、自动化、一体化水平不高,限制了监控系统的应用;另一方面,远程监控系统的开发程度、技术水平也参差不齐,进而影响到以远程监控系统为平台的长效管理模式与机制研究,不利于各类技术的推广应用和政府监督管理。

　　 在这种背景下,本文梳理了我国农村生活污水的处理模式以及适用范围。针对分散式处理设施的运行和管理难题,通过分析物联网技术的原理和功能,探讨远程监控系统在分散式农村生活污水处理设施中的应用及其特点,为设施的长效运行和有效监管提供技术保障,并降低了运行、维护和监管的成本。

　　 为了应对上述分散式污水处理设施管理难题和运营风险,避免处理设施“重建设轻管护”的现象,以物联网技术和网络通信技术为核心的远程监控技术显示了良好的应用前景,可以极大地提高管理效率。

　　 计算机监控技术主要适用于对处于分散状态的生产过程进行集中监视、控制与统计管理,包括集中式、分散式和分布式3种。当生产或采集现场地理位置比较偏僻、气候和其他一些条件比较恶劣时,就无法在生产或数据采集现场建立计算机监控系统,这时就需要建立分布式远程监控系统,通过通信网络系统对现场的控制系统进行监测控制^[8] 。目前,常用的通信网络是GPRS与Internet网络。在GPRS与Internet网络平台上构建监控系统,可以实现相关设备数据的无线传输,具有可充分利用现有网络、缩短建设周期、降低建设成本等优点,而且设备安装方便、维护简单,是目前国内污水处理领域远程监控系统的主要通信传输手段。远程监控系统有2种类型,一种是现场控制和远程监控并存,远程监控系统一般只具有监督功能,利用现场控制系统处理过的数据进行生产过程分析、预测、归纳总结,以便提出新的生产计划;另一种是生产现场没有监控系统,将采集的数据送到远程计算机进行处理,这种远程监控系统必须很好地处理远程调用中数据在网络上的可靠传送和实时性问题^[7] 。随着GPRS通信方式的出现,第二种类型的远程监控系统更加符合分散式污水处理设施的集中管理需求、适应现场条件^[9] 。

　　 基于第二种类型的远程监控系统的原理如下:现场监测层采集的监控数据,通过无线通讯网络传输至监控管理服务器,服务器对数据进行解析,将正确合理的数据存入数据库。终端(计算机或者移动设备)从数据库取出数据,获得现场设备的当前状态,并根据管理要求对这些监控状态数据进行处理,实现对设备的监视与控制。或者也可以将解析后的数据直接传输到终端计算机,获得实时状态数据,而不经过数据库的存储,这样可以提高系统的实时性^[7] 。与一般的计算机控制系统相比,分布式控制系统具有高可靠性、开放性、灵活性、协调性、易于维护、控制功能齐全等特点^[10] 。

　　 该系统的硬件组成结构见图1,其中安装在现场的硬件设备主要是设备运行状态监察仪和数据采集仪,远程监控管理中心的主要硬件设备是服务器和终端设备(计算机或移动设备)。

　　 远程监控系统的解决方案主要是分散式污水处理设施的采集控制方案、设施的采集控制GPRS组网方案和软件监控方案。对于分散式污水处理设施的采集控制方案,主要由设备的控制器、GPRS数据采集仪以及采集监控点构成。对于设施的采集控制GPRS组网方案,主要由接受侧和发送侧构成。在发送侧,由现场设备控制器(PLC,Programmable Logic Controller)采集设备状态量,数据采集处理单元通过PLC协议解析,获得采集量数据,通过数据传输单元(DTU)向无线公网IP发送GPRS数据包或向手机号码终端发送短信,从而实现设备侧数据采集与发送功能。在接受侧,可以通过手机短信服务网络接受状态量数据,也可以将上述数据发送至远程监控中心内部网络服务器,外部网络通过防火墙VPN技术可以在授权情况下通过Web浏览器查看内部服务器中显示的各个处理站点的设备状态,并进行相应的管理操作。上述的GPRS组网方案可用图2表示。对于软件监控方案,主要是指系统的功能,目前市场上常见的远程监控系统产品几乎都包含了以下功能:(1)利用GPS或GIS系统快速定位污水处理站点位置,准确展现每个站点的瞬时数据;(2)对污水处理站点的数据进行采集、记录、监测、计算、报警;(3)可以实现远程查看,实时监控站点。

　　 该系统通常由硬件系统(主要有远程控制柜,包含不锈钢控制柜、GPRS控制器、工艺控制器、电流检测、浪涌抑制器、供电隔离等)和软件(监控系统软件)系统两部分构成,具有下述功能与特点。

　　 全自动运行模式尤其适合分散站点的日常运行,它不需要像常规的污水处理厂必须配备24h值班人员跟踪维护并调整参数,否则点多分散的处理站点将浪费许多人力。全自动运行,对于工艺、设备和系统都有一定的要求。对设备来说,需要通过设备结构和动力设计,保证在通水通电情况下能够全自动运行;对工艺来说,在进行设计和施工时,对技术参数和运行条件实行PLC全自动控制;对系统来说,它是全自动运行的“大脑”,通过相应软件功能的开发,确保自动化控制的水平,进而保障设施的运行管理水平。

　　 实现无人值守包括两方面的含义。一层含义是指设备运行的无人值守。无论是无动力还是微动力处理装置,由于实现了设备电气化和自动控制,污水处理现场无需增派人员进行值守,各种参数的配置和调整可在系统中设置,无需现场手动调整;另一层含义是指设备维护的无人值守。电器设备的正常运行,是保证设施正常运行的基础。如果没有监控系统,依靠人员逐一巡查故障,不仅耗时而且效率低下。依靠远程监控系统,可使分散式设备的维护问题简化:一方面系统根据设定的时间定期提醒相应的设备需要维护,管理人员只需按照提示定期巡检即可,保证了设备保养的及时率;另一方面当某套装置出现运行故障,系统立即报警并通知工作人员进行故障排除和维修,保证了装置的正常运行,提高了设备故障的响应率和响应时间。

　　 通过GPRS与Internet网络系统,将农村分散式污水处理站点数据实时传输到监控系统,工作或管理人员可以远程查看站点现场情况,实时监控设备运行状态和进出水情况,实现对系统的统一监控和分布式管理。

　　 由于系统具有远程控制功能,方便管理者根据现场情况调整设施的运行参数,只需在系统界面中更改设置即可。此外,在加强政府监督管理力度方面,监控系统平台可以作为执法的有力保障,监控系统可以设置不同的登陆权限,既有利于将设施展现于行政及环境监察部门的监督之下,也可以将系统纳入城市数字化建设的大平台。

　　 系统实时监控站点水质、水量以及设备的运行数据。当出现突发事故时,系统启动报警程序,按照设定的模式(短信、邮件等)通知管理人员;管理人员利用各种终端/远端设备通过网页或者APP形式进入系统平台,根据实时数据和站点图象进行事故处理,并可以查询站点历史数据,为分析决策提供针对性依据。例如,当某站点进水量偏离系统设置的最大值或最小值时,系统就会报警:若超过设定的最大值,可能因为排水管网有雨水或地下水浸入;若低于设定的最小值,很可能出现了管网漏水或堵塞。根据系统报警值,处理不同的突发情况。

　　 为了加强农村生活污水处理设施的管理,确保已建成的污水处理设施的正常运行,目前,江浙部分地区已率先应用了分散式农村生活污水处理设施远程监控系统,取得了初步成效。

　　 江苏常熟市从2012年开始对5m³/d以上分散式污水处理设施建设了远程监控体系,目前该系统已全部覆盖了全市90余台分散式农村生活污水处理设施。每台设施加装系统时的硬件费用约为2 000元,每月的通讯成本不足10元/台,系统运行后,农村生活污水处理成本下降了0.68元/m^3[11] 。

　　 浙江临安针对1 700多个农村生活污水处理设施,重点对处理能力30m³/d(含)以上、受益农户在100户(含)以上和位于饮用水水源地的农村生活污水治理设施建设了监管系统,以区域地图形式监控当地的污水治理情况,每套处理设施不仅安装了电磁流量计,还同时安装了水质分析仪,可对水质信息、水量走势、处理池信息、设备工作状态信息等各种信息实时查看和监管。该系统不仅可以为主管部门运行维护污水处理设施提供参考服务,也可以为污水治理工程提供考核汇总数据。

　　 南京市溧水区针对一体化A/O-生态沟工艺和兼氧FMBR工艺,开发了相应的处理设施监控方案以及监控系统,目前正在进行系统的安装调试。这套远程监控系统的一个突出特点就是实现了污水处理设施的“全流程管理”,即将项目的前期准备、规划设计、施工进度和投入运行以来的所有资料,都储存在系统中。利用用户决策的数据分析工具,对数据进行优化查询、统计分析、数据整合等工作,既提高了工程项目管理的统筹力度,行政管理部门也可以借此对项目的全流程进行有效监督。

　　 由于面广量大,农村生活污水治理设施运行效果很难保证,监管任务重、难度大。在此背景下,依托数字化网络,开发远程监控平台,将对处理设施的稳定运行和水质达标起到核心的保障作用,对降低运行成本和提高监管效率亦将起到关键作用。在分散式处理设施远程监控系统的应用过程中,应进一步保证人员专业水平和数量充足,以加强对数字化网络系统平台的管理效率。

　　 目前,分散式农村生活污水处理设施的远程监控系统主要存在以下方面的问题:

　　 (1)远程监控系统和污水处理工艺的匹配问题。我国小型分散式污水处理设施工艺种类、建造特点以及设备类型多样,且自动化和施工水平不一。如何在同一个系统下实现不同工艺的污水处理设施的远程控制,对监控系统的设计提出了较高的要求。一般而言,监控系统应具有前述的多项功能,对于不同工艺的特殊管理要求应有相应的考虑,在系统界面和操作中有所体现。

　　 (2)建立包括远程监控系统在内的综合运行及管理技术,对农村生活污水,从处理工艺选择到运营管理方式提供一体化、经济高效的技术支撑。一方面,通过远程监控系统可以收集不同处理工艺的大量运行数据,为技术的筛选提供科学依据;另一方面,既可以利用系统的事故报警、维护考核等功能,保障设施的正常运行,还可以利用系统的预测性维护管理、故障模拟、诊断和评估模型以及管理决策等高级功能,实现智能化管理。结合国外污水处理设施独立运行管理的成熟经验和以往的实践,应建立包括远程监控系统在内的政府、运营方、村民等多对象、多目标的综合管理及运行技术体系。

　　 (3)以远程监控系统为核心,建立新型农村生活污水运营模式。监控系统的运行效果与管理体制紧密相关,目前国内已有部分地区尝试将监控系统与处理设施的第三方运营相结合,并制定日常监督检查考核标准。此举不仅可以提高第三方专业服务机构的运行管理水平,包括优化运行维护的成本和质量,而且有利于政府行政管理部门的有效监督和长效管理,很可能成为今后治理农村生活污水的新型运营模式。