一、技术简介

　　分散式农村生活污水处理设施运行实时监控系统（简称“本系统”）是一套综合利用传感器、物联网、云计算、大数据和人工智能等技术研发的，用于分散式农村污水处理站运行监控的高性价比解决方案。尤其适合农村生活污水治理主管部门对各级分散式农村污水处理站的运行状况进行在线实时监控。

　　本系统通过对分散式农村污水处理站的用电信息进行感知、测量、采集，通过云计算、大数据和人工智能对采集的数据进行分析处理，可以准确地监控污水处理站的设备运行状态，能够精确判断污水处理站的工作时间，分析主要设备的工作状态，结合相应的处理工艺工作要求，判断污水处理站工作运行状态，对不能够正常工作的污水处理站进行分类报警，督促运维部门及时维修。本系统为管理部门实时掌握辖区的分散式农村污水处理站的运行状态提供一个有效的监管手段。

　　本系统的优势是成本低、实施快、效果好。相对传统的污水处理站在线监测系统，投资仅为十分之一，相对传统的过程监控系统，本系统投资成本和运行费用也仅为三分之一；实施仅需在污水处理站不停工的情况下安装采集终端；检测为实时监测，相对传统人手工记录核查的方式，更客观、更准确、更高效。

　　二、适用范围

　　本系统适用于任何有动力的生活污水处理装置的实时运行状态监控。系统按分钟为单位采集污水处理装置运行数据，并根据所采集的运行数据进行分析处理，判断该站点的污水处理装置的运行状态，从而为管理部门掌握污水处理装置的运行状态提供依据。

　　本系统可满足对任何有动力的污水处理装置进行在线监控，包括并不限于以下各类常见农村生活污水处理工艺：

　　(1)厌氧+高负荷地下渗滤

　　(2)AAO、AO

　　(3)复合生物滤池+人工湿地

　　(4)水解酸化+AO

　　(5)厌氧水解+人工湿地

　　(6)接触氧化

　　(7)MBR

　　三、技术内容

　　农村分散式污水处理装置运行监控的难题在于此类型的污水处理站点位置分散、数量较多，常规人工巡检成本较高，且两次间隔周期长。为了解决这一问题，开发了本系统，根据农村生活污水处理普遍采用生物法细菌分解处理的特点，利用智能终端采集，分析抽水泵、曝气设备等各种污水处理设备工作状态、工作时间、间隔时间等参数特征，根据站点工艺特征测算菌群数量及细菌分解时间，进而判断污水处理站工作是否有效。

　　本系统由数据中心、智能中心和应用中心三大部分组成，如图1所示：

　　图1  分散式农村污水处理装置运行实时监控系统

　　数据中心：主要负责数据的收集、处理和存储。主要功能包括：

　　（1）利用传感器和物联网技术采集污水处理站的用电数据，经过数据加密，通过4G网络实时发送数据中心的云端服务器；

　　（2）对波形进行整理、清洗和初步处理，对设备故障和网络故障进行预警和修复，确保数据完整性；

　　（3）形成污水处理站的各项基本数据表示，存储到数据中心的数据库。

　　智能中心：主要是利用云计算、大数据、人工智能相关技术对污水处理站的用电数据进行：

　　（1）时频分析、统计推断、波形分离和模式判别等分析；

　　（2）实时对污水处理设备的负载识别和工作状态检测；

　　（3）根据工艺运行模型，估算各个设备的工作时间是否合理，根据预警模型判断处理站的状态是否达标。

　　应用中心：负责WEB和移动端的管理界面。实现：

　　（1）统计污水处理站的总体运行状况，地理分布情况；

　　（2）单个处理站的工作状态，工作告警等；

　　（3）规则管理等系统设置。

　　四、技术应用情况

　　（1）应用基本情况

　　本系统适用于任何有动力的生活污水处理装置的实时运行状态监控，其中典型案例是佛山市生态环境局农村分散式污水处理站运行监控系统的应用。佛山市生态环境局采用购买服务的方式采购农村分散式污水处理装置运行监控系统，监控辖区内污水处理站的运营状况。在佛山市先后实施两期合计安装了485个污水处理站，首期80个站点自2020年11月投入运行，二期405个站点于2021年8月正式投入运行。具体运营数据如表1所示。

　　佛山生态环境局通过农村分散式污水处理装置运行监控系统对全市485个污水处理站进行监控。系统设计开发、设备采购、设备安装调试和日常维护、现场数据采集和系统运行管理等全部工作均可全部由单一单位完成，佛山生态环境局仅需要支付首次使用初装费和按年度支付服务费即可，大大减少系统开发投资和采购、安装、运行维护等费用，成本低，效果好。

　　表1 佛山市生态环境局使用本系统进行农村生活污水监控情况

（2）设备安装示例

图2 安装本系统的污水处理站示例

　　安装示例如图2所示。本系统只需要在污水处理站安装一套智能采集终端即可完成现场安装工作。智能采集终端安装在现场站点的总用电入口处，采用互感器感应处理站用电情况，不直接改变原用电线路。智能采集终端安装后，通过对站点治理设备的各类运行参数进行采样，即可对站点运行模式进行后台建模。运行模型经过验证后，即可开始正常监控。本系统相较于传统过程监控模式，改变了传统需要对现场治理相关设备进行逐一监控的安装模式，大幅度减少现场安装工作量，设备成本与安装难度大幅度降低。

　　（3）管理端示例

　　图3 管理端示例

　　图3展示了本系统的WEB管理端查看污水处理站工作状态的各项数据信息。通过管理端软件可以方便的对所监控的污水处理站点进行监控和管理。管理端软件可以对现场设备的运行情况作出可视化显示，可以方便的对站点运行情况进行评估。

　　五、治理成效或应用效果

　　佛山市应用本系统进行分散式农村污水处理装置运行监控，取得了突出的成效：

　　（1）提高生态环境局数字化监控水平，使生态环境局有能力实时掌握辖区污水处理设施的运行情况，对全市农村污水处理装置建立实时运行档案，对辖区各污水处理站监管一目了然，农村分散式污水处理的运行监管有了明确的目标和方向，提高了工作效率和管理水平；

　　（2）提高了污水处理设施的运行水平,治理效果显著。生态环境局通过获得的信息督促业主和运维公司加强了对所承担的运维工作的管理，减少了由于运维公司原因造成污水处理设施停运情况，提高了污水处理质量水平。对比一期站点在安装了本系统并运行半年后的数据，通过平台监控和告警提醒，较安装之初时停运时间>20天的污水处理站数量下降42%，20天>时间停运>10天的污水处理站数量下降56%。

　　（3）为污水处理站点的建设决策提供依据。本系统适合于省、市、区一体化管理农村污水处理设施的应用，也有利于收集不同区域、不同处理工艺和不同地区污水处理设施运行情况的数据进行分析，为选择合适本地区使用的污水处理设施提供数据和理论依据,具有重要的应用价值和推广价值。

　　本系统发现当前农村分散式污水处理站存在以下问题：

　　1)部分污水处理站来水数量少，污水处理装置长期停运，其主要原因有：

　　a)设计处理规模远大于来水量，处理装置开工不足；

　　b)选址不合理，处理站位于村庄的高处，无法吸纳来水；

　　c)没有配套建设排污管网，污水收集不足；

　　2)部分污水处理站工作不正常，导致污水处理失效：

　　a)污水处理装置连续多日不开机；

　　b)污水处置站提水泵长时间不提水；

　　c)处理装置的曝气设备长时间不工作；

　　3)部分污水处理站能耗过高，处理能力不足，影响污水处理效果：

　　a)集污池设计过小，污水处理站抗冲击能力弱；

　　b)提水泵马力小，提水能力不足，频繁提水，污水停留时间过短，处理效果不好。

　　4)运维公司运维工作不到位，污水处理装置设备故障、电线被盗等问题引起的装置不工作等状况。

　　（4）为污水处理站点的改造或停运提供了依据。根据系统监控结果，筛选出部分因设计原因和选址原因造成长期没有来水的污水处理站点进行改造或停运，减少了污水处理设施的无效运维成本，提高了全市农村污水处理的水平；

　　（5）降低了环保、住建等监管、建设和运行单位的监控成本，提高了监控的效率。本系统是基于用电信息数据结合物联网技术、云计算技术和大数据及人工智能技术而开发的一套物联网信息采集和数据分析系统，大大降低了传统过程监测使用门槛，尤其适合大面积推广使用。

　　六、推广应用前景

　　随着新农村建设的蓬勃开展，农村分散式污水处理装置将会大量投资建设。要保证这些设施有效运行，对这些污水处理设施的运行监测将是必不可少的。而据我们了解，目前全国尚无适合大面积推广的农村污水处理装置运行监管系统，本系统是目前唯一具备大规模推广的技术能力、实际运行效果检验和具备良好性价比的系统，具有重要的推广价值。

　　本系统大规模推广应用具有以下优势：

　　（1）治理成效效果显著：本系统可称为管理部门、业主单位和运维公司共同使用的平台，便于运维公司管理污水处理站、业主和管理部门监督运维公司的多级管理机制，把建设、监管和运维公司三方面链接在一起，提高了污水处理设施的运行合格率。各项数据的统计分析为污水处理站点的建设决策提供依据。

　　（2）成本低、实时性强、监控准确：先进的智能传感器使得单个站点投资相对可控，安装灵活；物联网技术保证数据的实时采集和可靠传输；云计算、大数据和人工智能技术能够准确判断各个污水处理设备的工作状态，从源头管住污水处理站的运行情况，减少由于运维公司的管理不到位引起的污水处理不达标的现象，保证每个污水处理设施的运行状态都能够实时监控到位。

　　（3）推广门槛低：智能采集终端仅需在总用电入口处安装，不改变用电线路、不干扰污水处理设备正常运行，安装便捷，易于在污水处理站推广安装。本系统软件采用SaaS模式，无需投资采购，现场站点安装后即可开始实时监控，提供全程无忧服务。管理界面简洁、方便，使用门槛低，易于在管理部门、业主单位和运维公司进行推广使用。