分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施點多面廣，運(yùn)行管理難度較大。針對上述難題，闡述了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與功能，通過應(yīng)用案例分析，探討了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施日常運(yùn)行和管理中的特點。實踐表明，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為設(shè)施的長效運(yùn)行和有效監(jiān)管提供了技術(shù)保障，并降低了運(yùn)行、維護(hù)和監(jiān)管的成本，具有良好的發(fā)展前景。
0 引言
由于農(nóng)居分散，來水水量不穩(wěn)定，如采用集中處理模式，排水管網(wǎng)及配套的處理設(shè)施投資及運(yùn)行費(fèi)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(nóng)村污水治理工作任重道遠(yuǎn)。我國50%污染水量來源于農(nóng)村生活污水。治理工作不僅是興建污水處理設(shè)施，提高已建設(shè)施的運(yùn)行管理水平，而且將關(guān)系到設(shè)施是否可以持續(xù)發(fā)揮污染物減排的作用。
因此，本文分析了我國農(nóng)村生活污水處理模式，針對分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)行管理中暴露的突出問題，利用物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)農(nóng)村生活污水遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，以提高運(yùn)營管理效率，減少運(yùn)行成本，有效保障設(shè)施的正常運(yùn)行和出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
1 農(nóng)村生活污水的處理模式
就排水體制而言，許多農(nóng)村地區(qū)尚無排水系統(tǒng)，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(tǒng)或管道的地區(qū)，除小部分經(jīng)濟(jì)條件較好的村鎮(zhèn)實行雨污分流制外，大部分地區(qū)采用的是合流制排水系統(tǒng)。
研究表明，對于分散的農(nóng)村生活污水，小型處理設(shè)施是一種綜合效益尚佳的選擇，是國內(nèi)外常用的技術(shù)手段。和城鎮(zhèn)污水處理廠一樣，分散式污水處理設(shè)施也有發(fā)生故障的風(fēng)險，直接影響出水水質(zhì)。農(nóng)村生活污水處理設(shè)施由于位置分散，技術(shù)、設(shè)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(jiān)控這些站點的水質(zhì)及運(yùn)行情況，更無法及時搶修站點的突發(fā)事故，容易出現(xiàn)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地帶污水處理設(shè)施出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況，使得農(nóng)村生活污水處理設(shè)施在實際運(yùn)行中的效果并不理想。
在電力、交通、化工、航空航天等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決分散式設(shè)施的管理問題。在環(huán)保領(lǐng)域，我國目前成熟的污水處理監(jiān)控技術(shù)，主要是集中式污水處理廠的污水處理過程的實時監(jiān)控和調(diào)度管理，其應(yīng)用可從簡單的邏輯控制到復(fù)雜的分散化控制。而針對農(nóng)村分散式生活污水處理設(shè)施的監(jiān)控技術(shù)，尚處于起步階段。一方面，農(nóng)村生活污水處理工藝多樣，設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、一體化水平不高，限制了監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用;另一方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)程度、技術(shù)水平也參差不齊，進(jìn)而影響到以遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為平臺的長效管理模式與機(jī)制研究，不利于各類技術(shù)的推廣應(yīng)用和政府監(jiān)督管理。
在這種背景下，本文梳理了我國農(nóng)村生活污水的處理模式以及適用范圍。針對分散式處理設(shè)施的運(yùn)行和管理難題，通過分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理和功能，探討遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施中的應(yīng)用及其特點，為設(shè)施的長效運(yùn)行和有效監(jiān)管提供技術(shù)保障，并降低了運(yùn)行、維護(hù)和監(jiān)管的成本。
2 農(nóng)村生活污水分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點與應(yīng)用
為了應(yīng)對上述分散式污水處理設(shè)施管理難題和運(yùn)營風(fēng)險，避免處理設(shè)施“重建設(shè)輕管護(hù)”的現(xiàn)象，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)顯示了良好的應(yīng)用前景，可以極大地提高管理效率。
2.1分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理與功能
計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)主要適用于對處于分散狀態(tài)的生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制與統(tǒng)計管理，包括集中式、分散式和分布式3種。當(dāng)生產(chǎn)或采集現(xiàn)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(chǎn)或數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場建立計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，這時就需要建立分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對現(xiàn)場的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。目前，常用的通信網(wǎng)絡(luò)是GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)。在GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)平臺上構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、縮短建設(shè)周期、降低建設(shè)成本等優(yōu)點，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡單，是目前國內(nèi)污水處理領(lǐng)域遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要通信傳輸手段。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有2種類型，一種是現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控并存，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般只具有監(jiān)督功能，利用現(xiàn)場控制系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)過程分析、預(yù)測、歸納總結(jié)，以便提出新的生產(chǎn)計劃;另一種是生產(chǎn)現(xiàn)場沒有監(jiān)控系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)送到遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行處理，這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必須很好地處理遠(yuǎn)程調(diào)用中數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的可靠傳送和實時性問題。隨著GPRS通信方式的出現(xiàn)，第二種類型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更加符合分散式污水處理設(shè)施的集中管理需求、適應(yīng)現(xiàn)場條件。
基于第二種類型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理如下：現(xiàn)場監(jiān)測層采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控管理服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將正確合理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。終端(計算機(jī)或者移動設(shè)備)從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)，獲得現(xiàn)場設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)管理要求對這些監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)視與控制。或者也可以將解析后的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)浇K端計算機(jī)，獲得實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，而不經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的存儲，這樣可以提高系統(tǒng)的實時性。與一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)具有高可靠性、開放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、易于維護(hù)、控制功能齊全等特點。
該系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)見圖1，其中安裝在現(xiàn)場的硬件設(shè)備主要是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)察儀和數(shù)據(jù)采集儀，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心的主要硬件設(shè)備是服務(wù)器和終端設(shè)備(計算機(jī)或移動設(shè)備)。
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案主要是分散式污水處理設(shè)施的采集控制方案、設(shè)施的采集控制GPRS組網(wǎng)方案和軟件監(jiān)控方案。對于分散式污水處理設(shè)施的采集控制方案，主要由設(shè)備的控制器、GPRS數(shù)據(jù)采集儀以及采集監(jiān)控點構(gòu)成。對于設(shè)施的采集控制GPRS組網(wǎng)方案，主要由接受側(cè)和發(fā)送側(cè)構(gòu)成。在發(fā)送側(cè)，由現(xiàn)場設(shè)備控制器(PLC，Programmable Logic Controller)采集設(shè)備狀態(tài)量，數(shù)據(jù)采集處理單元通過PLC協(xié)議解析，獲得采集量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)向無線公網(wǎng)IP發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)包或向手機(jī)號碼終端發(fā)送短信，從而實現(xiàn)設(shè)備側(cè)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送功能。在接受側(cè)，可以通過手機(jī)短信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)接受狀態(tài)量數(shù)據(jù)，也可以將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，外部網(wǎng)絡(luò)通過防火墻VPN技術(shù)可以在授權(quán)情況下通過Web瀏覽器查看內(nèi)部服務(wù)器中顯示的各個處理站點的設(shè)備狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的管理操作。上述的GPRS組網(wǎng)方案可用圖2表示。對于軟件監(jiān)控方案，主要是指系統(tǒng)的功能，目前市場上常見的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品幾乎都包含了以下功能：①利用GPS或GIS系統(tǒng)快速定位污水處理站點位置，準(zhǔn)確展現(xiàn)每個站點的瞬時數(shù)據(jù);②對污水處理站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、監(jiān)測、計算、報警;③可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程查看，實時監(jiān)控站點。
2.2 分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點
該系統(tǒng)通常由硬件系統(tǒng)(主要有遠(yuǎn)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(jiān)控系統(tǒng)軟件)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，具有下述功能與特點。
2.2.1可以實現(xiàn)污水處理站點全自動運(yùn)行
全自動運(yùn)行模式尤其適合分散站點的日常運(yùn)行，它不需要像常規(guī)的污水處理廠必須配備24 h值班人員跟蹤維護(hù)并調(diào)整參數(shù)，否則點多分散的處理站點將浪費(fèi)許多人力。全自動運(yùn)行，對于工藝、設(shè)備和系統(tǒng)都有一定的要求。對設(shè)備來說，需要通過設(shè)備結(jié)構(gòu)和動力設(shè)計，保證在通水通電情況下能夠全自動運(yùn)行;對工藝來說，在進(jìn)行設(shè)計和施工時，對技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件實行PLC全自動控制;對系統(tǒng)來說，它是全自動運(yùn)行的“大腦”，通過相應(yīng)軟件功能的開發(fā)，確保自動化控制的水平，進(jìn)而保障設(shè)施的運(yùn)行管理水平。
2.2.2可以實現(xiàn)處理站點無人值守
實現(xiàn)無人值守包括兩方面的含義。一層含義是指設(shè)備運(yùn)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(xiàn)了設(shè)備電氣化和自動控制，污水處理現(xiàn)場無需增派人員進(jìn)行值守，各種參數(shù)的配置和調(diào)整可在系統(tǒng)中設(shè)置，無需現(xiàn)場手動調(diào)整;另一層含義是指設(shè)備維護(hù)的無人值守。電器設(shè)備的正常運(yùn)行，是保證設(shè)施正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可使分散式設(shè)備的維護(hù)問題簡化：一方面系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時間定期提醒相應(yīng)的設(shè)備需要維護(hù)，管理人員只需按照提示定期巡檢即可，保證了設(shè)備保養(yǎng)的及時率;另一方面當(dāng)某套裝置出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)立即報警并通知工作人員進(jìn)行故障排除和維修，保證了裝置的正常運(yùn)行，提高了設(shè)備故障的響應(yīng)率和響應(yīng)時間。
2.2.3可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理
通過GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將農(nóng)村分散式污水處理站點數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，工作或管理人員可以遠(yuǎn)程查看站點現(xiàn)場情況，實時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)出水情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。
由于系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制功能，方便管理者根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)，只需在系統(tǒng)界面中更改設(shè)置即可。此外，在加強(qiáng)政府監(jiān)督管理力度方面，監(jiān)控系統(tǒng)平臺可以作為執(zhí)法的有力保障，監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置不同的登陸權(quán)限，既有利于將設(shè)施展現(xiàn)于行政及環(huán)境監(jiān)察部門的監(jiān)督之下，也可以將系統(tǒng)納入城市數(shù)字化建設(shè)的大平臺。
2.2.4可以及時排除站點事故
系統(tǒng)實時監(jiān)控站點水質(zhì)、水量以及設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故時，系統(tǒng)啟動報警程序，按照設(shè)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(yuǎn)端設(shè)備通過網(wǎng)頁或者APP形式進(jìn)入系統(tǒng)平臺，根據(jù)實時數(shù)據(jù)和站點圖象進(jìn)行事故處理，并可以查詢站點歷史數(shù)據(jù)，為分析決策提供針對性依據(jù)。例如，當(dāng)某站點進(jìn)水量偏離系統(tǒng)設(shè)置的最大值或最小值時，系統(tǒng)就會報警：若超過設(shè)定的最大值，可能因為排水管網(wǎng)有雨水或地下水浸入;若低于設(shè)定的最小值，很可能出現(xiàn)了管網(wǎng)漏水或堵塞。根據(jù)系統(tǒng)報警值，處理不同的突發(fā)情況。
2.3 分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
為了加強(qiáng)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的管理，確保已建成的污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行，目前，江浙部分地區(qū)已率先應(yīng)用了分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，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(shè)施建設(shè)了遠(yuǎn)程監(jiān)控體系，目前該系統(tǒng)已全部覆蓋了全市90余臺分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施。每臺設(shè)施加裝系統(tǒng)時的硬件費(fèi)用約為2 000元，每月的通訊成本不足10元/臺，系統(tǒng)運(yùn)行后，農(nóng)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(nóng)村生活污水處理設(shè)施，重點對處理能力30 m3/d(含)以上、受益農(nóng)戶在100戶(含)以上和位于飲用水水源地的農(nóng)村生活污水治理設(shè)施建設(shè)了監(jiān)管系統(tǒng)，以區(qū)域地圖形式監(jiān)控當(dāng)?shù)氐奈鬯卫砬闆r，每套處理設(shè)施不僅安裝了電磁流量計，還同時安裝了水質(zhì)分析儀，可對水質(zhì)信息、水量走勢、處理池信息、設(shè)備工作狀態(tài)信息等各種信息實時查看和監(jiān)管。該系統(tǒng)不僅可以為主管部門運(yùn)行維護(hù)污水處理設(shè)施提供參考服務(wù)，也可以為污水治理工程提供考核匯總數(shù)據(jù)。
南京市溧水區(qū)針對一體化A/O-生態(tài)溝工藝和兼氧FMBR工藝，開發(fā)了相應(yīng)的處理設(shè)施監(jiān)控方案以及監(jiān)控系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行系統(tǒng)的安裝調(diào)試。這套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一個突出特點就是實現(xiàn)了污水處理設(shè)施的“全流程管理”，即將項目的前期準(zhǔn)備、規(guī)劃設(shè)計、施工進(jìn)度和投入運(yùn)行以來的所有資料，都儲存在系統(tǒng)中。利用用戶決策的數(shù)據(jù)分析工具，對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化查詢、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)整合等工作，既提高了工程項目管理的統(tǒng)籌力度，行政管理部門也可以借此對項目的全流程進(jìn)行有效監(jiān)督。
3 展望
由于面廣量大，農(nóng)村生活污水治理設(shè)施運(yùn)行效果很難保證，監(jiān)管任務(wù)重、難度大。在此背景下，依托數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，將對處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行和水質(zhì)達(dá)標(biāo)起到核心的保障作用，對降低運(yùn)行成本和提高監(jiān)管效率亦將起到關(guān)鍵作用。在分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，應(yīng)進(jìn)一步保證人員專業(yè)水平和數(shù)量充足，以加強(qiáng)對數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺的管理效率。
目前，分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下方面的問題：
(1)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和污水處理工藝的匹配問題。我國小型分散式污水處理設(shè)施工藝種類、建造特點以及設(shè)備類型多樣，且自動化和施工水平不一。如何在同一個系統(tǒng)下實現(xiàn)不同工藝的污水處理設(shè)施的遠(yuǎn)程控制，對監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提出了較高的要求。
(2)建立包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的綜合運(yùn)行及管理技術(shù)，對農(nóng)村生活污水，從處理工藝選擇到運(yùn)營管理方式提供一體化、經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)支撐。一方面，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以收集不同處理工藝的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，為技術(shù)的篩選提供科學(xué)依據(jù);另一方面，既可以利用系統(tǒng)的事故報警、維護(hù)考核等功能，保障設(shè)施的正常運(yùn)行，還可以利用系統(tǒng)的預(yù)測性維護(hù)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(xiàn)智能化管理。結(jié)合國外污水處理設(shè)施獨立運(yùn)行管理的成熟經(jīng)驗和以往的實踐，應(yīng)建立包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的政府、運(yùn)營方、村民等多對象、多目標(biāo)的綜合管理及運(yùn)行技術(shù)體系。
(3)以遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為核心，建立新型農(nóng)村生活污水運(yùn)營模式。監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果與管理體制緊密相關(guān)，目前國內(nèi)已有部分地區(qū)嘗試將監(jiān)控系統(tǒng)與處理設(shè)施的第三方運(yùn)營相結(jié)合，并制定日常監(jiān)督檢查考核標(biāo)準(zhǔn)。此舉不僅可以提高第三方專業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行管理水平，包括優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)的成本和質(zhì)量，而且有利于政府行政管理部門的有效監(jiān)督和長效管理，很可能成為今后治理農(nóng)村生活污水的新型運(yùn)營模式。
0 引言
由于農(nóng)居分散，來水水量不穩(wěn)定，如采用集中處理模式，排水管網(wǎng)及配套的處理設(shè)施投資及運(yùn)行費(fèi)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(nóng)村污水治理工作任重道遠(yuǎn)。我國50%污染水量來源于農(nóng)村生活污水。治理工作不僅是興建污水處理設(shè)施，提高已建設(shè)施的運(yùn)行管理水平，而且將關(guān)系到設(shè)施是否可以持續(xù)發(fā)揮污染物減排的作用。
因此，本文分析了我國農(nóng)村生活污水處理模式，針對分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)行管理中暴露的突出問題，利用物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)開發(fā)農(nóng)村生活污水遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，以提高運(yùn)營管理效率，減少運(yùn)行成本，有效保障設(shè)施的正常運(yùn)行和出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
1 農(nóng)村生活污水的處理模式
就排水體制而言，許多農(nóng)村地區(qū)尚無排水系統(tǒng)，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(tǒng)或管道的地區(qū)，除小部分經(jīng)濟(jì)條件較好的村鎮(zhèn)實行雨污分流制外，大部分地區(qū)采用的是合流制排水系統(tǒng)。
研究表明，對于分散的農(nóng)村生活污水，小型處理設(shè)施是一種綜合效益尚佳的選擇，是國內(nèi)外常用的技術(shù)手段。和城鎮(zhèn)污水處理廠一樣，分散式污水處理設(shè)施也有發(fā)生故障的風(fēng)險，直接影響出水水質(zhì)。農(nóng)村生活污水處理設(shè)施由于位置分散，技術(shù)、設(shè)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(jiān)控這些站點的水質(zhì)及運(yùn)行情況，更無法及時搶修站點的突發(fā)事故，容易出現(xiàn)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地帶污水處理設(shè)施出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況，使得農(nóng)村生活污水處理設(shè)施在實際運(yùn)行中的效果并不理想。
在電力、交通、化工、航空航天等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決分散式設(shè)施的管理問題。在環(huán)保領(lǐng)域，我國目前成熟的污水處理監(jiān)控技術(shù)，主要是集中式污水處理廠的污水處理過程的實時監(jiān)控和調(diào)度管理，其應(yīng)用可從簡單的邏輯控制到復(fù)雜的分散化控制。而針對農(nóng)村分散式生活污水處理設(shè)施的監(jiān)控技術(shù)，尚處于起步階段。一方面，農(nóng)村生活污水處理工藝多樣，設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、一體化水平不高，限制了監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用;另一方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)程度、技術(shù)水平也參差不齊，進(jìn)而影響到以遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為平臺的長效管理模式與機(jī)制研究，不利于各類技術(shù)的推廣應(yīng)用和政府監(jiān)督管理。
在這種背景下，本文梳理了我國農(nóng)村生活污水的處理模式以及適用范圍。針對分散式處理設(shè)施的運(yùn)行和管理難題，通過分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理和功能，探討遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施中的應(yīng)用及其特點，為設(shè)施的長效運(yùn)行和有效監(jiān)管提供技術(shù)保障，并降低了運(yùn)行、維護(hù)和監(jiān)管的成本。
2 農(nóng)村生活污水分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點與應(yīng)用
為了應(yīng)對上述分散式污水處理設(shè)施管理難題和運(yùn)營風(fēng)險，避免處理設(shè)施“重建設(shè)輕管護(hù)”的現(xiàn)象，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)顯示了良好的應(yīng)用前景，可以極大地提高管理效率。
2.1分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理與功能
計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)主要適用于對處于分散狀態(tài)的生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制與統(tǒng)計管理，包括集中式、分散式和分布式3種。當(dāng)生產(chǎn)或采集現(xiàn)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(chǎn)或數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場建立計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，這時就需要建立分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對現(xiàn)場的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。目前，常用的通信網(wǎng)絡(luò)是GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)。在GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)平臺上構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、縮短建設(shè)周期、降低建設(shè)成本等優(yōu)點，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡單，是目前國內(nèi)污水處理領(lǐng)域遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要通信傳輸手段。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有2種類型，一種是現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控并存，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般只具有監(jiān)督功能，利用現(xiàn)場控制系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)過程分析、預(yù)測、歸納總結(jié)，以便提出新的生產(chǎn)計劃;另一種是生產(chǎn)現(xiàn)場沒有監(jiān)控系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)送到遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行處理，這種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必須很好地處理遠(yuǎn)程調(diào)用中數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的可靠傳送和實時性問題。隨著GPRS通信方式的出現(xiàn)，第二種類型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更加符合分散式污水處理設(shè)施的集中管理需求、適應(yīng)現(xiàn)場條件。
基于第二種類型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理如下：現(xiàn)場監(jiān)測層采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控管理服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將正確合理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。終端(計算機(jī)或者移動設(shè)備)從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)，獲得現(xiàn)場設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)管理要求對這些監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)視與控制。或者也可以將解析后的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)浇K端計算機(jī)，獲得實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，而不經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的存儲，這樣可以提高系統(tǒng)的實時性。與一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)具有高可靠性、開放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、易于維護(hù)、控制功能齊全等特點。
該系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)見圖1，其中安裝在現(xiàn)場的硬件設(shè)備主要是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)察儀和數(shù)據(jù)采集儀，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心的主要硬件設(shè)備是服務(wù)器和終端設(shè)備(計算機(jī)或移動設(shè)備)。
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案主要是分散式污水處理設(shè)施的采集控制方案、設(shè)施的采集控制GPRS組網(wǎng)方案和軟件監(jiān)控方案。對于分散式污水處理設(shè)施的采集控制方案，主要由設(shè)備的控制器、GPRS數(shù)據(jù)采集儀以及采集監(jiān)控點構(gòu)成。對于設(shè)施的采集控制GPRS組網(wǎng)方案，主要由接受側(cè)和發(fā)送側(cè)構(gòu)成。在發(fā)送側(cè)，由現(xiàn)場設(shè)備控制器(PLC，Programmable Logic Controller)采集設(shè)備狀態(tài)量，數(shù)據(jù)采集處理單元通過PLC協(xié)議解析，獲得采集量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)向無線公網(wǎng)IP發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)包或向手機(jī)號碼終端發(fā)送短信，從而實現(xiàn)設(shè)備側(cè)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送功能。在接受側(cè)，可以通過手機(jī)短信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)接受狀態(tài)量數(shù)據(jù)，也可以將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，外部網(wǎng)絡(luò)通過防火墻VPN技術(shù)可以在授權(quán)情況下通過Web瀏覽器查看內(nèi)部服務(wù)器中顯示的各個處理站點的設(shè)備狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的管理操作。上述的GPRS組網(wǎng)方案可用圖2表示。對于軟件監(jiān)控方案，主要是指系統(tǒng)的功能，目前市場上常見的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品幾乎都包含了以下功能：①利用GPS或GIS系統(tǒng)快速定位污水處理站點位置，準(zhǔn)確展現(xiàn)每個站點的瞬時數(shù)據(jù);②對污水處理站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄、監(jiān)測、計算、報警;③可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程查看，實時監(jiān)控站點。
2.2 分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點
該系統(tǒng)通常由硬件系統(tǒng)(主要有遠(yuǎn)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(jiān)控系統(tǒng)軟件)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，具有下述功能與特點。
2.2.1可以實現(xiàn)污水處理站點全自動運(yùn)行
全自動運(yùn)行模式尤其適合分散站點的日常運(yùn)行，它不需要像常規(guī)的污水處理廠必須配備24 h值班人員跟蹤維護(hù)并調(diào)整參數(shù)，否則點多分散的處理站點將浪費(fèi)許多人力。全自動運(yùn)行，對于工藝、設(shè)備和系統(tǒng)都有一定的要求。對設(shè)備來說，需要通過設(shè)備結(jié)構(gòu)和動力設(shè)計，保證在通水通電情況下能夠全自動運(yùn)行;對工藝來說，在進(jìn)行設(shè)計和施工時，對技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行條件實行PLC全自動控制;對系統(tǒng)來說，它是全自動運(yùn)行的“大腦”，通過相應(yīng)軟件功能的開發(fā)，確保自動化控制的水平，進(jìn)而保障設(shè)施的運(yùn)行管理水平。
2.2.2可以實現(xiàn)處理站點無人值守
實現(xiàn)無人值守包括兩方面的含義。一層含義是指設(shè)備運(yùn)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(xiàn)了設(shè)備電氣化和自動控制，污水處理現(xiàn)場無需增派人員進(jìn)行值守，各種參數(shù)的配置和調(diào)整可在系統(tǒng)中設(shè)置，無需現(xiàn)場手動調(diào)整;另一層含義是指設(shè)備維護(hù)的無人值守。電器設(shè)備的正常運(yùn)行，是保證設(shè)施正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可使分散式設(shè)備的維護(hù)問題簡化：一方面系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時間定期提醒相應(yīng)的設(shè)備需要維護(hù)，管理人員只需按照提示定期巡檢即可，保證了設(shè)備保養(yǎng)的及時率;另一方面當(dāng)某套裝置出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)立即報警并通知工作人員進(jìn)行故障排除和維修，保證了裝置的正常運(yùn)行，提高了設(shè)備故障的響應(yīng)率和響應(yīng)時間。
2.2.3可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理
通過GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將農(nóng)村分散式污水處理站點數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，工作或管理人員可以遠(yuǎn)程查看站點現(xiàn)場情況，實時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)出水情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。
由于系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制功能，方便管理者根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)，只需在系統(tǒng)界面中更改設(shè)置即可。此外，在加強(qiáng)政府監(jiān)督管理力度方面，監(jiān)控系統(tǒng)平臺可以作為執(zhí)法的有力保障，監(jiān)控系統(tǒng)可以設(shè)置不同的登陸權(quán)限，既有利于將設(shè)施展現(xiàn)于行政及環(huán)境監(jiān)察部門的監(jiān)督之下，也可以將系統(tǒng)納入城市數(shù)字化建設(shè)的大平臺。
2.2.4可以及時排除站點事故
系統(tǒng)實時監(jiān)控站點水質(zhì)、水量以及設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故時，系統(tǒng)啟動報警程序，按照設(shè)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(yuǎn)端設(shè)備通過網(wǎng)頁或者APP形式進(jìn)入系統(tǒng)平臺，根據(jù)實時數(shù)據(jù)和站點圖象進(jìn)行事故處理，并可以查詢站點歷史數(shù)據(jù)，為分析決策提供針對性依據(jù)。例如，當(dāng)某站點進(jìn)水量偏離系統(tǒng)設(shè)置的最大值或最小值時，系統(tǒng)就會報警：若超過設(shè)定的最大值，可能因為排水管網(wǎng)有雨水或地下水浸入;若低于設(shè)定的最小值，很可能出現(xiàn)了管網(wǎng)漏水或堵塞。根據(jù)系統(tǒng)報警值，處理不同的突發(fā)情況。
2.3 分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
為了加強(qiáng)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的管理，確保已建成的污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行，目前，江浙部分地區(qū)已率先應(yīng)用了分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，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(shè)施建設(shè)了遠(yuǎn)程監(jiān)控體系，目前該系統(tǒng)已全部覆蓋了全市90余臺分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施。每臺設(shè)施加裝系統(tǒng)時的硬件費(fèi)用約為2 000元，每月的通訊成本不足10元/臺，系統(tǒng)運(yùn)行后，農(nóng)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(nóng)村生活污水處理設(shè)施，重點對處理能力30 m3/d(含)以上、受益農(nóng)戶在100戶(含)以上和位于飲用水水源地的農(nóng)村生活污水治理設(shè)施建設(shè)了監(jiān)管系統(tǒng)，以區(qū)域地圖形式監(jiān)控當(dāng)?shù)氐奈鬯卫砬闆r，每套處理設(shè)施不僅安裝了電磁流量計，還同時安裝了水質(zhì)分析儀，可對水質(zhì)信息、水量走勢、處理池信息、設(shè)備工作狀態(tài)信息等各種信息實時查看和監(jiān)管。該系統(tǒng)不僅可以為主管部門運(yùn)行維護(hù)污水處理設(shè)施提供參考服務(wù)，也可以為污水治理工程提供考核匯總數(shù)據(jù)。
南京市溧水區(qū)針對一體化A/O-生態(tài)溝工藝和兼氧FMBR工藝，開發(fā)了相應(yīng)的處理設(shè)施監(jiān)控方案以及監(jiān)控系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行系統(tǒng)的安裝調(diào)試。這套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一個突出特點就是實現(xiàn)了污水處理設(shè)施的“全流程管理”，即將項目的前期準(zhǔn)備、規(guī)劃設(shè)計、施工進(jìn)度和投入運(yùn)行以來的所有資料，都儲存在系統(tǒng)中。利用用戶決策的數(shù)據(jù)分析工具，對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化查詢、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)整合等工作，既提高了工程項目管理的統(tǒng)籌力度，行政管理部門也可以借此對項目的全流程進(jìn)行有效監(jiān)督。
3 展望
由于面廣量大，農(nóng)村生活污水治理設(shè)施運(yùn)行效果很難保證，監(jiān)管任務(wù)重、難度大。在此背景下，依托數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，將對處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行和水質(zhì)達(dá)標(biāo)起到核心的保障作用，對降低運(yùn)行成本和提高監(jiān)管效率亦將起到關(guān)鍵作用。在分散式處理設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，應(yīng)進(jìn)一步保證人員專業(yè)水平和數(shù)量充足，以加強(qiáng)對數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺的管理效率。
目前，分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下方面的問題：
(1)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和污水處理工藝的匹配問題。我國小型分散式污水處理設(shè)施工藝種類、建造特點以及設(shè)備類型多樣，且自動化和施工水平不一。如何在同一個系統(tǒng)下實現(xiàn)不同工藝的污水處理設(shè)施的遠(yuǎn)程控制，對監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提出了較高的要求。
(2)建立包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的綜合運(yùn)行及管理技術(shù)，對農(nóng)村生活污水，從處理工藝選擇到運(yùn)營管理方式提供一體化、經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)支撐。一方面，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以收集不同處理工藝的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，為技術(shù)的篩選提供科學(xué)依據(jù);另一方面，既可以利用系統(tǒng)的事故報警、維護(hù)考核等功能，保障設(shè)施的正常運(yùn)行，還可以利用系統(tǒng)的預(yù)測性維護(hù)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(xiàn)智能化管理。結(jié)合國外污水處理設(shè)施獨立運(yùn)行管理的成熟經(jīng)驗和以往的實踐，應(yīng)建立包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的政府、運(yùn)營方、村民等多對象、多目標(biāo)的綜合管理及運(yùn)行技術(shù)體系。
(3)以遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為核心，建立新型農(nóng)村生活污水運(yùn)營模式。監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果與管理體制緊密相關(guān)，目前國內(nèi)已有部分地區(qū)嘗試將監(jiān)控系統(tǒng)與處理設(shè)施的第三方運(yùn)營相結(jié)合，并制定日常監(jiān)督檢查考核標(biāo)準(zhǔn)。此舉不僅可以提高第三方專業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行管理水平，包括優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)的成本和質(zhì)量，而且有利于政府行政管理部門的有效監(jiān)督和長效管理，很可能成為今后治理農(nóng)村生活污水的新型運(yùn)營模式。
