基于“SAOM+智慧监控云”技术的污水处理系统在农村地区的应用

葛建新，樊小境

（北京洁禹通环保科技有限公司，北京 100089）

目前，我国水生态环境面临的一个重要问题是农村生活污水排放量已远远超出收纳水体的环境容量，成为水污染治理的重头戏。2018年生态环境部报告显示，中国有200多万个自然村，60多万个行政村，我国农村污水处理率仅为22%[1]，具体表现为，“东部区域污水处理率达到34.1%，中部区域达到13%，而西部只有12.4%。”国家统计局数据显示，2019年我国乡村常住人口数为55162万人。按照人均排放污水30～40升/天计算，我国农村年排放生活污水高达60.40～80.54亿吨。大部分的农村污水未经处理或处理未达标即排进周边水体，造成河道、湖泊污染严重，地表水水质恶化，周边生态环境遭到破坏，给周边居民的身体健康带来隐患，严重阻碍了农村的社会发展。因此，改善农村水环境刻不容缓。

2018年《乡村振兴战略规划（2018-2022年）》明确提出，将实施农村人居环境整治三年行动计划，以农村垃圾、污水治理和村容村貌提升为主攻方向。紧随其后，《全国农村环境综合整治“十三五”规划》提出“到2020年，农村污水处理率要达到30%以上是重点任务”，并强调“积极推广低成本、低能耗、易维护、高效率的污水处理技术，鼓励采用生态处理工艺。”

1 农村污水处理现状

1.1 农村污水特点

1.1.1 水量特点

农村生活污水在量上具有空间差异大、时间波动显著、瞬时变化较大等特点[2]，导致传统处理工艺除污效果不稳定，处理后水质难以稳定达标。具体表现为[3]：

（1）全国各地生活污水排放量差异较大，如干旱缺水的西北地区，人均排污最低的甚至不足5升/天，而在东南沿海地区，农村生活污水人均产量达到70～100升/天，个别地区人均排污甚至高达120升/天。

（2）时间波动显著，污水排放有明显的早中晚三峰特征或早晚双峰，日变化系数较大，一般可达3.0～5.0。

（3）季节性变化明显，夏季排放量显著高于冬季，春节前后又有明显的排放峰值。农村地区以上特点会时常造成污水处理系统的低压、低化学需氧量（COD）环境，当进水量小于设备设计水量时会导致设备难以连续稳定运行，甚至出现设备停止运行的情况，更难以保证出水达标。

1.1.2 水质特点

农村生活污水种类繁多，成分复杂，主要有厨房洗涤水、洗衣污水、洗浴污水、清洗农具污水、冲洗卫生间的粪便污水、生活垃圾堆放渗滤产生的污水、人畜混居产生的畜禽粪便以及部分降水等。其中，厨房污水是农村生活污水中有机物的主要来源，排放量占生活污水总量的20%；洗涤污水占生活污水总量的50%以上，含大量的氨氮、磷等元素，是造成农村水体富营养化的主要原因；厕所污水是农村生活污水中氮、磷、COD、细菌、病毒的主要贡献者[4]。农村生活污水中含有COD、氮、磷等元素，且不含重金属元素等有害物质，利于运用生物处理技术。

1.2 现有污水处理技术及存在的问题

农村生活污水外排前需要控制的污染物主要包括化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、悬浮物（SS）、总氮、总磷。目前，国内外农村污水处理模式主要以就地或就近建设污水处理站为主，即分散型污水处理模式。现有污水处理技术主要有活性污泥法、自然生态法和生物膜法[5]。由于农村地区本身的特点，关于中国农村污水治理的主流技术（即60%以上采用的技术）目前还没有达成共识。近年来，政府投资的支持使农村污水处理设施建设得到迅猛发展[6]，但普遍出现设备闲置、停运的现象。农村污水处理面临“建得起、用不起”，或“建不起、更用不起”的困境。关于农村污水处理设施普遍闲置的原因，有关专家进行了系统的分析研究[7-8]，认为主要存在以下几个问题：

（1）工程成本高，缺乏运行维修资金。

（2）技术复杂，缺乏训练有素的专业运行管理人员。

（3）工程设施多，地点分散，管理难度大。

（4）管护不到位，责任不到人，管理主体不具备设施运行管理职责。

（5）污水收集管网不健全，污水量小于设计水量，影响正常运行。因此，农村地区急需一种低成本、低能耗、易维护、效率高的生态型污水处理工艺及高效智能运维系统。

2 研究基础

2.1 SAOM关键技术及处理工艺

SAOM定义为智能多级AO生物膜处理工艺，是针对农村地区排放污水特点（空间差异大、时间波动显著、瞬时变化较大）专门开发的，其关键性技术包括生物倍增技术、双擎多级AO可调技术及适用于一体化污水处理设备的气提回流技术，可解决农村水质难以达标的排放行业难题，实现出水稳定且达到国家及地区标准。SAOM污水处理工艺流程如图1所示。

图1 SAOM污水处理工艺流程图

2.1.1 生物倍增技术

生物倍增技术是以传统活性污泥技术为研究基础，创建的一种新型微生物驯化及微混环境新方法。在所需生化池进水端采用极低能耗的内循环方式对污水中的COD浓度进行调节，即以极小量的空气为推动力，推进曝气池中泥水混合物的流动，促进其进行高速内循环，从而实现了大比倍循环的技术要求，使COD的降解速度更为平缓，使活性污泥系统的遴选驯化环境趋于稳定，保证生物倍增工艺所需的优势菌群数量极大化；生物倍增技术中地毯式曝气方式与布空技术使曝气更加均匀。传统工艺曝气设备的布置间距为50～100cm，生物倍增工艺相邻曝气头的间距为10～15cm，生物倍增工艺曝气的通气量为0.5～1m3/m·h，是传统曝气的10%～15%。该技术产生的气泡直径小、比表面积大、上升速度平缓，微生物更容易获取氧，极大地提高了氧的传递效率。综上，适宜的污泥浓度、溶氧效率、微混环境、可控性优选，使生物倍增技术所需的优势菌群数量极大化，实现在自然驯化下培养出比传统活性污泥技术多一倍的微生物量，大大提高了微生物对有机物的降解效率。

2.1.2 双擎多级AO可调技术

通过设置兼氧-好氧可调区，实现同一池体多种工艺并存。系统设置脱氮A1O区、除磷A2O区、脱氮除磷A2O区、倒置A2O区及多级AO区，根据水质变化，切换调整厌氧、缺氧及好氧各功能区的反应时间、曝气强度、污泥及混合液回流量，通过多段进水、多段回流实现不同水质硝化反硝化效果，最终达到去碳、脱氮、除磷等污染物的目的。同时，可有效解决农村生活污水间歇性COD值低，可生化性不强；不同时段的水质、水量波动大；北方地区低温低难以连续稳定运行及达标难的问题。

2.1.3 污水气提回流技术

在农村污水脱氮除磷过程中采用传统生物处理工艺，对于污泥回流和消化液回流的处理主要存在以下问题：混合液回流方式工程上不好处理，用泵回流则电耗高。为保证一定的脱氮除磷效率，混合液回流比往往很大，相当于进水水量的1-4倍；如果污水量较大，混合液回流使用泵回流的话，电耗很大。为了克服上述不足，该技术提供了一种能耗低、气提效果好的污泥回流或硝化液回流气提方式，其结构设计为：污泥回流和硝化液回流气提装置主要单元为风机、与风机连接的是气提管道。气提管道包括若干根支管以及主管，支管为圆环形，各个支管上下错开设置，各个支管均与主管连通，主管连接风机；支管上表面开设有间隔排布的气提孔，气提孔内固接有气提喷嘴，气提喷嘴包括两端的锥形段以及中间的压缩段，锥形段最大孔径与中间压缩段孔径比为3：1。该技术的有益效果为，由气提装置代替泵达到污泥回流或硝化液回流的要求，大大节约了能耗。

2.2 智慧监控云系统

目前已应用到农村污水处理设施，由于缺乏甚至没有专业的设备运维平台，且处理地点分散，设备单元较多，管理难度大，导致其因故障长期得不到维护而出现设备闲置的现象。该系统开发的智慧监控云平台，与具备自动监测功能的一体化设备配套使用，实现将“互联网+”模式应用到农村地区污水处理行业。通过对系统智慧硬件、新型传感器、信息化平台功能进行研究，开展云平台技术体系、网络体系、功能体系三大体系构建，开发出智慧监控云系统。该系统突破带宽传输技术、监控实时技术、数据处理技术、客户云服务技术的挑战，使系统具备大数据处理功能，可实现设备实时巡检，设备报警，大数据汇总与下载，系统诊断与专家在线诊断；还具备智能运维功能，可实现在远程电脑端及手机APP端登录，智能实现工单派送、技术人员维修、订单完成数据传回等功能。最终实现农村分散污水处理设备科学化、信息化、高效化的管理。

3 基于“SAOM+智慧监控云”技术的污水处理系统在农村地区的应用

该技术旨在解决农村污水水质难以达标的技术难题；解决污水处理设施难以可持续运行的行业问题；解决农村污水处理点多分散、管理效率低、管控难到位的管理机制问题。基于“SAOM+智慧监控云”污水处理系统的研发，将具有稳定脱氮除磷效果及设备智能运维等功能的一体化污水处理设备及智能监控云系统应用于河北某县农村地区污水处理项目现场，验证该系统的污水处理效果及智能运维功能，设计总体工艺路线如图2所示。

图2 污水处理总体工艺路线图

3.1 污水处理工艺设备

项目涉及主要设备包括一体化污水处理设备以及配套调节池、监控室、格栅井等。生活污水经过格栅井后二次提升，进入生活污水调节池；调节池主要调节水质水量，进水经前期搅拌实现均质均相混合后经泵提升至一体化设备内；在设备内依次经过厌氧区、缺氧区、好氧区（可根据季节性变化、昼夜变化或运行工况变化按需调整兼氧、好氧功能区反应时间及划分比例，还可在脱氮AO、除磷AO、脱氮除磷A2O、倒置A2O及多段多级AO等各处理技术之间灵活切换调整）。同时，通过气提的方式进行消化液及污泥回流，自动加药设备根据在线水质监测结果智能启动，强化除氮、除磷效果；出水进入MBR膜池，去除污水中的悬浮物和微小颗粒，过滤出水进入回用水箱，在此经消毒处理后达标排放或资源化利用；生化系统产生剩余污泥气提至污泥浓缩池，定期将污泥浓缩池污泥输送至污泥脱水设备进行脱水处理，处理后的泥饼外运至专门的污泥处理单位进行后续的处置。设备采用埋地式结构，上部覆土，可种植花木、草坪，进一步美化环境，现场应用效果如图3所示。

图3 一体化污水处理设备现场应用效果

3.2 污水处理效果

项目组将基于SAOM技术的一体化污水处理设备应用于河北某县农村地区污水处理项目现场，验证该设备的污水处理效果。对该一体化设备3月份进出口水质进行在线监测及取样化验，得到数据如表1，将采集数据绘制成折线图如图4所示。

表1 一体化污水处理设备3月份运行记录

图4 一体化污水处理系统出水水质数据折线图

从表1及图4可看出，污水经过一体化处理系统处理后，出水 COD＜50mg/L，总磷＜0.5mg/L，总氮＜15mg/L，氨氮＜5mg/L，SS＜10mg/L，稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。

3.3 智能运维系统应用效果

智慧监控云是基于物联网技术针对农村分散式污水处理站管理模式开发的，具备设备远程管理及智慧运维功能的智能运维系统。该系统由智慧硬件、新型传感器、信息化平台组成。实际应用效果如图5所示，可实现如下功能：

图5 智慧监控云系统应用效果

（1）设备实时监控。可实现无人值守设备运行状态的监控，可提供高清晰的监控画面，可以清晰地查询设备情况和泵站周围的环境变化，几个人即可监控成百上千个设备的运行情况，实时发现故障，同时节省人力90%以上。

（2）设备实时设置和控制。可以通过主画面的对应按钮分别切换到各个设备的分画面，并在分画面进行自动与手动转换控制，包括风机、水泵、自控阀门等。

（3）大数据统计。对接入平台的各项历史运行数据进行统计，并按汇总值自动生成报表，对设备管理提供各种参数依据，支持各种监测信息、控制信息、报警信息、操作信息的存储和查询；对所有联网的水处理设备进行信息管理，实现设备维护全记录。

（4）报警及远程专家协助。设备报警后，在线专家可通过历史数据分析，结合设备及环境监测画面实现在线诊断，并出具诊断报告，提高设备故障诊断的专业性及准确率；同时系统将具体报警信息推送至指定人员的手机上，使相关的维护人员收到报警短信后能第一时间了解设备的情况，有应对措施地实现故障的及时处理。

（5）电脑端及手机端随时登录，管理人员可通过电脑端实时监控水质参数及设备状态，运维人员可通过手机端完成接单、设备历史数据查看、运维数据上传等。智能监控云处理技术的开发，有利于推进污水处理系统的信息化显示及智能化运维，有利于实现农村分散式污水处理科学化、信息化、高效化的管理。

4 结论

基于“SAOM+智慧监控云”技术的污水处理系统应用于农村地区，其出水指标可达到：pH为6-9，COD＜50mg/L，总磷＜0.5mg/L，总氮＜15mg/L，氨氮＜5mg/L，SS＜10mg/L，出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准；一体化污水处理设备的设计有利于解决由于设备单元分散、农村技术人员缺乏，导致现场施工量大、质量难以保证的问题，可实现投资、占地、运行成本三个50%以上的节省。智慧监控云系统可实现农村污水处理设备的远程监测、智能化控制及智慧运维。