农村污水处理系统电气智能化设计与前景发展研究

0 引言

目前，农村水污染情况普遍存在且较为严重，原因是农村存在大量污水直排现象，且农村污水处理率的增长仍非常缓慢，污水管网不完善，部分污水管网破损严重，加之农村周边部分小企业存在偷排漏排的情况，造成周边环境的水质被污染。农村污水问题制约了农村经济的健康发展，并严重影响了生态环境与村民的身体健康。

针对农村污水治理面临的复杂挑战，现有治理模式已难以满足生态保护与可持续发展的需求。为突破治理瓶颈，应构建技术升级与全民参与的双轮驱动体系。依托智能化控制技术路径，优化供配电系统架构，采用节能型电机设备，结合数字孪生技术构建智能化污水处理系统。此外，研究对近200名受访者进行调研，调研其对乡村污水治理的了解与关心程度，推测当今现状，提出相应解决措施，旨在为提高农村污水处理效率提供参考。

1政策背景

1.1核心目标

当前，农村生活污水治理仍面临投入大、管理成本高等难题。农村水污染问题不仅危害当地居民健康，也可通过水体流动影响城市供水安全，进一步加剧全国水污染状况。应加大农村污水处理技术的研究力度，提出具有高时效性与低成本的智能化方案[]。

数据表明，截至2020年初，我国农村污水处理率为 25.5% ；2022年，我国农村污水处理率约为28% ；《全国农村环境综合整治“十三五”规划》显示，农村污水处理率达到 30% 的预期，农村污水处理率有所提高，但还未达到计划水平。因此，在污水处理方面，还需要积极推进污水处理系统的建设与发展，提高污水处理率。因此，加强农村污水治理迫在眉睫，对农村水循环系统与电能循环系统进一步规划设计，是乡村建设的重要指标。随着新农村建设工作的推进，我国积极推进污水治理工作，致力于农村污水净化与减排，尤其对村镇生活污水处理，因地制宜选择处理工艺，采用先进技术，以提升污水处理设施治污效能。

1.2“双碳”目标

在全球气候变化和环境污染日益加剧的背景下，减少碳排放已成为各国政府的重要目标。2020年，我国政府提出了“双碳”目标，即到2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。而污水处理厂在能源消耗与碳排放上有大量占比，因此其低碳化设计对实现“双碳”目标具有重要意义。通过查询论文，了解到市一家污水处理厂的配置如下。一期配电室的额定容量为 500kV？A ，当前负载为 300kV？A ，功率因数为 0.82 。二期配电室的额定容量为 800kV？A ，当前负载为 600kV？A ，功率因数为 。可见，其具有负载过高、功率因数低等特点。为降低无用碳排量，可以适当引入智能电力管理系统，根据功率因数公式（见式1），选取较高可信度的数据采集器和合适的PLC等自动化控制设备，及时反馈调节，在相同的视在功率下，提高有功功率和功率因数[2]。

式中：cosφ表示功率因数， P 表示有用功率， S 表示可视功率。

1.3 现存问题

根据已有设施的建设和运行情况，发现我国污水处理设施的设计、运行还存在诸多问题，如在厂房建设初期，仅需要建造费用，而运行期间则需要不断投人维护费用与人工成本，导致设施“建得起、运行不起”。此外，部分污水处理厂专业化程度较高，缺少相应技术人员，只能面向社会招聘相关领域人员，大多数员工只能检测厂房电量及运行转速等参数，无法高效率协调调度终端系统，难以保障整体安全高效运行。

2改进策略

2.1供配电系统选择

供配电系统大致包括变压器、调速电机等。大部分污水处理厂所需电量较大，因此需要变压器并联运行，其中变压器并联运行应保证各变压器电压比相同，有相同连接组及相等短路阻抗标玄值、阻抗角。由于制作工艺存在误差，应保证电压比之差小于 0.5% 。关于变压器选取，应满足式（2），由此可推导出式（3）式（4）。

式中： 表示阻抗值， 表示电流标幺值， S 表示可视功率值， 表示阻抗共轭值， 表示电流共轭值， 表示可视功率共轭值。其中， 与 可通过变压器短路试验求出。

由此可计算出2台变压器的负载系数 。由于负载系数取值范围为0＼～1，为防止变压器发生过载，应保证2台变压器的负载系数均小于1。这种合理的负荷计算和变压器的容量选择可提高污水处理系统的供配电安全性与可靠性，提高其稳定运行能力[3]。

以下为短路试验具体内容。短路试验又称负载试验，在高压侧施加额定电压，低压侧短路，在高压侧施加电压，试验电流为高压侧额定电流，试验电流较小。记录此时高压侧的电压和电流，进而计算阻抗电压，具体公式见式（5）。

式中： 表示高压侧阻抗值， 表示高压侧电压值， 表示高压侧电流值。

2.2智能化系统设置

污水处理智能化管理模式大致分为两方面，包括核心环境支撑与辅助环境支撑。核心环境支撑包括物联网、大数据与云平台；辅助环境支撑包括远程监测管理、集约化管理与GPS人员考勤监控。

为保障站点稳定运行，定期巡检、保养和维修是重要且有效的手段。在巡检流程中，管理员分配巡检人员巡检关联站点。其中，巡检任务按周期生成任务并通过调度中心分配最优方案，巡检完成后提交巡检记录，若无问题则进人下一个周期。在保养方面，若污水处理系统需要保养处理，平台根据周期派工，保养完成后进入新周期。若巡检发现设备老化或存在安全隐患，应及时上报至调度中心，及时停工，确保问题得到及时解决。若整体系统能迭代更新，在进行经济分析与可行性分析后，建议维修后迭代污水处理系统，相关流程见图1。

3拓宽群众对污水处理常识的普及渠道

3.1居民对现有污水治理情况的看法与了解程度通过微信朋友圈、线下面对面采访等方式收集近200名居民对所居住地区污水治理情况的看法，筛选出103名居住于乡村郊区的居民，汇总数据，并根据汇总好的数据，绘制年龄构成与当地排放污水的主要来源饼状图（见图2）。

筛选数据后，利用Matlab软件绘制年龄与满意程度的散点图，将满意程度以数字量化，5代表非常差，4代表较差，3代表一般，2代表较好，1代表非常好。将年龄分为1＼～5档，分别对应18岁以下、18＼～30岁、31＼～45岁、46＼～60岁、60岁以上，并利用线性回归、多项式回归与指数回归方法绘制回归函数曲线，发现其满意程度均在2.5附近（见图3）。由此可知，各年龄段对所居住地区污水程度的满意程度为一般偏好一点，说明污水处理任重而道远[4]。

3.2推测现有数据，提出解决措施

根据现有居民对污水处理的看法，发现现有设施的处理能力在应对日益增长的污水排放需求时已显不足。基于这些数据，提出以下针对性措施，以提高污水处理能力，保障生态环境的可持续发展。

3.2.1 提高现有设施的技术水平

现有设施在处理效率和能耗方面存在一定的改进空间。引进先进的污水处理技术，如膜分离技术、生物强化技术或智能控制系统等，可显著提高污水处理的效率和水质达标率。同时，采用大数据分析和物联网技术对设施运行状态进行实时监测和优化调度，能进一步降低运行成本和能耗[5]。

3.2.2 加强污水处理设施的日常维护

现有设施的高效运转离不开日常维护工作。从实际数据来看，部分设施因维护不及时导致污水处理能力下降或故障频发。因此，应建立健全维护制度，定期检修设备，引入专业运维团队，制订科学维护计划，确保设施长时间高效运行。

3.2.3 提高居民的环保意识和参与度

数据表明，居民生活习惯对污水排放量和水质影响显著。通过社区宣传、学校教育、媒体推广等方式，提高公众对污水处理重要性的认识，培养节约用水和正确处理生活废弃物的习惯。此外，鼓励居民主动参与环保活动，如社区清理、废水再利用推广等，为污水处理工作提供良好的社会基础[6]

4结束语

农村污水处理关系到生态环境保护和居民生活质量。研究分析发现，当前我国农村污水处理系统在技术水平、设施维护及公众参与等方面仍有很大的提升空间。结合政策背景、技术现状及“双碳”目标的要求，研究提出了选用合适供配电系统、设置智能化系统、提高设施技术水平、加强日常维护及增强公众环保意识等措施，为农村污水处理的发展提供参考。

未来，随着科技的进步和政策支持的进一步加强，农村污水处理设施将逐步向智能化、低碳化方向发展。引入先进技术和完善的管理体系，不仅能够提升污水处理能力，还能实现节能减排的目标。同时，公众的积极参与将为污水处理工作提供坚实的社会基础，推动农村生态环境的可持续发展[7]。

农村污水处理是关乎社会责任与生态未来的系统工程。通过全社会的共同努力，农村污水处理系统将更加高效、环保和智能化，为美丽乡村建设和“双碳”目标的实现贡献重要力量。

参考文献：

[1]谢威.“双碳”目标下污水处理厂电气设计的低碳化研究[J].中国资源综合利用，2024，42（9）：277-280.

[2]骆子健，楼森磊，楼启伟.污水泵站电气传动及自动化系统分析[J.电气技术与经济，2024（7）：80-82.

[3]韩丹.污水处理厂电气及自动化工程设计及应用[J].中国高新科技，2024（1）：108-110.

[4]石秀旺.农村污水处理系统的设计与运行建议[J].农村科学实验，2024（3）：37-39.

[5]敖旭平，钟红梅，武志刚.农村生活污水处理智能化管理中政府监管系统功能设计[J].环境与发展，2019，31（11）：190-191.

[6]于健，戈学珍，杨洁，等.农村污水处理智能化管理平台探索与应用[J].给水排水，2023，59（8） ：129-134.

[7]陈丽秋.农村污水处理智能化建设研究：以苏南地区为例[J].智慧农业导刊，2021，1（1）：51-53，60.