一种农村黑灰水土壤渗滤系统及多单元智能调控方法与流程

本发明涉及污水处理，具体涉及一种农村黑灰水土壤渗滤系统及多单元智能调控方法。

背景技术：

1、土壤渗滤系统是一种深度处理农村分散式生活污水的土地处理技术，因其运行简单、建设成本低以及对污染物去除率高等优点，受到越来越多的关注。目前土壤渗滤系统在我国农村应用十分广泛，该技术能充分发挥土壤自净能力，依靠物理截留、化学沉淀与微生物转化三重机制实现污染物的有效转化去除。

2、近年来，国内外研究者和工程技术人员对传统土壤渗滤系统进行了多方面的改进和优化，形成了多种技术方案，如中国发明专利申请cn120794076a（公开日期为2025年10月17日）公开了一种用于农村污水处理的多级土壤渗滤系统，涉及污水处理技术领域。一种用于农村污水处理的多级土壤渗滤系统，包括自上而下设置的进水层、布水层、渗滤层和出水层；其中渗滤层包括透水沸石层以及设置在所述透水沸石层间的多层混合土块。其中混合土块通过以下方法制备而成：将紫色土与活性氧化铝和铁粉进行混合，然后制成混合土块。该申请采用了多级阶梯型混合土块，在减少材料使用的基础上进一步增大与污水的接触时间，可提高污染物的去除能力；在渗滤层中采用活性氧化铝作为载体，可减少抗生素等污染物对系统反硝化作用的抑制。

3、又如中国发明专利申请cn121698539a（公告日期为2026年5月20日）公开了一种高原高寒地区恒温污水处理系统、工艺及方法，包括柱状罐体固定于地面，外壁设多层复合绝热保温层，内部按体积比1:2.5:0.5:1分隔为缺氧、好氧、电解除磷及沉淀区。通过太阳能集热维持系统温度1520℃；采用光热耦合tsa制氧与磁化水力空化技术，生成50nm500nm纯氧微纳气泡；以稀土改性合金板为牺牲阳极，实现低温高效免药剂除磷。然而，该技术主要针对高原高寒地区的特定气候条件进行系统设计，其核心在于罐体保温与恒温控制，并未涉及基于土壤渗滤原理的多分区独立运行结构，也未涉及各分区的堵塞状态监测与分级预警；此外，该技术虽然包含了土壤渗滤沟作为尾水消纳手段，但其渗滤沟仅为单一结构，不涉及多单元协同运行与负荷自适应分配。

4、综上所述，尽管现有技术在提高水力负荷、改善填料结构、增强污染物去除能力等方面取得了不同程度的进展，但仍存在缺乏基于土壤检测参数的差异化填料设计方法；缺乏对堵塞过程的量化分级标准和实时监测手段，无法实现堵塞早期预警；缺乏基于长期运行监测数据的填料剩余寿命预测方法等不足。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供一种农村黑灰水土壤渗滤系统的多单元智能调控方法，包括以下步骤：

2、s1：建立基准，在系统新建或填料更换后，记录各分区渗滤子单元在稳定运行状态下的电导率基准值c0和水位消退速率基准值v0；

3、s2：实时监测与分级预警，获取各子单元的实时水位数据和底部电导率数据，根据所述实时水位数据和底部电导率数据相对于所述基准值的变化程度，将子单元的运行状态划分为多个堵塞阶段，并触发相应等级的预警及响应策略；

4、s3：健康度评估与智能调度，根据各子单元的当前水位消退速率vi和当前底部电导率c计算健康度指数hi，依据所述健康度指数h动态分配各子单元的运行/轮休状态及负荷；

5、s4：剩余寿命预测，基于各子单元的历史电导率监测数据构建衰减模型，预测填料到达红色预警阈值的剩余时间。

6、进一步的，所述步骤s2中，所述多个堵塞阶段包括正常期、物理堵塞期、生物堵塞期、前失效期和完全失效期；

7、当水位介于1~3 cm且电导率比c/c0介于0.8~0.9时，判定为物理堵塞期；

8、当水位介于3~6 cm且电导率比c/c0介于0.6~0.8时，判定为生物堵塞期；

9、当水位介于6~10 cm且电导率比c/c0介于0.4~0.6或上升时，判定为前失效期；

10、当水位≥10 cm或持续积水超过48 h，且电导率比c/c0<0.4或>1.1时，判定为完全失效期。

11、进一步的，所述步骤s2中，所述预警等级包括黄色预警、橙色预警和红色预警：

12、所述黄色预警的触发条件为以下情形中的任一种：所述表层积水水位h满足：2 ≤h ＜ 4；或者，所述积水消退时间t满足：6 ≤ t ＜ 12；或者，电导率比r满足：0.6 ≤ r ＜0.8，或 1.1 ≤ r ＜ 1.2，其中r = c/c0，c为当前底部电导率，c0为电导率基准值；

13、所述橙色预警的触发条件为以下情形中的任一种：所述表层积水水位h满足：4 ≤h ＜ 8；或者，所述积水消退时间t满足：12 ≤ t ＜ 24；或者，电导率比r满足：0.4 ≤ r＜ 0.6，或 1.2 ≤ r ＜ 1.4；

14、所述红色预警的触发条件为以下情形中的任一种：所述表层积水水位h满足：8≤h；或者，所述积水消退时间t满足：24 ≤ t ；或者，电导率比r满足：r ≤ 0.4，或 1.4 ≤r；

15、当触发黄色预警时，降低对应子单元的进水负荷并加密监测频率；

16、当触发橙色预警时，自动关闭对应子单元的进水阀门执行轮休，并生成维护工单；

17、当触发红色预警时，强制隔离对应子单元，停止进水并将负荷转移至其他健康子单元。

18、进一步的，所述步骤s3中，所述子单元i的健康度指数hi通过以下公式计算：，其中，α和β为权重系数，α为水位消退速率的权重系数（0≤α≤1），控制该指标在健康度中的影响占比，β为电导率的权重系数（0≤β≤1），控制该指标在健康度中的影响占比，且满足α+β=1，（默认α=0.5,β=0.5，可根据地域风险调整：北方砂土区增大β系数，南方黏土区增大α系数），c0为电导率基准值，v0为水位消退速率基准值，

vi为子单元i的当前实际水位消退速率，

ci为子单元i的当前底部电导率。h取值范围0~1，越大表示越健康。

19、所述轮休调度具体包括：每24小时计算所有子单元的健康度指数并按降序排列，选取健康度指数最高的至少一半数量的子单元设为运行状态，其余子单元设为轮休状态；根据运行组中最小健康度hmin动态调整切换周期。

20、进一步的，所述步骤s3中，所述负荷的分配方式为：，其中，qi为分配给子单元i的日进水量，qtotal为渗滤系统当日的总进水负荷（即需要处理的总水量）由前端的收集调节池液位或流量计测定。对于农户庭院系统，该值取决于当日实际排水量，h为健康度指数，hj为运行组中第j个子单元的健康度指数，j为处于运行状态的子单元，表示所有处于运行状态子单元的健康度之和；当子单元的hi<0.3时，自动将其从运行组中剔除并进入强制轮休。

21、进一步的，所述步骤s4中，所述衰减模型为指数衰减模型：，其中，k为衰减速率常数，反映电导率下降的速度，k越大表示性能衰减越快，通过拟合历史数据获得，

cres为残余电导率，c(t)为在时刻t的底部电导率预测值，单位ms/cm，t为运行时间（单位：天或者月），从系统启动或基准建立时刻开始计时的运行时长，e为常数，c0为初始电导率（衰减前起始值），单位ms/cm，系统稳定运行初期的基准电导率，即；通过最小二乘法拟合历史数据获得k，并预测到达红色预警阈值

cred的剩余时间：，式中，为从当前时刻起，到达红色预警阈值的剩余天数，cred为红色预警阈值，判定系统失效的电导率临界值，通常为，c0为初始电导率（衰减前起始值），单位ms/cm，系统稳定运行初期的基准电导率，即，k为衰减速率常数，

cres为残余电导率，若拟合优度r²>0.8则输出预测结果，否则采用线性模型或移动平均法替代预测。

22、本技术还提供一种用于实现如上所述方法的调控系统，包括：

23、多个分区渗滤子单元，相邻子单元之间由隔墙分隔，每个所述子单元自下而上依次设置有底层承托层、下层反硝化强化层、中层吸附层和表层覆土层；

24、传感组件，埋设于每个所述子单元内，至少包括用于监测表面积水深度或消退速率的液位传感器、以及用于监测渗滤液电导率的电导率传感器；

25、执行组件，设置于每个所述子单元的进水管上，至少包括用于控制进水通断的电动阀门；

26、现场控制终端（rtu），分别与所述传感组件和所述执行组件连接，用于采集传感器数据并控制所述电动阀门的动作；

27、网关与云平台，所述现场控制终端通过所述网关与所述云平台通信连接；所述云平台包括时序数据库、预警引擎、轮休调度算法模块和寿命预测模型模块，用于执行权利要求1至6任一项所述的方法步骤。

28、进一步的，所述分区渗滤子单元为矩形坑体，深度为1.0~1.2m，面积为5~10m²；

29、所述底层承托层厚度为10~15 cm，填充粒径为10~30mm的砾石，底部铺设防渗膜；

30、所述下层反硝化强化层厚度为10~20 cm，填充体积比为砂质土壤:细砂=70:30的混合物，并加入混合物总体积2%~5%的缓释碳源（木屑或玉米芯等）；

31、所述中层吸附层厚度为20~30 cm，填充体积比为砂质土壤:沸石:细砂=60:25:15的混合物，并加入混合物总体积2%~3%的生物炭；

32、所述表层覆土层厚度为15~20 cm，填充体积比为砂质土壤:膨润土:细砂=65:20:15的混合物，并加入混合物总体积1%~2%的生物炭。

33、进一步的，所述隔墙为砖砌或混凝土结构，厚度≥10 cm，深度达到所述底层承托层以下20 cm，且隔墙面向填料一侧铺设有hdpe土工膜；

34、所述电动阀门为常闭型电动球阀，防护等级ip68，工作电压dc12v，功耗≤5w；

35、每个子单元的进水管末端连接有布水横管，所述布水横管埋设于所述表层覆土层与所述中层吸附层之间，管壁朝下开设有均匀布水孔，孔径为5~8mm，间距为20 cm。

36、进一步的，所述液位传感器为电容式或压力式液位计，量程为0~20 cm，埋设于所述表层覆土层顶面以下5 cm处，每个子单元布设2~3个取平均值；

37、所述电导率传感器为四电极电导率传感器，量程为0~20ms/cm，自带温度补偿，埋设于所述中层吸附层的下部，每个子单元布设1~2个；

38、所有所述传感器通过rs485总线连接至所述现场控制终端，所述现场控制终端具备本地数据缓存功能，并支持太阳能/蓄电池供电。

39、本技术还提供根据土壤检测参数制定差异化填料配比的方法，具体为：通过采集该技术应用实施的目标区域土壤参数，例如，测定黏粒含量、阳离子交换量和有机质含量三项关键指标，据此将土壤大致分为3类：黏质（南方红壤）、砂质（华北潮土）、壤质（东北黑土），根据分类，制定差异化填料配比：黏质土可掺入粗砂/煤渣增渗防堵；砂质土可掺入膨润土并添加沸石降渗吸附；壤质土可掺入生物炭/粗砂稳构长效。

40、相比于现有技术，本技术的优点和效果如下：

41、1、现有技术的填料配比均针对单一土壤类型设计，未考虑南北方土壤参数差异，本技术提供了基于土壤检测参数的靶向填料设计方法，将填料设计从“统一配方”升级为“一地一策”，针对性解决该技术在不同地区农村应用实施过程中，目标区域土壤的核心缺陷（易堵/易漏/易塌），实现填料配比的源头优化设计，并通过“检测→诊断→配方”的科学设计流程，实现填料类型的精准定量和技术效能最大化。

42、2、现有技术未涉及土壤渗滤系统堵塞过程的量化监测与分级预警。本技术通过埋设低成本的液位传感器和电导率传感器，利用水位消退速率数据与底部电导率数据进行判别，将堵塞过程量化为五个阶段，并对应触发三级预警及对应的响应策略。

43、3、现有技术虽采用多单元并联结构，但各单元独立运行，不具备基于实际运行状态的动态调度能力。本技术定义了包含水位消退速率和电导率双因子的“健康度指数”hi，并以此为核心建立了运行/轮休动态调度算法和负荷按比例自适应分配机制，确保系统资源均衡利用；同时建立了异常单元的自动隔离机制，显著延长了填料整体使用寿命。

44、4、现有技术中缺乏对填料使用寿命的量化预测手段，运维人员只能凭经验判断更换时机。本技术基于长期积累的水位-电导率时间序列数据，建立了针对土壤渗滤系统填料的指数衰减寿命预测模型，为维护决策提供科学量化依据，实现了从“定期更换”到“预知性维护”的升级。

45、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

46、根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。