浅谈“智能化粪池”在工程中的应用

浅谈“智能化粪池”在工程中的应用

孙义平   ,汪洋

深圳市天健棚改投资发展有限公司    广东.深圳518019

[摘要]针对传统化粪池在收集污水过程中产生硫化氢、甲烷等有害气体，不能及时发现并处理，造成毒害、爆炸等问题，采用一种“智能化粪池”。“智能化粪池”主要由普通玻璃钢化粪池加上全周期智能监控处置设备组成，包括硫化氢探测器、甲烷探测器、微生物投料箱、新风换气系统、智能监控管理模块等，该装置配备监控管理智能系统，建立化粪池监控管理平台，提高化粪池监管运行效率，赋予化粪池的中毒、爆炸事故预警能力。本文介绍这种“智能化粪池”的各功能模块及工作原理，以及在深圳市罗湖“二线插花地”棚改项目中的工程应用，以期为类似工程项目提供借鉴。

[关键词]智能化粪池；全周期智能监控处置设备；功能模块

0  前言

随着我国城市化进程加快，市区化粪池数量日趋增多，且位置特别分散，运行管理效率低，难于进行监管，化粪池爆炸已经是公共安全的严重隐患。针对住建部印发《关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见》中“提升运行管理效率和事故监测预警能力”的要求，本文提出“智能化粪池”的工程应用，可很好的解决化粪池监管效率低、无事故监测预警能力的问题。

本文简要介绍了“智能化粪池”的构成、工作模式以及社会效益，积极探索将化粪池打造成“会呼吸、有智慧”的安全卫士，消除化粪池有毒、爆炸等安全问题，让化粪池实现更友好地为居民服务，为居民提供一个安全、无毒的生活环境。

1应用背景

19世纪中叶，英国人唐纳德·卡麦仑发明了腐化池（septic tank），也就是最早的化粪池，之后很多国家都效仿英国建立起成千上万的化粪池，用于小型污水处理厂。我国化粪池的设置相当普遍，已经成为生活中不可缺少的配套设施。大凡新建住宅、大型建筑以及工厂内的办公楼、宿舍楼等都要修建化粪池。化粪池是一种生活中处理粪便并加以分格过滤沉淀的设备，它利用沉淀和厌氧发酵原理，使池子上层的水化物顺着管道流走，而下层固化物在池底有充足的时间厌氧消化，其中有机物分解成稳定的无机物。现在国内很多厂商都借鉴国外技术和经验，设计出一系列埋地式环保型化粪池，逐步改善我国目前的化粪池设备，争取早日达到中水回用的水平。化粪池气体中甲烷和二氧化碳浓度都很高，并有小量的硫化氢气体，而氧气只占一小部分。随着一些可燃气体浓度的增加，如果不加以处理，则会产生爆炸。

近几年来，国内粪便处理设施及下水道发生多起爆炸事件，不仅造成人员伤亡，而且污染环境事件更是频繁发生。城市存在严重的安全隐患问题，引起了社会广泛关注和担忧，化粪池被称为埋在居民身边的定时炸弹。为了不影响居民的正常生活，就要时刻检测池内的各种气体浓度，当浓度超过警戒线时就采取一定的措施来降低。化粪池监测的主要对象是甲烷气体，以前是将传感器安装到指定位置，人员定期巡检并人工采集甲烷浓度信息，由巡检员带到监测中心进行分析。但一个城市内化粪池点相当多，每个点都人工采集的话，将会浪费很多人力和物力。

2国内外化粪池技术现状

最初化粪池作为一种避免管道发生堵塞而设置的截粪市政设施，在保护环境、沉淀污水中的大颗粒杂质、防止污水管道堵塞等方面起着积极作用，它对保护市政管网的畅通，减少市政大管径管道的养护周期、增加使用年限有着不可替代的作用。

在一些发达国家，化粪池技术水平早已超越了传统意义“化粪池”的概念，如日本早在上个世纪70年代就已经很少使用传统化粪池了，代替它的是高强度玻璃钢材料制成的整体型化粪池，这种玻璃钢整体型化粪池造价成本低、抗压强度高、抗酸碱能力强、密封性好、无渗漏现象，有效解决了砖混结构化粪池使用寿命短、造价成本高、因渗漏污染地下水资源并引起建筑物地基沉降等诸多问题。同时可以通过在化粪池内部增加高效厌氧生物降解技术，大大减少了化粪池的清掏周期。进入20世纪90年代，生物处理技术得到了高速发展，日本的化粪池处理技术也日益提高，已经达到了中水回用的技术水平，使原本普通的化粪池变成了高效能的一体化污水处理设备。

在我国，由砖混化粪池所带来的环境污染越来越严重，已得到政府部门、水处理专家的充分重视，于是环保型化粪池也被提上了日程。目前国内一些企业在借鉴西方发达国家成熟技术经验基础上，自主研发符合中国国情的玻璃钢化粪池和新型“智能化粪池”，这种玻璃钢粪池已经在国内推广使用，新型“智能化粪池”也在试点推广。

3“智能化粪池”

“智能化粪池”主要由玻璃钢化粪池加上全周期智能监控处置设备等组成，其中全周期智能监控处置设备又包括各功能模块和系统平台。

3.1玻璃钢化粪池

玻璃钢化粪池是指以合成树脂为基体、玻璃纤维增强材料制作而成的专门处理粪便污水及生活污水的设备，玻璃钢化粪池发展至今，外形一般为卧式圆茼状，两端封头一般采用力学性能良好的车轮状凹凸面设计，内部设有隔板，隔板上的孔上下错位，不易形成短流，并将整个罐体分成三个腔体，分别为一级腐化池、二级腐化池和三级腐化池，一级腐化池侧面设有入水口，一级腐化池与二级腐化池通过第一挡板上的通孔相通，三级腐化池侧部设有出水口，三级腐化池通过第二挡板上的通孔与二级腐化池相通。粪液依次由一级腐化池过滤至二级腐化池，再由二级腐化池通过通孔过滤至三级腐化池。

3.2全周期智能监控处置设备

全周期智能监控处置设备是用于监控地下有限空间危险源（化粪池）的智能综合化设备，集成化粪池有毒有害气体监测和处置、地面音视频等信息数据融合。该设备包括监测化粪池有毒有害爆炸性气体，实时告警并自动处置，对地面违法犯罪治安情况实时监控并应急联动处置。集成智慧社区便民服务信息为一体的多功能、智慧型、智能型、综合型城市安全监控终端。

3.3  主要功能

甲烷、硫化氢等多种毒害气体浓度数据采集；气体浓度值、水位、仪器等报警；风机、生物原液、消毒杀菌等启动停止控制等；

3.3.1  功能模块

全周期智能监控处置设备产品主要包含化粪池气体监控处置系统、机器人控制单元两大部分有机融合组成，输出控制主要包含抽排系统和生物原液喷淋投放两部分。全周期智能监控处置设备系统包括前端气体传感器、水位传感器、电压互感器等一系列感知模块，设备主机通过采样泵实时采样前端气体浓度，自动配合抽排系统或者生物原液进行处置。终端设备监测数据通过嵌入式工控机（或GPRS通讯模块）内置通讯模块和系统平台进行信息交互。机器人控制单元主要开关电源模块、嵌入式工控机、显示屏、摄像机、一键报警开关、智能语音降噪定位硬件模块、拾音器/四麦阵列、音箱等硬件组成。嵌入式工控机操作系统对前端化粪池气体监控处置系统数据和机器人控制单元信息进行统一管理调度。待机状态为视频（图片）宣传播放，整台设备通过开关电源模块提供电能，由散热风扇和自动启动开关组成散热保护系统。                

图1  功能模块框图

3.3.2  设备功能模块技术介绍

3.4 结构特征

全周期智能监控处置设备智能管控机器人产品按照结构功能分类，机器人主要分为头部（显示单元等）、身体部分（机器人控制单元、气体检测设备、鼓风机等）、双腿（支撑单元）等几大部分组成。

图2 结构框

3.5 工作模式

“智能化粪池”终端设备对化粪池内甲烷与硫化氢气体进行自动采样分析，通过无线网络将数据传输至系统平台，系统平台可对传回的数据进行存储、统计、分析并能够将相关指令发送给终端设备。当气体浓度达到一级报警时，在系统平台界面上显示浓度报警同时向管理人员发送短信报警，当气体浓度达到二级报警时，系统会立即启动自动控制处理系统，使污水管网及化粪池的气体浓度及时下降至安全范围内，达到实时监测与自动控制处理的功能。

图3：“智能化粪池”的工作原理

3.6 系统平台

系统平台采用B/S架构相结合的方式进行管理，用户可以在有网络的智能终端（手机、电脑、平板等）打开浏览器直接登录系统或者APP即可完成设备查看、命令、控制等功能。系统采用多层结构进行管理，一级监控中心是系统具体的业务管理部门，可以是一个县区，也可以是一个镇街，甚至可以是一个社区或者一个小区，可以对监控系统进行查看、分析、同时也能进行设备控制，二、三级监测中心属于一级监控中心的上级管理部门，可以对监控系统进行查看、分析，但不能控制。

图4：“智能化粪池”的安全监控管理平台

   3.6.1 系统平台功能

   （1）系统平台的基础通信网络和基础通信协议符合《下水道及化粪池气体监测技术要求》GB/T 28888的要求；

   （2）系统平台可自由设置3个及以上安全级别管理权限；

   （3）系统平台可对管理人员操作进行自动记录；

   （4）系统平台可实时监测并控制后台进程的运行状态；

   （5）系统平台在终端设备出现报文错误或丢失时可启动纠错逻辑，并要求终端设备重新发送报文；

   （6）系统平台存储12个月以上的原始数据，可记录气体测定数据和各类仪器运行状态数据，自动生成运行状况报告、气体测定数据报告、操作记录报告和仪器校准报告；

   （7）系统平台能检索不同日期的历史数据，并进行报表统计和图形曲线分析，可自动生成日报、月报、年报；

    （9）系统平台可任意设置监测对象、采集通道类型。

3.6.2 平台功能模块技术介绍

3.7 微生物处理

采用自动设备投放结合人工投放的方式，将高活性有益细菌组合而成的生物原液、粉剂及泡腾片投放到化粪池内部，其与化粪池内部物质产生微生物作用，减少粪渣体积，抑制易燃易爆有毒有害气体产生，改善出水水质。

（1）上部好氧段（>200mv）投入生物粉剂，粉剂里高强度纳豆菌分解排泄物中氨、蛋白质及纤维，消减浮渣，消灭蚊蝇虫卵，除臭；

（2）中部兼氧段（100mv-200mv）,肠球菌EC11消减粪渣，改善水质（COO,氨氮，总磷，总氮，SS），并抑制CH4、H2S，CO，SO2等气体产生；

（3）下部厌氧段（-200mv以下）生物泡腾片中厌氧兼氧菌增殖，抑制硫酸还原菌产生H2S（-200mv以下），抑制甲烷菌产生CH4（-300mv以下）。

4国内化粪池安全形式严峻

目前我国化粪池设施分散，日常管理不到位，致使化粪池长期无人清淘，污泥结在池底，化粪池有效容积日趋减小，变为只过流并不沉淀杂质的检查井，失去其处理作用。同时由化粪池引发的事故不断，例如池内气体喷出灼伤人体、吸粪时发生爆炸；工人下池清渣时窒息死亡等。

化粪池安全事故主要是由于甲烷和硫化氢气体浓度超标导致的。其中化粪池的爆炸主要是甲烷浓度达到爆炸极限区间。通常来说，老旧小区化粪池的甲烷和氧气浓度都比较高，能达到爆炸条件，一旦遇到火源，如：明火、鞭炮、烟头或者静电，都会导致爆炸。

化粪池的中毒主要是硫化氢等有毒气体，根据硫化氢气体浓度的大小会导致不同的危害结果，一般情况来说，硫化氢浓度在10ppm以内就是安全的，当浓度达到600ppm时，人体暴露30分钟就会有生命危险，当浓度超过600ppm以上时，人员接触时会立即导致死亡。从国内出现的化粪池中毒事故来看，硫化氢中毒的死亡率是很高的，因为硫化氢具有比空气重、溶于水的特征，不易被救援人员发现，因此事故一般会导致多米诺骨牌效应，出现多人伤亡的情况。

图5：普通化粪池的危害

进几年来，国家对地下市政设备的建设管理提出纲领性文件要求，2020年12月30日，住建部印发了《关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见》，要求加强城市地下空间利用和市政基础设施建设，排查治理安全隐患，健全完善风险防控机制，提升运行管理效率和事故监测预警能力。

5“智能化粪池”设置必要性

大中型城市人口密度较大，化粪池数量多，位置分布广，化粪池的管理工作量大，设置“智能化粪池”可以提升化粪池的运行管理效率和事故监测预警能力。

6“智能化粪池”的布置原则

“智能化粪池”的罐体布置应综合考虑室外管线布置、铺装、绿化、行车道等因素，不应布置在小区主要出入口、小区人员密集场所附近，有条件时可考虑化粪池布置在小区下风向区域，不仅可以提高小区生活品质，而且还可以保证化粪池有较好的通风，避免有毒、异味、易燃气体的集聚。

7“智能化粪池”的作用

“智能化粪池”是由普通玻璃钢化粪池加上全周期智能监控处置设备组成，通过智能监控处置设备对化粪池的全周期管理，主要实现“保安全”、“保民生”、“保生态”三个目标，具体体现在对甲烷、硫化氢等危爆气体实时监测及浓度控制，同时能起到降解粪渣、水质净化、病毒消杀的效果，最终实现化粪池空间无爆炸、无中毒、无臭气、无病毒、无污染的效果。

8“智能化粪池”的社会效益

“智能化粪池”的建立，使化粪池的管理工作进入信息化，通过信息化管理，减少管理人员的巡查，减少人员冗余，降低安全隐患，在人力成本越来越贵的趋势下，能够降低化粪池运管成本，为社会带来一定的经济效益。

另外随着“智能化粪池”的普及，地下危险源监控逐步完善，助力构造智慧城市的化粪池管控体系，杜绝了毒害、燃爆等安全事故发生，为社会带来不可估量的安全效益。

9工程案例

本文结合深圳市罗湖“二线插花地”棚户区改造项目应用“智能化粪池”，从以下两个方面很好的解决了传统化粪池所带来的社会问题。

一方面是针对化粪池管控上的不足，在各化粪池终端加装全方位监测及智能控制系统，利用自吸泵抽取化粪池内混合气体后进行采样，针对甲烷、二氧化碳、硫化氢等气体浓度进行实时监测，然后传送至传感器分析，分析后，如果浓度达到预警值时，系统指示终端启动自动处置功能,从而使气体浓度在极短时间内下降至安全范围内，避免因人员管控力度不足，可燃气体浓度的增加而产生爆炸。

另一方面是针对厌氧发酵的进度慢，定期自动向化粪池内部投放生物益生菌后，益生菌与化粪池内部物质产生微生物作用，加快分解有机物、加快降解粪便、消除恶臭味、减少粪渣体积、抑制有毒有害可燃气体产生。最终实现减少化粪池清掏次数、杀灭蚊蝇、细菌、大肠杆菌等目的，特别是在新冠肺炎疫情时期，持续的消杀可有效避免 “粪口传播”现象的出现。

该“智能化粪池”可有效解决传统化粪池生物降解慢、甲烷爆炸的问题，能更好的为所有居民服务，达到让居民生活得更舒适，更安全，更环保的目的，彻底杜绝化粪池中毒、爆炸事故的发生。

9.1项目概况

深圳市罗湖“二线插花地”棚户区改造项目施工建设包含木棉岭和布心片区，各地块容积率高，居住人口密集，根据测算，木棉岭片区居住人口约4万人，布心片区居住人口约3万人，人口密度相对较大。

按居住人口测算，棚改项目100m³容量的化粪池达45座，其它大大小小的化粪池共14座，化粪池数量较多、总容量较大、布置位置分散。

   图6：木棉岭片区化粪池分布图

   图7：布心片区化粪池分布图

9.2应用实景展示

“智能化粪池”的监控处置设备应布置在绿化带内或者隐蔽位置，并且不宜离罐体太远。

9.3社会经济效益分析

在保障化粪池无中毒，无爆炸的前提下，按照一座有效容积100m³化粪池的清掏成本和占用社会资源成本估算对比，如下：

二者相对比，“智能化粪池”通过自动采集数据分析，自动处置甲烷、硫化氢等有毒气体，自动喷洒合益菌种能更好的实现无毒、无害化粪池，“智能化粪池”的社会经济效益更加优越。

10结束语

本文对“智能化粪池”的各功能模块、工作原理等进行了较为详细的介绍，并结合深圳市罗湖“二线插花地”棚户区改造项目工程案例进行社会经济效益分析，明确了“智能化粪池”能有效的消除传统化粪池有毒、爆炸等安全问题，将传统化粪池的负面影响降到最低，实现将化粪池打造成“会呼吸、有智慧”的安全卫士，为深圳市罗湖“二线插花地”棚户区改造项目的示范性增添亮点。参考文献

[1]胥传喜, 国外化粪池种种. 住宅科技, 1990.

[2]住建部印发《关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见》.