伴随着我國環境監管的趨嚴，以及政策層面對(duì)環境保護工(gōng)作(zuò)的高(gāo)度重視(shì)，污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的穩定運行成爲行業重點關注的話(huà)題。這(zhè)一過程中，智慧水(shuǐ)務的加持，爲污水(shuǐ)處理(lǐ)企業運營能(néng)力的提升帶來(lái)了(le)助力。那麽如何在排水(shuǐ)領域更好(hǎo)的發揮智慧水(shuǐ)務的優勢和(hé)作(zuò)用(yòng)呢(ne)？
9月18日，在“2020（第十二屆）上(shàng)海水(shuǐ)業熱點論壇”現(xiàn)場，清華大(dà)學環境學院教授施漢昌以“智慧水(shuǐ)務與排水(shuǐ)系統的智能(néng)化技術”爲主題，從(cóng)智慧水(shuǐ)務的發展曆程談起，重點分享了(le)排水(shuǐ)系統的智能(néng)化發展。他(tā)強調，污水(shuǐ)處理(lǐ)領域的智慧水(shuǐ)務建設，基礎薄弱、欠賬比較多，需要實事(shì)求是地推進。
智慧水(shuǐ)務是把信息化、自(zì)動化與人工(gōng)智能(néng)深度融合于水(shuǐ)務行業形成的新型精細化動态運行模式與管理(lǐ)系統。智慧水(shuǐ)務的研究與應用(yòng)對(duì)象是人類活動涉及的水(shuǐ)系統，包括水(shuǐ)源、供水(shuǐ)、管網、處理(lǐ)廠(chǎng)和(hé)受納水(shuǐ)體。目标是實現(xiàn)水(shuǐ)資源的合理(lǐ)利用(yòng)與水(shuǐ)生态環境的有效保護。
施漢昌認爲，理(lǐ)想中的智慧水(shuǐ)務是這(zhè)樣一個系統：從(cóng)飲用(yòng)水(shuǐ)源和(hé)供水(shuǐ)廠(chǎng)開(kāi)始，産生的污水(shuǐ)進行處理(lǐ)，處理(lǐ)後的污水(shuǐ)通過管網和(hé)泵站(zhàn)輸送，流入受納水(shuǐ)體。但(dàn)這(zhè)個過程中，不能(néng)給受納水(shuǐ)體造成生态上(shàng)的安全隐患，所以要搭配水(shuǐ)環境監測站(zhàn)，把數據通過物聯網送到(dào)監管中心，之後利用(yòng)大(dà)數據來(lái)分析已經獲得的大(dà)量信息，最後确定排除隐患所要采取的措施。
在我國，智慧水(shuǐ)務的概念在2014、2015年左右逐漸被行業重視(shì)起來(lái)，因爲水(shuǐ)務是智慧城(chéng)市的一部分，智慧水(shuǐ)務也(yě)随着智慧城(chéng)市一起發展起來(lái)。
2018年，受到(dào)經濟大(dà)環境的影響，智慧水(shuǐ)務的發展速度稍有放(fàng)緩。到(dào)了(le)2019年，智慧水(shuǐ)務的發展熱度逐步得到(dào)恢複，達到(dào)一個平穩的狀态。施漢昌認爲，這(zhè)符合任何一個新的科技技術的推廣規律。從(cóng)國際上(shàng)通用(yòng)的Gartner技術成熟度曲線可以看(kàn)出，智慧水(shuǐ)務在經曆了(le)泡沫化低(dī)谷期後，逐步進入到(dào)平穩發展狀态。
“理(lǐ)想很(hěn)豐滿，現(xiàn)實很(hěn)骨感。”在發展過程中，智慧水(shuǐ)務建設也(yě)面臨着諸多挑戰，尤其是我國對(duì)環境監管的趨嚴，更加劇(jù)了(le)挑戰的難度。施漢昌指出，首先，面對(duì)高(gāo)排放(fàng)标準，很(hěn)多傳統污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的工(gōng)藝設計(jì)不夠合理(lǐ)，按照原來(lái)的思路走智慧水(shuǐ)務的路線已經行不通，需要做出相應的調整。其次，污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的個性化與進水(shuǐ)的複雜(zá)性使運行規律不夠清晰；三是，現(xiàn)在很(hěn)多水(shuǐ)廠(chǎng)的設備儀表完好(hǎo)率比較低(dī)，故障率比較高(gāo)；四是，傳統的運營和(hé)管理(lǐ)習慣比較粗放(fàng)，信息數據規範性較差；同時(shí)，污水(shuǐ)處理(lǐ)系統的大(dà)遲滞特性需要前饋控制的配合。以信息公司主導的智慧水(shuǐ)務系統，缺乏專業技術支撐。
施漢昌認爲，智慧水(shuǐ)務對(duì)于水(shuǐ)行業來(lái)講，是工(gōng)業4.0智能(néng)化的内容。水(shuǐ)務行業的工(gōng)業1.0和(hé)工(gōng)業2.0完成的比較好(hǎo)，但(dàn)是與類似化工(gōng)、石化、機械等行業比，水(shuǐ)行業在工(gōng)業3.0階段，自(zì)動化做的相對(duì)落後。到(dào)了(le)工(gōng)業4.0時(shí)代，還要迅速補齊3.0時(shí)代落後的短闆部分。要把污水(shuǐ)廠(chǎng)排水(shuǐ)系統的自(zì)動化水(shuǐ)平逐漸完善提高(gāo)，這(zhè)樣才可以适應智能(néng)化的需求。
“解決問題的過程就是發現(xiàn)機遇的過程。”施漢昌指出，要真正解決問題，首先要優化工(gōng)藝，依據進、出水(shuǐ)的特點，優化工(gōng)藝條件和(hé)運行參數進行技改；其次，要提升裝備，淘汰不良裝備，加強運維，提升穩定性和(hé)可調節性；三要規範管理(lǐ)，改粗放(fàng)管理(lǐ)爲精細化管理(lǐ)，實現(xiàn)信息數據的規範化；四要凝練模型，理(lǐ)論+實踐的分析總結，實現(xiàn)運行經驗的數字化。
在解決問題方面，業内已經有一些(xiē)企業走在了(le)前面，比較有代表性的是北控水(shuǐ)務。施漢昌介紹，北控水(shuǐ)務在智能(néng)排水(shuǐ)技術的探索上(shàng)，做出了(le)很(hěn)好(hǎo)的成績。
北控水(shuǐ)務發布了(le)“污水(shuǐ)廠(chǎng)數字雙胞胎”概念版，以實際水(shuǐ)廠(chǎng)爲藍本，整合靜态數據、動态數據和(hé)生産管理(lǐ)數據，通過機理(lǐ)模型分析和(hé)大(dà)數據分析等方法，将水(shuǐ)廠(chǎng)過去、現(xiàn)在和(hé)未來(lái)的狀态進行直觀的呈現(xiàn)和(hé)預測，并結合專家系統提出建議(yì)，爲運營管理(lǐ)提供決策支持，并實現(xiàn)高(gāo)度保障、管理(lǐ)高(gāo)效、成本優化和(hé)産能(néng)挖潛的目的。爲實現(xiàn)北控水(shuǐ)務高(gāo)效卓越運營管理(lǐ)提供了(le)支撐，通過全流程的智能(néng)化控制，北控水(shuǐ)務運行的很(hěn)多水(shuǐ)廠(chǎng)實現(xiàn)了(le)節能(néng)降耗，實現(xiàn)了(le)整體成本的降低(dī)。
智慧水(shuǐ)務共享技術平台的建設
清華大(dà)學和(hé)北京協同創新研究院在“智慧水(shuǐ)務共享技術平台”的建設上(shàng)做了(le)很(hěn)多探索，施漢昌介紹，智慧水(shuǐ)務共享技術平台的建設，包括飲用(yòng)水(shuǐ)源安全管理(lǐ)、污水(shuǐ)處理(lǐ)優化運行、排水(shuǐ)管網優化運營和(hé)受納水(shuǐ)體安全管理(lǐ)四個闆塊，智慧水(shuǐ)務共享技術平台的這(zhè)四個闆塊通過一個用(yòng)戶友好(hǎo)對(duì)的網絡平台實現(xiàn)水(shuǐ)務領域共性先進技術的資源共享。
這(zhè)個平台包括了(le)整個水(shuǐ)務行業涉及到(dào)的各方面内容。如污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)智能(néng)化控制系統、智能(néng)加藥系統、精确曝氣系統，以及排水(shuǐ)管網監測預警系統等等。同時(shí)在飲用(yòng)水(shuǐ)方面，平台的特色之一是對(duì)生物毒性和(hé)微量污染物的自(zì)動監測和(hé)預警。在受納水(shuǐ)體方面，平台比較有特色的技術是高(gāo)密度監測和(hé)快(kuài)速檢測。目前這(zhè)兩方面還在發展，總的來(lái)講，平台具有監測、預警、控制、評估的功能(néng)。
排水(shuǐ)系統智能(néng)化的支撐技術
污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)以及管網是排水(shuǐ)系統中需要做技術支撐的兩個主要部分。
首先是污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)。污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)運行管理(lǐ)子系統中包括兩個部分：一是智能(néng)化運行控制子系統，二是智能(néng)化運行分析子系統。
施漢昌認爲，智能(néng)化本身建立在自(zì)動化的基礎上(shàng)，更側重于對(duì)數據的分析和(hé)決策。污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)智能(néng)化運行分析子系統包括運行管理(lǐ)問題查詢、出水(shuǐ)水(shuǐ)質超标判斷、最佳運行參數搜索、污水(shuǐ)處理(lǐ)性能(néng)評價。
下(xià)圖是運行問題查詢界面，收集的經驗和(hé)各種資料，包括污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)運行管理(lǐ)各階段的問題，可以通過查詢關鍵詞獲得。
之後将出水(shuǐ)水(shuǐ)質等數據輸入出水(shuǐ)水(shuǐ)質判斷頁面，就可以判斷水(shuǐ)質是否超标，如果超标，就會(huì)進一步分析超标的原因，以及針對(duì)問題應該采取哪些(xiē)對(duì)策，可以幫助運行人員很(hěn)好(hǎo)地解決問題。
工(gōng)藝運行參數搜索界面，可以搜集多個廠(chǎng)的數據，放(fàng)在數據庫中，通過對(duì)進水(shuǐ)的情況判斷，就可以通過搜索把能(néng)夠達标的運行條件提供出來(lái)。如果對(duì)于單廠(chǎng)有足夠的曆史數據，也(yě)可以做成數據集，從(cóng)中搜索該廠(chǎng)能(néng)夠運行達标的條件，從(cóng)而指導污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的穩定運行。
污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)性能(néng)評價界面，是根據污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的評價指标體系，建立的評價軟件，可以對(duì)污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)運行狀态進行評價和(hé)分析。
污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)運行管理(lǐ)子系統的另一部分是智能(néng)化運行控制子系統，該系統對(duì)來(lái)水(shuǐ)進行分析，污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的來(lái)水(shuǐ)經常變化。如果來(lái)水(shuǐ)有可能(néng)對(duì)出水(shuǐ)達标帶來(lái)威脅，系統就可以做到(dào)預警。
另外(wài)，智能(néng)化運行控制子系統也(yě)會(huì)對(duì)污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的除氮除磷進行控制，控制包括曝氣池供氣量、内回流量、外(wài)回流量、污泥排放(fàng)量以及加藥量等環節。
從(cóng)節能(néng)的角度來(lái)講，污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)一大(dà)能(néng)耗是曝氣，第二大(dà)能(néng)耗是進水(shuǐ)提升泵。針對(duì)這(zhè)兩方面如果能(néng)夠做到(dào)一定的優化，既可以達到(dào)節能(néng)的效果。
針對(duì)這(zhè)些(xiē)環節，技術平台主張采用(yòng)前饋和(hé)反饋的系統。一般來(lái)講，曝氣要設定溶解氧的值，确定以後，依據負荷變化以前饋調整設定值，以反饋保持受控變量的控制精度，兩者聯合起來(lái)會(huì)達到(dào)優良效果。
另外(wài)，現(xiàn)在常用(yòng)的是智能(néng)加藥，碳源投加和(hé)除磷都是加藥的一部分。施漢昌強調，碳源是在反硝化過程中用(yòng)的，整個工(gōng)程下(xià)來(lái)，可以節省10%—15%的加藥費用(yòng)，一套加藥系統裝上(shàng)去，大(dà)概一、兩年可以回收成本，相對(duì)比較劃算(suàn)。
化學除磷的加藥控制，可以參考下(xià)圖：中間是從(cóng)曝氣池裏面取水(shuǐ)樣，因爲污泥濃度很(hěn)高(gāo)，要有一個特殊的過濾系統，把水(shuǐ)樣裏面的污泥清除掉，這(zhè)就需要對(duì)加藥量的控制。
排水(shuǐ)管網管理(lǐ)系統的建立，首先要界定管網服務區(qū)域的邊界，然後要求把管網的數據存入一個GIS地圖。從(cóng)污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)往上(shàng)，将整個管網的服務區(qū)理(lǐ)清，理(lǐ)清之後，可以在一些(xiē)關鍵點裝上(shàng)儀器，有了(le)數據就可以用(yòng)曲線做分析。
實際上(shàng)要想知(zhī)道(dào)流量和(hé)水(shuǐ)質的變化，可以有各種參數進行選擇，如COD、電導率、氨氮、磷酸鹽、流量、液位等。
施漢昌指出，從(cóng)對(duì)排水(shuǐ)管網管理(lǐ)的角度來(lái)講，最好(hǎo)選擇比較便宜、耐用(yòng)，且維護量小(xiǎo)的儀器。COD、氨氮、磷酸鹽的監測儀器比較貴，維護量比較大(dà)，所以一般選擇電導率和(hé)液位兩個參數，由此可以建立模型，對(duì)管網的情況進行分析，最後，在管理(lǐ)平台進行分析，得到(dào)對(duì)策，指導管網的調度和(hé)運行。
現(xiàn)在行業普遍關注廠(chǎng)網的聯合調度，這(zhè)是比較好(hǎo)的一種狀況。但(dàn)是目前來(lái)講，廠(chǎng)網聯合調度，前提是廠(chǎng)本身的智能(néng)化運行，其次要有管網的智能(néng)化管理(lǐ)，兩者結合起來(lái)才能(néng)做好(hǎo)廠(chǎng)網的運行調度。通過聯合調度，可以有效解決内澇問題，未來(lái)廠(chǎng)網的聯合調度也(yě)是一大(dà)趨勢。
智慧水(shuǐ)務在排水(shuǐ)行業發展空(kōng)間巨大(dà)
智慧水(shuǐ)務是信息化大(dà)潮推動的必然産物，是水(shuǐ)務行業發展的剛需。污水(shuǐ)處理(lǐ)領域基礎薄弱、欠賬比較多，需要實事(shì)求是地推進。
目前，首要的目标是穩定達标和(hé)節能(néng)降耗，将來(lái)再發展可以做到(dào)少人值守，甚至無人值守。随着信息化技術、自(zì)動化技術等的發展，污水(shuǐ)廠(chǎng)全流程的智能(néng)化少人水(shuǐ)廠(chǎng)運營形式也(yě)會(huì)發展起來(lái)。
總的來(lái)講，智慧水(shuǐ)務在排水(shuǐ)行業中有很(hěn)好(hǎo)的發展空(kōng)間。施漢昌總結認爲，源、網、廠(chǎng)、水(shuǐ)體分立的體制已經不能(néng)适應目前大(dà)環境的需求，水(shuǐ)務管理(lǐ)必将以水(shuǐ)系統爲對(duì)象實現(xiàn)統一管理(lǐ)與發展。其次，我國已建成運行4000餘座污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)，并有巨大(dà)的配套管網，按照工(gōng)程壽命30年計(jì)算(suàn)，短期内不可能(néng)大(dà)量重建，重點是優化運行和(hé)技術改造，智慧水(shuǐ)務具有良好(hǎo)的市場前景。三是，智慧水(shuǐ)務共享技術将在水(shuǐ)務行業解決“物聯網+”和(hé)大(dà)數據的内在聯系，将努力推動智慧水(shuǐ)務的發展。
