污水變清有“玲瓏”和“精靈”

周小凱 張雅慧 王曦卉 曾詩婧

2021年，我和不同專業(yè)的幾位伙伴共同成立了北京交通大學(xué)“灃潮至數(shù)科技項(xiàng)目組”，致力于污水處理項(xiàng)目。

市面上傳統(tǒng)的污水處理方式大多會(huì)用到生物污泥，它可以有效處理污水，但在處理完后，生物污泥就是最大的污染物，是沒有辦法被降解的。在導(dǎo)師和就業(yè)創(chuàng)業(yè)中心老師的幫助下，我們項(xiàng)目組提出解決辦法，在項(xiàng)目中避免使用傳統(tǒng)污泥凈化，使用一種人工水草（人工水草是由高分子材料復(fù)合而成，不受透明度、光照等限制，在我國污水處理和河流生態(tài)修復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用前景）作為替代，研發(fā)出了名為“水玲瓏”和“水精靈”的凈水設(shè)備。

“水玲瓏”從遠(yuǎn)處看酷似一個(gè)方形的盒子，近看，盒子內(nèi)置三個(gè)裝置室：電極室、共生室和過濾室。不同于市面上傳統(tǒng)的凈水裝置，“水玲瓏”最大的特點(diǎn)是在共生室采用了藻類與水生植物共生體系，以人工水草為凈水原料，采用生物電化學(xué)技術(shù)去除污染物，并可以從使用后的人工水草中提取生長素，用在化肥領(lǐng)域。剩下的部分可進(jìn)一步作為燃料使用，達(dá)到資源的多次利用。

“水精靈”的造型則類似一臺小巧的洗衣機(jī)，主要由自動(dòng)比色裝置、智能凈水室、自動(dòng)耗材更換裝置和X形軸桿四大部分組成，其中還有兩個(gè)大的凈水箱，通過水源碳化法對污水進(jìn)行補(bǔ)充凈化?！八`”裝置小巧，面向廣大無能力建立污水處理廠的地區(qū)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)凈水。

“水玲瓏”和“水精靈”可以說是兩款“基于深度學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)的集成化污水處理裝置”。由于污水中的成分是比較復(fù)雜的，不同區(qū)域的污染物種類、濃度都不一樣，于是我們創(chuàng)新性地將大數(shù)據(jù)算法和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融入傳統(tǒng)凈水行業(yè)中，研發(fā)設(shè)計(jì)了配套的檢測平臺和APP，實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理體系的運(yùn)行情況，并進(jìn)行污水處理的比例設(shè)定。

如果使用深度學(xué)習(xí)，需要數(shù)以萬計(jì)的龐大數(shù)據(jù)量，這些數(shù)據(jù)靠我們在實(shí)驗(yàn)室純?nèi)肆ψ龀鰜磉€是比較難的。而且之前沒有類似的研究，且需要比較強(qiáng)的專業(yè)交互，我們摸著石頭過河，只能在底層算法上有所創(chuàng)新。

除此之外，我們花費(fèi)一年時(shí)間同步進(jìn)行實(shí)地污水?dāng)?shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和仿真模擬，最終研發(fā)出了屬于自己的水質(zhì)數(shù)據(jù)平臺和移動(dòng)端APP。使用深度學(xué)習(xí)算法，我們前期用大量的數(shù)據(jù)重復(fù)不斷地教計(jì)算機(jī)去做一件事，建立起水體情況和凈水目標(biāo)數(shù)據(jù)庫?；谶@些數(shù)據(jù)，我們的系統(tǒng)能做到智能分析預(yù)測，為不同地區(qū)、不同場景下的污水匹配最優(yōu)解。假如某個(gè)區(qū)域污水中的有機(jī)物是這個(gè)比例，重金屬是那個(gè)比例，我們的系統(tǒng)可以先分成大組，再細(xì)分出小組，綜合讓每一種污染物都在最適條件下得到最優(yōu)處理。這樣不僅處理效果好，成本也更低。

我們先后在北京、山東和河南等地打造了11個(gè)農(nóng)村農(nóng)戶生活污水處理體系試點(diǎn)項(xiàng)目。經(jīng)過一年的項(xiàng)目試點(diǎn)建設(shè)，較以往的農(nóng)村污水回用率提高了46.8%。

我國高鐵迅猛發(fā)展，每年集便器廢水排放量高達(dá)510多萬噸。當(dāng)前高鐵污水面臨的是集中處理、人工吸污的現(xiàn)狀，列車需按線路行駛到有條件的站段或終點(diǎn)站才能將全程產(chǎn)生的污水進(jìn)行人工吸污、集中處理。

我們以“水玲瓏”和“水精靈”為原型打造了一款高鐵廢液循環(huán)處理裝置。該裝置主體由長方體的糞便處理器以及圓柱體的活性炭過濾器和膜蒸餾裝置組成，連接紫外消毒裝置以及尿液收集箱。我們探索了源分離、炭吸附、膜蒸餾等多種凈化技術(shù)，其中更是首創(chuàng)了膜蒸餾裝置。膜蒸餾是一種新型的膜分離技術(shù)，其原理為通過疏水膜兩側(cè)的溫度冷熱不同而形成的蒸汽壓力差，形成動(dòng)力驅(qū)使液體傳動(dòng)。在分離過程中，在膜熱的一側(cè)，液體受熱揮發(fā)并以氣態(tài)的形式穿過分離膜，然后在膜冷的一側(cè)形成液體，而膜熱的一側(cè)其他物質(zhì)不能通過膜，由此實(shí)現(xiàn)對處理液體進(jìn)行分離純化的過程。

在我們團(tuán)隊(duì)的廁所廢液處理實(shí)際案例當(dāng)中，當(dāng)糞尿混合物流入糞便處理器中時(shí)，通過源分離技術(shù)可使糞便和尿液分別進(jìn)入不同的收集箱，之后用生物炭吸附柱對污水進(jìn)行預(yù)處理，接著通過膜蒸餾技術(shù)使得液體升溫，利用蒸汽壓差透過膜得到回用水和濃縮尿液，并對其進(jìn)行紫外消毒處理。對于分離后的糞便則采用烘干造粒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)回收利用，不僅解決了污物難處理、所占空間大、易造成堵塞等問題，而且實(shí)現(xiàn)了污物的二次利用，一舉多得。最重要的是，通過以上的處理體系技術(shù)升級，我們做到了讓污水可以原位處理，在車上就能實(shí)現(xiàn)廢液循環(huán)。

此裝備融合污水處理、小程序控制、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)械自動(dòng)化、云計(jì)算于一體，通過我們自己研發(fā)設(shè)計(jì)的配套監(jiān)測平臺和APP，可以實(shí)時(shí)展現(xiàn)污水處理體系的運(yùn)行狀況，及時(shí)進(jìn)行報(bào)修、檢修的反饋。

此裝備由北京交通大學(xué)環(huán)境材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品生產(chǎn)，并和中國中車合作，在CRH380B型號列車上使用，首次裝配達(dá)20余輛；在昆明南動(dòng)車所旅客列車投入使用，裝配超過30輛車。

隨著項(xiàng)目的有序推進(jìn)，不斷有計(jì)算機(jī)、信息工程、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的伙伴加入進(jìn)來，灃潮至數(shù)科技項(xiàng)目組形成了一個(gè)超過50人的團(tuán)隊(duì)?！盀柍笨萍肌悄芨哞F廢液循環(huán)化技術(shù)領(lǐng)航者”項(xiàng)目還獲得了第八屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽主賽道全國金獎(jiǎng)。

責(zé)任編輯：賈倩穎