污水處理廠智慧化轉(zhuǎn)型的分析與建議

摘要：本文分析了我國污水處理廠向智慧化轉(zhuǎn)型的現(xiàn)狀，探討了智慧化與智能化的區(qū)別與緊密聯(lián)系。針對當前推行智慧化過程中遇到的瓶頸，如監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量不足、投入回報率缺乏固定的衡量標準等，提出了相應(yīng)的解決思路。旨在通過技術(shù)創(chuàng)新與模式優(yōu)化，推動污水處理廠實現(xiàn)更高效、智能的運營與管理，促進水資源的可持續(xù)利用與環(huán)境保護。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；智能化；智慧化；節(jié)能降耗

DOI：10.12433/zgkjtz.20241938

在工業(yè)4.0的浪潮推動下，伴隨著智能化的強勁動力以及Open—AI的橫空出世所帶來的加速效應(yīng)，我國水務(wù)行業(yè)的智慧化轉(zhuǎn)型逐漸被提上日程。污水處理領(lǐng)域已經(jīng)展開了許多智能化嘗試，特別是在節(jié)能降耗方面的先進控制技術(shù)。然而，從目前的情況來看，這些嘗試大多局限于部分工藝單元的智能化，水務(wù)行業(yè)要實現(xiàn)從廠到網(wǎng)的整個系統(tǒng)、全流程的綜合性變革，還有很長的路要走。

一、我國污水處理廠轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀分析

目前，我國污水處理廠普遍采用三級處理工藝，雖已配備基礎(chǔ)的自動化控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)水平參差不齊，主要問題如下：第一，污水廠運行中的工藝決策高度依賴水廠運行人員的經(jīng)驗，工藝參數(shù)的控制主觀性較強，較為粗放。第二，運維人員素質(zhì)差異大，導(dǎo)致運行水平不一，問題響應(yīng)滯后，尤其夜間管理薄弱，難以應(yīng)對突發(fā)事件。第三，污水廠采用多班交替的運營方式，日常運營管理中手工報表繁多，部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)還需手動錄入電腦進行逐層上報。第四，水廠的設(shè)備巡檢維養(yǎng)等工作比較滯后，總是在設(shè)備出現(xiàn)問題后才會引起重視，并且紙質(zhì)的維修記錄單查找起來比較困難，難以建立起設(shè)備壽命周期內(nèi)的巡檢維修記錄及設(shè)備維修預(yù)提醒等功能。第五，廠網(wǎng)數(shù)據(jù)未及時共享，造成廠網(wǎng)聯(lián)動反應(yīng)滯后。

2017～2020年，在中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會的帶領(lǐng)下，珠海卓邦科技有限公司對全國1000多家代表性水務(wù)企業(yè)開展了智慧水務(wù)建設(shè)調(diào)研。其中，95%以上的企業(yè)正在密切關(guān)注智慧水務(wù)的行業(yè)動態(tài)，越來越多的數(shù)字化領(lǐng)先水務(wù)企業(yè)都在啟動頂層設(shè)計工作；80%以上的企業(yè)認同智慧水務(wù)在提升效率、管理增效、提升企業(yè)形象、保障安全等方面的價值；77.4%的企業(yè)發(fā)展智慧水務(wù)的動力來源于內(nèi)部的發(fā)展戰(zhàn)略需求，46.8%的企業(yè)則來源于外部環(huán)境的推動；60%以上的企業(yè)表示高管對于智慧水務(wù)支持力度極大，包括組織、資金、政策、人員支持等方面；在智慧水務(wù)發(fā)展的過程中，65%的企業(yè)關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，52%的企業(yè)關(guān)注信息系統(tǒng)覆蓋范圍的拓展，56%的企業(yè)關(guān)注集成整合，60%以上的企業(yè)關(guān)注數(shù)據(jù)資源的挖掘利用。

二、智慧化與智能化的區(qū)別與聯(lián)系

國際水協(xié)會通常將智慧化分為數(shù)據(jù)、信息、智能、智慧四個階段。目前，水務(wù)行業(yè)正處在信息與智能的過渡期。智能化是指能夠按照既定程序工作，具備自我判斷能力，知曉在何時暫?；蜷_始工作。此外，它還擁有感知能力，可以感知外部環(huán)境和接收外部信息，在接收信息后，對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行比對、分析、計算、判斷以及決策。在智能化基礎(chǔ)上，智慧化進一步將人類的心理、語言等因素融入其中，增加了情感等維度的判斷。智慧化能夠通過與人互動進行學(xué)習(xí)，理解和吸收人的反應(yīng)和反饋，不斷進步。智慧化是自動化、信息化、智能化等技術(shù)發(fā)展的終極目標，旨在實現(xiàn)更高層次的自主性和智能化水平。

智慧化污水廠是一項涉及多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)工程，包括水廠、管網(wǎng)、泵站等關(guān)鍵部分，以及水泵、閥門、風(fēng)機和微生物等眾多要素。同時，它還涵蓋了傳感層、處理層和決策層的綜合布局。每個環(huán)節(jié)都與其他環(huán)節(jié)緊密相連，因此，智慧化污水廠的每個部分都需進行精細設(shè)計和規(guī)劃。在當前的智慧化水廠探索中遇到了一些挑戰(zhàn)，在一定程度上限制了智慧化水廠的廣泛推廣。在智能化蓬勃發(fā)展及水務(wù)行業(yè)高精尖發(fā)展的趨勢下，污水廠的智慧化轉(zhuǎn)型已成為行業(yè)共識。在智慧化蓬勃發(fā)展的當下，智慧污水廠的構(gòu)建不僅是順應(yīng)時代潮流的必然選擇，更是推動水務(wù)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的未來趨勢與必由之路。

三、現(xiàn)階段污水處理廠智慧化推行的瓶頸

（一）基礎(chǔ)傳感力缺失，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量不足

現(xiàn)階段，污水廠在運用在線監(jiān)測系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)時存在一些問題。首先，部分儀器的運行穩(wěn)定性無法得到保證，即使在使用前經(jīng)過了調(diào)試和校準，依然存在讀數(shù)偏差，這直接影響了監(jiān)測數(shù)值的精確度。其次，為了盡可能提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準度，在線監(jiān)測系統(tǒng)大多采用了進口儀器，這導(dǎo)致維護和保養(yǎng)的成本較高。再次，大部分儀器設(shè)備直接或間接接觸污水，使得設(shè)備的清潔工作變得更加困難，未能定期進行清潔和保養(yǎng)的設(shè)備在長期運行中容易出現(xiàn)誤差。最后，一些污水廠的監(jiān)測系統(tǒng)所配置的儀器設(shè)備尚未達到較高層次的自動化控制要求，比如儀器數(shù)量不足或現(xiàn)有設(shè)備的配套功能不夠完善，這些因素迫使不得不進行人工巡查，以增加監(jiān)測的可靠性。解決監(jiān)測設(shè)備成本高、維護繁瑣、數(shù)據(jù)精準度不足的問題，以及有效地收集、存儲、分析與應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為當前面臨的一項重要挑戰(zhàn)。

（二）投入回報率缺乏固定的衡量標準

智慧水廠項目的成本涵蓋了設(shè)備購置、系統(tǒng)構(gòu)建、維護及運營等多個方面。從節(jié)約能源、減少藥劑使用到提升運營效率，項目所能帶來的收益也是多方面的。在做出投資決策時，智慧水廠的投入回報率是關(guān)鍵考量因素。如何在確保效率穩(wěn)步提升的同時有效降低成本，是當前水廠突破發(fā)展瓶頸的核心問題。目前，智慧水廠的評價標準尚未統(tǒng)一，導(dǎo)致在節(jié)能減排等成效的驗收上缺乏明確的標準，而且在出水質(zhì)量出現(xiàn)問題時，責任界定容易產(chǎn)生爭議，這些都是智慧水廠推廣面臨的難題。由于缺少統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標準，不同廠商和供應(yīng)商開發(fā)的智慧水務(wù)管理系統(tǒng)常常出現(xiàn)兼容性和互操作性問題，這不僅加劇了系統(tǒng)集成的復(fù)雜度和成本，也影響了智慧水務(wù)的普及與應(yīng)用。

（三）智慧化管理的精準性、可靠性有待提高

污水處理過程中，由于進水波動頻繁且生化反應(yīng)機理復(fù)雜，使得精確建模面臨挑戰(zhàn)，需要在預(yù)測精度、響應(yīng)時間和算力成本之間權(quán)衡。在實現(xiàn)智慧化水廠的過程中，算法模型、數(shù)據(jù)和應(yīng)用場景是核心的開發(fā)要素。特定場景通常需要特定的算法支持，而不同的數(shù)據(jù)也需要匹配相應(yīng)的算法模型。智慧化水廠開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：算法模型種類繁多、選擇合適的算法模型困難，不同算法之間的耦合問題復(fù)雜。目前，智慧化水廠在穩(wěn)定性和精確性方面仍有待提升，且在自主決策和學(xué)習(xí)能力方面存在不足，這些因素都需要進一步強化智慧化控制的研究。

（四）相關(guān)標準的缺失

在標準制定方面，現(xiàn)行智慧水務(wù)方向缺乏頂層的標準規(guī)范，智慧化需要達到的智慧水平?jīng)]有標準的衡量，在節(jié)能降耗方面也缺乏標準的對比條件，地方標準主要集中在一些發(fā)達地區(qū)，區(qū)域發(fā)展不均衡?，F(xiàn)行團體標準側(cè)重方向與各協(xié)會業(yè)務(wù)范圍相關(guān)，因此智慧水務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)從頂層加強標準的制定和指導(dǎo)。

四、推行污水處理廠智慧化的解決思路

（一）重視數(shù)據(jù)的收集、治理和價值應(yīng)用

在水務(wù)行業(yè)追求“提質(zhì)增效”的當下，兩個關(guān)鍵能力凸顯：網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和數(shù)據(jù)智能，后者尤為核心。

首先，需著力研發(fā)既迅速又精確且成本相對較低的監(jiān)測技術(shù)，以便每個污水處理廠都能配備足夠的可靠傳感器，從而在現(xiàn)場感知層面獲取充足的可靠數(shù)據(jù)。這包括探索基于最新光學(xué)微納米傳感技術(shù)的新可能性，以及通過與圖像識別技術(shù)的結(jié)合，拓寬傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍。

其次，面對數(shù)據(jù)智能的挑戰(zhàn)，必須構(gòu)建一套完善的數(shù)據(jù)機制。從水務(wù)行業(yè)的角度出發(fā)，這可以被視作一個由數(shù)據(jù)構(gòu)成的污水處理廠，為了確保自動化和安全系統(tǒng)的連續(xù)運行，水廠必須確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，并最終將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為資產(chǎn)。探討建立數(shù)據(jù)中臺時，可以參考阿里巴巴提出的“匯、通、管、用、評”建設(shè)理念，其中，“匯”指的是匯集多樣化的數(shù)據(jù)；“通”是指按照統(tǒng)一標準使數(shù)據(jù)互通；“管”是指根據(jù)業(yè)務(wù)需求對數(shù)據(jù)進行分類管理和標注；“用”是指利用各種模型對數(shù)據(jù)進行處理和應(yīng)用；“評”則是對上述環(huán)節(jié)進行評估，以優(yōu)化數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)循環(huán)。

最后，應(yīng)加強工藝技術(shù)在異常和突發(fā)情況下的數(shù)據(jù)篩選能力，有效剔除錯誤數(shù)據(jù)并替換為正確數(shù)據(jù)，確保用于智慧控制的數(shù)據(jù)實時性和準確性。

（二）分階段、分模塊、標準化逐步實施

智慧水廠是一項系統(tǒng)性工程，其建設(shè)過程也不可能一蹴而就，企業(yè)逐漸認識到頂層設(shè)計的重要性，并開始在頂層規(guī)劃的過程中分階段、分模塊、標準化的逐步實施。例如，優(yōu)先實施單元級別的智能控制，然后擴展到全廠范圍，最終實現(xiàn)廠、網(wǎng)、城一體的閉環(huán)控制。同時，需要明確節(jié)能降耗的比較標準、智能控制的精度要求以及出水超標的責任范圍。各行業(yè)正逐步放棄獨立的專用協(xié)議，轉(zhuǎn)而采用通用的標準和協(xié)議，以促進不同產(chǎn)品和系統(tǒng)間的深度融合和互操作性。隨著智慧水務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟發(fā)展，統(tǒng)一行業(yè)標準、開放數(shù)據(jù)接口和構(gòu)建技術(shù)生態(tài)圈將成為未來的重要趨勢。

航天建設(shè)所屬華航環(huán)境在貴陽市貴醫(yī)再生水廠（日處理能力5萬噸）實施了RBS智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括精準回流、精準曝氣、精準加藥和全廠閉環(huán)控制功能?？蛻艨梢愿鶕?jù)自身實際情況，靈活選擇和切換進入智能控制的模塊和程序。RBS智能控制系統(tǒng)已在貴醫(yī)再生水廠穩(wěn)定運行三年，平均節(jié)能和節(jié)藥效果達到20%，不僅為客戶降低了運行成本，也減少了水廠的碳排放，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和社會效益的雙重提升。

（三）以工藝機理知識為基礎(chǔ)，注重不斷深度學(xué)習(xí)，定制化智慧水廠解決方案

由于各水務(wù)公司在資源條件和技術(shù)能力方面存在不同的狀況，因此，為各個水廠提供專屬的智慧水廠解決方案，可以更有效地適應(yīng)各自的特點和需求，進而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和投資效益。智慧水廠的實質(zhì)基礎(chǔ)是其水廠工藝，這一基礎(chǔ)決定了水廠的水質(zhì)、水量及其內(nèi)部的關(guān)聯(lián)機制。因此，一套優(yōu)秀的智慧化解決方案，必須立足于對工藝機理的深刻理解，而數(shù)字化技術(shù)在這一方案中，如同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，負責數(shù)據(jù)的收集、傳輸和處理。若僅有數(shù)字化技術(shù)而缺乏對工藝機理的洞察，便如同沒有思維的大腦，如果二者不能有效結(jié)合，那么智慧水廠的發(fā)展便失去了其核心價值。

智慧水廠通過不斷地對已有數(shù)據(jù)進行深入學(xué)習(xí)，不僅能夠掌握單一單元的知識，還能夠理解不同單元之間的相互作用。這種持續(xù)的訓(xùn)練和完善，有助于提升智慧水廠的數(shù)據(jù)模型，增強其自主決策和學(xué)習(xí)能力，從而提高水廠的穩(wěn)定性和精準度。同時，還應(yīng)當運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，推動企業(yè)的維護策略從響應(yīng)式向預(yù)測性轉(zhuǎn)變，優(yōu)化資產(chǎn)在整個生命周期內(nèi)的運營效率。隨著數(shù)據(jù)模型的持續(xù)進化和大型模型的日益成熟，預(yù)測性在未來應(yīng)用中的價值將愈發(fā)顯著。

（四）從國家層面完善相關(guān)標準規(guī)范建設(shè)

從2020年起，國家已經(jīng)開始注重對智慧水務(wù)標準的建設(shè)，住建部發(fā)布《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2020年科學(xué)技術(shù)項目計劃》，立項通過了《智慧水務(wù)標準體系建設(shè)研究》課題，由中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會承擔，多家水務(wù)單位合作參與。2023年6月1日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《2023年工程建設(shè)規(guī)范標準編制及相關(guān)工作計劃》，內(nèi)容涵蓋工程建設(shè)強制性國家規(guī)范、工程建設(shè)標準（國家標準、行業(yè)標準、產(chǎn)品標準）、標準翻譯、國際標準和專項工作，合計178項。該標準將緊密結(jié)合水務(wù)行業(yè)的業(yè)務(wù)特點，構(gòu)建水務(wù)信息系統(tǒng)的安全架構(gòu)，同時給出架構(gòu)中各元素的具體安全技術(shù)要求，適用于城鄉(xiāng)水務(wù)行業(yè)信息系統(tǒng)的安全建設(shè)、規(guī)劃、驗收等。國家頂層標準規(guī)范的加持，是對水廠智能化建設(shè)的把關(guān)，對于智慧水廠良好發(fā)展具有推進作用。

五、結(jié)論與展望

總之，智慧型水廠發(fā)展面臨的難題及其解決之道是一個融合了技術(shù)創(chuàng)新、管理策略、政策法規(guī)及標準制定等多方面因素的復(fù)雜問題，必須從多元化的視角探討應(yīng)對之策。而智慧水務(wù)是信息技術(shù)、AI大模型技術(shù)及各種算法深度融合的新興領(lǐng)域，其在提高水廠管理質(zhì)量和效率、降低人員成本、節(jié)能降耗、解決水資源短缺等方面具有重要意義。

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作者簡介：成國棟（1987），男，山西省人，碩士，高級工程師，主要研究方向為水廠信息自動化智慧化控制。