環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在污水處理中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)，我國(guó)環(huán)境保護(hù)力度不斷加大，污水處理已成為環(huán)境保護(hù)工作的重要一環(huán)。隨著技術(shù)的迅猛進(jìn)步，環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)為污水處理廠的精細(xì)化管理和高效運(yùn)營(yíng)開(kāi)辟全新的途徑。環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)主要由3部分組成，即數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘。結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)組成，分析環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在污水處理領(lǐng)域的作用，深入研究環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢(shì)。研究表明，環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)有助于提高污水處理廠運(yùn)行效率，強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，高效管理排水管網(wǎng)，科學(xué)制定水環(huán)境規(guī)劃與政策。未來(lái)，要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，將環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)深入應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域，提升污水處理效能，促進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；大數(shù)據(jù)；污水處理；技術(shù)創(chuàng)新；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-0-03

Application of Environmental Monitoring Big Data in Sewage Treatment

WEI Shuwen

（Guangxi Zhongzhen Testing Technology Co.， Ltd.， Liuzhou 545000， China）

Abstract： In recent years， China’s environmental protection efforts have been continuously increasing， and sewage treatment has become an important part of environmental protection work. With the rapid advancement of technology， environmental monitoring big data has opened up new avenues for the refined management and efficient operation of sewage treatment plants. The big data technology for environmental monitoring mainly consists of three parts， namely data collection and transmission， data storage and management， and data analysis and mining. Combined environmental monitoring big data technology， the role of environmental monitoring big data is analyzed in the field of sewage treatment， and the in-depth research is conducted on the technological innovation and development trends of environmental monitoring big data applications. Research has shown that environmental monitoring big data can help improve the operational efficiency of sewage treatment plants， strengthen water quality monitoring and early warning， efficiently manage drainage networks， and scientifically formulate water environment planning and policies. In the future， it is necessary to strengthen technological innovation， deeply apply environmental monitoring big data in the field of sewage treatment， improve sewage treatment efficiency， and promote the continuous improvement of water environment quality.

Keywords： environmental monitoring; big data; sewage treatment; technological innovation; development trends

水資源是人類(lèi)生存與發(fā)展的基石，隨著工業(yè)化和城市化步伐的加快，水污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，污水處理已經(jīng)成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。面對(duì)日益復(fù)雜多變的污水排放情況，傳統(tǒng)的污水處理手段逐漸顯現(xiàn)出效率低、精確度不夠等短板。作為新興技術(shù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)通過(guò)全面采集、妥善存儲(chǔ)、深入分析以及有效利用海量、多源頭、結(jié)構(gòu)多樣的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)槲鬯幚硖峁└涌茖W(xué)和精確的決策支持，實(shí)現(xiàn)污水處理流程的全面精細(xì)化管理和優(yōu)化調(diào)控。深入研究環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在污水處理中的應(yīng)用，對(duì)于提高污水處理效能和改善水環(huán)境質(zhì)量具有極為重大的意義。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)技術(shù)組成

1.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛，不僅涵蓋污水處理廠內(nèi)部的各類(lèi)傳感器和在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，還涉及外部的流域監(jiān)測(cè)站和氣象站等。這些設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集污水流量、多種水質(zhì)指標(biāo)以及氣象參數(shù)等數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式一直發(fā)揮作用，如有線傳輸，但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)具有覆蓋范圍廣、功耗低、支持大量設(shè)備連接等優(yōu)勢(shì)，能夠很好地滿足大規(guī)模分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際需求[1]。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)以體量大、速度快、類(lèi)型多樣等特點(diǎn)著稱(chēng)，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在處理這些數(shù)據(jù)時(shí)顯得力不從心，而分布式文件系統(tǒng)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。分布式文件系統(tǒng)將大量數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，有效地提升數(shù)據(jù)的可靠性和讀寫(xiě)性能。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)則能夠靈活地處理半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，借助鍵值對(duì)、文檔、列族等數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢。此外，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)常用于對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理，通過(guò)構(gòu)建面向主題的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，為數(shù)據(jù)的多維分析和決策支持提供便利。

1.3 數(shù)據(jù)分析與挖掘

數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用中占據(jù)核心地位，常用的分析方法包括統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等。統(tǒng)計(jì)分析可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，揭示數(shù)據(jù)的基本特征和內(nèi)在規(guī)律。線性回歸、決策樹(shù)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法則被用于建立污水處理過(guò)程的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)和處理效果的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)算法在圖像識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域取得顯著的成就，近年來(lái)逐漸在污水處理領(lǐng)域得到應(yīng)用。通過(guò)分析與挖掘，可以從海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提煉有價(jià)值的信息，為污水處理的科學(xué)決策提供有力支撐[2]。

2 環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在污水處理領(lǐng)域的作用

2.1 提高污水處理廠運(yùn)行效率

通過(guò)深入分析污水處理廠各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建污水處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而精細(xì)化調(diào)整處理工藝的參數(shù)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以探究曝氣量、污泥回流比、水力停留時(shí)間等參數(shù)與出水水質(zhì)指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系，從而確定最佳的工藝參數(shù)組合，在確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，有效地降低能耗與藥耗。此外，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能被用于設(shè)備的故障診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù)。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，可以建立設(shè)備故障的預(yù)測(cè)模型，提前察覺(jué)潛在故障，及時(shí)安排設(shè)備維護(hù)，從而減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提升污水處理廠運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

2.2 強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警

基于環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型，對(duì)污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)、出水水質(zhì)以及受納水體水質(zhì)進(jìn)行短期、中期乃至長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)。可以采用時(shí)間序列分析方法對(duì)歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，以預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。同時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立水質(zhì)多參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。該模型綜合考慮氣象因素、水文條件、污染源排放等因素對(duì)水質(zhì)的影響，進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)的精確度。水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果和預(yù)設(shè)的預(yù)警閾值，及時(shí)發(fā)出水質(zhì)超標(biāo)的預(yù)警信息，為污水處理廠調(diào)整處理工藝和相關(guān)部門(mén)采取應(yīng)急措施提供寶貴的時(shí)間窗口，從而有效地預(yù)防和控制水污染事件的發(fā)生，保護(hù)水環(huán)境安全[3]。

2.3 高效管理排水管網(wǎng)

利用環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析排水管網(wǎng)的流量、水位、水質(zhì)等信息。通過(guò)構(gòu)建排水管網(wǎng)的水力模型，可以模擬污水在管網(wǎng)中的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)評(píng)估與故障診斷?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷管網(wǎng)是否存在堵塞和滲漏等問(wèn)題，并準(zhǔn)確確定問(wèn)題的位置與范圍，為管網(wǎng)的維護(hù)與修復(fù)提供有力依據(jù)。此外，大數(shù)據(jù)分析能用于排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與規(guī)劃。通過(guò)深入分析歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以評(píng)估現(xiàn)有管網(wǎng)的排水能力與負(fù)荷分布，預(yù)測(cè)未來(lái)城市發(fā)展對(duì)排水管網(wǎng)的需求，從而為管網(wǎng)的擴(kuò)建、改造以及新管網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)，進(jìn)一步提高排水管網(wǎng)的運(yùn)行效率與服務(wù)水平。

2.4 科學(xué)制定水環(huán)境規(guī)劃與政策

環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)能夠全面反映區(qū)域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量、污染源分布與排放情況以及污水處理設(shè)施的運(yùn)行效果等信息，為水環(huán)境的科學(xué)規(guī)劃與政策的有效制定提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。大數(shù)據(jù)分析可以準(zhǔn)確識(shí)別水環(huán)境的主要污染源與污染特征，確定重點(diǎn)污染區(qū)域與保護(hù)目標(biāo)，從而制定水污染防治規(guī)劃與減排策略。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 智能傳感器技術(shù)的革新

智能傳感器作為環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的核心前端設(shè)備，正經(jīng)歷前所未有的技術(shù)革新。新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器巧妙地融合納米材料與微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)，減小體積，同時(shí)精確地測(cè)量化學(xué)需氧量、氨氮、重金屬離子等多種關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)，與傳統(tǒng)傳感器相比，其檢測(cè)精度明顯提升，功耗顯著降低。城市污水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以采用新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)傳感器的自主組網(wǎng)與智能化數(shù)據(jù)采集。

3.2 大數(shù)據(jù)分析算法的持續(xù)優(yōu)化

隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析算法在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化。污水處理企業(yè)可以與科研機(jī)構(gòu)攜手，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法優(yōu)化污水處理工藝。在復(fù)雜的污水處理環(huán)境中，人工智能設(shè)備不斷進(jìn)行試錯(cuò)與學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量和藥劑投放量等關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，在確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，污水處理廠能耗降低，化學(xué)藥劑消耗減少。深度學(xué)習(xí)算法可以應(yīng)用在水質(zhì)預(yù)測(cè)領(lǐng)域，通過(guò)精心構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)河流、湖泊等地表水體的水質(zhì)變化趨勢(shì)。該模型充分整合歷年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及周邊污染源排放數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)大量的訓(xùn)練與優(yōu)化，相較于傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，其顯著提高未來(lái)一周水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。該模型能夠提前精準(zhǔn)地識(shí)別潛在的水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)，為及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施提供有力的技術(shù)支持[4]。

3.3 云計(jì)算與邊緣計(jì)算的協(xié)同工作

云計(jì)算與邊緣計(jì)算的緊密協(xié)作正在重塑污水處理領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)。城市污水處理系統(tǒng)可以巧妙地構(gòu)建云邊一體化架構(gòu)。邊緣端部署各污水處理廠和污水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的邊緣計(jì)算設(shè)備，實(shí)時(shí)且高效地處理采集的流量和水質(zhì)等數(shù)據(jù)。一旦某一節(jié)點(diǎn)的設(shè)備檢測(cè)到水質(zhì)異常波動(dòng)或設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超出正常范圍，邊緣計(jì)算設(shè)備就能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成初步分析，并立即發(fā)出預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)本地故障的即時(shí)判斷與報(bào)警。同時(shí)，這些邊緣設(shè)備會(huì)將處理后的數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)中心。云端憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠綜合評(píng)估整個(gè)城市區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量，深入分析不同區(qū)域污水處理廠的協(xié)同效應(yīng)與優(yōu)化潛力。

3.4 數(shù)據(jù)融合與可視化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

當(dāng)前，可以采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，全面整合不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)的流域地形與管網(wǎng)分布數(shù)據(jù)以及污水處理廠內(nèi)部的工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)涵蓋空間維度、時(shí)間維度和工藝維度的多維度數(shù)據(jù)模型，通過(guò)深入的數(shù)據(jù)挖掘與分析，揭示不同數(shù)據(jù)的潛在關(guān)聯(lián)與規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大的交互式三維動(dòng)態(tài)可視化平臺(tái)，實(shí)時(shí)地以三維立體圖形展示污水處理廠的工藝流程，以動(dòng)態(tài)曲線呈現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，并以虛擬模型直觀地反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。管理人員只需要通過(guò)觸摸屏幕進(jìn)行簡(jiǎn)單的縮放、旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)擊等操作，就能夠從多個(gè)角度深入觀察污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行細(xì)節(jié)[5]。

4 結(jié)論

環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)在污水處理中的應(yīng)用展現(xiàn)出廣闊的前景與巨大的潛力。通過(guò)數(shù)據(jù)采集與傳輸、存儲(chǔ)與管理、分析與挖掘等，它能夠強(qiáng)有力地支持污水處理廠的運(yùn)行優(yōu)化工作，提供水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警服務(wù)，加強(qiáng)排水管網(wǎng)管理，并為水環(huán)境規(guī)劃與政策制定提供科學(xué)依據(jù)。這些技術(shù)支持將有效地提升污水處理的效能與管理水平，從而推動(dòng)水環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)改善。

參考文獻(xiàn)

1 馮莉媛，王紹凱，徐 茜.淺議大數(shù)據(jù)分析的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J].石河子科技，2024（5）：48-49.

2 馬弋惠，姚安曉.基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J].皮革制作與環(huán)?？萍迹?024（15）：46-47.

3 蘇 志，董 凱，閆 潔.大數(shù)據(jù)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].環(huán)境與生活，2024（8）：90-92.

4 韓志彬.環(huán)境監(jiān)測(cè)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程，2024（7）：40-43.

5 劉 偉.探究大數(shù)據(jù)在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理中的應(yīng)用[J].清洗世界，2024（1）：192-194.

收稿日期：2024-12-13

作者簡(jiǎn)介：韋淑穩(wěn)（1996—），女，廣西柳州人，助理工程師。研究方向：生態(tài)環(huán)境保護(hù)。