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伴隨著我國環(huán)境監(jiān)管的趨嚴(yán)，以及政策層面對環(huán)境保護(hù)工作的高度重視，污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的話題。這一過程中，智慧水務(wù)的加持，為污水處理企業(yè)運(yùn)營能力的提升帶來了助力。那么如何在排水領(lǐng)域更好的發(fā)揮智慧水務(wù)的優(yōu)勢和作用呢？
9月18日，在“2020（第十二屆）上海水業(yè)熱點(diǎn)論壇”現(xiàn)場，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授施漢昌以“智慧水務(wù)與排水系統(tǒng)的智能化技術(shù)”為主題，從智慧水務(wù)的發(fā)展歷程談起，重點(diǎn)分享了排水系統(tǒng)的智能化發(fā)展。他強(qiáng)調(diào)，污水處理領(lǐng)域的智慧水務(wù)建設(shè)，基礎(chǔ)薄弱、欠賬比較多，需要實(shí)事求是地推進(jìn)。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授 施漢昌
智慧水務(wù)從低谷期進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期
智慧水務(wù)是把信息化、自動化與人工智能深度融合于水務(wù)行業(yè)形成的新型精細(xì)化動態(tài)運(yùn)行模式與管理系統(tǒng)。智慧水務(wù)的研究與應(yīng)用對象是人類活動涉及的水系統(tǒng)，包括水源、供水、管網(wǎng)、處理廠和受納水體。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用與水生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)。
施漢昌認(rèn)為，理想中的智慧水務(wù)是這樣一個系統(tǒng)：從飲用水源和供水廠開始，產(chǎn)生的污水進(jìn)行處理，處理后的污水通過管網(wǎng)和泵站輸送，流入受納水體。但這個過程中，不能給受納水體造成生態(tài)上的安全隱患，所以要搭配水環(huán)境監(jiān)測站，把數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)送到監(jiān)管中心，之后利用大數(shù)據(jù)來分析已經(jīng)獲得的大量信息，最后確定排除隱患所要采取的措施。
在我國，智慧水務(wù)的概念在2014、2015年左右逐漸被行業(yè)重視起來，因?yàn)樗畡?wù)是智慧城市的一部分，智慧水務(wù)也隨著智慧城市一起發(fā)展起來。
2018年，受到經(jīng)濟(jì)大環(huán)境的影響，智慧水務(wù)的發(fā)展速度稍有放緩。到了2019年，智慧水務(wù)的發(fā)展熱度逐步得到恢復(fù)，達(dá)到一個平穩(wěn)的狀態(tài)。施漢昌認(rèn)為，這符合任何一個新的科技技術(shù)的推廣規(guī)律。從國際上通用的Gartner技術(shù)成熟度曲線可以看出，智慧水務(wù)在經(jīng)歷了泡沫化低谷期后，逐步進(jìn)入到平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。”在發(fā)展過程中，智慧水務(wù)建設(shè)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是我國對環(huán)境監(jiān)管的趨嚴(yán)，更加劇了挑戰(zhàn)的難度。施漢昌指出，首先，面對高排放標(biāo)準(zhǔn)，很多傳統(tǒng)污水處理廠的工藝設(shè)計不夠合理，按照原來的思路走智慧水務(wù)的路線已經(jīng)行不通，需要做出相應(yīng)的調(diào)整。其次，污水處理廠的個性化與進(jìn)水的復(fù)雜性使運(yùn)行規(guī)律不夠清晰；三是，現(xiàn)在很多水廠的設(shè)備儀表完好率比較低，故障率比較高；四是，傳統(tǒng)的運(yùn)營和管理習(xí)慣比較粗放，信息數(shù)據(jù)規(guī)范性較差；同時，污水處理系統(tǒng)的大遲滯特性需要前饋控制的配合。以信息公司主導(dǎo)的智慧水務(wù)系統(tǒng)，缺乏專業(yè)技術(shù)支撐。
施漢昌認(rèn)為，智慧水務(wù)對于水行業(yè)來講，是工業(yè)4.0智能化的內(nèi)容。水務(wù)行業(yè)的工業(yè)1.0和工業(yè)2.0完成的比較好，但是與類似化工、石化、機(jī)械等行業(yè)比，水行業(yè)在工業(yè)3.0階段，自動化做的相對落后。到了工業(yè)4.0時代，還要迅速補(bǔ)齊3.0時代落后的短板部分。要把污水廠排水系統(tǒng)的自動化水平逐漸完善提高，這樣才可以適應(yīng)智能化的需求。
“解決問題的過程就是發(fā)現(xiàn)機(jī)遇的過程。”施漢昌指出，要真正解決問題，首先要優(yōu)化工藝，依據(jù)進(jìn)、出水的特點(diǎn)，優(yōu)化工藝條件和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行技改；其次，要提升裝備，淘汰不良裝備，加強(qiáng)運(yùn)維，提升穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性；三要規(guī)范管理，改粗放管理為精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的規(guī)范化；四要凝練模型，理論+實(shí)踐的分析總結(jié)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化。
在解決問題方面，業(yè)內(nèi)已經(jīng)有一些企業(yè)走在了前面，比較有代表性的是北控水務(wù)。施漢昌介紹，北控水務(wù)在智能排水技術(shù)的探索上，做出了很好的成績。
北控水務(wù)發(fā)布了“污水廠數(shù)字雙胞胎”概念版，以實(shí)際水廠為藍(lán)本，整合靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，通過機(jī)理模型分析和大數(shù)據(jù)分析等方法，將水廠過去、現(xiàn)在和未來的狀態(tài)進(jìn)行直觀的呈現(xiàn)和預(yù)測，并結(jié)合專家系統(tǒng)提出建議，為運(yùn)營管理提供決策支持，并實(shí)現(xiàn)高度保障、管理高效、成本優(yōu)化和產(chǎn)能挖潛的目的。為實(shí)現(xiàn)北控水務(wù)高效卓越運(yùn)營管理提供了支撐，通過全流程的智能化控制，北控水務(wù)運(yùn)行的很多水廠實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)了整體成本的降低。
智慧水務(wù)共享技術(shù)平臺的建設(shè)
清華大學(xué)和北京協(xié)同創(chuàng)新研究院在“智慧水務(wù)共享技術(shù)平臺”的建設(shè)上做了很多探索，施漢昌介紹，智慧水務(wù)共享技術(shù)平臺的建設(shè)，包括飲用水源安全管理、污水處理優(yōu)化運(yùn)行、排水管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)營和受納水體安全管理四個板塊，智慧水務(wù)共享技術(shù)平臺的這四個板塊通過一個用戶友好對的網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)水務(wù)領(lǐng)域共性先進(jìn)技術(shù)的資源共享。
這個平臺包括了整個水務(wù)行業(yè)涉及到的各方面內(nèi)容。如污水處理廠智能化控制系統(tǒng)、智能加藥系統(tǒng)、精確曝氣系統(tǒng)，以及排水管網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等等。同時在飲用水方面，平臺的特色之一是對生物毒性和微量污染物的自動監(jiān)測和預(yù)警。在受納水體方面，平臺比較有特色的技術(shù)是高密度監(jiān)測和快速檢測。目前這兩方面還在發(fā)展，總的來講，平臺具有監(jiān)測、預(yù)警、控制、評估的功能。
排水系統(tǒng)智能化的支撐技術(shù)
污水處理廠以及管網(wǎng)是排水系統(tǒng)中需要做技術(shù)支撐的兩個主要部分。
首先是污水處理廠。污水處理廠運(yùn)行管理子系統(tǒng)中包括兩個部分：一是智能化運(yùn)行控制子系統(tǒng)，二是智能化運(yùn)行分析子系統(tǒng)。
施漢昌認(rèn)為，智能化本身建立在自動化的基礎(chǔ)上，更側(cè)重于對數(shù)據(jù)的分析和決策。污水處理廠智能化運(yùn)行分析子系統(tǒng)包括運(yùn)行管理問題查詢、出水水質(zhì)超標(biāo)判斷、最佳運(yùn)行參數(shù)搜索、污水處理性能評價。
下圖是運(yùn)行問題查詢界面，收集的經(jīng)驗(yàn)和各種資料，包括污水處理廠運(yùn)行管理各階段的問題，可以通過查詢關(guān)鍵詞獲得。
之后將出水水質(zhì)等數(shù)據(jù)輸入出水水質(zhì)判斷頁面，就可以判斷水質(zhì)是否超標(biāo)，如果超標(biāo)，就會進(jìn)一步分析超標(biāo)的原因，以及針對問題應(yīng)該采取哪些對策，可以幫助運(yùn)行人員很好地解決問題。
工藝運(yùn)行參數(shù)搜索界面，可以搜集多個廠的數(shù)據(jù)，放在數(shù)據(jù)庫中，通過對進(jìn)水的情況判斷，就可以通過搜索把能夠達(dá)標(biāo)的運(yùn)行條件提供出來。如果對于單廠有足夠的歷史數(shù)據(jù)，也可以做成數(shù)據(jù)集，從中搜索該廠能夠運(yùn)行達(dá)標(biāo)的條件，從而指導(dǎo)污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行。
污水處理廠性能評價界面，是根據(jù)污水處理廠的評價指標(biāo)體系，建立的評價軟件，可以對污水處理廠運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評價和分析。
污水處理廠運(yùn)行管理子系統(tǒng)的另一部分是智能化運(yùn)行控制子系統(tǒng)，該系統(tǒng)對來水進(jìn)行分析，污水處理廠的來水經(jīng)常變化。如果來水有可能對出水達(dá)標(biāo)帶來威脅，系統(tǒng)就可以做到預(yù)警。
另外，智能化運(yùn)行控制子系統(tǒng)也會對污水處理廠的除氮除磷進(jìn)行控制，控制包括曝氣池供氣量、內(nèi)回流量、外回流量、污泥排放量以及加藥量等環(huán)節(jié)。
從節(jié)能的角度來講，污水處理廠一大能耗是曝氣，第二大能耗是進(jìn)水提升泵。針對這兩方面如果能夠做到一定的優(yōu)化，既可以達(dá)到節(jié)能的效果。
針對這些環(huán)節(jié)，技術(shù)平臺主張采用前饋和反饋的系統(tǒng)。一般來講，曝氣要設(shè)定溶解氧的值，確定以后，依據(jù)負(fù)荷變化以前饋調(diào)整設(shè)定值，以反饋保持受控變量的控制精度，兩者聯(lián)合起來會達(dá)到優(yōu)良效果。
下圖是污水處理精確曝氣控制系統(tǒng)的界面。左邊是沒有控制的，溶解氧的波動很大。右邊是有控制的，波動明顯變小。而且根據(jù)不同的時間段，它的溶解氧的設(shè)定值可以有高有低的變化，一般來講，對于污水處理廠可以節(jié)省10%—20%的曝氣量，相對來講更節(jié)能。
另外，現(xiàn)在常用的是智能加藥，碳源投加和除磷都是加藥的一部分。施漢昌強(qiáng)調(diào)，碳源是在反硝化過程中用的，整個工程下來，可以節(jié)省10%—15%的加藥費(fèi)用，一套加藥系統(tǒng)裝上去，大概一、兩年可以回收成本，相對比較劃算。
化學(xué)除磷的加藥控制，可以參考下圖：中間是從曝氣池里面取水樣，因?yàn)槲勰酀舛群芨?，要有一個特殊的過濾系統(tǒng)，把水樣里面的污泥清除掉，這就需要對加藥量的控制。
排水管網(wǎng)管理系統(tǒng)的建立，首先要界定管網(wǎng)服務(wù)區(qū)域的邊界，然后要求把管網(wǎng)的數(shù)據(jù)存入一個GIS地圖。從污水處理廠往上，將整個管網(wǎng)的服務(wù)區(qū)理清，理清之后，可以在一些關(guān)鍵點(diǎn)裝上儀器，有了數(shù)據(jù)就可以用曲線做分析。
實(shí)際上要想知道流量和水質(zhì)的變化，可以有各種參數(shù)進(jìn)行選擇，如COD、電導(dǎo)率、氨氮、磷酸鹽、流量、液位等。
施漢昌指出，從對排水管網(wǎng)管理的角度來講，最好選擇比較便宜、耐用，且維護(hù)量小的儀器。COD、氨氮、磷酸鹽的監(jiān)測儀器比較貴，維護(hù)量比較大，所以一般選擇電導(dǎo)率和液位兩個參數(shù)，由此可以建立模型，對管網(wǎng)的情況進(jìn)行分析，最后，在管理平臺進(jìn)行分析，得到對策，指導(dǎo)管網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行。
現(xiàn)在行業(yè)普遍關(guān)注廠網(wǎng)的聯(lián)合調(diào)度，這是比較好的一種狀況。但是目前來講，廠網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度，前提是廠本身的智能化運(yùn)行，其次要有管網(wǎng)的智能化管理，兩者結(jié)合起來才能做好廠網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度。通過聯(lián)合調(diào)度，可以有效解決內(nèi)澇問題，未來廠網(wǎng)的聯(lián)合調(diào)度也是一大趨勢。
智慧水務(wù)在排水行業(yè)發(fā)展空間巨大
智慧水務(wù)是信息化大潮推動的必然產(chǎn)物，是水務(wù)行業(yè)發(fā)展的剛需。污水處理領(lǐng)域基礎(chǔ)薄弱、欠賬比較多，需要實(shí)事求是地推進(jìn)。
目前，首要的目標(biāo)是穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗，將來再發(fā)展可以做到少人值守，甚至無人值守。隨著信息化技術(shù)、自動化技術(shù)等的發(fā)展，污水廠全流程的智能化少人水廠運(yùn)營形式也會發(fā)展起來。
總的來講，智慧水務(wù)在排水行業(yè)中有很好的發(fā)展空間。施漢昌總結(jié)認(rèn)為，源、網(wǎng)、廠、水體分立的體制已經(jīng)不能適應(yīng)目前大環(huán)境的需求，水務(wù)管理必將以水系統(tǒng)為對象實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理與發(fā)展。其次，我國已建成運(yùn)行4000余座污水處理廠，并有巨大的配套管網(wǎng)，按照工程壽命30年計算，短期內(nèi)不可能大量重建，重點(diǎn)是優(yōu)化運(yùn)行和技術(shù)改造，智慧水務(wù)具有良好的市場前景。三是，智慧水務(wù)共享技術(shù)將在水務(wù)行業(yè)解決“物聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，將努力推動智慧水務(wù)的發(fā)展。
原標(biāo)題：清華大學(xué)施漢昌：智慧水務(wù)在排水領(lǐng)域如何發(fā)揮更大效益
