清华大学施汉昌：智慧水务在排水中如何发挥更大效益
- 2021/10/18 13:26:24
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- 来源：中国水网
- 关键词:智慧水务排水
伴随着我国环境监管的趋严，以及政策层面对环境保护工作的高度重视，污水处理厂的稳定运行成为行业重点关注的话题。这一过程中，智慧水务的加持，为污水处理企业运营能力的提升带来了助力。那么如何在排水领域更好的发挥智慧水务的优势和作用呢？
9月18日，在“2020（第十二届）上海水业热点论坛”现场，清华大学环境学院教授施汉昌以“智慧水务与排水系统的智能化技术”为主题，从智慧水务的发展历程谈起，重点分享了排水系统的智能化发展。他强调，污水处理领域的智慧水务建设，基础薄弱、欠账比较多，需要实事求是地推进。
清华大学环境学院教授 施汉昌
智慧水务从低谷期进入平稳发展期
智慧水务是把信息化、自动化与人工智能深度融合于水务行业形成的新型精细化动态运行模式与管理系统。智慧水务的研究与应用对象是人类活动涉及的水系统，包括水源、供水、管网、处理厂和受纳水体。目标是实现水资源的合理利用与水生态环境的有效保护。
施汉昌认为，理想中的智慧水务是这样一个系统：从饮用水源和供水厂开始，产生的污水进行处理，处理后的污水通过管网和泵站输送，流入受纳水体。但这个过程中，不能给受纳水体造成生态上的安全隐患，所以要搭配水环境监测站，把数据通过物联网送到监管中心，之后利用大数据来分析已经获得的大量信息，最后确定排除隐患所要采取的措施。
在我国，智慧水务的概念在2014、2015年左右逐渐被行业重视起来，因为水务是智慧城市的一部分，智慧水务也随着智慧城市一起发展起来。
2018年，受到经济大环境的影响，智慧水务的发展速度稍有放缓。到了2019年，智慧水务的发展热度逐步得到恢复，达到一个平稳的状态。施汉昌认为，这符合任何一个新的科技技术的推广规律。从国际上通用的Gartner技术成熟度曲线可以看出，智慧水务在经历了泡沫化低谷期后，逐步进入到平稳发展状态。
“理想很丰满，现实很骨感。”在发展过程中，智慧水务建设也面临着诸多挑战，尤其是我国对环境监管的趋严，更加剧了挑战的难度。施汉昌指出，首先，面对高排放标准，很多传统污水处理厂的工艺设计不够合理，按照原来的思路走智慧水务的路线已经行不通，需要做出相应的调整。其次，污水处理厂的个性化与进水的复杂性使运行规律不够清晰；三是，现在很多水厂的设备仪表完好率比较低，故障率比较高；四是，传统的运营和管理习惯比较粗放，信息数据规范性较差；同时，污水处理系统的大迟滞特性需要前馈控制的配合。以信息公司主导的智慧水务系统，缺乏专业技术支撑。
施汉昌认为，智慧水务对于水行业来讲，是工业4.0智能化的内容。水务行业的工业1.0和工业2.0完成的比较好，但是与类似化工、石化、机械等行业比，水行业在工业3.0阶段，自动化做的相对落后。到了工业4.0时代，还要迅速补齐3.0时代落后的短板部分。要把污水厂排水系统的自动化水平逐渐完善提高，这样才可以适应智能化的需求。
“解决问题的过程就是发现机遇的过程。”施汉昌指出，要真正解决问题，首先要优化工艺，依据进、出水的特点，优化工艺条件和运行参数进行技改；其次，要提升装备，淘汰不良装备，加强运维，提升稳定性和可调节性；三要规范管理，改粗放管理为精细化管理，实现信息数据的规范化；四要凝练模型，理论+实践的分析总结，实现运行经验的数字化。
在解决问题方面，业内已经有一些企业走在了前面，比较有代表性的是北控水务。施汉昌介绍，北控水务在智能排水技术的探索上，做出了很好的成绩。
北控水务发布了“污水厂数字双胞胎”概念版，以实际水厂为蓝本，整合静态数据、动态数据和生产管理数据，通过机理模型分析和大数据分析等方法，将水厂过去、现在和未来的状态进行直观的呈现和预测，并结合专家系统提出建议，为运营管理提供决策支持，并实现高度保障、管理高效、成本优化和产能挖潜的目的。为实现北控水务高效卓越运营管理提供了支撑，通过全流程的智能化控制，北控水务运行的很多水厂实现了节能降耗，实现了整体成本的降低。
智慧水务共享技术平台的建设
清华大学和北京协同创新研究院在“智慧水务共享技术平台”的建设上做了很多探索，施汉昌介绍，智慧水务共享技术平台的建设，包括饮用水源安全管理、污水处理优化运行、排水管网优化运营和受纳水体安全管理四个板块，智慧水务共享技术平台的这四个板块通过一个用户友好对的网络平台实现水务领域共性先进技术的资源共享。
这个平台包括了整个水务行业涉及到的各方面内容。如污水处理厂智能化控制系统、智能加药系统、精确曝气系统，以及排水管网监测预警系统等等。同时在饮用水方面，平台的特色之一是对生物毒性和微量污染物的自动监测和预警。在受纳水体方面，平台比较有特色的技术是高密度监测和快速检测。目前这两方面还在发展，总的来讲，平台具有监测、预警、控制、评估的功能。
排水系统智能化的支撑技术
污水处理厂以及管网是排水系统中需要做技术支撑的两个主要部分。
首先是污水处理厂。污水处理厂运行管理子系统中包括两个部分：一是智能化运行控制子系统，二是智能化运行分析子系统。
施汉昌认为，智能化本身建立在自动化的基础上，更侧重于对数据的分析和决策。污水处理厂智能化运行分析子系统包括运行管理问题查询、出水水质超标判断、最佳运行参数搜索、污水处理性能评价。
下图是运行问题查询界面，收集的经验和各种资料，包括污水处理厂运行管理各阶段的问题，可以通过查询关键词获得。
之后将出水水质等数据输入出水水质判断页面，就可以判断水质是否超标，如果超标，就会进一步分析超标的原因，以及针对问题应该采取哪些对策，可以帮助运行人员很好地解决问题。
工艺运行参数搜索界面，可以搜集多个厂的数据，放在数据库中，通过对进水的情况判断，就可以通过搜索把能够达标的运行条件提供出来。如果对于单厂有足够的历史数据，也可以做成数据集，从中搜索该厂能够运行达标的条件，从而指导污水处理厂的稳定运行。
污水处理厂性能评价界面，是根据污水处理厂的评价指标体系，建立的评价软件，可以对污水处理厂运行状态进行评价和分析。
污水处理厂运行管理子系统的另一部分是智能化运行控制子系统，该系统对来水进行分析，污水处理厂的来水经常变化。如果来水有可能对出水达标带来威胁，系统就可以做到预警。
另外，智能化运行控制子系统也会对污水处理厂的除氮除磷进行控制，控制包括曝气池供气量、内回流量、外回流量、污泥排放量以及加药量等环节。
从节能的角度来讲，污水处理厂一大能耗是曝气，第二大能耗是进水提升泵。针对这两方面如果能够做到一定的优化，既可以达到节能的效果。
针对这些环节，技术平台主张采用前馈和反馈的系统。一般来讲，曝气要设定溶解氧的值，确定以后，依据负荷变化以前馈调整设定值，以反馈保持受控变量的控制精度，两者联合起来会达到优良效果。
下图是污水处理精确曝气控制系统的界面。左边是没有控制的，溶解氧的波动很大。右边是有控制的，波动明显变小。而且根据不同的时间段，它的溶解氧的设定值可以有高有低的变化，一般来讲，对于污水处理厂可以节省10%—20%的曝气量，相对来讲更节能。
另外，现在常用的是智能加药，碳源投加和除磷都是加药的一部分。施汉昌强调，碳源是在反硝化过程中用的，整个工程下来，可以节省10%—15%的加药费用，一套加药系统装上去，大概一、两年可以回收成本，相对比较划算。
化学除磷的加药控制，可以参考下图：中间是从曝气池里面取水样，因为污泥浓度很高，要有一个特殊的过滤系统，把水样里面的污泥清除掉，这就需要对加药量的控制。
排水管网管理系统的建立，首先要界定管网服务区域的边界，然后要求把管网的数据存入一个GIS地图。从污水处理厂往上，将整个管网的服务区理清，理清之后，可以在一些关键点装上仪器，有了数据就可以用曲线做分析。
实际上要想知道流量和水质的变化，可以有各种参数进行选择，如COD、电导率、氨氮、磷酸盐、流量、液位等。
施汉昌指出，从对排水管网管理的角度来讲，最好选择比较便宜、耐用，且维护量小的仪器。COD、氨氮、磷酸盐的监测仪器比较贵，维护量比较大，所以一般选择电导率和液位两个参数，由此可以建立模型，对管网的情况进行分析，最后，在管理平台进行分析，得到对策，指导管网的调度和运行。
现在行业普遍关注厂网的联合调度，这是比较好的一种状况。但是目前来讲，厂网联合调度，前提是厂本身的智能化运行，其次要有管网的智能化管理，两者结合起来才能做好厂网的运行调度。通过联合调度，可以有效解决内涝问题，未来厂网的联合调度也是一大趋势。
智慧水务在排水行业发展空间巨大
智慧水务是信息化大潮推动的必然产物，是水务行业发展的刚需。污水处理领域基础薄弱、欠账比较多，需要实事求是地推进。
目前，首要的目标是稳定达标和节能降耗，将来再发展可以做到少人值守，甚至无人值守。随着信息化技术、自动化技术等的发展，污水厂全流程的智能化少人水厂运营形式也会发展起来。
总的来讲，智慧水务在排水行业中有很好的发展空间。施汉昌总结认为，源、网、厂、水体分立的体制已经不能适应目前大环境的需求，水务管理必将以水系统为对象实现统一管理与发展。其次，我国已建成运行4000余座污水处理厂，并有巨大的配套管网，按照工程寿命30年计算，短期内不可能大量重建，重点是优化运行和技术改造，智慧水务具有良好的市场前景。三是，智慧水务共享技术将在水务行业解决“物联网+”和大数据的内在联系，将努力推动智慧水务的发展。
原标题：清华大学施汉昌：智慧水务在排水领域如何发挥更大效益
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