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伴隨著我國環境監管的趨嚴，以及政策層面對環境保護工作的高度重視，污水處理廠的穩定運行成為行業重點關注的話題。這一過程中，智慧水務的加持，為污水處理企業運營能力的提升帶來了助力。那么如何在排水領域更好的發揮智慧水務的優勢和作用呢？
9月18日，在“2020（第十二屆）上海水業熱點論壇”現場，清華大學環境學院教授施漢昌以“智慧水務與排水系統的智能化技術”為主題，從智慧水務的發展歷程談起，重點分享了排水系統的智能化發展。他強調，污水處理領域的智慧水務建設，基礎薄弱、欠賬比較多，需要實事求是地推進。
清華大學環境學院教授 施漢昌
智慧水務從低谷期進入平穩發展期
智慧水務是把信息化、自動化與人工智能深度融合于水務行業形成的新型精細化動態運行模式與管理系統。智慧水務的研究與應用對象是人類活動涉及的水系統，包括水源、供水、管網、處理廠和受納水體。目標是實現水資源的合理利用與水生態環境的有效保護。
施漢昌認為，理想中的智慧水務是這樣一個系統：從飲用水源和供水廠開始，產生的污水進行處理，處理后的污水通過管網和泵站輸送，流入受納水體。但這個過程中，不能給受納水體造成生態上的安全隱患，所以要搭配水環境監測站，把數據通過物聯網送到監管中心，之后利用大數據來分析已經獲得的大量信息，最后確定排除隱患所要采取的措施。
在我國，智慧水務的概念在2014、2015年左右逐漸被行業重視起來，因為水務是智慧城市的一部分，智慧水務也隨著智慧城市一起發展起來。
2018年，受到經濟大環境的影響，智慧水務的發展速度稍有放緩。到了2019年，智慧水務的發展熱度逐步得到恢復，達到一個平穩的狀態。施漢昌認為，這符合任何一個新的科技技術的推廣規律。從國際上通用的Gartner技術成熟度曲線可以看出，智慧水務在經歷了泡沫化低谷期后，逐步進入到平穩發展狀態。
“理想很豐滿，現實很骨感。”在發展過程中，智慧水務建設也面臨著諸多挑戰，尤其是我國對環境監管的趨嚴，更加劇了挑戰的難度。施漢昌指出，首先，面對高排放標準，很多傳統污水處理廠的工藝設計不夠合理，按照原來的思路走智慧水務的路線已經行不通，需要做出相應的調整。其次，污水處理廠的個性化與進水的復雜性使運行規律不夠清晰；三是，現在很多水廠的設備儀表完好率比較低，故障率比較高；四是，傳統的運營和管理習慣比較粗放，信息數據規范性較差；同時，污水處理系統的大遲滯特性需要前饋控制的配合。以信息公司主導的智慧水務系統，缺乏專業技術支撐。
施漢昌認為，智慧水務對于水行業來講，是工業4.0智能化的內容。水務行業的工業1.0和工業2.0完成的比較好，但是與類似化工、石化、機械等行業比，水行業在工業3.0階段，自動化做的相對落后。到了工業4.0時代，還要迅速補齊3.0時代落后的短板部分。要把污水廠排水系統的自動化水平逐漸完善提高，這樣才可以適應智能化的需求。
“解決問題的過程就是發現機遇的過程。”施漢昌指出，要真正解決問題，首先要優化工藝，依據進、出水的特點，優化工藝條件和運行參數進行技改；其次，要提升裝備，淘汰不良裝備，加強運維，提升穩定性和可調節性；三要規范管理，改粗放管理為精細化管理，實現信息數據的規范化；四要凝練模型，理論+實踐的分析總結，實現運行經驗的數字化。
在解決問題方面，業內已經有一些企業走在了前面，比較有代表性的是北控水務。施漢昌介紹，北控水務在智能排水技術的探索上，做出了很好的成績。
北控水務發布了“污水廠數字雙胞胎”概念版，以實際水廠為藍本，整合靜態數據、動態數據和生產管理數據，通過機理模型分析和大數據分析等方法，將水廠過去、現在和未來的狀態進行直觀的呈現和預測，并結合專家系統提出建議，為運營管理提供決策支持，并實現高度保障、管理高效、成本優化和產能挖潛的目的。為實現北控水務高效卓越運營管理提供了支撐，通過全流程的智能化控制，北控水務運行的很多水廠實現了節能降耗，實現了整體成本的降低。
智慧水務共享技術平臺的建設
清華大學和北京協同創新研究院在“智慧水務共享技術平臺”的建設上做了很多探索，施漢昌介紹，智慧水務共享技術平臺的建設，包括飲用水源安全管理、污水處理優化運行、排水管網優化運營和受納水體安全管理四個板塊，智慧水務共享技術平臺的這四個板塊通過一個用戶友好對的網絡平臺實現水務領域共性先進技術的資源共享。
這個平臺包括了整個水務行業涉及到的各方面內容。如污水處理廠智能化控制系統、智能加藥系統、精確曝氣系統，以及排水管網監測預警系統等等。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測和預警。在受納水體方面，平臺比較有特色的技術是高密度監測和快速檢測。目前這兩方面還在發展，總的來講，平臺具有監測、預警、控制、評估的功能。
排水系統智能化的支撐技術
污水處理廠以及管網是排水系統中需要做技術支撐的兩個主要部分。
首先是污水處理廠。污水處理廠運行管理子系統中包括兩個部分：一是智能化運行控制子系統，二是智能化運行分析子系統。
施漢昌認為，智能化本身建立在自動化的基礎上，更側重于對數據的分析和決策。污水處理廠智能化運行分析子系統包括運行管理問題查詢、出水水質超標判斷、最佳運行參數搜索、污水處理性能評價。
下圖是運行問題查詢界面，收集的經驗和各種資料，包括污水處理廠運行管理各階段的問題，可以通過查詢關鍵詞獲得。
之后將出水水質等數據輸入出水水質判斷頁面，就可以判斷水質是否超標，如果超標，就會進一步分析超標的原因，以及針對問題應該采取哪些對策，可以幫助運行人員很好地解決問題。
工藝運行參數搜索界面，可以搜集多個廠的數據，放在數據庫中，通過對進水的情況判斷，就可以通過搜索把能夠達標的運行條件提供出來。如果對于單廠有足夠的歷史數據，也可以做成數據集，從中搜索該廠能夠運行達標的條件，從而指導污水處理廠的穩定運行。
污水處理廠性能評價界面，是根據污水處理廠的評價指標體系，建立的評價軟件，可以對污水處理廠運行狀態進行評價和分析。
污水處理廠運行管理子系統的另一部分是智能化運行控制子系統，該系統對來水進行分析，污水處理廠的來水經常變化。如果來水有可能對出水達標帶來威脅，系統就可以做到預警。
另外，智能化運行控制子系統也會對污水處理廠的除氮除磷進行控制，控制包括曝氣池供氣量、內回流量、外回流量、污泥排放量以及加藥量等環節。
從節能的角度來講，污水處理廠一大能耗是曝氣，第二大能耗是進水提升泵。針對這兩方面如果能夠做到一定的優化，既可以達到節能的效果。
針對這些環節，技術平臺主張采用前饋和反饋的系統。一般來講，曝氣要設定溶解氧的值，確定以后，依據負荷變化以前饋調整設定值，以反饋保持受控變量的控制精度，兩者聯合起來會達到優良效果。
下圖是污水處理精確曝氣控制系統的界面。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。而且根據不同的時間段，它的溶解氧的設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省10%—20%的曝氣量，相對來講更節能。
另外，現在常用的是智能加藥，碳源投加和除磷都是加藥的一部分。施漢昌強調，碳源是在反硝化過程中用的，整個工程下來，可以節省10%—15%的加藥費用，一套加藥系統裝上去，大概一、兩年可以回收成本，相對比較劃算。
化學除磷的加藥控制，可以參考下圖：中間是從曝氣池里面取水樣，因為污泥濃度很高，要有一個特殊的過濾系統，把水樣里面的污泥清除掉，這就需要對加藥量的控制。
排水管網管理系統的建立，首先要界定管網服務區域的邊界，然后要求把管網的數據存入一個GIS地圖。從污水處理廠往上，將整個管網的服務區理清，理清之后，可以在一些關鍵點裝上儀器，有了數據就可以用曲線做分析。
實際上要想知道流量和水質的變化，可以有各種參數進行選擇，如COD、電導率、氨氮、磷酸鹽、流量、液位等。
施漢昌指出，從對排水管網管理的角度來講，最好選擇比較便宜、耐用，且維護量小的儀器。COD、氨氮、磷酸鹽的監測儀器比較貴，維護量比較大，所以一般選擇電導率和液位兩個參數，由此可以建立模型，對管網的情況進行分析，最后，在管理平臺進行分析，得到對策，指導管網的調度和運行。
現在行業普遍關注廠網的聯合調度，這是比較好的一種狀況。但是目前來講，廠網聯合調度，前提是廠本身的智能化運行，其次要有管網的智能化管理，兩者結合起來才能做好廠網的運行調度。通過聯合調度，可以有效解決內澇問題，未來廠網的聯合調度也是一大趨勢。
智慧水務在排水行業發展空間巨大
智慧水務是信息化大潮推動的必然產物，是水務行業發展的剛需。污水處理領域基礎薄弱、欠賬比較多，需要實事求是地推進。
目前，首要的目標是穩定達標和節能降耗，將來再發展可以做到少人值守，甚至無人值守。隨著信息化技術、自動化技術等的發展，污水廠全流程的智能化少人水廠運營形式也會發展起來。
總的來講，智慧水務在排水行業中有很好的發展空間。施漢昌總結認為，源、網、廠、水體分立的體制已經不能適應目前大環境的需求，水務管理必將以水系統為對象實現統一管理與發展。其次，我國已建成運行4000余座污水處理廠，并有巨大的配套管網，按照工程壽命30年計算，短期內不可能大量重建，重點是優化運行和技術改造，智慧水務具有良好的市場前景。三是，智慧水務共享技術將在水務行業解決“物聯網+”和大數據的內在聯系，將努力推動智慧水務的發展。
原標題：清華大學施漢昌：智慧水務在排水領域如何發揮更大效益
