近日，在2025上海水業(yè)熱點(diǎn)論壇上，上海城投污水處理有限公司副總經(jīng)理王麗花分享了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的污水廠智慧運(yùn)行探索與思考，以及數(shù)字工藝員系統(tǒng)在泰和污水廠投入運(yùn)行以來所取得的一些實(shí)踐成果。王麗花表示，未來污水廠的智慧價(jià)值就是技術(shù)與管理的深度融合，泰和污水廠的智慧化實(shí)踐已充分驗(yàn)證，智慧運(yùn)行是推動(dòng)污水處理行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

王麗花

污水處理要求越來越高

王麗花表示，“十四五”期間國(guó)家發(fā)布了一系列關(guān)于污水處理高質(zhì)量發(fā)展的政策和標(biāo)準(zhǔn)，加上極端環(huán)境的影響，均對(duì)污水處理行業(yè)的高質(zhì)量運(yùn)行提出了更高的要求，將減污與降碳目標(biāo)深度綁定。然而傳統(tǒng)污水廠的運(yùn)營(yíng)模式存在諸多痛點(diǎn)、難點(diǎn)，為解決傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式的痛點(diǎn)，上海城投提出了以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提高處理效率，降低能耗藥耗高效能治理的轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

當(dāng)前傳統(tǒng)污水處理廠運(yùn)行存在三大的痛點(diǎn)：

一是人工經(jīng)驗(yàn)依賴的痛點(diǎn)。傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式過度依賴人工經(jīng)驗(yàn)，工藝調(diào)控和決策缺乏科學(xué)性和準(zhǔn)確性。人工巡檢和判斷存在主觀性和局限性，容易導(dǎo)致異常情況發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，影響污水處理效果。

二是工藝調(diào)控滯后的問題。由于人工操作和決策的效率較低，工藝調(diào)控往往滯后于實(shí)際運(yùn)行情況。當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)、水量發(fā)生變化時(shí)，不能及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，導(dǎo)致處理效果不穩(wěn)定，難以滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

三是成本控制困難的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下，能耗藥耗成本難以有效控制。缺乏實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析，無法精準(zhǔn)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和藥劑投加量，導(dǎo)致能耗藥耗浪費(fèi)嚴(yán)重，增加了運(yùn)營(yíng)成本。

為解決傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式的痛點(diǎn)，上海城投通過建立數(shù)字化、智能化的污水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)工藝調(diào)控和科學(xué)決策，提高處理效率，降低能耗藥耗，實(shí)現(xiàn)污水處理的高質(zhì)量發(fā)展。

泰和污水廠的智慧化探索

泰和污水處理廠，設(shè)計(jì)規(guī)劃60萬立方米/日，一期規(guī)模40萬立方米/日，于2019年9月通水；二期規(guī)模20萬立方米/日及15萬立方米調(diào)蓄池，于2024年11月通水。污水處理采用A2O+深度處理工藝，污泥處理采用低溫真空脫水干化工藝，出水執(zhí)行國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其中氨氮和總磷執(zhí)行地表水IV類水標(biāo)準(zhǔn)，污泥含水率≤ 40%后外運(yùn)石洞口污水廠進(jìn)行焚燒處置。

泰和污水處理廠工藝流程

王麗花介紹，泰和污水處理廠自投運(yùn)以來，就開始逐步對(duì)自動(dòng)化控制進(jìn)行完善，同時(shí)在完善的基礎(chǔ)上，還開展了數(shù)字工藝員的建設(shè)及優(yōu)化，就是想要通過機(jī)理和一些數(shù)字化技術(shù)的融合，來提升污水廠的智慧化運(yùn)行。

智慧化的本質(zhì)特征是一個(gè)“感知”基礎(chǔ)之上的“兩個(gè)閉環(huán)”。其中，“感知”包括水質(zhì)、水量等，如同人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)；“兩個(gè)閉環(huán)”就是自控層面的一個(gè)小閉環(huán)，以及智慧化層面的一個(gè)大閉環(huán)，而這個(gè)智慧化層面的大閉環(huán)就是數(shù)字工藝員。

數(shù)字工藝員系統(tǒng)

該系統(tǒng)構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧化控制架構(gòu)，其運(yùn)行機(jī)制如下：首先將各工藝段控制系統(tǒng)（小閉環(huán)控制）的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字工藝員（大閉環(huán)控制），經(jīng)過模型算法對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度解析與趨勢(shì)預(yù)判，進(jìn)而生成精準(zhǔn)的控制指令并下發(fā)到各工藝段控制系統(tǒng)，執(zhí)行單元再根據(jù)指令完成工藝參數(shù)調(diào)整后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集執(zhí)行效果數(shù)據(jù)并形成閉環(huán)反饋，最終形成一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)分析以及決策執(zhí)行的數(shù)字工藝員系統(tǒng)。

1、數(shù)字工藝員系統(tǒng)的主要模型

上海城投通過對(duì)泰和污水廠上游泵站流量、液位及污水廠采集進(jìn)水流量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、天氣等因素進(jìn)行分析，采用 XGBOOST算法建立進(jìn)水水量預(yù)測(cè)模型，也是整個(gè)數(shù)字工藝員系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型。經(jīng)過驗(yàn)證，該模型訓(xùn)練集準(zhǔn)確性為98.8%，測(cè)試集準(zhǔn)確性為96.8%。

10個(gè)工藝參數(shù)預(yù)測(cè)模型

此外，上海城投還通過對(duì)泰和污水處理廠歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及工藝運(yùn)行原理進(jìn)行分析，采用不同的人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法，結(jié)合物理、化學(xué)以及流體力學(xué)等多學(xué)科理論，構(gòu)建了基于“機(jī)理”+“數(shù)理”的污水處理廠多工藝參數(shù)預(yù)測(cè)模型，包括提升系統(tǒng)、生物處理系統(tǒng)、內(nèi)外回流比、排泥系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)等10個(gè)工藝參數(shù)預(yù)測(cè)模型，為工藝調(diào)度和工藝優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2、數(shù)字工藝員的功能

數(shù)字工藝員具備生產(chǎn)能力評(píng)估、水量智能排產(chǎn)、工藝數(shù)據(jù)巡視、工藝參數(shù)調(diào)控等功能，并利用west軟件，基于活性污泥機(jī)理構(gòu)建了全流程在線仿真模型，可根據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)及控制邊界，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警、工藝運(yùn)行優(yōu)化、關(guān)鍵儀表的預(yù)測(cè)性維護(hù)、預(yù)案模擬分析等功能。

同時(shí)，上海城投利用通用大模型對(duì)智慧運(yùn)行賦能開展了一些探索，目前主要是用于生產(chǎn)運(yùn)行知識(shí)助手和污水運(yùn)營(yíng)AI洞察倉 。能夠快捷有效的來調(diào)取污水廠的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的檢維修規(guī)程應(yīng)急預(yù)案，提高工作人員的工作效率，以及自動(dòng)生成生產(chǎn)小結(jié)和運(yùn)行報(bào)告。

3、五大應(yīng)用場(chǎng)景

場(chǎng)景一：智能排產(chǎn)方面，根據(jù)生產(chǎn)能力評(píng)估、進(jìn)水量預(yù)測(cè)，計(jì)劃排產(chǎn)形成每日計(jì)劃污水處理量，然后分解成秒流量下發(fā)自控系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行需求選擇比例配水模式/恒流量模式結(jié)合實(shí)時(shí)產(chǎn)能和排產(chǎn)水量實(shí)現(xiàn)泵機(jī)自動(dòng)配水。

場(chǎng)景二：曝氣控制方面，采用隨機(jī)森林算法建立生反池出水NH3預(yù)測(cè)的DO值，采用west機(jī)理模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的DO值，還有一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)的保底值，三個(gè)值比選擇優(yōu)后給出DO值，下發(fā)精確曝氣系統(tǒng)，精確曝氣系統(tǒng)接收到DO值后根據(jù)自身控制邏輯控制曝氣量和空氣閥門開度。

場(chǎng)景三：智能加藥控制，采用機(jī)理算法建立PAC投加量模型，作為前饋值下發(fā)給智能加藥系統(tǒng)，可在智能加藥的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低投藥量。

場(chǎng)景四 ：預(yù)案模擬分析，設(shè)置降雨后大水量場(chǎng)景，根據(jù)工藝調(diào)控預(yù)案模擬對(duì)應(yīng)的出水情況，以便為優(yōu)化預(yù)案提供支撐。

場(chǎng)景五：大模型輔助運(yùn)行，工藝運(yùn)行人員不再需要打開多個(gè)系統(tǒng)或是查找電子文檔獲取所需信息，只需直接提問即可以快捷獲得生產(chǎn)運(yùn)行所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、專業(yè)知識(shí)，異常情況分析，并能自動(dòng)生成生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)告和操作票。就如同一名掌握各專業(yè)知識(shí)，了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)的“全能型生產(chǎn)助手”協(xié)助工藝運(yùn)行人員進(jìn)行管理，大幅提升工作效率。

3、數(shù)據(jù)采集與處理體系

對(duì)于依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字工藝員系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)的采集與處理至關(guān)重要：

一是感知設(shè)備部署。上海城投在泰和污水廠的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)部署了大量的感知設(shè)備，包括水質(zhì)傳感器（如COD、氨氮、總磷、總氮等）、ORP、流量傳感器、液位傳感器、溶解氧、污泥沉降比等。這些設(shè)備實(shí)時(shí)采集超過1000項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和決策提供基礎(chǔ)。

二是數(shù)據(jù)清洗方法。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，采用了多種數(shù)據(jù)清洗方法。主要是利用了基于多模型的數(shù)據(jù)清洗技術(shù)，該技術(shù)是基于多模型對(duì)于不同數(shù)據(jù)的適用性，通過數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)標(biāo)記、數(shù)據(jù)過濾填補(bǔ)三個(gè)步驟對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和治理。該技術(shù)支持在線實(shí)時(shí)清洗和離線數(shù)據(jù)清洗模式，并生成數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)告。

三是處理策略。針對(duì)某些在特定工況下會(huì)存在數(shù)據(jù)異常且參與控制的儀表，根據(jù)工藝特點(diǎn)設(shè)置特殊規(guī)則。如總磷儀表、SS儀表等，在模型運(yùn)行時(shí)進(jìn)行特殊處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

四是高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。通過數(shù)據(jù)采集與處理體系，為模型計(jì)算提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐。準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)能夠提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的工藝控制和決策。

實(shí)踐成果

王麗花從幾個(gè)方面介紹了泰和污水廠數(shù)字工藝員從2023年9月份投入運(yùn)行以來的一些實(shí)踐成效：

一是運(yùn)行效果得到提升：處理量方面，系統(tǒng)投用后，在確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提下，年處理量提升3.8%；能耗方面， 以生反系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)為例，去除單位BOD5的電耗下降17%；藥耗方面，PAC單耗下降10%，次氯酸鈉單耗下降18%；污染物減排方面，COD削減率提升明顯，達(dá)到了1.7%，有效減少了污水中污染物的排放，改善了水質(zhì)；溫室氣體減排方面，污水處理的碳排放強(qiáng)度下降3.65%。

二是管理模式實(shí)現(xiàn)升級(jí)：管理方式從傳統(tǒng)的“人工巡檢+經(jīng)驗(yàn)調(diào)控”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑h(yuǎn)程監(jiān)控+智能決策”，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行以自主調(diào)控+人工看護(hù)的智慧運(yùn)行模式；勞動(dòng)效率提升，運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度降低50%；故障響應(yīng)時(shí)間縮短，過程儀表的故障響應(yīng)時(shí)間從原來的2小時(shí)縮短至現(xiàn)在的30分鐘，如異常工況處理響應(yīng)時(shí)間縮短至15分鐘。

王麗花強(qiáng)調(diào)，雖然數(shù)字工藝員投入運(yùn)行以來，取得了一些明顯的成效，但作為試點(diǎn)同樣還存在一些不足，未來還需要做好系統(tǒng)性數(shù)據(jù)治理，推進(jìn)模型自動(dòng)迭代，同時(shí)建立并應(yīng)用多種智能體（數(shù)據(jù)/模型/知識(shí)庫），為大模型的應(yīng)用，提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)要做到工藝運(yùn)行工況場(chǎng)景全覆蓋，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下的工藝自調(diào)節(jié)，包括污染物排放、溫室氣體排放、經(jīng)濟(jì)成本等。

此外除了技術(shù)，還需要在管理上重塑升級(jí)，包括組織架構(gòu)與職能、工作模式、團(tuán)隊(duì)能力等，未來污水廠的智慧價(jià)值就是技術(shù)與管理的深度融合，泰和污水廠的智慧化實(shí)踐已充分驗(yàn)證，智慧運(yùn)行是推動(dòng)污水處理行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。王麗花表示，上海城投將繼續(xù)以科技創(chuàng)新為引擎，持續(xù)完善和深化數(shù)字工藝員在污水處理行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，為全國(guó)污水處理行業(yè)提供可復(fù)制推廣的智慧化解決方案。

編輯：陳偉浩