近日，在2025上海水業(yè)熱點論壇上，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)動的污水廠智慧運行探索與思考，以及數(shù)字工藝員系統(tǒng)在泰和污水廠投入運行以來所取得的一些實踐成果。王麗花表示，未來污水廠的智慧價值就是技術(shù)與管理的深度融合，泰和污水廠的智慧化實踐已充分驗證，智慧運行是推動污水處理行業(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，均對污水處理行業(yè)的高質(zhì)量運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)污水廠的運營模式存在諸多痛點、難點，為解決傳統(tǒng)運營模式的痛點，上海城投提出了以數(shù)據(jù)驅(qū)動提高處理效率，降低能耗藥耗高效能治理的轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

當(dāng)前傳統(tǒng)污水處理廠運行存在三大的痛點：

一是人工經(jīng)驗依賴的痛點。傳統(tǒng)運營模式過度依賴人工經(jīng)驗，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，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)控往往滯后于實際運行情況。當(dāng)進水水質(zhì)、水量發(fā)生變化時，不能及時調(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)運營模式下，能耗藥耗成本難以有效控制。缺乏實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，無法精準(zhǔn)調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)和藥劑投加量，導(dǎo)致能耗藥耗浪費嚴(yán)重，增加了運營成本。

為解決傳統(tǒng)運營模式的痛點，上海城投通過建立數(shù)字化、智能化的污水處理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、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)行國家一級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%后外運石洞口污水廠進行焚燒處置。

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以來，就開始逐步對自動化控制進行完善，同時在完善的基礎(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行。

智慧化的本質(zhì)特征是一個“感知”基礎(chǔ)之上的“兩個閉環(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)；“兩個閉環(huán)”就是自控層面的一個小閉環(huán)，以及智慧化層面的一個大閉環(huán)，而這個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)動的智慧化控制架構(gòu)，其運行機制如下：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)過模型算法對接收的數(shù)據(jù)進行深度解析與趨勢預(yù)判，進而生成精準(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)實時采集執(zhí)行效果數(shù)據(jù)并形成閉環(huán)反饋，最終形成一個可以實現(xiàn)預(yù)測分析以及決策執(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

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

10個工藝參數(shù)預(yù)測模型

此外，上海城投還通過對泰和污水處理廠歷史運行數(shù)據(jù)及工藝運行原理進行分析，采用不同的人工智能機器學(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“機理”+“數(shù)理”的污水處理廠多工藝參數(shù)預(yù)測模型，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個工藝參數(shù)預(yù)測模型，為工藝調(diào)度和工藝優(yōu)化提供了堅實的基礎(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，基于活性污泥機理構(gòu)建了全流程在線仿真模型，可根據(jù)實時進水?dāng)?shù)據(jù)及控制邊界，進一步實現(xiàn)實時預(yù)測預(yù)警、工藝運行優(yōu)化、關(guān)鍵儀表的預(yù)測性維護、預(yù)案模擬分析等功能。

同時，上海城投利用通用大模型對智慧運行賦能開展了一些探索，目前主要是用于生產(chǎn)運行知識助手和污水運營AI洞察倉 。能夠快捷有效的來調(diào)取污水廠的各類運行數(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，以及自動生成生產(chǎn)小結(jié)和運行報告。

3、五大應(yīng)用場景

場景一：智能排產(chǎn)方面，根據(jù)生產(chǎn)能力評估、進水量預(yù)測，計劃排產(chǎn)形成每日計劃污水處理量，然后分解成秒流量下發(fā)自控系統(tǒng)，根據(jù)運行需求選擇比例配水模式/恒流量模式結(jié)合實時產(chǎn)能和排產(chǎn)水量實現(xiàn)泵機自動配水。

場景二：曝氣控制方面，采用隨機森林算法建立生反池出水NH3預(yù)測的DO值，采用west機理模型實時預(yù)測的DO值，還有一個根據(jù)經(jīng)驗預(yù)測的保底值，三個值比選擇優(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。

場景三：智能加藥控制，采用機理算法建立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)上進一步降低投藥量。

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

場景五：大模型輔助運行，工藝運行人員不再需要打開多個系統(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)運行所需的實時數(shù)據(jù)、專業(yè)知識，異常情況分析，并能自動生成生產(chǎn)運行報告和操作票。就如同一名掌握各專業(yè)知識，了解各項數(shù)據(jù)的“全能型生產(chǎn)助手”協(xié)助工藝運行人員進行管理，大幅提升工作效率。

3、數(shù)據(jù)采集與處理體系

對于依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(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)備實時采集超過1000項運行數(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)過濾填補三個步驟對數(shù)據(jù)進行清洗和治理。該技術(shù)支持在線實時清洗和離線數(shù)據(jù)清洗模式，并生成數(shù)據(jù)質(zhì)量報告。

三是處理策略。針對某些在特定工況下會存在數(shù)據(jù)異常且參與控制的儀表，根據(jù)工藝特點設(shè)置特殊規(guī)則。如總磷儀表、SS儀表等，在模型運行時進行特殊處理，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，從而實現(xiàn)更精準(zhǔn)的工藝控制和決策。

實踐成果

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

一是運行效果得到提升：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度下降3.65%。

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

王麗花強調(diào)，雖然數(shù)字工藝員投入運行以來，取得了一些明顯的成效，但作為試點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，推進模型自動迭代，同時建立并應(yīng)用多種智能體（數(shù)據(jù)/模型/知識庫），為大模型的應(yīng)用，提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。同時要做到工藝運行工況場景全覆蓋，實現(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)濟成本等。

此外除了技術(shù)，還需要在管理上重塑升級，包括組織架構(gòu)與職能、工作模式、團隊能力等，未來污水廠的智慧價值就是技術(shù)與管理的深度融合，泰和污水廠的智慧化實踐已充分驗證，智慧運行是推動污水處理行業(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)中的實際應(yīng)用，為全國污水處理行業(yè)提供可復(fù)制推廣的智慧化解決方案。

編輯：陳偉浩