數(shù)字化時代對于污水處理行業(yè)的挑戰(zhàn)—銀川某污水廠為例
日期：2025-08-01
來源：
鴨高創(chuàng)咨詢公眾號
當(dāng)前經(jīng)濟(jì)下行的時候，污水處理未來的運(yùn)行成本如何降低？尤其是可量化、成比例的降低，而數(shù)字化轉(zhuǎn)型、做到智能智慧控制是未來污水處理成本控制的終極目標(biāo)。并且作為智慧城市建設(shè)不可或缺的一環(huán)，污水處理廠迫切需要更精細(xì)、更智能的運(yùn)營方式，其關(guān)鍵在于解決高能耗、低效率及過度依賴人工操作的問題。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與污水處理深度融合，市政污水廠逐步走向高效節(jié)能的智慧運(yùn)營模式。 以銀川某污水廠為例，該廠在設(shè)計建造階段就引入了智慧水務(wù)技術(shù)，升級了硬件設(shè)施作為智慧運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨后在運(yùn)營實(shí)踐中，借助數(shù)據(jù)分析和工藝算法應(yīng)用，從工藝自動化入手啟動智慧運(yùn)營。——其中智能加藥應(yīng)用成效尤為突出，不僅除磷藥劑噸水單耗下降22%，且反饋邏輯清晰，設(shè)備要求簡單。——其次又借助報警預(yù)警和數(shù)據(jù)共享功能，以夜間聽班和工單應(yīng)用為突破點(diǎn)，進(jìn)行人員集約并探索 計薪方式變革，大幅提高維修維保工作效率。 上述實(shí)踐不僅解決了傳統(tǒng)污水廠高度依賴人工操作，工藝調(diào)控不靈活，設(shè)備保障能力偏弱的問題，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，并通過組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解放高價值人員，獲得可計量的經(jīng)濟(jì)效益，為其他污水廠實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)營提供了有益參考。 1、智能智慧怎么衡量——這是做這個事情的基礎(chǔ) （1）人能做的事情，這個系統(tǒng)一定是可以做到的； （2）人產(chǎn)生的成本是100元，系統(tǒng)可能就是80元，就是說能耗、藥耗、人耗、各種消耗需要大比例下降才行。 （1）流程再造——現(xiàn)有流程去做現(xiàn)有的數(shù)字化，其實(shí)對數(shù)字化轉(zhuǎn)型毫無幫助，只是把線下搬到了線上而已，否則效率不可能再造。 （2）組織再造——大量中間的人、設(shè)備或者控制系統(tǒng)都應(yīng)該被優(yōu)化，和多地方的組織也需要變化，上邊2點(diǎn)完成改造，才能完成成本再造。 （1）上下思想需要統(tǒng)一。上邊想做數(shù)字化，下邊一個快退休的員工內(nèi)心排斥，少傳遞一個工單，都會影響當(dāng)前廠子的數(shù)字化的轉(zhuǎn)型。并且期間還需要做一個簡單的小工具app來幫助員工快速完成工作； （2）感知層和控制層的提升。是否具備做數(shù)字化的條件，當(dāng)前的自動化時代，如傳統(tǒng)的PLC靠邏輯控制，然后我們現(xiàn)在用氨氮或者溶解氧做目標(biāo)，進(jìn)行相應(yīng)的高級控制。下一個時代是隨著大數(shù)據(jù)以及中間小數(shù)據(jù)的靈活應(yīng)用，所有的自動化會變成實(shí)時優(yōu)化控制，它不一定是以一個目標(biāo)為止，但是它一定以一個結(jié)果為止，而這一代自動化的跨越，會在未來不斷發(fā)展。當(dāng)這一前提做好，設(shè)備自動化做出來，設(shè)備感知層就上來了，然后再去做精細(xì)化的人員管理及優(yōu)化控制。 如美團(tuán)外賣2000萬人員憑什么能夠高效率的完成他的派單任務(wù)？同樣我們在廠里每一天也有很多人做運(yùn)營，他去做保養(yǎng)的時候是不是標(biāo)準(zhǔn)的，他打油的操作是不是按標(biāo)準(zhǔn)工作的，清洗儀表的時候整個流程是不是都是極其完整的，以前這些都是人管，而現(xiàn)在應(yīng)該讓他的場景數(shù)據(jù)上傳后，再檢查他的標(biāo)準(zhǔn)動作，把這些事情去做好。當(dāng)自動化時代已經(jīng)完全可以替代日常生產(chǎn)的時候，這時候人的工作崗位就會發(fā)生一個巨大的調(diào)整，可能會變成預(yù)防性維護(hù)，把設(shè)備的維養(yǎng)和保養(yǎng)做到標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備成本就會大大降低； （3）建設(shè)目標(biāo)的解析。在做數(shù)字化之前，一定要有清晰的建設(shè)目標(biāo)，不把這個目標(biāo)解析的非常好，預(yù)算就會出問題，可能做到一半項(xiàng)目就做不下去了。 （4）人才梯隊(duì)的培養(yǎng)和建設(shè)。技術(shù)在發(fā)展，對現(xiàn)場管理的人的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)程度的要求也在提高，需要系統(tǒng)的培養(yǎng)，隨著業(yè)務(wù)擴(kuò)大，后備人員的建設(shè)也是個問題； （5）領(lǐng)導(dǎo)層的決策。組織架構(gòu)的重新調(diào)整，人員的富余、配置不均衡、原有的薪酬結(jié)構(gòu)等都需要打破傳統(tǒng)，重新設(shè)計。 （6）設(shè)計與方案的統(tǒng)一。數(shù)字化的解決方案能否支撐和符合我們的底層設(shè)計。 寧夏自古擁有塞上江南的美譽(yù)，但實(shí)際是全國水資源最匱乏的省份之一，人均水資源占有量遠(yuǎn)低于全國平均值。銀川市位于寧夏平原北部， 根據(jù)《銀川市2022年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，2022年該市常住人口為289.68萬，污水年排放量為18142.42萬m3。同時銀川市水資源人均占有量約為960m3，僅為全國平均水平的1/2，水資源短缺和污水處理需求尤其突出。 銀川某污水廠的設(shè)計初衷，是借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將污水廠融入智慧城市系統(tǒng)，尤其是將其出水作為再生水水源，從根本上緩解水資源不足問題，同時嘗試?yán)米詣踊刂?、智能化調(diào)控以及管理模式變革對傳統(tǒng)污水廠進(jìn)行運(yùn)營升級。該污水廠設(shè)計處理規(guī) 模為30萬m3/d，采用下沉式設(shè)計，由于國內(nèi)對于準(zhǔn) Ⅳ類水質(zhì)尚未出臺統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，銀川某污水廠出水既要符合入黃（河）水質(zhì)，又要滿足再生水利用標(biāo)準(zhǔn)，出于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理性考慮，最終確定執(zhí)行北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/890—2012），核心工藝流采用“多點(diǎn)進(jìn)水+5 段Bardenpho脫氮除磷工藝”，項(xiàng)目排放標(biāo)準(zhǔn)和工藝 流程圖分別如表1和圖1所示。
該廠已經(jīng)成功融入銀川市的智慧城市系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)不但能實(shí)時展示處理設(shè)施的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，而且實(shí)現(xiàn)了與城市其他關(guān)鍵信息、基礎(chǔ)設(shè)施的對接，道路照明、熱力供應(yīng)、環(huán)境衛(wèi)生、供水排水以及市民投訴在內(nèi)的各類市政監(jiān)管信息均可被集 成至中控展廳。 同時，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)和在線數(shù)字仿真，銀川某污水處理廠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理的數(shù)字化革新。通過輸入構(gòu)筑物的三維坐標(biāo)、管道的地下深度、管網(wǎng)布局以及檢查井的精確位置等數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建建筑模型（BIM），極大優(yōu)化運(yùn)營階段巡檢和維保工作。同時，系統(tǒng)不斷收集水質(zhì)、流量、實(shí)時監(jiān)測 儀表數(shù)據(jù)及原材料投放量等關(guān)鍵工藝參數(shù)，為工 藝調(diào)節(jié)和故障分析提供有力的決策支持。此外對設(shè)備的溫度、振動、轉(zhuǎn)速、頻率、電流等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn) 行實(shí)時監(jiān)控，也為設(shè)備全生命周期管理提供堅實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 銀川某污水廠從設(shè)備維保、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及自控邏輯3個方面去保障設(shè)備高效運(yùn)行。 ①設(shè)備維保：通過工單管理，設(shè)定預(yù)防性維修，保障設(shè)備維保維修頻次，并提高設(shè)備維保維修質(zhì)量，減少故障發(fā)生概率，確保設(shè)備能在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行。 ②數(shù)據(jù)質(zhì)量：通過運(yùn)維一體化模式轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)在線儀表的維護(hù)力度，保障數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。 ③自控邏輯：梳理各工藝段控制邏輯，并編輯控制程序，不僅可確保工藝流程的智能化和精確化，還能降低人工干預(yù)頻次。目前銀川某污水廠已對核心工藝環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備全部或部分實(shí)現(xiàn)了自動化控制，控制方式如圖2所示。
工藝算法以氨氮達(dá)標(biāo)為最終目標(biāo)，根據(jù)進(jìn)水污染負(fù)荷計算分區(qū)DO和所需氣量，然后根據(jù)氣量設(shè)定值與實(shí)際值調(diào)整閥門開度和風(fēng)機(jī)風(fēng)量，保證分區(qū)氣量控制，維持氨氮在好氧3/4 處達(dá)標(biāo)，具體控制邏輯如圖3所示。
將上述控制邏輯開發(fā)為程序，嵌入軟件，通過多參數(shù)的動態(tài)工藝優(yōu)化算法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動校準(zhǔn)和工藝控制，現(xiàn)場應(yīng)用展示如圖4所示。當(dāng)自動控制邏輯出現(xiàn)沖突或異常時，立即進(jìn)行人工干預(yù)，降低系統(tǒng)調(diào)控風(fēng)險。
傳統(tǒng)污水廠變動成本中，占比最高的是電費(fèi)和藥劑費(fèi)，其中藥劑的投加采用人工手動或泵機(jī)定量的方式，其中人工手動投加是間歇性的，精度較低且對處理系統(tǒng)的沖擊較大；泵機(jī)定量投加雖然可以連續(xù)作業(yè)，但無法根據(jù)水量和水質(zhì)的實(shí)時變化進(jìn)行調(diào)整。為了提高藥劑投加的精確性和適應(yīng)性，銀川某污水廠采用了智慧加藥技術(shù)來控制投加量。該系統(tǒng)基于偏差控制原理，將輸出量直接或間接地反饋到輸入端，形成一個閉環(huán)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過比較系統(tǒng)的實(shí)際輸出與期望輸出之間的差異，自動調(diào)整以消除偏差，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)行效果。隨著系統(tǒng)不斷運(yùn)行，收集到的數(shù)據(jù)越來越多，持續(xù)地修正模型參數(shù)，系統(tǒng)可逐步實(shí)現(xiàn)降耗目標(biāo)。 2023年引入智能加藥系統(tǒng)后，除磷藥劑的消耗效量顯著降低，每噸水所消耗的除磷藥劑從2022年平均為29.04 mg/L下降到2023年的22.61 mg/L，下降幅度約為22%，年化節(jié)約除磷藥劑金額為19.15萬元，同期數(shù)據(jù)對比如圖5所示。
銀川某污水廠打破傳統(tǒng)污水廠組織架構(gòu)，整合運(yùn)行、設(shè)備和質(zhì)檢3個部門，合并成立運(yùn)維部，將夜間運(yùn)行人員轉(zhuǎn)崗為日間運(yùn)維人員，并將工藝人員轉(zhuǎn)崗為質(zhì)量控制人員，有效提高設(shè)備維保和化驗(yàn)分析能力，這一改革極大緩解傳統(tǒng)污水處理廠人員配置不均衡問題， 同時打破原有薪酬結(jié)構(gòu)，以工單管理作為計薪方式，體現(xiàn)多勞多得。通過組織架構(gòu)調(diào)整，銀川某污水廠總?cè)藬?shù)從65人優(yōu)化至53人，并選拔8名專業(yè)技術(shù)人員，參與公司外部輕資產(chǎn)拓展，承接賀蘭17個泵站的運(yùn)維檢修工作，年度創(chuàng)收90萬元。 在運(yùn)維一體化變革的基礎(chǔ)上，銀川某污水廠又借助數(shù)字化工具（SED-ONLINE）系統(tǒng)，將日常生產(chǎn)活動開發(fā)成標(biāo)準(zhǔn)化線上工單流程。以設(shè)備維保為例，該廠在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)各種設(shè)備的維保計劃，并在到達(dá)設(shè)定時間時自動生成并派發(fā)工單。收到工單的人員立刻按指令執(zhí)行任務(wù)。完工后通過系統(tǒng)提交驗(yàn)收申請，并附上相應(yīng)的圖片、視頻、文字或語音等佐證材料。審批人員隨后對工作內(nèi)容和質(zhì)量進(jìn)行審核 與驗(yàn)收。最終所有記錄由系統(tǒng)自動存檔。這一流程大幅提升部門間的溝通效率，并增強(qiáng)了工作內(nèi)容的可追溯性，與傳統(tǒng)的維保流程相比，實(shí)現(xiàn)顯著的效率提升。 隨著工單制度不斷優(yōu)化及內(nèi)容日益詳細(xì)化，各類工單信息變得更加明確和精確。目前銀川某污水廠工單管理系統(tǒng)涵蓋運(yùn)行巡檢、設(shè)備巡檢、維修、維保、化驗(yàn)以及臨時任務(wù)等多種類型。考核評價體系包括工單完成率、工時消耗率及質(zhì)量評價等指標(biāo)。 以2024年1月為例，該月份共下發(fā)工單1444份，具體分布：運(yùn)行巡檢工單為1162份，設(shè)備巡檢工單為10份，維保工單為184份，維修工單為5份，以及臨時工單為52份，整體工單完成率達(dá)到了 84.45%。 未來污水處理廠必然朝著少人乃至無人值守的方向發(fā)展，并將利用數(shù)字化能力來彌補(bǔ)個人能力的差異。但較高的初期建設(shè)成本限制了智慧運(yùn)營成果的推廣，如何以較低的建設(shè)成本實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)營尚需思考； 此外，聯(lián)動控制技術(shù)尚未完全成熟，仍需依靠報警信息通知進(jìn)行人工干預(yù)，距離真正實(shí)現(xiàn)污水廠“無人值守”運(yùn)行目標(biāo)尚有差距。同時運(yùn)維一體化的基礎(chǔ)是夜間聽班，但夜間聽班需要一定保障條件，包括建立成熟的預(yù)警體系，制定完善應(yīng)急預(yù)案和聯(lián)動機(jī)制，以及高質(zhì)量的設(shè)備維保，因此各污水廠不能盲目推行實(shí)施。 其實(shí)污水處理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和養(yǎng)殖場的智慧養(yǎng)殖大趨勢是一樣的，這個方向是對的，但當(dāng)前環(huán)境和技術(shù)都有限制，如很多公司鉆研環(huán)控系統(tǒng)，如完全做到控制，人在手機(jī)app上就可以養(yǎng)殖，但現(xiàn)實(shí)情況下養(yǎng)殖的最終模式都沒有定下來，如建多大的棚舍、幾層籠養(yǎng)、什么樣的通風(fēng)模式等，所有人都在不斷探索優(yōu)化，并且發(fā)展速度很快，那當(dāng)前研究的環(huán)控系統(tǒng)就無法適用于后續(xù)的變化。 因此談到智慧型、數(shù)字化的最終目標(biāo)的前提，都得是當(dāng)前已知的技術(shù)、設(shè)備、模式以及人員等都已經(jīng)做好升級配套，才能實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。 說回污水的智能智慧控制——是基于大數(shù)據(jù)，統(tǒng)計學(xué)，數(shù)學(xué)模型和算法的復(fù)雜的編程AI技術(shù)，積累數(shù)據(jù)越多，大系統(tǒng)自己判斷能力越強(qiáng)，指令越準(zhǔn)確，才能做到真正的智能智慧污水，這也是智能智慧污水的核心。 在數(shù)字時代的浪潮下，科技革命正引領(lǐng)著我們，邁向一個更可持續(xù)的未來，數(shù)字孿生污水處理廠以其高效、智能、和可持續(xù)的特點(diǎn)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，邁向一個更可持續(xù)的未來，數(shù)字孿生技術(shù)通過實(shí)時監(jiān)測和模擬，能夠精確還原污水處理過程中的各種變量和情景，將復(fù)雜的生產(chǎn)過程可視化，并以直觀的方式呈現(xiàn)給決策者和運(yùn)營團(tuán)隊(duì)（用一個電影來解析，如黑客帝國，人類的終極目標(biāo)，用虛擬世界的最優(yōu)解，去指導(dǎo)物理世界的最高效運(yùn)行）。 在傳統(tǒng)的污水處理中，突發(fā)事件可能導(dǎo)致環(huán)境污染和損失，數(shù)字孿生污水處理廠通過監(jiān)測設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合數(shù)據(jù)模型分析，能夠在最短時間內(nèi)預(yù)警和識別潛在風(fēng)險，通過系統(tǒng)警告并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行快速響應(yīng)，減少不良影響并降低運(yùn)營風(fēng)險，數(shù)字孿生污水處理廠以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提供全面的運(yùn)營數(shù)據(jù)和洞察，幫助我們制定更明智的決策，并推動持續(xù)改進(jìn)，無論是優(yōu)化工藝流程、調(diào)整設(shè)備布局還是改善能源利用、數(shù)字孿生技術(shù)都能為我們提供合理的建議和指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)污水處理過程的持續(xù)優(yōu)化，數(shù)字孿生污水處理廠是我們邁向清潔能源與環(huán)境保護(hù)的重要里程碑。
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