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
當前經(jīng)濟下行的時候，污水處理未來的運行成本如何降低？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。并且作為智慧城市建設不可或缺的一環(huán)，污水處理廠迫切需要更精細、更智能的運營方式，其關鍵在于解決高能耗、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)能的智慧運營模式。 以銀川某污水廠為例，該廠在設計建造階段就引入了智慧水務技術，升級了硬件設施作為智慧運行的基礎，隨后在運營實踐中，借助數(shù)據(jù)分析和工藝算法應用，從工藝自動化入手啟動智慧運營。——其中智能加藥應用成效尤為突出，不僅除磷藥劑噸水單耗下降22%，且反饋邏輯清晰，設備要求簡單。——其次又借助報警預警和數(shù)據(jù)共享功能，以夜間聽班和工單應用為突破點，進行人員集約并探索 計薪方式變革，大幅提高維修維保工作效率。 上述實踐不僅解決了傳統(tǒng)污水廠高度依賴人工操作，工藝調控不靈活，設備保障能力偏弱的問題，又實現(xiàn)節(jié)能降耗，并通過組織結構優(yōu)化，解放高價值人員，獲得可計量的經(jīng)濟效益，為其他污水廠實現(xiàn)智慧運營提供了有益參考。 （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，其實對數(shù)字化轉型毫無幫助，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、設備或者控制系統(tǒng)都應該被優(yōu)化，和多地方的組織也需要變化，上邊2點完成改造，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，都會影響當前廠子的數(shù)字化的轉型。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，進行相應的高級控制。下一個時代是隨著大數(shù)據(jù)以及中間小數(shù)據(jù)的靈活應用，所有的自動化會變成實時優(yōu)化控制，它不一定是以一個目標為止，但是它一定以一個結果為止，而這一代自動化的跨越，會在未來不斷發(fā)展。當這一前提做好，設備自動化做出來，設備感知層就上來了，然后再去做精細化的人員管理及優(yōu)化控制。 如美團外賣2000萬人員憑什么能夠高效率的完成他的派單任務？同樣我們在廠里每一天也有很多人做運營，他去做保養(yǎng)的時候是不是標準的，他打油的操作是不是按標準工作的，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)在應該讓他的場景數(shù)據(jù)上傳后，再檢查他的標準動作，把這些事情去做好。當自動化時代已經(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)生一個巨大的調整，可能會變成預防性維護，把設備的維養(yǎng)和保養(yǎng)做到標準化，設備成本就會大大降低； （3）建設目標的解析。在做數(shù)字化之前，一定要有清晰的建設目標，不把這個目標解析的非常好，預算就會出問題，可能做到一半項目就做不下去了。 （4）人才梯隊的培養(yǎng)和建設。技術在發(fā)展，對現(xiàn)場管理的人的學習能力和專業(yè)程度的要求也在提高，需要系統(tǒng)的培養(yǎng)，隨著業(yè)務擴大，后備人員的建設也是個問題； （5）領導層的決策。組織架構的重新調整，人員的富余、配置不均衡、原有的薪酬結構等都需要打破傳統(tǒng)，重新設計。 （6）設計與方案的統(tǒng)一。數(shù)字化的解決方案能否支撐和符合我們的底層設計。 寧夏自古擁有塞上江南的美譽，但實際是全國水資源最匱乏的省份之一，人均水資源占有量遠低于全國平均值。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。 銀川某污水廠的設計初衷，是借助互聯(lián)網(wǎng)技術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，同時嘗試利用自動化控制、智能化調控以及管理模式變革對傳統(tǒng)污水廠進行運營升級。該污水廠設計處理規(guī) 模為30萬m3/d，采用下沉式設計，由于國內(nèi)對于準 Ⅳ類水質尚未出臺統(tǒng)一標準，銀川某污水廠出水既要符合入黃（河）水質，又要滿足再生水利用標準，出于技術和經(jīng)濟合理性考慮，最終確定執(zhí)行北京市地方標準《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/890—2012），核心工藝流采用“多點進水+5 段Bardenpho脫氮除磷工藝”，項目排放標準和工藝 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)不但能實時展示處理設施的生產(chǎn)運行狀況，而且實現(xiàn)了與城市其他關鍵信息、基礎設施的對接，道路照明、熱力供應、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)技術和在線數(shù)字仿真，銀川某污水處理廠進一步實現(xiàn)運營管理的數(shù)字化革新。通過輸入構筑物的三維坐標、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)，成功構建建筑模型（BIM），極大優(yōu)化運營階段巡檢和維保工作。同時，系統(tǒng)不斷收集水質、流量、實時監(jiān)測 儀表數(shù)據(jù)及原材料投放量等關鍵工藝參數(shù)，為工 藝調節(jié)和故障分析提供有力的決策支持。此外對設備的溫度、振動、轉速、頻率、電流等關鍵指標進 行實時監(jiān)控，也為設備全生命周期管理提供堅實的數(shù)據(jù)基礎。 銀川某污水廠從設備維保、數(shù)據(jù)質量以及自控邏輯3個方面去保障設備高效運行。 ①設備維保：通過工單管理，設定預防性維修，保障設備維保維修頻次，并提高設備維保維修質量，減少故障發(fā)生概率，確保設備能在最優(yōu)狀態(tài)下運行。 ②數(shù)據(jù)質量：通過運維一體化模式轉變，加強在線儀表的維護力度，保障數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性和可靠性。 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，還能降低人工干預頻次。目前銀川某污水廠已對核心工藝環(huán)節(jié)的關鍵設備全部或部分實現(xiàn)了自動化控制，控制方式如圖2所示。
工藝算法以氨氮達標為最終目標，根據(jù)進水污染負荷計算分區(qū)DO和所需氣量，然后根據(jù)氣量設定值與實際值調整閥門開度和風機風量，保證分區(qū)氣量控制，維持氨氮在好氧3/4 處達標，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)實現(xiàn)參數(shù)自動校準和工藝控制，現(xiàn)場應用展示如圖4所示。當自動控制邏輯出現(xiàn)沖突或異常時，立即進行人工干預，降低系統(tǒng)調控風險。
傳統(tǒng)污水廠變動成本中，占比最高的是電費和藥劑費，其中藥劑的投加采用人工手動或泵機定量的方式，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)水量和水質的實時變化進行調整。為了提高藥劑投加的精確性和適應性，銀川某污水廠采用了智慧加藥技術來控制投加量。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)的自適應調節(jié)系統(tǒng)。通過比較系統(tǒng)的實際輸出與期望輸出之間的差異，自動調整以消除偏差，從而實現(xiàn)預期的運行效果。隨著系統(tǒng)不斷運行，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)可逐步實現(xiàn)降耗目標。 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，整合運行、設備和質檢3個部門，合并成立運維部，將夜間運行人員轉崗為日間運維人員，并將工藝人員轉崗為質量控制人員，有效提高設備維保和化驗分析能力，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構，以工單管理作為計薪方式，體現(xiàn)多勞多得。通過組織架構調整，銀川某污水廠總人數(shù)從65人優(yōu)化至53人，并選拔8名專業(yè)技術人員，參與公司外部輕資產(chǎn)拓展，承接賀蘭17個泵站的運維檢修工作，年度創(chuàng)收90萬元。 在運維一體化變革的基礎上，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)成標準化線上工單流程。以設備維保為例，該廠在系統(tǒng)中預設各種設備的維保計劃，并在到達設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。完工后通過系統(tǒng)提交驗收申請，并附上相應的圖片、視頻、文字或語音等佐證材料。審批人員隨后對工作內(nèi)容和質量進行審核 與驗收。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，并增強了工作內(nèi)容的可追溯性，與傳統(tǒng)的維保流程相比，實現(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)涵蓋運行巡檢、設備巡檢、維修、維保、化驗以及臨時任務等多種類型。考核評價體系包括工單完成率、工時消耗率及質量評價等指標。 以2024年1月為例，該月份共下發(fā)工單1444份，具體分布：運行巡檢工單為1162份，設備巡檢工單為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)字化能力來彌補個人能力的差異。但較高的初期建設成本限制了智慧運營成果的推廣，如何以較低的建設成本實現(xiàn)智慧運營尚需思考； 此外，聯(lián)動控制技術尚未完全成熟，仍需依靠報警信息通知進行人工干預，距離真正實現(xiàn)污水廠“無人值守”運行目標尚有差距。同時運維一體化的基礎是夜間聽班，但夜間聽班需要一定保障條件，包括建立成熟的預警體系，制定完善應急預案和聯(lián)動機制，以及高質量的設備維保，因此各污水廠不能盲目推行實施。 其實污水處理的數(shù)字化轉型和養(yǎng)殖場的智慧養(yǎng)殖大趨勢是一樣的，這個方向是對的，但當前環(huán)境和技術都有限制，如很多公司鉆研環(huán)控系統(tǒng)，如完全做到控制，人在手機app上就可以養(yǎng)殖，但現(xiàn)實情況下養(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)字化的最終目標的前提，都得是當前已知的技術、設備、模式以及人員等都已經(jīng)做好升級配套，才能實現(xiàn)最終目標。 說回污水的智能智慧控制——是基于大數(shù)據(jù)，統(tǒng)計學，數(shù)學模型和算法的復雜的編程AI技術，積累數(shù)據(jù)越多，大系統(tǒng)自己判斷能力越強，指令越準確，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)的特點在環(huán)境保護領域展現(xiàn)出巨大的潛力，邁向一個更可持續(xù)的未來，數(shù)字孿生技術通過實時監(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)給決策者和運營團隊（用一個電影來解析，如黑客帝國，人類的終極目標，用虛擬世界的最優(yōu)解，去指導物理世界的最高效運行）。 在傳統(tǒng)的污水處理中，突發(fā)事件可能導致環(huán)境污染和損失，數(shù)字孿生污水處理廠通過監(jiān)測設備實時運行狀態(tài)，結合數(shù)據(jù)模型分析，能夠在最短時間內(nèi)預警和識別潛在風險，通過系統(tǒng)警告并采取相應的措施進行快速響應，減少不良影響并降低運營風險，數(shù)字孿生污水處理廠以數(shù)據(jù)為基礎，提供全面的運營數(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，無論是優(yōu)化工藝流程、調整設備布局還是改善能源利用、數(shù)字孿生技術都能為我們提供合理的建議和指導，實現(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)境保護的重要里程碑。
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