数字化时代对于污水处理行业的挑战—银川某污水厂为例
日期：2025-08-01
来源：
鸭高创咨询公众号
当前经济下行的时候，污水处理未来的运行成本如何降低？尤其是可量化、成比例的降低，而数字化转型、做到智能智慧控制是未来污水处理成本控制的终极目标。并且作为智慧城市建设不可或缺的一环，污水处理厂迫切需要更精细、更智能的运营方式，其关键在于解决高能耗、低效率及过度依赖人工操作的问题。
随着互联网技术与污水处理深度融合，市政污水厂逐步走向高效节能的智慧运营模式。 以银川某污水厂为例，该厂在设计建造阶段就引入了智慧水务技术，升级了硬件设施作为智慧运行的基础，随后在运营实践中，借助数据分析和工艺算法应用，从工艺自动化入手启动智慧运营。——其中智能加药应用成效尤为突出，不仅除磷药剂吨水单耗下降22%，且反馈逻辑清晰，设备要求简单。——其次又借助报警预警和数据共享功能，以夜间听班和工单应用为突破点，进行人员集约并探索 计薪方式变革，大幅提高维修维保工作效率。 上述实践不仅解决了传统污水厂高度依赖人工操作，工艺调控不灵活，设备保障能力偏弱的问题，又实现节能降耗，并通过组织结构优化，解放高价值人员，获得可计量的经济效益，为其他污水厂实现智慧运营提供了有益参考。 （2）人产生的成本是100元，系统可能就是80元，就是说能耗、药耗、人耗、各种消耗需要大比例下降才行。 （1）流程再造——现有流程去做现有的数字化，其实对数字化转型毫无帮助，只是把线下搬到了线上而已，否则效率不可能再造。 （2）组织再造——大量中间的人、设备或者控制系统都应该被优化，和多地方的组织也需要变化，上边2点完成改造，才能完成成本再造。 （1）上下思想需要统一。上边想做数字化，下边一个快退休的员工内心排斥，少传递一个工单，都会影响当前厂子的数字化的转型。并且期间还需要做一个简单的小工具app来帮助员工快速完成工作； （2）感知层和控制层的提升。是否具备做数字化的条件，当前的自动化时代，如传统的PLC靠逻辑控制，然后我们现在用氨氮或者溶解氧做目标，进行相应的高级控制。下一个时代是随着大数据以及中间小数据的灵活应用，所有的自动化会变成实时优化控制，它不一定是以一个目标为止，但是它一定以一个结果为止，而这一代自动化的跨越，会在未来不断发展。当这一前提做好，设备自动化做出来，设备感知层就上来了，然后再去做精细化的人员管理及优化控制。 如美团外卖2000万人员凭什么能够高效率的完成他的派单任务？同样我们在厂里每一天也有很多人做运营，他去做保养的时候是不是标准的，他打油的操作是不是按标准工作的，清洗仪表的时候整个流程是不是都是极其完整的，以前这些都是人管，而现在应该让他的场景数据上传后，再检查他的标准动作，把这些事情去做好。当自动化时代已经完全可以替代日常生产的时候，这时候人的工作岗位就会发生一个巨大的调整，可能会变成预防性维护，把设备的维养和保养做到标准化，设备成本就会大大降低； （3）建设目标的解析。在做数字化之前，一定要有清晰的建设目标，不把这个目标解析的非常好，预算就会出问题，可能做到一半项目就做不下去了。 （4）人才梯队的培养和建设。技术在发展，对现场管理的人的学习能力和专业程度的要求也在提高，需要系统的培养，随着业务扩大，后备人员的建设也是个问题； （5）领导层的决策。组织架构的重新调整，人员的富余、配置不均衡、原有的薪酬结构等都需要打破传统，重新设计。 （6）设计与方案的统一。数字化的解决方案能否支撑和符合我们的底层设计。 宁夏自古拥有塞上江南的美誉，但实际是全国水资源最匮乏的省份之一，人均水资源占有量远低于全国平均值。银川市位于宁夏平原北部， 根据《银川市2022年国民经济和社会发展统计公报》，2022年该市常住人口为289.68万，污水年排放量为18142.42万m3。同时银川市水资源人均占有量约为960m3，仅为全国平均水平的1/2，水资源短缺和污水处理需求尤其突出。 银川某污水厂的设计初衷，是借助互联网技术将污水厂融入智慧城市系统，尤其是将其出水作为再生水水源，从根本上缓解水资源不足问题，同时尝试利用自动化控制、智能化调控以及管理模式变革对传统污水厂进行运营升级。该污水厂设计处理规 模为30万m3/d，采用下沉式设计，由于国内对于准 Ⅳ类水质尚未出台统一标准，银川某污水厂出水既要符合入黄（河）水质，又要满足再生水利用标准，出于技术和经济合理性考虑，最终确定执行北京市地方标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890—2012），核心工艺流采用“多点进水+5 段Bardenpho脱氮除磷工艺”，项目排放标准和工艺 流程图分别如表1和图1所示。
该厂已经成功融入银川市的智慧城市系统，中央控制系统不但能实时展示处理设施的生产运行状况，而且实现了与城市其他关键信息、基础设施的对接，道路照明、热力供应、环境卫生、供水排水以及市民投诉在内的各类市政监管信息均可被集 成至中控展厅。 同时，借助大数据技术和在线数字仿真，银川某污水处理厂进一步实现运营管理的数字化革新。通过输入构筑物的三维坐标、管道的地下深度、管网布局以及检查井的精确位置等数据，成功构建建筑模型（BIM），极大优化运营阶段巡检和维保工作。同时，系统不断收集水质、流量、实时监测 仪表数据及原材料投放量等关键工艺参数，为工 艺调节和故障分析提供有力的决策支持。此外对设备的温度、振动、转速、频率、电流等关键指标进 行实时监控，也为设备全生命周期管理提供坚实的数据基础。 银川某污水厂从设备维保、数据质量以及自控逻辑3个方面去保障设备高效运行。 ①设备维保：通过工单管理，设定预防性维修，保障设备维保维修频次，并提高设备维保维修质量，减少故障发生概率，确保设备能在最优状态下运行。 ②数据质量：通过运维一体化模式转变，加强在线仪表的维护力度，保障数据监测的准确性和可靠性。 ③自控逻辑：梳理各工艺段控制逻辑，并编辑控制程序，不仅可确保工艺流程的智能化和精确化，还能降低人工干预频次。目前银川某污水厂已对核心工艺环节的关键设备全部或部分实现了自动化控制，控制方式如图2所示。
工艺算法以氨氮达标为最终目标，根据进水污染负荷计算分区DO和所需气量，然后根据气量设定值与实际值调整阀门开度和风机风量，保证分区气量控制，维持氨氮在好氧3/4 处达标，具体控制逻辑如图3所示。
将上述控制逻辑开发为程序，嵌入软件，通过多参数的动态工艺优化算法，系统实现参数自动校准和工艺控制，现场应用展示如图4所示。当自动控制逻辑出现冲突或异常时，立即进行人工干预，降低系统调控风险。
传统污水厂变动成本中，占比最高的是电费和药剂费，其中药剂的投加采用人工手动或泵机定量的方式，其中人工手动投加是间歇性的，精度较低且对处理系统的冲击较大；泵机定量投加虽然可以连续作业，但无法根据水量和水质的实时变化进行调整。为了提高药剂投加的精确性和适应性，银川某污水厂采用了智慧加药技术来控制投加量。该系统基于偏差控制原理，将输出量直接或间接地反馈到输入端，形成一个闭环的自适应调节系统。通过比较系统的实际输出与期望输出之间的差异，自动调整以消除偏差，从而实现预期的运行效果。随着系统不断运行，收集到的数据越来越多，持续地修正模型参数，系统可逐步实现降耗目标。 2023年引入智能加药系统后，除磷药剂的消耗效量显著降低，每吨水所消耗的除磷药剂从2022年平均为29.04 mg/L下降到2023年的22.61 mg/L，下降幅度约为22%，年化节约除磷药剂金额为19.15万元，同期数据对比如图5所示。
银川某污水厂打破传统污水厂组织架构，整合运行、设备和质检3个部门，合并成立运维部，将夜间运行人员转岗为日间运维人员，并将工艺人员转岗为质量控制人员，有效提高设备维保和化验分析能力，这一改革极大缓解传统污水处理厂人员配置不均衡问题， 同时打破原有薪酬结构，以工单管理作为计薪方式，体现多劳多得。通过组织架构调整，银川某污水厂总人数从65人优化至53人，并选拔8名专业技术人员，参与公司外部轻资产拓展，承接贺兰17个泵站的运维检修工作，年度创收90万元。 在运维一体化变革的基础上，银川某污水厂又借助数字化工具（SED-ONLINE）系统，将日常生产活动开发成标准化线上工单流程。以设备维保为例，该厂在系统中预设各种设备的维保计划，并在到达设定时间时自动生成并派发工单。收到工单的人员立刻按指令执行任务。完工后通过系统提交验收申请，并附上相应的图片、视频、文字或语音等佐证材料。审批人员随后对工作内容和质量进行审核 与验收。最终所有记录由系统自动存档。这一流程大幅提升部门间的沟通效率，并增强了工作内容的可追溯性，与传统的维保流程相比，实现显著的效率提升。 随着工单制度不断优化及内容日益详细化，各类工单信息变得更加明确和精确。目前银川某污水厂工单管理系统涵盖运行巡检、设备巡检、维修、维保、化验以及临时任务等多种类型。考核评价体系包括工单完成率、工时消耗率及质量评价等指标。 以2024年1月为例，该月份共下发工单1444份，具体分布：运行巡检工单为1162份，设备巡检工单为10份，维保工单为184份，维修工单为5份，以及临时工单为52份，整体工单完成率达到了 84.45%。 未来污水处理厂必然朝着少人乃至无人值守的方向发展，并将利用数字化能力来弥补个人能力的差异。但较高的初期建设成本限制了智慧运营成果的推广，如何以较低的建设成本实现智慧运营尚需思考； 此外，联动控制技术尚未完全成熟，仍需依靠报警信息通知进行人工干预，距离真正实现污水厂“无人值守”运行目标尚有差距。同时运维一体化的基础是夜间听班，但夜间听班需要一定保障条件，包括建立成熟的预警体系，制定完善应急预案和联动机制，以及高质量的设备维保，因此各污水厂不能盲目推行实施。 其实污水处理的数字化转型和养殖场的智慧养殖大趋势是一样的，这个方向是对的，但当前环境和技术都有限制，如很多公司钻研环控系统，如完全做到控制，人在手机app上就可以养殖，但现实情况下养殖的最终模式都没有定下来，如建多大的棚舍、几层笼养、什么样的通风模式等，所有人都在不断探索优化，并且发展速度很快，那当前研究的环控系统就无法适用于后续的变化。 因此谈到智慧型、数字化的最终目标的前提，都得是当前已知的技术、设备、模式以及人员等都已经做好升级配套，才能实现最终目标。 说回污水的智能智慧控制——是基于大数据，统计学，数学模型和算法的复杂的编程AI技术，积累数据越多，大系统自己判断能力越强，指令越准确，才能做到真正的智能智慧污水，这也是智能智慧污水的核心。 在数字时代的浪潮下，科技革命正引领着我们，迈向一个更可持续的未来，数字孪生污水处理厂以其高效、智能、和可持续的特点在环境保护领域展现出巨大的潜力，迈向一个更可持续的未来，数字孪生技术通过实时监测和模拟，能够精确还原污水处理过程中的各种变量和情景，将复杂的生产过程可视化，并以直观的方式呈现给决策者和运营团队（用一个电影来解析，如黑客帝国，人类的终极目标，用虚拟世界的最优解，去指导物理世界的最高效运行）。 在传统的污水处理中，突发事件可能导致环境污染和损失，数字孪生污水处理厂通过监测设备实时运行状态，结合数据模型分析，能够在最短时间内预警和识别潜在风险，通过系统警告并采取相应的措施进行快速响应，减少不良影响并降低运营风险，数字孪生污水处理厂以数据为基础，提供全面的运营数据和洞察，帮助我们制定更明智的决策，并推动持续改进，无论是优化工艺流程、调整设备布局还是改善能源利用、数字孪生技术都能为我们提供合理的建议和指导，实现污水处理过程的持续优化，数字孪生污水处理厂是我们迈向清洁能源与环境保护的重要里程碑。
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