AI可賦能污水處理 打造智慧水廠
千龍網2025-04-01 02:07
作為2025中關村論壇年會的重要組成部分，中關村國際技術交易大會“全球高�？萍汲晒D化促進大會”近日在北京工業(yè)大學奧林匹克體育館舉辦。除了信息量“爆炸”的3場主題論壇外，現(xiàn)場觀眾把眼光和鏡頭對向全球高校科技成果轉化主題展。
在主題展綜合展區(qū)，有一個服務京津冀城市水環(huán)境治理的城市污水處理全流程智能優(yōu)化運行平臺。在北京工業(yè)大學智慧環(huán)保北京實驗室里，這個平臺連接著數(shù)十公里外的污水處理廠，工作人員通過操作調控，污水在程序控制中逐漸凈化，最后由廢水變?yōu)樯钣盟?/span>
讓本已失去應用功能的水變成可以用的再生水，這是件利國利民的事。在這條路上，北京工業(yè)大學黨委副書記喬俊飛帶著團隊走了二十多年。在污水處理中，如何讓處理成本更低，怎么才能使污染物排放更少，是個永久的課題。近日，喬俊飛在接受新京報記者專訪時表示，人工智能（AI）在完成污水處理調控任務中展現(xiàn)出強大的能力和優(yōu)勢，是打好污染防治攻堅戰(zhàn)的利器。“只要有人類存在，污染治理這個事業(yè)就永無止境。”
北京工業(yè)大學黨委副書記喬俊飛�！∈茉L者供圖
談人工智能
人工智能可以應對污水處理的復雜過程
新京報：你的研究突出人工智能要與環(huán)保融合，曾表示“人工智能是以更高標準打贏污染防治攻堅戰(zhàn)的重要‘法寶’”。人工智能在污水處理中的核心價值到底是什么？
喬俊飛：我們知道污水處理過程最突出的特點是入水不確定性、隨機性，生化反應過程復雜。這種依靠微生物生命活動來降解有機污染物的過程，難以建立起精確數(shù)學表達模型。而人工智能是處理數(shù)據(jù)的有力工具，可以通過過程數(shù)據(jù)來解析和調控污水處理過程。隨著信息技術的發(fā)展，污水處理過程中很多數(shù)據(jù)得到實時測量，這些數(shù)據(jù)可以及時地反映出污水的流量、組分和各類污染物的含量。及時處理好這些數(shù)據(jù)，并從中挖掘出有用的信息，對污水處理調控至關重要。
此外，污水處理過程相對緩慢，完全滿足人工智能迭代學習的時間要求。因此，人工智能在完成污水處理調控任務中展現(xiàn)出強大的能力和優(yōu)勢，可以說是打好污染防治攻堅戰(zhàn)的利器。
新京報：你如何看待當前備受關注的人形機器人？在未來人形機器人和污水處理會有相關的應用前景嗎？
喬俊飛：近年來，人形機器人越來越受到社會的關注。但從應用角度來看，機器人的造型不是關鍵，關鍵是機器人所具備的功能和解決問題的能力。當然，對于服務機器人，特別是家政服務機器人，用戶可能會更接受人形機器人。在同樣性能的前提下，人形機器人可能會比其他形式的機器人更具有挑戰(zhàn)性。
當前，人形機器人本身就有商業(yè)價值，有些場景需要的不是用機器人來工作，而是需要有個人形機器人參與，吸引顧客。我個人認為，隨著機器人廣泛介入生活，人們對機器人形狀的關注熱度會逐步下降，各行各業(yè)最終還是會選用自己最合適的智能機器來完成工作。在污水處理廠，其特殊的環(huán)境對人來說并不是很友好，所以肯定存在用智能機器人來參與污水處理過程的場景，但我們也不一定必須把它做成人形。
從實用角度來講，當自動化機械能夠進入千家萬戶的時候，最終還是要考慮性價比。但不可否認的是，目前機器人的需求量是很大的，并會逐步進入服務行業(yè)。
談“卡脖子”問題
污水處理出水水質檢測是行業(yè)共同面臨的難題
新京報：在今年的中關村論壇上，你和團隊研發(fā)的城市污水處理全流程智能優(yōu)化運行系統(tǒng)閃耀亮相展會。這個系統(tǒng)工作原理和優(yōu)勢是什么？
喬俊飛：從現(xiàn)場的工藝流程模型上可以看到，污水經過粗格柵和細格柵過濾進入初沉池，經過物理處理后的廢水進入生化反應池，這是污水處理中最重要的環(huán)節(jié)。在生化反應池中，水里的微生物通過生命活動對污水中的有機物實現(xiàn)降解。之后，處理后的水進入二沉池，實現(xiàn)泥水分離。被凈化的水再通過膜進行深度處理后，就成了再生水，可以重新回到人們的生活中。
具體來說，這個城市污水處理智慧運行系統(tǒng)，就是要實現(xiàn)污水處理全流程的優(yōu)化運行。這個技術先后攻克了污染物實時檢測、裝備適時配置和全流程優(yōu)化控制等共性難題，率先實現(xiàn)了城市污水處理過程“智能感知-動態(tài)優(yōu)化-自主調控”，為城市污水高效資源化利用提供了智慧大腦�？梢哉f，智能優(yōu)化運行系統(tǒng)有力地推動行業(yè)數(shù)字化轉型，引領污水處理行業(yè)智能化發(fā)展。
新京報：在你看來，當前中國污水處理行業(yè)智慧運行亟待突破的“卡脖子”問題是什么？
喬俊飛：污水處理的目標是出水水質穩(wěn)定達標且處理成本最低。要想實現(xiàn)這個目標，就必須對污水處理過程進行適時最佳調控。要做到適時最佳調控就要知道污水處理過程狀態(tài)和出水水質的信息。而出水水質檢測多數(shù)需要經過化學反應，檢測時間長。比如COD（化學需氧量）需要3到4個小時才能獲得，BOD（生化需氧量）的精確測量需要5天左右。關鍵水質參數(shù)不能實時檢測，就無法做到對污水處理過程實時調控。因此，污水處理出水水質檢測是行業(yè)共同面臨的“卡脖子”難題。
污水處理過程調控的另一個難題是由于進入污水處理廠的入水處于開放的狀態(tài)，水質水量、污染物成分和污染負荷一直都在變化，導致污水處理一直沒有一個穩(wěn)定的過程。這就要求過程控制器要隨著污水的變化而不斷地調整，對這樣的非平穩(wěn)過程實施穩(wěn)定控制本身就是控制界的難題。再加上污水處理是一個公益事業(yè)，在穩(wěn)定達標的前提下，希望運行的成本最低，這就要求對工藝設備進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)約束條件下的優(yōu)化運行。想去給這種非平穩(wěn)、隨機變動劇烈的對象做精準控制，難度很大。
另外，從社會要求來看，不管是污水排放，還是再生水回用都要達到國家標準。隨著環(huán)保意識的加強，國家標準也在提高，其運行成本也會上漲，就必須尋求更好的技術去滿足要求。這樣，處理成本和達標運行在博弈中助推技術迭代進步。
談愿景
打造工業(yè)互聯(lián)網智慧水廠 實現(xiàn)數(shù)字共享
新京報：本屆中關村論壇上，有來自全球20個國家的93所高校，其各自探索的大學科技園建設機制、科技成果轉化模式被大會組委會匯編成冊，收錄了105個案例。讓污染防治的中國方案走向世界，你如何看待當前中國環(huán)保技術在國際上的地位和影響力？
喬俊飛：早期，我們主要引進發(fā)達國家污水處理技術，處于跟著別人學習的階段。進入新世紀以來，隨著國家對環(huán)境治理的重視，污水處理廠也越建越多，我們開始自主探索核心技術。由于我國人口多，污水量大，污水處理廠也最多，這就為我們提供了一個天然優(yōu)勢場景。經過近二十年的發(fā)展，我國企業(yè)不僅解決了國內的污水處理問題，有部分企業(yè)甚至走出國門，開始給別的國家建設污水處理廠，去運營管控污水處理。
目前，世界上百萬噸以上的大型水廠，中國占到了百分之七八十，我們已經積累了較為豐富的治理經驗。未來，在大型水廠運營管理方面，我們完全有可能引領該行業(yè)的發(fā)展。再比如在水廠建設方面，我們也逐步取得領先地位。目前環(huán)境友好式的下沉式水廠我國是最多的。下沉式水廠建在地下節(jié)省了空間，水廠上面可以規(guī)劃景觀綠化、運動場地等，鄰避效應好，周邊老百姓接受程度也高。從這種新的運營模式來看，我們走到了前面。
新京報：對于智慧環(huán)保領域的未來發(fā)展，你還有哪些期望和建議？
喬俊飛：關于污水處理，不論是達標排放，還是再生利用，應該說是沒有最好，只有更好。怎么把成本做得更低，怎樣把污染物降到更少，這是一個永恒的課題。所以我覺得，只要文明的人類存在，這個事業(yè)就永無止境。就像剛剛提到的，隨著社會的發(fā)展，人們對環(huán)境的要求越來越高，相應的標準也越來越高，這就需要不斷提升技術，更新裝備�？梢�，污水處理事業(yè)任重道遠。
現(xiàn)在污水處理行業(yè)的運營模式還是以廠為單位，而我們想做的是打造一個工業(yè)互聯(lián)網，把每一個智慧水廠掛到這個互聯(lián)網上運營。因為從未來發(fā)展來看，數(shù)據(jù)共享力度越大，經濟成本就會越低。在工業(yè)互聯(lián)網上面研發(fā)一個垂直大模型，通過“云邊端”結合，把各個智慧水廠管控起來。共性化的任務放在“云”側完成，個性化的任務則放在“邊”側和“端”側完成。這樣一來，數(shù)字化智能化開發(fā)成本就會大幅降低，實現(xiàn)數(shù)字共享。當然，這個設想肯定不是10年或8年就能做到的，它需要長期的努力。
我覺得正向激勵對科研工作者來說至關重要。在我們初期做污水處理優(yōu)化控制時，由于沒有太多的研究成果能借鑒，也有忐忑不安的心理，但還是硬著頭皮堅持下來了。
經過幾十年奮斗，在控制領域里，只要提到污水處理控制，大家就會想到北工大，可能會閃現(xiàn)出“喬俊飛”這個名字，我覺得這是我科研生涯中最大的成就。（記者 張建林）
