5-蔡然-智慧水廠的實踐與展望——集控式智慧污水處理廠數字孿生系統.pdf

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1、丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨集 控式 智 慧污水 處理 廠數字 孿生系統集 控式 智 慧污水 處理 廠數字 孿生系統匯報人：蔡然匯報人：蔡然杭州 2023.3 杭州 2023.3 丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨（原（原“北京首創股份有限公司北京首創股份有限公司”）成立于）成立于19991999年，是全國年，是全國500500強企業北京首都創業集團有限公司控股的環境旗艦上市公司強企業北京首都創業集團有限公司控股的環境旗艦上市

2、公司（600008.SH600008.SH）。公司深耕環保行業二十余載，在城市環境、市政公用、企業環保節能等領域為客戶提供高效、綠色、）。公司深耕環保行業二十余載，在城市環境、市政公用、企業環保節能等領域為客戶提供高效、綠色、智慧的智慧的“水、固、氣、能水、固、氣、能”綜合解決方案。綜合解決方案。截至截至20212021年末，公司為全國年末，公司為全國2828個?。ㄗ灾螀^個?。ㄗ灾螀^/直轄市）、超過直轄市）、超過130130個地級市提供環境綜合服務，水處理能力達到個地級市提供環境綜合服務，水處理能力達到25002500萬萬噸噸/日，生活垃圾處理能力達到日，生活垃圾處理能力達到14371437萬

3、噸萬噸/年，累計實施年，累計實施2727個生態治理項目，個生態治理項目，5050余個大氣環境綜合治理項目，余個大氣環境綜合治理項目，500500余項節余項節能降碳服務，服務總人口超過能降碳服務，服務總人口超過80008000萬，公司總資產達到萬，公司總資產達到10721072億元。億元。丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨-1-丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨業績版圖丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共

4、建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨27服務人口（萬人）28省/直轄市/自治區8000+生活垃圾處理能力(萬噸/年）2500水處理能力(萬噸/日）1437總資產(億元)130+地級市(個）107250+城市/園區大氣500+節能降碳服務（項）“測管治”綜合服務生態治理項目（個）清潔上網電量（億千瓦時）11.67*數據來源：公司2021年年報及ESG報告-2-運營污水廠站：800+座污水廠運營規模：1500萬噸/日服務人口：超3000萬污水從業人員：超5000人丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共

5、 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨污水處理及再生水服務提高用水效率、改善水生態、保護水資源、提升水環境，促進水資源可持續利用城鎮生活污水處理及再生水服務提供城鎮污水處理綜合解決方案；通過領先的再生水處理技術，提高水資源循環利用效率，緩解城市用水緊張問題。統一規劃、統一設計、統一建設、統一運營，系統解決農村污水治理難題；因地制宜采用“納管、小集中、分戶處理”相結合的綜合解決方案，并采取智慧化運維管理，實現自動運行、無人值守、中心管理、快速反應提供工業園區污水處理系統解決方案，致力于成為工業園區環保管家；提供精細化、個性化

6、、智慧化工業園區污水運營管理農村污水服務工業園區污水處理與回用丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨城鎮生活污水處理及再生水服務1,471 萬噸/日污水處理能力27 萬噸/日再生水處理能力200+在運營污水處理廠30 億噸年污水處理量丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園

7、丨污水處理及再生水服務體系尊重每一種資源，挖掘廢物資源的利用價值，污水處理廠不僅是污染物處理的終結場所，更是資源能源循環的起點。ASMART水廠智慧決策系統能效管理平臺精確曝氣控制系統智能藥劑投加系統處理工藝再生水回用污泥處置熱能回收其他資源循環智慧運營平臺高效管理模塊資源循環利用基礎處理工藝領先專利工藝丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨智慧運營平臺丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨以數字化、智慧化提升運營水平，保障核心技術高效、優

8、質發揮作用。以生物數學模型為核心，構建污水廠智慧決策平臺，有效降低藥劑使用量、降低能耗，實現精細化運營，提高生產安全性。ASMART污水智慧決策平臺降低運行成本20%-30%20%-30%通過對工藝、電氣、控制、運維數據采集、分析和聯動，實時監控能耗參數和變化趨勢，評估能耗分布的合理性和運行效率，輔助運行人員發現異常設備和問題環節并提示優化方向。能效管理平臺噸水電耗下降10%10%丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨高效管理模塊丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁

9、 榮 的 幸 福 家 園 丨以數字化、智慧化提升運營水平，保障核心技術高效、優質發揮作用。實時采集污水處理廠儀表、新增在線設備儀表等數據，通過算法實現對曝氣量的智能控制，實時調節，節約曝氣能耗。精確曝氣控制系統能耗、碳源下降10%10%以上以連續性的數據采集、篩選和分析為基礎建立數學模型，根據水質、水量等條件動態計算生物池各單元的曝氣及藥物需求量。智能加藥投加系統藥劑投加下降10%10%以上丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨生物建模技術丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、

10、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨以數字化、智慧化提升運營水平，保障核心技術高效、優質發揮作用。荷蘭模型技術的成熟應用經驗，實現技術本土化。打通產學研用，突破該技術在國內落地應用受阻、遲滯問題。完成6個運行項目，1個設計評估項目。節省運行成本超過1000 萬元/年。丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨產學研平臺丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨中-荷未來污水處理技術研究中心2016年首創環保集團與荷蘭代爾夫特大學、北京建筑大學共同

11、成立了中荷未來污水處理中心，通過“平臺化+項目制化”的嶄新產學研模式，將國際領先的污水處理技術引進吸收與自主創新，在污水處理碳中和運行、好氧顆粒污泥、污水處理智慧化運行、高值資源回收等方面幫助合作方取得令人矚目的學術成果以及應用技術。丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨實踐案例丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨了解項目背景：污水處理廠的基本信息和技術特征，確定建模目標。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷流量分析流量分

12、析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證本次生物建模項目首要目標為評估現狀運行效果與處理性能，并基于模型技術完成問題診斷，確定工藝性能主要影響因素，最終提出優化運行建議。生物除磷性能能否提高，減小碳源和除磷的藥劑投加量；處理性能穩定性能否提升。運行方面能否繼續優化。某污水處理廠在原址擴建，并進行水務運營升級改造。為實現更好的運行情況評估與工藝問題診斷，水務公司著力引入生物建模技術。在本項目中，首先基于污水處理廠當前的準穩態工況實現全廠生物建模，然后利用校正后的模型完成系統評估與問題診斷，最后通過情景模擬完成技術分析并給出優化建議。同時，生物模型及相關結論與建議亦可支撐

13、擴建項目中的自控策略設計、信息化結構設計和智慧化運營需求。數學模型可以在污水處理廠全生命周期中進行應用。其中，模型應用于水廠設計階段時（如：工藝比選、曝氣選擇，等）可以實現最大的成本削減與更好的應用效果；對既有水廠，則主要通過校正后的模型設計情景模擬，實現運行情況評估、除磷效果優化、藥劑投加方法優化等。項目背景問題描述生物建模技術建模目標吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨運行狀態評估丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家

14、園 丨水廠建模與模擬研究的基礎源于收集目標水廠一切可以獲取的信息，用于輔助建模師深入了解水廠的設計與運行情況?；谖鬯畯S兩年的歷史數據，對水廠運行狀態綜合評估：進水、出水水質情況，總出水除氨氮有波動外可穩定達標；進水水質好，碳源較為充足，采用優化脫氮除磷工藝理論上可以滿足生物脫氮和生物除磷需求。容積負荷、污泥負荷較為合理，該廠存在生物除磷，脫氮除磷效率較高，后置化學除磷效率較高。A、B、C、D四條處理線出水存在差異，這可能是由于四條線的設備配置與負荷不同造成的。該廠投加碳源位置自三級處理的濾池移至各線厭氧池前后，并未對生物脫氮除磷帶來明顯利好影響，可進一步分析。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行

15、狀態評估問題初步診斷問題初步診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證進出水水質分析全廠脫氮除磷性能分析各線脫氮除磷性能分析吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨問題初步診斷丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨根據多次調研與補充檢測結果，對水廠存在的問題進行分析與診斷。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建

16、情景模擬優化結論運行驗證四條處理線出水存在差異出水差異Q2二沉池浮泥現象嚴重二沉池Q4沉砂池出水中含有較多的無機質沉砂池Q1VSS/SS比值過低，無機組分過多；絲狀菌較多、菌膠團不明顯。污泥性質Q3厭缺氧池存在流態混合不均現象流態混合Q5吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨流量分析丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨分析污水處理廠關鍵流量的信息項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷問題初步診斷流量分析

17、流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證流量對模型的構建是非常關鍵的重要參數?，F狀關于各線的處理水量、內回流、外回流、碳源投加量均未知。所以，分別基于以下方法將未知流量轉換為半定量結果，并基于模型將半定量結果最終加以調整確定。測定方法：測定方法：1.基于氨氮的計算2.基于流速檢測的計算3.基于手動計量比例源投加分析4.基于模型的流量校核吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨工藝運行問題診斷丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔

18、、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨聚焦工藝和菌群活性兩方面，對運行問題再度診斷。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷問題初步診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證0102030405氮磷處理效率根據檢測結果，計算氮磷處理效率實際停留時間檢測厭氧區、缺氧區實際水力停留時間進水碳源豐富度檢測進水生物除磷小試診斷設計生物除磷的小試試驗，重點研究污泥的生物除磷能力曝氣與溶解氧分布統計分析曝氣情況，生物池溶解氧分布吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸

19、福 家 園 丨模型構建丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨結合水廠生產運行實際情況，經過以下六個步驟構建生物模型。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷問題初步診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨情景模擬丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨

20、根據前述技術分析結果，確定情景模擬方案，對比處理效果。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷問題初步診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證強化ISS去除，提高污泥活性；優化進水DO，降低碳源無效耗損優化曝氣沉砂池優化化學除磷優化碳源投加理論碳源需求量計算、碳源分配到缺氧池，優化曝氣沉砂池曝氣，水量調整，內回流，好氧池曝氣優化等模擬高效沉淀池不同進水P濃度情景，以得到化學藥劑建議投加量吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨優化結論丨 共

21、建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨根據前述分析和情景模擬結果，得出設計和運行優化結論項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷問題初步診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證運行優化結論工藝選擇：無需在濾池投加碳源；B、C、D線按照A線的曝氣盤布置改造優化；池型池容：沉砂池池容偏小，除砂設備選型偏??；選擇旋流沉砂池；好氧區池容設計偏??；設備選型安裝：內回流泵選型偏??；攪拌器設計選型偏小。曝氣沉砂池曝氣量過大；當MLVSS/MLSS連續2-4周出現明顯下降時，對曝氣沉砂

22、池和進水渠清砂；碳源可停止投加，相應的，除磷藥劑用量可能增加，但藥劑總體成本節??；內回流比宜控制到200%，A、B線可適當再開大內回流泵；以高效沉淀池進水TP在線監測值，每兩個小時反饋一次，增強精確加藥能力。設計優化結論吳遠遠 翟學棚 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨運行驗證丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨依據設計和運行優化結論，調整運行決策，進一步驗證模型結果。項目介紹項目介紹運行狀態評估運行狀態評估問題初步診斷問題初步

23、診斷流量分析流量分析工藝運行問題診斷工藝運行問題診斷模型構建情景模擬優化結論運行驗證低水溫調整池容低曝氣清砂清除曝氣沉砂池沉積砂，提高了沉砂池的去除效果，且進水降低，污泥有機比例上升降低沉砂池曝氣量，測定進水，未有明顯降低，沉砂池前后的溶解性降低低水溫情況下，出水氨氮有上升，冬季有超標風險，不建議進一步挖潛水量各處理線出水和高效沉淀池進水全部降低，降幅可達吳遠遠 翟學棚 周慶霄該運行優化項目的技術方案在污水處理廠得到應用，共計降低出水磷酸根0.52.0 mg/L，降低運行成本共5000元/天。驗收會上得到了專家和業主的一致認可順利通過驗收，達到了國內先進水平。項目效果丨 共 建 清 潔、美 麗

24、、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨出水穩定，精確加藥，降低成本節能：節能：A、B工藝線節能約20%，C工藝線節能約8%。降耗：降耗：出水穩定性明顯提升同時藥劑使用量降低9.1%，降低費用419.6元/天，約15.3萬/年。吳遠遠 翟學棚 周慶霄工藝評估加藥決策排泥決策回流決策碳源決策曝氣決策工藝預警1.科學指導水廠生產運營，提高工藝運行水平，解決污水廠粗放運營問題；2.深入挖掘水廠潛力，提高運行穩定性降低運行水平；3.智慧大腦決策最優的工藝運行條件并實時評估工藝運行狀態；4.降低運行成本20%-30%，提高生產安全性達到100%，減輕人員

25、勞動強度，提升管理高效性。項目總結丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨水質穩定 節能降耗 運行挖掘 運管高效吳遠遠 翟學棚 周慶霄數據數據管理員層模型模擬能耗管理數據分析操作員層分布式控制系統SCADA控制層PLC控制HMI現場層傳感器交互自控互操作互操作互操作產品設計工藝設計工藝調試運營服務維修維護控制向的縱向整合工控系統安全開放性和標準化數據向的橫向整合通訊網絡整合以“單廠制”為基礎要素實現控制與數據的雙向整合以“全廠模擬”為核心要素實現全廠智能優化控制以“工藝單元”為基本單元實現分布式優化控制以“數字孿生”為

26、終極目標實現污水廠實時控制提升智慧水廠的展望丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨要做怎樣的智慧水廠潘華崟 周慶霄全廠綜合優化控制綜合考慮污水廠工藝運行狀態和能耗，優化各工藝單元控制策略分布式智能控制機理模型、數理模型結合智能算法；各工藝單元分布式控制策略下一代控制系統集采集、通信和控制于一體，實現各層級間數據標準化，可有效貫通和互操數據質量優化算法對儀表數據、儀器數據清洗優化未來目標基于全廠綜合調控的實時控制技術基于全廠綜合調控的實時控制技術基于全廠綜合調控的實時控制技術基于全廠綜合調控的實時控制技術智慧水廠的展望丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨需要突破與發展的技術潘華崟 周慶霄丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨丨 共 建 清 潔、美 麗、繁 榮 的 幸 福 家 園 丨-北京首創生態環保集團股份有限公司-