當(dāng)傳統(tǒng)污水處理廠遇見人工智能與大數(shù)據(jù)，一項(xiàng)由中信環(huán)境技術(shù)與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的膜污染智能預(yù)測技術(shù)，正為破解膜污染預(yù)測這一世界性難題提供新方案。

近日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Sustainability發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于膜法污水處理中膜污染智能監(jiān)測的重要研究成果。這項(xiàng)研究由中信集團(tuán)重大研發(fā)項(xiàng)目和“清華大學(xué)（環(huán)境學(xué)院）-中信環(huán)境技術(shù)有限公司先進(jìn)膜水處理及資源化技術(shù)聯(lián)合研究中心”立項(xiàng)開展，團(tuán)隊(duì)成員來自中信環(huán)境技術(shù)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)等單位，以中信環(huán)境技術(shù)下屬的霸州污水處理廠美能MBR膜系統(tǒng)為研究對象。該成果的發(fā)表，標(biāo)志著中信環(huán)境技術(shù)通過產(chǎn)學(xué)研深度融合，在推動(dòng)水務(wù)運(yùn)營數(shù)字化、智能化升級，特別是在膜污染智能預(yù)警與膜污染控制這一關(guān)鍵領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，是公司踐行集團(tuán)科技引領(lǐng)戰(zhàn)略、深化產(chǎn)學(xué)研合作結(jié)出的又一碩果。

Nature Sustainability是Nature旗下子刊，為SCI和SSCI雙檢索期刊，當(dāng)前影響因子達(dá)27.1，在全球環(huán)境科學(xué)及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域具有高度學(xué)術(shù)認(rèn)可度和廣泛影響力。

△Nature官網(wǎng)截圖

01 行業(yè)痛點(diǎn)，膜污染制約MBR技術(shù)發(fā)展

以膜生物反應(yīng)器（MBR）為代表的膜技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)城市污水資源化、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，膜污染問題長期制約著該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

膜污染過程極其復(fù)雜，傳統(tǒng)方法難以從分子層面準(zhǔn)確理解污染行為并進(jìn)行有效預(yù)測。在大型MBR工程中，膜污染會(huì)導(dǎo)致分離效能下降、能耗增加、清洗頻繁，直接影響運(yùn)行穩(wěn)定性和處理成本。

霸州污水處理廠由中信環(huán)境技術(shù)建設(shè)運(yùn)營，日處理5萬噸市政污水，同樣面臨著這一行業(yè)共性挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)膜污染的精準(zhǔn)預(yù)測和智能調(diào)控，成為技術(shù)團(tuán)隊(duì)亟需破解的緊迫課題。

02 強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)

這一世界性難題的突破，得益于中信環(huán)境技術(shù)與頂尖科研機(jī)構(gòu)的深度合作。

2022年11月，中信環(huán)境技術(shù)與清華大學(xué)共同設(shè)立了“清華大學(xué)（環(huán)境學(xué)院）-中信環(huán)境技術(shù)有限公司先進(jìn)膜水處理及資源化技術(shù)聯(lián)合研究中心”（以下簡稱聯(lián)合研究中心），2023年1月正式掛牌。該中心是中信集團(tuán)踐行科技引領(lǐng)戰(zhàn)略、深化產(chǎn)學(xué)研合作的重要平臺，是中信環(huán)境技術(shù)在“強(qiáng)化科技，健全科技創(chuàng)新體系，通過科技創(chuàng)新增強(qiáng)公司業(yè)務(wù)發(fā)展新動(dòng)能”戰(zhàn)略的重要實(shí)踐。

合作充分發(fā)揮了雙方優(yōu)勢：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院在應(yīng)用基礎(chǔ)方面具備雄厚科研能力，中信環(huán)境技術(shù)則在裝備、設(shè)備、工程應(yīng)用方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)。雙方共建聯(lián)合研究中心，旨在打造了一流的科技成果轉(zhuǎn)化、前沿技術(shù)研發(fā)及高端人才隊(duì)伍培養(yǎng)平臺，研究方向始終圍繞國家戰(zhàn)略需求，明確“牢牢把握水資源的綠色低碳可持續(xù)循環(huán)利用”這一定位，同時(shí)聚焦先進(jìn)膜水處理及資源化這一核心技術(shù)，貫通“全鏈條”，集中力量破解行業(yè)亟需的關(guān)鍵問題。

聯(lián)合研究中心圍繞中信集團(tuán)重大研發(fā)項(xiàng)目“面向水資源綠色低碳可持續(xù)利用的先進(jìn)膜技術(shù)集成系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用”開展合作，涉及高選擇TFC（薄層復(fù)合法）納濾膜的開發(fā)及中試研究、臭氧氧化聯(lián)動(dòng)提升工業(yè)廢水處理MBR工藝開發(fā)、厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）處理工業(yè)廢水工藝開發(fā)、臭氧聯(lián)合PVDF超濾處理微污染原水工藝開發(fā)、基于智慧監(jiān)測與自動(dòng)控制的MBR低碳運(yùn)行驗(yàn)證等5項(xiàng)課題。該項(xiàng)目已于2025年11月順利通過結(jié)題驗(yàn)收。此次合作共計(jì)申請專利15項(xiàng)，其中發(fā)明專利11項(xiàng)，實(shí)用新型專利4項(xiàng)。目前已獲授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)，實(shí)用新型專利3項(xiàng)。合作發(fā)表論文6篇，形成膜技術(shù)領(lǐng)域單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)6項(xiàng)，構(gòu)建集成工藝3項(xiàng)，搭建中試裝備3套，建成應(yīng)用示范工程3項(xiàng)。其中，中信環(huán)境技術(shù)數(shù)字化與科技創(chuàng)新中心技術(shù)團(tuán)隊(duì)開展的“基于智慧監(jiān)測與自動(dòng)控制的MBR低碳運(yùn)行驗(yàn)證”，正是針對霸州污水處理廠MBR膜系統(tǒng)運(yùn)行中的實(shí)際問題，與清華大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)展開深度合作。

03 創(chuàng)新方法，光譜指紋驅(qū)動(dòng)智能預(yù)測

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了“光譜指紋驅(qū)動(dòng)的膜污染小樣本智能預(yù)測方法”。該技術(shù)融合污染物光譜表征與數(shù)據(jù)-知識共驅(qū)動(dòng)的建模策略，從物質(zhì)行為監(jiān)測與工藝動(dòng)態(tài)解析兩個(gè)維度入手，建立了光譜指紋-污染物分子特性-污染物行為之間的響應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了小樣本條件下對大型實(shí)際MBR工程中膜污染趨勢的高效預(yù)測。

△膜污染過程及其監(jiān)測、建模與預(yù)測示意圖

研究團(tuán)隊(duì)在霸州污水處理廠開展了為期近一年的連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)收集了涵蓋“污染物性質(zhì)-污染潛勢-運(yùn)行工況-膜污染狀況-維護(hù)性清洗事件”的多維特征數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，該MBR工程膜污染的主導(dǎo)機(jī)制為凝膠層污染，而單一宏觀濃度指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映溶解性有機(jī)物的凝膠層污染行為，其中含氧不飽和物質(zhì)對凝膠層污染的貢獻(xiàn)尤為值得關(guān)注。

04 技術(shù)突破，小樣本下的高精度預(yù)測

研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于發(fā)現(xiàn)光譜指紋是連接污染物分子特征與污染行為的“橋梁”。部分光譜指紋指標(biāo)（如UVA???、FI-Ⅰ、peak B和peak T）能夠有效表征膜污染潛勢，可用于后續(xù)定量建模。

△紫外-可見（UV-vis）光譜和三維熒光（FEEM）光譜指示膜污染潛勢：（a）UV-vis光譜均值-標(biāo)準(zhǔn)差譜及吸光度與凝膠層污染潛勢（Kgel）之間的逐點(diǎn)掃描穩(wěn)健回歸R2；（b）FEEM平均強(qiáng)度譜、熒光強(qiáng)度與Kgel之間的逐點(diǎn)掃描穩(wěn)健回歸R2譜和變量重要性譜；（c）光譜指紋和污染潛勢之間的冗余分析

團(tuán)隊(duì)以光譜指紋表征溶解性有機(jī)物性質(zhì)，結(jié)合膠體與顆粒特性、運(yùn)行工況、膜運(yùn)行與污染狀態(tài)及清洗事件等信息作為模型輸入，對不同時(shí)間滯后條件下的膜污染發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測?；诠庾V指紋驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在小樣本條件下實(shí)現(xiàn)了膜污染發(fā)展趨勢的高效預(yù)測，可有效預(yù)測5-7天后的膜累積阻力，并展現(xiàn)出良好的跨膜池泛化能力。

進(jìn)一步的SHAP分析和敏感性分析表明，光譜指紋對膜污染發(fā)展趨勢預(yù)測能力的貢獻(xiàn)度達(dá)到約30%。基于這一發(fā)現(xiàn)，可通過調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行由“高污染風(fēng)險(xiǎn)-高能耗”向“低污染風(fēng)險(xiǎn)-低能耗”的優(yōu)化轉(zhuǎn)變。

05 實(shí)際價(jià)值，推動(dòng)行業(yè)智能化升級

該研究成果具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)污水處理廠的工藝運(yùn)行模式亟待更新，而基于光譜特征工程驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)策略，為大型MBR污水處理廠的膜污染智能監(jiān)測和預(yù)警提供了有效方案。

該數(shù)據(jù)-知識共驅(qū)動(dòng)框架建立在具有機(jī)理支撐的污染物分子“結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-行為”關(guān)系之上，在小樣本條件下兼顧了預(yù)測準(zhǔn)確性、模型泛化能力與可解釋性。這不僅降低了對全面大數(shù)據(jù)的依賴，更展現(xiàn)出在有限樣本條件下支持工藝決策的潛力，為實(shí)際工程中的膜污染調(diào)控提供了新的思路與方法。

△融合光譜指紋的可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型表現(xiàn)：（a）長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）模型在不同時(shí)間滯后條件下的模型表現(xiàn)（圖中所示為10次重復(fù)模擬下的平均表現(xiàn)）；（b）LSTM模型在?t= 7天時(shí)，基于SHAP分析的輸入對模型輸出的相對貢獻(xiàn)度（圖中所示為10次重復(fù)模擬下的平均相對貢獻(xiàn)度）

隨著膜技術(shù)本身的發(fā)展進(jìn)步和生產(chǎn)工藝的持續(xù)優(yōu)化，膜產(chǎn)品的使用壽命和抗污染能力也在不斷提高，有助于減少清洗藥劑的使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減污降碳。

06 持續(xù)創(chuàng)新，為環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)力量

這項(xiàng)研究成果的發(fā)表，是中信環(huán)境技術(shù)科技創(chuàng)新戰(zhàn)略的生動(dòng)實(shí)踐。作為中信集團(tuán)在水務(wù)及環(huán)保領(lǐng)域拓展的專業(yè)化旗艦平臺，中信環(huán)境技術(shù)始終堅(jiān)持科技引領(lǐng)，通過深化產(chǎn)學(xué)研合作持續(xù)鍛造核心競爭力。

隨著全球?qū)λY源管理和資源能源回收利用的重視程度不斷提升，膜法水處理技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。中信環(huán)境技術(shù)通過本次創(chuàng)新研究，不僅解決了實(shí)際工程中的技術(shù)難題，更為行業(yè)智能化升級提供了可復(fù)制的解決方案。從霸州污水處理廠的實(shí)地監(jiān)測，到國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊的論文發(fā)表，再到下一步更多工程項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，中信環(huán)境技術(shù)將繼續(xù)秉持“技術(shù)創(chuàng)新、高效務(wù)實(shí)、價(jià)值創(chuàng)造、共生共贏”的核心價(jià)值觀，為中國乃至全球的環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)力量。

編輯：徐冰冰