大数据技术在污水处理运营中的应用

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内容摘要：“互联网+”经济模式的大量应用，促使着大数据技术在各个行业的开发利用。其中大数据在污水处理运营中的实际运用不仅促进污水处理领域的自动化和智能化发展，也实现了污水处理工艺参数的在线监测、数据实时采集和传输以及故障报警等功能，并为企业提高污水处理质量、降低能源损耗和污水处理运营成本提供强有力的支持。但如何保证大数据在污水处理运营中的合理化运用是目前研究的难点问题。本文主要阐述了污水处理运营过程中大数据的特点，并对大数据在污水处理运营过程的实际应用以及存在问题进行合理分析，以期为大数据在污水处理运营中的合理运用提供一定的参考意见。

关键词：大数据;污水处理;模型;检测

一、污水处理运营过程中大数据的特点

(一)大数据的基本特征。大数据通常是指数据数量巨大到常用软件不能及时有效处理分析以及管理的信息集合，其是大量数据收集、存储、分析、管理、挖掘与运用的新技术体系。大数据的特征可以归纳为以下四点:一是数据量巨大，这是大数据的基本属性和特征，该特征不仅表现为数据自身的大小，同时也说明处理数据的方式由传统的单一个体处理转变为多方的云平台处理。二是数据具有多样性，这是大数据的重要特性之一，具体表现为数据种类复杂多样。这种多样性可从多方面、多角度解释事物属性，同时也可保证数据的准确性和精度。三是数据处理速度快，这是大数据与传统海量数据处理的重要区别。这是由于相关技术支持，使得大数据处理速度快，可以快速对数据进行有效分析。四是单一数据价值低，这是大数据的基本特征。为了得到事物更多的细节，通常需要采集大量的原始数据，这些数据的单独个体价值低，但整体数据的价值高。

(二)污水处理运营过程中大数据的特点。污水处理过程是一个较为复杂的工程，与其他金融、电力和生物等领域相比，大数据应用具有不同的特点。其特点可以归纳为以下五点:一是数据量大且耦合性强，通常使用计算机系统对污水处理运营状态进行监控，需定时采集系统的变量以及各设备状态，保证正常的系统状态显示和控制。同时也需要大量的重复性和冗余数据测量，长期进行测量使得这些数据的数量相当巨大。同时污水处理的正常运营状态需要许多变量进行相互协调作用，各变量间的耦合性较强并具有非线性关系。二是干扰因素多，不确定性大。污水处理运营过程中，其工作环境较为复杂，常受到电、磁、噪声等多因素干扰，会导致整个运营系统存在着不确定性，进而导致相应的数据易受污染。三是动态性和类型多样性，污水处理运营系统的各种变量的数值是实时变化的，这是系统的动态平衡的具体表现。通过系统变量数值的变化监控可以有效预测系统的运营状态和变化趋势［1］。而采集的数据类型具有多样性，如数值型、非数值型和逻辑型等。四是多时标性和不完整性，这是由于整个运营系统的复杂性使得各种变量的变化程度和快慢存在差异，导致采集信号的频率不同，进而造成数据采集时间的不同步性。在数据记录过程中，这种多时标性和不完整性可能引起部分数据丢失，导致数据的不完整。五是多模态性，数据是系统状态变化的重要体现，而污水处理运营系统包括正常运营状态、各种异常状态和故障状态的数据，这些状态数据是污水处理正常运营系统的重要保障之一［2］。同时污水处理过程中，也需对进出水水质指标、能耗以及环境影响等参数进行大数据收集，而这些指标中，一些指标的分析周期较长，如BOD5，其采集的数据量较少，需要较长时间进行积累。

二、大数据在污水处理运营过程中的实际应用

(一)大数据污水处理模型。污水处理系统具有高度非线性和时变性，其复杂程度超出正常人类的直觉范围，而数学模型的使用虽然不具备严格的科学性，却是污水处理较为有效的方法。而数学模型的建立需要大数据作为参考依据，而大数据的巨大数据量、种类多样性可以有效保证合理化数学模型的实际应用。大数据对污水处理模型的作用可以表现为以下两点:一是数据筛选功能，污水处理模型作为污水处理过程的相关体现，可有效描述和预测污水处理的具体现象，可通过大数据对进水水质多样性和流量的波动性进行有效筛选，进而实现对污水处理模型的简化和优化处理。而常用的污水处理模型主要包括机理模型和黑箱模型两类，其中机理模型，也称白箱模型，其主要建立在物料平衡微分方程组的基础上。而黑箱模型则主要考虑污水处理输入和输出的对应关系，并隔离物理、化学或生物过程等因素影响。二是模型优化校核方法，大数据可用于对污水处理过程模型进行数学优化校核方法，同时利用大数据种类的多样性特点，其也可应用于过程经验模型校核方法，根据BIOMATH准则、STOWA准则、HSG准则和WERF准则的相关要求，对被校核模型进行稳态和动态校核［3］。

(二)大数据污水处理仿真系统。仿真系统的建立需要Simulink软件实现相应模型的转换，并利用Borland软件开发相应的上位系统，再通过UML设计思想完成系统需求分析与设计。而仿真系统的基础是大量的原始数据建立的合理化数学模型。通过大数据和数学模型的联合应用可以建立大数据污水处理仿真系统，其优势可以体现在以下几个方面:一是通过仿真系统计算分析可节省污水处理项目的投资成本和设备运行费用。二是仿真系统可以对系统运营状态进行模拟和预测，对不同的控制工艺进行优化，从而有效提高污水处理效率。三是对污水处理建筑物和设备等尺寸以及整个系统的能耗进行优化设计，保证整个系统的环境效益。四是通过仿真系统实际模拟污水处理工艺的相关操作流程，可用于污水处理工作人员的专业培训。大数据主要用于污水处理仿真系统的仿真数据库、控制数据库和系统数据库的建立。其中仿真数据库主要是各种进出水指标。控制数据库包括实验名称、时间和内容等信息。系统数据库记录实验设备信息，信号通道和相关信息技术等信息。同时这种大数据仿真系统具体可应用于污水量的非线性动力学分析和短时预测，污水处理异常征兆模式研究以及活性污泥工艺优化设计等方面。

(三)大数据污水处理管理云平台。大数据污水处理管理云平台主要使用远程数据采集装置对污水处理运营系统的数据进行实时采集和传输，并通过数据汇集传输设备实现实时上传到管理云平台，其中使用的远程数据采集装置主要是工业标准在线传感器以及工业无线传感器。大数据污水处理管理云平台包括多种数据分析处理模型，可对污水处理系统制定相应的指标限值和超标处理方案。该平台还可对上传的系统数据进行自动分类、汇总、比较和分析，从而得到分析结果并传送给运营企业客户端，实现污水处理状态的实时监控管理。当管理云平台发现数据异常或超出指标限值时，该平台会自动报警并将相关信息及时反馈给相关部门报备，同时管理云平台根据异常处理或超标处理方案远程指导工作人员进行相应的操作，保证问题处理的时效性。管理云平台可通过大数据计算分析得到污水处理的最佳工艺运行控制参数，保证系统实时处于最优工况，进而提高污水处理效率。河南大河工业水处理大数据云平台是目前应用较好的大数据污水处理管理云平台之一，其可以提高污水综合利用率，降低故障停机频次，提高相关设备的安全可靠运行。同时其可有效降低人工成本30%以上，并减少药剂、耗材等材料费用20%～30%，实现整体运营成本降低30%以上。乡村水处理集中运维管控云平台主要服务于各类乡村污水处理厂，其可以实现对乡村污水处理设备的远程监控、移动巡检管理和故障报警等云服务，该平台既可以有效采集乡村污水处理的大数据，也为乡村污水处理的工艺选择、条件优化和设备筛选提供必要的数据支持。

三、污水处理中大数据应用存在的问题

从大数据在污水处理运营过程的实际应用情况来看，在污水处理运营过程中，大数据应用可有效降低人工劳动强度和整个系统的运营成本，促进污水处理效率提高以及保证污水处理质量，但是大数据实际应用存在某些问题也在一定程度上限制着其大规模应用。一是信息安全性问题，大数据的实际使用过程中，需将污水处理数据传送给相关的用户、软件以及各种设备，在这个过程中易造成关键技术信息的泄露，特别是大量未授权用户使用大数据信息。二是数据完整性问题，在污水处理大数据的采集和传输过程中，易遭到未授权的增加、修改和删除等操作，这些操作可能破坏大数据的完整性，使得一部分数据丢失。三是大数据系统拒绝服务的问题，这种拒绝服务可能是大量的非授权访问超出大数据系统负荷，进而使得大数据系统资源不能被利用，也可能是大数据系统由于未授权操作造成的逻辑或物理上被破坏，造成系统的拒绝服务。目前，随着大数据系统的实际应用、技术升级和管理水平的提高，这些问题正在逐渐得到解决。四、结语通过对污水处理运营过程中大数据特点的阐述，以及大数据在污水处理运营过程的实际应用和存在问题的分析可看出:随着大数据在污水处理运营系统中的大量应用，污水处理运营系统的自动化和智能化水平得到相应提高，有效降低人工劳动强度和整个系统的运营成本，并通过合理化的数学模型加强对污水处理机理的深入研究，进而保障污水处理运营系统的安全稳定性和污水处理效率。但是大数据的实际应用还存在一些问题，这也在一定程度上限制着大数据的大规模应用，而随着大数据技术的不断发展完善，这些问题也会得到相应解决，大数据在污水处理领域的前景将会更加广阔。

作者:叶兴刚 单位:湖北工业职业技术学院

参考文献:

［1］孙锴，高建民，高智勇．基于数据驱动的系统彩色图谱分析现代工业系统健康状态［J］．机械工程学报，2012，(18):186～191

［2］李迎迎．中国城市污水治理模式探讨［D］．苏州大学，2011

［3］韦安磊．污水处理过程数学模型方法及其关键技术研究［D］．湖南大学，2010

［4］董阔．屠宰场废水处理及中水回用方案设计析［D］．吉林大学，2013

［5］任敏．浅谈屠宰场污水处理技术［J］．中国新技术新产品，2013，4:104

［6］张显龙，胡娜．屠宰厂废水处理工艺流程设计［J］．工业水处理，2012，4

［7］王惠勇，刘胜发．AB法处理屠宰废水及中水回用［J］．环境与可持续发展，2007，5

［8］杨新萍，王世和．Fenton试剂处理有机氯农药废水的研究［J］．环境污染治理技术与设备，2006，6

［9］熊忠，林衍，等．Fenton氧化法在废水处理中的应用［J］．新疆环境保护，2002，2