BEST論壇第十六期精彩回顧 | 城市水系統綜合管理機遇--香港城市大學的袁志國院士

      2023年12月5日晚，由哈爾濱工業大學環境學院組織、多家單位聯合協辦的全球環境科學高峰論壇（GloBal Environment Science SummiT, BEST）系列講座第十六期順利舉行。本期邀請了來自香港城市大學的袁志國院士，袁志國院士以“城市水系統綜合管理機遇”為主題進行了精彩報告。報告在騰訊會議、環境人微信視頻號、BEST論壇官方B站、蔻享學術、邃瞳科學云、中國給水排水以及給水排水等網絡平臺同步直播，共計一萬五千余名來自環境領域的專家、學者、研究生及工程技術人員參與了本次講座。

報告正式開始前，哈爾濱工業大學環境學院院長馮玉杰教授對本期講座嘉賓進行介紹，表達了主辦方對袁志國院士的誠摯感謝，也表達了對來自全球觀眾的熱烈歡迎。BEST第十六期主持團包括BEST論壇的主席、哈爾濱工業大學環境學院院長馮玉杰教授、哈爾濱工業大學環境學院副院長邢德峰教授、武漢理工大學資源與環境工程學院彭來教授、以及哈爾濱工業大學劉國宏博士、梁丹丹博士。

【精彩報告回顧】

袁志國院士以《城市水系統綜合管理機遇》為題進行報告，報告對城市水系統的綜合管理和數字化優化展開了深入的分析。報告中袁志國院士理論聯系實際，揭示了鐵鹽在污水管理中的作用效果；通過大數據和智能化調控優化各系統控制策略，對未來實現城市水系統的數字化綜合管理提出了美好愿景。

鐵鹽在水系統中的綜合應用

袁院士總結了團隊自2008年以來近十五年時間對鐵鹽在水系統中綜合應用的思考。首先袁院士團隊提出管網中投加鐵鹽可能產生的五個優勢：（1）控制管網中硫化氫；（2）去除污水處理廠中的磷；（3）提升污泥沉降性能；（4）去除發酵氣中硫化氫；（5）增強厭氧發酵污泥的脫水性能。從實驗室研究到實際水廠運行論證兩個方面展開：

實驗室研究：首先在實驗室條件下構建了模擬污水處理系統，對比了在污水管網中添加/不添加鐵鹽的影響，來驗證上述提出的五點假設。結果發現管網中硫化氫得到50%的去除，污水處理系統出水中磷濃度也下降50%，在厭氧發酵系統中H2S的量下降了90%，污泥SVI降低了30%，污泥沉降性能有所提升，并且污泥的脫水性增加了18%。因此，實驗結果完美地驗證了提出的五點猜想，該方法的提出對于工業界而言也大有裨益。

污水處理廠實際驗證：接下來，袁院士團隊進行了實際污水處理廠的論證（布里斯班污水處理廠，日處理量12萬噸），在僅添加少量鐵鹽的情況下，磷的去除率從原來的24%提升到了51%，厭氧消化系統中硫化氫的去除率也達到了96%，污泥的沉降性能以及脫水性能也得到大幅度提升。該內容深刻地揭示了鐵鹽投加對污水處理系統的有益作用，并彰顯了其對于污水管理的重要指導作用。

鐵鹽來源：那么這些鐵鹽來自哪里？考慮到供應鏈問題、傳輸距離問題和溶液配對等問題，袁院士團隊提出了電化學法原位生成碳酸亞鐵來替代傳統鐵鹽的創新方法。該系統提出了一種新的綜合管理工藝，有望實現更安全、更經濟和更環保的鐵鹽供應，同時還能達到去除沼氣中CO2、H2S和NH3的目的。該研究利用鐵作為陽極，去除系統中二氧化碳，同時生產鐵鹽FeCO3。沼氣中的CO2與陰極產生的兩個氫氧根（OH-）結合生成碳酸根（CO32-），之后與陽極產生的Fe2+ 結合生成FeCO3沉淀。將該鐵鹽投入管網中，達到了與前述投加氯化亞鐵同樣的效果。該研究中提出的E-FeCO3工藝作為一個單獨的運行單元，理論上可與現有的污水處理系統無縫對接，既有望為水處理工業提供一條更安全，更經濟以及更環保的鐵鹽供應鏈，又能夠大量去除沼氣中的CO2（還有H2S和NH3），實現沼氣的升級。此外袁教授又進一步介紹了水系統管理中硫化氫濃度的控制優化與鐵鹽的多元應用。

數字化控制、優化與機器學習

在線控制：袁院士在報告中指出，數字化給水系統綜合管理帶來機遇，尤其是在線控制與在線優化方面。袁院士從實際案例解析出發，通過對用戶的用水行為和交互情況進行大數據分析，改善了水系統的整體性能，又對用水高峰時間進行調整，降低了供水系統的壓力，實現了一個城市供水系統的策略優化。此外，袁院士介紹了數字化在污水管網和重大水體的綜合優化和綜合控制方面的巨大優勢和前景，隨著大數據、算法、傳感器的進步和算力的增加，在傳統的技術路線中實現控制策略的創新和優化，具有較強的可行性和研究性。最后，袁院士提到了機器學習模型存在解釋性、可信度、魯棒性和數據傳輸等問題，但這些問題可以通過增加工作量和優化算法來解決。并以其團隊使用在線優化模型以控制管網中硫化氫的研究為案例進行了證明，該研究利用象群算法，計算了管網中鐵鹽的投藥控制，又通過對信號傳輸結果進行直接計算優化，實現了較好的硫化氫控制結果。

袁院士提出，隨著算力和傳輸能力的提升，數字化為水系統綜合管理提供了強有力的支持，實現對城市水系統的全面監測具有較強的可行性。此外，在控制過程和優化過程中，應盡量考慮到各個系統狀態，最終進行整體優化。

 結語

最后，袁院士總結道，未來我們仍需加深對城市水系統管理的理解，并從中不斷產生創新思想，數字化的迅猛發展也將為城市水系統管理注入新的力量。