周小凱 張雅慧 王曦卉 曾詩(shī)婧

2021年，我和不同專業(yè)的幾位伙伴共同成立了北京交通大學(xué)“灃潮至數(shù)科技項(xiàng)目組”，致力于污水處理項(xiàng)目。

市面上傳統(tǒng)的污水處理方式大多會(huì)用到生物污泥，它可以有效處理污水，但在處理完后，生物污泥就是最大的污染物，是沒(méi)有辦法被降解的。在導(dǎo)師和就業(yè)創(chuàng)業(yè)中心老師的幫助下，我們項(xiàng)目組提出解決辦法，在項(xiàng)目中避免使用傳統(tǒng)污泥凈化，使用一種人工水草（人工水草是由高分子材料復(fù)合而成，不受透明度、光照等限制，在我國(guó)污水處理和河流生態(tài)修復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用前景）作為替代，研發(fā)出了名為“水玲瓏”和“水精靈”的凈水設(shè)備。

“水玲瓏”從遠(yuǎn)處看酷似一個(gè)方形的盒子，近看，盒子內(nèi)置三個(gè)裝置室：電極室、共生室和過(guò)濾室。不同于市面上傳統(tǒng)的凈水裝置，“水玲瓏”最大的特點(diǎn)是在共生室采用了藻類與水生植物共生體系，以人工水草為凈水原料，采用生物電化學(xué)技術(shù)去除污染物，并可以從使用后的人工水草中提取生長(zhǎng)素，用在化肥領(lǐng)域。剩下的部分可進(jìn)一步作為燃料使用，達(dá)到資源的多次利用。

“水精靈”的造型則類似一臺(tái)小巧的洗衣機(jī)，主要由自動(dòng)比色裝置、智能凈水室、自動(dòng)耗材更換裝置和X形軸桿四大部分組成，其中還有兩個(gè)大的凈水箱，通過(guò)水源碳化法對(duì)污水進(jìn)行補(bǔ)充凈化?！八`”裝置小巧，面向廣大無(wú)能力建立污水處理廠的地區(qū)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)凈水。

“水玲瓏”和“水精靈”可以說(shuō)是兩款“基于深度學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)的集成化污水處理裝置”。由于污水中的成分是比較復(fù)雜的，不同區(qū)域的污染物種類、濃度都不一樣，于是我們創(chuàng)新性地將大數(shù)據(jù)算法和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融入傳統(tǒng)凈水行業(yè)中，研發(fā)設(shè)計(jì)了配套的檢測(cè)平臺(tái)和APP，實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理體系的運(yùn)行情況，并進(jìn)行污水處理的比例設(shè)定。

如果使用深度學(xué)習(xí)，需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的龐大數(shù)據(jù)量，這些數(shù)據(jù)靠我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室純?nèi)肆ψ龀鰜?lái)還是比較難的。而且之前沒(méi)有類似的研究，且需要比較強(qiáng)的專業(yè)交互，我們摸著石頭過(guò)河，只能在底層算法上有所創(chuàng)新。

除此之外，我們花費(fèi)一年時(shí)間同步進(jìn)行實(shí)地污水?dāng)?shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和仿真模擬，最終研發(fā)出了屬于自己的水質(zhì)數(shù)據(jù)平臺(tái)和移動(dòng)端APP。使用深度學(xué)習(xí)算法，我們前期用大量的數(shù)據(jù)重復(fù)不斷地教計(jì)算機(jī)去做一件事，建立起水體情況和凈水目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)?；谶@些數(shù)據(jù)，我們的系統(tǒng)能做到智能分析預(yù)測(cè)，為不同地區(qū)、不同場(chǎng)景下的污水匹配最優(yōu)解。假如某個(gè)區(qū)域污水中的有機(jī)物是這個(gè)比例，重金屬是那個(gè)比例，我們的系統(tǒng)可以先分成大組，再細(xì)分出小組，綜合讓每一種污染物都在最適條件下得到最優(yōu)處理。這樣不僅處理效果好，成本也更低。

我們先后在北京、山東和河南等地打造了11個(gè)農(nóng)村農(nóng)戶生活污水處理體系試點(diǎn)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)一年的項(xiàng)目試點(diǎn)建設(shè)，較以往的農(nóng)村污水回用率提高了46.8%。

我國(guó)高鐵迅猛發(fā)展，每年集便器廢水排放量高達(dá)510多萬(wàn)噸。當(dāng)前高鐵污水面臨的是集中處理、人工吸污的現(xiàn)狀，列車需按線路行駛到有條件的站段或終點(diǎn)站才能將全程產(chǎn)生的污水進(jìn)行人工吸污、集中處理。

我們以“水玲瓏”和“水精靈”為原型打造了一款高鐵廢液循環(huán)處理裝置。該裝置主體由長(zhǎng)方體的糞便處理器以及圓柱體的活性炭過(guò)濾器和膜蒸餾裝置組成，連接紫外消毒裝置以及尿液收集箱。我們探索了源分離、炭吸附、膜蒸餾等多種凈化技術(shù)，其中更是首創(chuàng)了膜蒸餾裝置。膜蒸餾是一種新型的膜分離技術(shù)，其原理為通過(guò)疏水膜兩側(cè)的溫度冷熱不同而形成的蒸汽壓力差，形成動(dòng)力驅(qū)使液體傳動(dòng)。在分離過(guò)程中，在膜熱的一側(cè)，液體受熱揮發(fā)并以氣態(tài)的形式穿過(guò)分離膜，然后在膜冷的一側(cè)形成液體，而膜熱的一側(cè)其他物質(zhì)不能通過(guò)膜，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)處理液體進(jìn)行分離純化的過(guò)程。

在我們團(tuán)隊(duì)的廁所廢液處理實(shí)際案例當(dāng)中，當(dāng)糞尿混合物流入糞便處理器中時(shí)，通過(guò)源分離技術(shù)可使糞便和尿液分別進(jìn)入不同的收集箱，之后用生物炭吸附柱對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理，接著通過(guò)膜蒸餾技術(shù)使得液體升溫，利用蒸汽壓差透過(guò)膜得到回用水和濃縮尿液，并對(duì)其進(jìn)行紫外消毒處理。對(duì)于分離后的糞便則采用烘干造粒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)回收利用，不僅解決了污物難處理、所占空間大、易造成堵塞等問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了污物的二次利用，一舉多得。最重要的是，通過(guò)以上的處理體系技術(shù)升級(jí)，我們做到了讓污水可以原位處理，在車上就能實(shí)現(xiàn)廢液循環(huán)。

此裝備融合污水處理、小程序控制、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)械自動(dòng)化、云計(jì)算于一體，通過(guò)我們自己研發(fā)設(shè)計(jì)的配套監(jiān)測(cè)平臺(tái)和APP，可以實(shí)時(shí)展現(xiàn)污水處理體系的運(yùn)行狀況，及時(shí)進(jìn)行報(bào)修、檢修的反饋。

此裝備由北京交通大學(xué)環(huán)境材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品生產(chǎn)，并和中國(guó)中車合作，在CRH380B型號(hào)列車上使用，首次裝配達(dá)20余輛；在昆明南動(dòng)車所旅客列車投入使用，裝配超過(guò)30輛車。

隨著項(xiàng)目的有序推進(jìn)，不斷有計(jì)算機(jī)、信息工程、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的伙伴加入進(jìn)來(lái)，灃潮至數(shù)科技項(xiàng)目組形成了一個(gè)超過(guò)50人的團(tuán)隊(duì)?！盀柍笨萍肌悄芨哞F廢液循環(huán)化技術(shù)領(lǐng)航者”項(xiàng)目還獲得了第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽主賽道全國(guó)金獎(jiǎng)。

責(zé)任編輯：賈倩穎