污水变清有“玲珑”和“精灵”

周小凯 张雅慧 王曦卉 曾诗婧

2021年，我和不同专业的几位伙伴共同成立了北京交通大学“沣潮至数科技项目组”，致力于污水处理项目。

市面上传统的污水处理方式大多会用到生物污泥，它可以有效处理污水，但在处理完后，生物污泥就是最大的污染物，是没有办法被降解的。在导师和就业创业中心老师的帮助下，我们项目组提出解决办法，在项目中避免使用传统污泥净化，使用一种人工水草（人工水草是由高分子材料复合而成，不受透明度、光照等限制，在我国污水处理和河流生态修复中具有广泛的应用前景）作为替代，研发出了名为“水玲珑”和“水精灵”的净水设备。

“水玲珑”从远处看酷似一个方形的盒子，近看，盒子内置三个装置室：电极室、共生室和过滤室。不同于市面上传统的净水装置，“水玲珑”最大的特点是在共生室采用了藻类与水生植物共生体系，以人工水草为净水原料，采用生物电化学技术去除污染物，并可以从使用后的人工水草中提取生长素，用在化肥领域。剩下的部分可进一步作为燃料使用，达到资源的多次利用。

“水精灵”的造型则类似一台小巧的洗衣机，主要由自动比色装置、智能净水室、自动耗材更换装置和X形轴杆四大部分组成，其中还有两个大的净水箱，通过水源碳化法对污水进行补充净化。“水精灵”装置小巧，面向广大无能力建立污水处理厂的地区，可实现实时净水。

“水玲珑”和“水精灵”可以说是两款“基于深度学习和物联网的集成化污水处理装置”。由于污水中的成分是比较复杂的，不同区域的污染物种类、浓度都不一样，于是我们创新性地将大数据算法和物联网等技术融入传统净水行业中，研发设计了配套的检测平台和APP，实时监控污水处理体系的运行情况，并进行污水处理的比例设定。

如果使用深度学习，需要数以万计的庞大数据量，这些数据靠我们在实验室纯人力做出来还是比较难的。而且之前没有类似的研究，且需要比较强的专业交互，我们摸着石头过河，只能在底层算法上有所创新。

除此之外，我们花费一年时间同步进行实地污水数据采集、实验室实验和仿真模拟，最终研发出了属于自己的水质数据平台和移动端APP。使用深度学习算法，我们前期用大量的数据重复不断地教计算机去做一件事，建立起水体情况和净水目标数据库。基于这些数据，我们的系统能做到智能分析预测，为不同地区、不同场景下的污水匹配最优解。假如某个区域污水中的有机物是这个比例，重金属是那个比例，我们的系统可以先分成大组，再细分出小组，综合让每一种污染物都在最适条件下得到最优处理。这样不仅处理效果好，成本也更低。

我们先后在北京、山东和河南等地打造了11个农村农户生活污水处理体系试点项目。经过一年的项目试点建设，较以往的农村污水回用率提高了46.8%。

我国高铁迅猛发展，每年集便器废水排放量高达510多万吨。当前高铁污水面临的是集中处理、人工吸污的现状，列车需按线路行驶到有条件的站段或终点站才能将全程产生的污水进行人工吸污、集中处理。

我们以“水玲珑”和“水精灵”為原型打造了一款高铁废液循环处理装置。该装置主体由长方体的粪便处理器以及圆柱体的活性炭过滤器和膜蒸馏装置组成，连接紫外消毒装置以及尿液收集箱。我们探索了源分离、炭吸附、膜蒸馏等多种净化技术，其中更是首创了膜蒸馏装置。膜蒸馏是一种新型的膜分离技术，其原理为通过疏水膜两侧的温度冷热不同而形成的蒸汽压力差，形成动力驱使液体传动。在分离过程中，在膜热的一侧，液体受热挥发并以气态的形式穿过分离膜，然后在膜冷的一侧形成液体，而膜热的一侧其他物质不能通过膜，由此实现对处理液体进行分离纯化的过程。

在我们团队的厕所废液处理实际案例当中，当粪尿混合物流入粪便处理器中时，通过源分离技术可使粪便和尿液分别进入不同的收集箱，之后用生物炭吸附柱对污水进行预处理，接着通过膜蒸馏技术使得液体升温，利用蒸汽压差透过膜得到回用水和浓缩尿液，并对其进行紫外消毒处理。对于分离后的粪便则采用烘干造粒技术，实现生物质回收利用，不仅解决了污物难处理、所占空间大、易造成堵塞等问题，而且实现了污物的二次利用，一举多得。最重要的是，通过以上的处理体系技术升级，我们做到了让污水可以原位处理，在车上就能实现废液循环。

此装备融合污水处理、小程序控制、物联网、机械自动化、云计算于一体，通过我们自己研发设计的配套监测平台和APP，可以实时展现污水处理体系的运行状况，及时进行报修、检修的反馈。

此装备由北京交通大学环境材料实验室进行样品生产，并和中国中车合作，在CRH380B型号列车上使用，首次装配达20余辆；在昆明南动车所旅客列车投入使用，装配超过30辆车。

随着项目的有序推进，不断有计算机、信息工程、环境工程等相关专业的伙伴加入进来，沣潮至数科技项目组形成了一个超过50人的团队。“沣潮科技——智能高铁废液循环化技术领航者”项目还获得了第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛主赛道全国金奖。

责任编辑：贾倩颖