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

近日，國際權(quán)威學術(shù)期刊Nature Sustainability發(fā)表了一項關(guān)于膜法污水處理中膜污染智能監(jiān)測的重要研究成果。這項研究由中信集團重大研發(fā)項目和“清華大學（環(huán)境學院）-中信環(huán)境技術(shù)有限公司先進膜水處理及資源化技術(shù)聯(lián)合研究中心”立項開展，團隊成員來自中信環(huán)境技術(shù)、清華大學、中國科學院大學等單位，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，標志著中信環(huán)境技術(shù)通過產(chǎn)學研深度融合，在推動水務運營數(shù)字化、智能化升級，特別是在膜污染智能預警與膜污染控制這一關(guān)鍵領(lǐng)域取得了突破性進展，是公司踐行集團科技引領(lǐng)戰(zhàn)略、深化產(chǎn)學研合作結(jié)出的又一碩果。

Nature Sustainability是Nature旗下子刊，為SCI和SSCI雙檢索期刊，當前影響因子達27.1，在全球環(huán)境科學及社會科學領(lǐng)域具有高度學術(shù)認可度和廣泛影響力。

△Nature官網(wǎng)截圖

01 行業(yè)痛點，膜污染制約MBR技術(shù)發(fā)展

以膜生物反應器（MBR）為代表的膜技術(shù)，是實現(xiàn)城市污水資源化、推動可持續(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)濟性和可行性。

膜污染過程極其復雜，傳統(tǒng)方法難以從分子層面準確理解污染行為并進行有效預測。在大型MBR工程中，膜污染會導致分離效能下降、能耗增加、清洗頻繁，直接影響運行穩(wěn)定性和處理成本。

霸州污水處理廠由中信環(huán)境技術(shù)建設運營，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)。如何實現(xiàn)膜污染的精準預測和智能調(diào)控，成為技術(shù)團隊亟需破解的緊迫課題。

02 強強聯(lián)合，產(chǎn)學研協(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)與頂尖科研機構(gòu)的深度合作。

2022年11月，中信環(huán)境技術(shù)與清華大學共同設立了“清華大學（環(huán)境學院）-中信環(huán)境技術(shù)有限公司先進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。該中心是中信集團踐行科技引領(lǐng)戰(zhàn)略、深化產(chǎn)學研合作的重要平臺，是中信環(huán)境技術(shù)在“強化科技，健全科技創(chuàng)新體系，通過科技創(chuàng)新增強公司業(yè)務發(fā)展新動能”戰(zhàn)略的重要實踐。

合作充分發(fā)揮了雙方優(yōu)勢：清華大學環(huán)境學院在應用基礎(chǔ)方面具備雄厚科研能力，中信環(huán)境技術(shù)則在裝備、設備、工程應用方面擁有豐富經(jīng)驗。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，同時聚焦先進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重大研發(fā)項目“面向水資源綠色低碳可持續(xù)利用的先進膜技術(shù)集成系統(tǒng)研發(fā)與應用”開展合作，涉及高選擇TFC（薄層復合法）納濾膜的開發(fā)及中試研究、臭氧氧化聯(lián)動提升工業(yè)廢水處理MBR工藝開發(fā)、厭氧膜生物反應器（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)測與自動控制的MBR低碳運行驗證等5項課題。該項目已于2025年11月順利通過結(jié)題驗收。此次合作共計申請專利15項，其中發(fā)明專利11項，實用新型專利4項。目前已獲授權(quán)發(fā)明專利4項，實用新型專利3項。合作發(fā)表論文6篇，形成膜技術(shù)領(lǐng)域單項關(guān)鍵技術(shù)6項，構(gòu)建集成工藝3項，搭建中試裝備3套，建成應用示范工程3項。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)團隊開展的“基于智慧監(jiān)測與自動控制的MBR低碳運行驗證”，正是針對霸州污水處理廠MBR膜系統(tǒng)運行中的實際問題，與清華大學、中國科學院大學展開深度合作。

03 創(chuàng)新方法，光譜指紋驅(qū)動智能預測

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

△膜污染過程及其監(jiān)測、建模與預測示意圖

研究團隊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-運行工況-膜污染狀況-維護性清洗事件”的多維特征數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，該MBR工程膜污染的主導機制為凝膠層污染，而單一宏觀濃度指標難以準確反映溶解性有機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尤為值得關(guān)注。

04 技術(shù)突破，小樣本下的高精度預測

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（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-標準差譜及吸光度與凝膠層污染潛勢（Kgel）之間的逐點掃描穩(wěn)健回歸R2；（b）FEEM平均強度譜、熒光強度與Kgel之間的逐點掃描穩(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

團隊以光譜指紋表征溶解性有機物性質(zhì)，結(jié)合膠體與顆粒特性、運行工況、膜運行與污染狀態(tài)及清洗事件等信息作為模型輸入，對不同時間滯后條件下的膜污染發(fā)展趨勢進行預測。基于光譜指紋驅(qū)動的機器學習模型，在小樣本條件下實現(xiàn)了膜污染發(fā)展趨勢的高效預測，可有效預測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)展趨勢預測能力的貢獻度達到約30%?；谶@一發(fā)現(xiàn)，可通過調(diào)節(jié)曝氣強度，實現(xiàn)工藝運行由“高污染風險-高能耗”向“低污染風險-低能耗”的優(yōu)化轉(zhuǎn)變。

05 實際價值，推動行業(yè)智能化升級

該研究成果具有顯著的應用價值。傳統(tǒng)污水處理廠的工藝運行模式亟待更新，而基于光譜特征工程驅(qū)動的機器學習策略，為大型MBR污水處理廠的膜污染智能監(jiān)測和預警提供了有效方案。

該數(shù)據(jù)-知識共驅(qū)動框架建立在具有機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測準確性、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器學習模型表現(xiàn)：（a）長短時記憶網(wǎng)絡（LSTM）模型在不同時間滯后條件下的模型表現(xiàn)（圖中所示為10次重復模擬下的平均表現(xiàn)）；（b）LSTM模型在?t= 7天時，基于SHAP分析的輸入對模型輸出的相對貢獻度（圖中所示為10次重復模擬下的平均相對貢獻度）

隨著膜技術(shù)本身的發(fā)展進步和生產(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)貢獻力量

這項研究成果的發(fā)表，是中信環(huán)境技術(shù)科技創(chuàng)新戰(zhàn)略的生動實踐。作為中信集團在水務及環(huán)保領(lǐng)域拓展的專業(yè)化旗艦平臺，中信環(huán)境技術(shù)始終堅持科技引領(lǐng)，通過深化產(chǎn)學研合作持續(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制的解決方案。從霸州污水處理廠的實地監(jiān)測，到國際權(quán)威學術(shù)期刊的論文發(fā)表，再到下一步更多工程項目的推廣應用，中信環(huán)境技術(shù)將繼續(xù)秉持“技術(shù)創(chuàng)新、高效務實、價值創(chuàng)造、共生共贏”的核心價值觀，為中國乃至全球的環(huán)保事業(yè)貢獻力量。

編輯：徐冰冰