面對氣候變化與復合污染等多重現實(shí)挑戰，水處理系統亟需實(shí)現從經(jīng)驗依賴(lài)向智能決策的根本性轉變。近期人工智能(AI)作為第四次工業(yè)革命的技術(shù)中樞，正迅速崛起為推動(dòng)水處理科技與產(chǎn)業(yè)革新的關(guān)鍵驅動(dòng)力量。

　　任洪強院士團隊系統梳理AI賦能水處理科技與產(chǎn)業(yè)的變革邏輯，從技術(shù)研發(fā)范式、工程應用方式、產(chǎn)業(yè)生態(tài)模式等層面深入剖析領(lǐng)域前沿熱點(diǎn)，并提出未來(lái)的研究重點(diǎn)與行動(dòng)建議展望，以期為水處理領(lǐng)域邁入全面智能化和可持續化的新紀元提供前瞻洞見(jiàn)。

　　圖1 AI賦能水處理科技與產(chǎn)業(yè)變革

01　　AI賦能水處理的驅動(dòng)因素與變革邏輯

　　面對水質(zhì)波動(dòng)加劇、資源回收需求上升與“雙碳”目標倒逼，傳統水處理工藝依賴(lài)人工經(jīng)驗與固定參數，響應滯后、調控粗放，已難以支撐系統復雜性日益提升的行業(yè)現實(shí)。人工智能的快速發(fā)展，尤其是在算力、算法與數據融合方面的突破，為水處理提供了顛覆性發(fā)展的新引擎。AI不僅打通從水質(zhì)感知、過(guò)程調控到資源優(yōu)化的全鏈路智能決策路徑，還重塑了水處理系統優(yōu)化范式。通過(guò)數字孿生、自學(xué)習建模與多目標權衡控制，水處理技術(shù)正從“靜態(tài)單點(diǎn)突破”走向“動(dòng)態(tài)全域協(xié)同”，邁入系統化、精細化、標準化的新時(shí)代。

　　圖2 AI賦能水處理變革的演進(jìn)路徑

02　　AI拓新水處理技術(shù)研發(fā)范式

AI賦能水處理新材料的創(chuàng )新與優(yōu)化

　　AI重塑水處理材料的研發(fā)路徑，從圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測膜材料選擇性，到分子模擬加速吸附劑性能優(yōu)化，再到響應性膜材料的智能調節與納米機器人輔助的自動(dòng)發(fā)現，AI貫穿材料設計的各個(gè)環(huán)節。AI還能基于歷史數據預測材料在實(shí)際運行條件下的穩健性與性?xún)r(jià)比，甚至納入全生命周期評估，實(shí)現綠色材料從“可用”到“可持續”的躍遷。

AI驅動(dòng)微生物智能調控與生物強化

　　微生物系統是水處理的核心環(huán)節，AI的引入實(shí)現了從菌群結構建模到代謝通路的全面解析。通過(guò)深度學(xué)習與合成生態(tài)學(xué)結合，AI不僅可以預測微生物演化趨勢與共代謝關(guān)系，還能主動(dòng)調控電子傳遞與群落構建，從而打造自?xún)?yōu)化、自穩定的人工微生物系統，推動(dòng)生物強化走向智能化調控，為高難污染物治理和系統韌性提升提供新策略。

AI助力面向水生態(tài)自調節系統構建

　　新時(shí)代水處理系統的目標已不再局限于污染物去除，而是邁向具備生態(tài)自適應能力的智慧水系統構建。水智能模型通過(guò)集成實(shí)時(shí)智能控制，利用數據驅動(dòng)模型在數據稀缺環(huán)境中提升污染趨勢預測能力。聚焦水系統自進(jìn)化能力，并構建面向水生態(tài)自調節的一體化智能治理框架，能夠助力實(shí)現水環(huán)境的長(cháng)期健康與韌性發(fā)展。

03　　AI煥新水處理工程應用方式

智能裝備制造與工藝協(xié)同控制

　　在裝備層面，融合邊緣計算與智能傳感的模塊化設備可實(shí)現自反饋控制，大幅提升運行穩定性與制造效率。強化學(xué)習(如DQN與PPO)驅動(dòng)的曝氣系統協(xié)同控制可降低34%能耗，粒子群算法優(yōu)化的生物池節能達37.6%。AI通過(guò)構建膜生物反應器、厭氧氨氧化等模型庫，實(shí)現處理流程的組合重構，實(shí)現精準控能與污染削減雙贏(yíng)。

智慧調度與全生命周期管理

　　AI在水處理過(guò)程的智慧決策應用包括原水調配、水廠(chǎng)群協(xié)同調度、管網(wǎng)布局優(yōu)化智能模型以及應急預案制定，實(shí)現對整個(gè)水務(wù)系統的全生命周期優(yōu)化管理，模擬不同參數、氣候條件及負荷場(chǎng)景，提前部署資源降低風(fēng)險與不確定性。當前已有工業(yè)園區工程通過(guò)污水集中智慧處理，建設節水及水循環(huán)利用設施，大大降低用水成本，實(shí)現水資源高效回用。

04　　AI重塑水處理產(chǎn)業(yè)生態(tài)模式

產(chǎn)業(yè)鏈延伸

　　AI引導水處理的價(jià)值創(chuàng )造方式從設備供應、工程建設、運維服務(wù)拓展至數據驅動(dòng)服務(wù)與智能決策支持。從設計階段的虛擬仿真優(yōu)化，到運行維護階段的預測性精準調控，再到后期的資源回收增值服務(wù)，價(jià)值鏈大大延伸。大數據分析企業(yè)、云平臺服務(wù)機構將嵌入水處理產(chǎn)業(yè)的各環(huán)節，通過(guò)數據共享與協(xié)同創(chuàng )新，產(chǎn)業(yè)鏈條從線(xiàn)性延伸向網(wǎng)格化生態(tài)轉變。

標準化發(fā)展

　　水問(wèn)題具跨境特征，統一標準對全球智慧水務(wù)市場(chǎng)的有序發(fā)展至關(guān)重要。隨著(zhù)AI在水處理中的應用日益擴大，亟需建立統一的數據標準、測試驗證機制、算法透明性規范。國際標準化組織(ISO)、國際水協(xié)會(huì )(IWA)及其他國際組織發(fā)起標準制定與數據共享平臺建設，促進(jìn)國際經(jīng)驗互鑒與資源整合，在全球范圍內提升智能化水處理產(chǎn)業(yè)的可持續性發(fā)展。

05　　水處理創(chuàng )新的戰略挑戰及前沿趨勢

　　AI在水處理領(lǐng)域雖取得顯著(zhù)突破，但整體應用仍碎片化，缺乏系統級集成與可擴展性。未來(lái)轉型需實(shí)現從感知向認知、從預測向泛化、從工具向系統平臺的三重躍遷。數據異質(zhì)、模型脆弱、工程適配性差等現實(shí)挑戰，亟需推動(dòng)基礎理論、工程設備與產(chǎn)業(yè)機制的三軸聯(lián)動(dòng)創(chuàng )新，加快AI助力水處理科技與產(chǎn)業(yè)變革的全景化創(chuàng )新。

　　圖3 AI驅動(dòng)水處理創(chuàng )新的戰略前沿趨勢

作者簡(jiǎn)介

　　任洪強，環(huán)境工程專(zhuān)家，中國工程院院士?，F任南京大學(xué)環(huán)境教授、博士生導師，國家卓越工程師團隊“工業(yè)廢水治理技術(shù)與裝備”負責人、國家自然科學(xué)基金基礎科學(xué)中心“水質(zhì)風(fēng)險控制工程學(xué)”首席科學(xué)家。長(cháng)期從事工業(yè)廢水、工業(yè)園區水污染防治方向的創(chuàng )新研究，發(fā)表論文400余篇，出版專(zhuān)著(zhù)5部;獲授權中國發(fā)明專(zhuān)利150余件、美國和歐盟等發(fā)明專(zhuān)利60余件;主持研制國際/國家/行業(yè)/地方標準等130余項，共獲國家及省部科技獎17項，包括國家技術(shù)發(fā)明二等獎3項、國家自然科學(xué)獎二等獎1項、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新獎1項、省部級科技獎一等獎7項、國際ISO卓越貢獻獎1項及中國標準創(chuàng )新貢獻獎1項等。