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随着全球水污染和水资源稀缺问题的日益突出，对水质安全的要求也日益升高。在此背景下水质信息成为透视水质安全状态的重要依据。污水水质信息工程学作为一门新兴学科，融合环境科学、信息工程学、水信息学、生态学等多学科知识，为污水智慧化和绿色化处理、水资源保护和水生态风险防控提供全新的视角和方法。《污水水质信息工程学》全面系统地阐述信息工程原理与技术在污水水质信息全生命周期管理中的应用，包括从信息的采集、处理到其在不同场景下的应用。
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目录序前言第1章 污水水质信息工程学概述 11.1 水质信息工程学内涵 11.1.1 水质及其特性 11.1.2 信息工程学及其环境应用 21.2 污水水质信息工程学的发展历程 31.2.1 污水处理行业起步与发展概述 31.2.2 污水处理的物质削减导向阶段 41.2.3 污水处理的能源回用导向阶段 61.2.4 污水处理的信息智控导向阶段 71.3 污水水质信息工程学的学科框架 81.3.1 污水水质信息的获取与预测 81.3.2 基于污水进水水质信息的人群特征解析 91.3.3 污水处理过程的智能优化与预测设计 101.3.4 水生态系统污染物净化及风险预警 111.4 污水水质信息工程学的机遇与意义 121.4.1 污水水质信息工程学的发展机遇 121.4.2 污水水质信息工程学的现实意义 13参考文献 14第2章 污水水质信息工程学的理论基础与研究方法 172.1 污水水质信息工程学的理论基础 172.1.1 水质：物质、能量、信息三位一体理论 172.1.2 信息：信息源、信道容量与信息熵 202.2 污水水质信息工程学的研究方法 262.2.1 污水水质信息数据库 272.2.2 大数据与人工智能技术 302.2.3 数字孪生与云计算技术 362.2.4 3D 打印与智能设备技术 41参考文献 44第3章 污水水质信息采集与预测技术 533.1 污水水质信息离线采集技术 533.1.1 常规污水指标信息离线采集技术 533.1.2 痕量化学污染物信息离线采集技术 573.1.3 生物污染物信息离线采集技术 623.1.4 污水毒性信息离线采集技术 653.2 污水水质信息在线采集技术 693.2.1 污水水质信息在线采集设备 713.2.2 常规污水指标信息在线采集技术 723.2.3 痕量化学污染物信息在线采集技术 743.2.4 生物污染物信息在线采集技术 773.2.5 污水毒性信息在线采集技术 793.3 污水水质信息预测技术 813.3.1 污水信息特征及数据处理 813.3.2 常规污水指标信息预测技术 843.3.3 生物污染物信息预测技术 883.3.4 污水毒性信息预测技术 90参考文献 92第4章 基于水质信息的人群特征解析：污水流行病学 1054.1 污水流行病学的产生与发展 1064.1.1 污水流行病学定义 1064.1.2 污水流行病学研究目的 1064.1.3 污水流行病学发展历程 1064.2 污水流行病学的研究方法 1104.2.1 生物标志物确定 1104.2.2 污水处理厂基本信息调查 1154.2.3 样品采集和储存 1164.2.4 样品前处理 1174.2.5 污水处理厂服务人口数量估算 1194.2.6 不确定性分析 1224.3 污水流行病学的应用 1244.3.1 非法药物追踪 1244.3.2 人群生活方式和物质消耗调查 1254.3.3 人体健康状态评价 1274.3.4 环境暴露风险评价 1274.3.5 人口数量和社会经济发展状况评估 1284.3.6 传染性疾病预警和控制 1294.4 污水流行病学的局限性和未来展望 1304.4.1 污水流行病学局限性 1304.4.2 污水流行病学未来趋势与展望 131参考文献 133第5章 污水处理技术与工艺智能调控 1485.1 污水处理与机器学习 1485.1.1 污水处理中的机器学习 1485.1.2 污水处理中常见的ML 模型 1495.2 污水处理过程中的智能优化 1545.2.1 曝气智能调控技术 1545.2.2 药剂智能投加技术 1565.3 功能微生物的信息化调控强化 1595.3.1 污水处理中的功能微生物 1605.3.2 微生物群落变化驱动因素 1605.3.3 功能微生物的智能调控 1625.3.4 功能微生物调控技术的研究前景 1675.4 污水深度处理技术的智能化调控 1675.4.1 吸附技术智能调控 1685.4.2 膜处理技术智能调控 1695.4.3 高级氧化技术智能调控 1725.4.4 智能化深度处理技术应用 175参考文献 176第6章 数字孪生与智慧污水厂 1876.1 数字孪生 1876.1.1 数字孪生概述 1876.1.2 数字孪生水环境研究应用 1886.2 数字孪生污水处理厂 1896.2.1 数字孪生污水处理厂概述 1896.2.2 数字孪生污水处理厂整体框架和层次结构 1916.2.3 数字孪生污水处理厂核心模型 1936.2.4 数字孪生污水处理厂关键技术 1976.2.5 实景数字孪生与仿真数字孪生 1996.3 实景数字孪生污水处理厂 2006.3.1 实时数据采集、传输与储存 2016.3.2 实时数据同化更新 2016.3.3 表达层决策执行 2036.3.4 实景数字孪生管控平台建设与应用案例 2046.4 仿真数字孪生污水处理厂 2056.4.1 仿真数据层 2066.4.2 业务逻辑层建模 2076.4.3 可视化表示层 2086.4.4 工艺智能设计优化与数字孪生系统案例 2086.5 数字孪生污水处理厂未来挑战 211参考文献 212第7章 人工水生态系统污水净化过程与智能化 2197.1 人工水生态系统水质信息特征 2197.1.1 人工水生态系统水文信息 2207.1.2 人工水生态系统物化信息 2227.1.3 人工水生态系统关键生物信息 2257.2 人工水生态系统水质净化过程 2267.2.1 人工湿地系统结构单元组成 2267.2.2 人工湿地系统分类 2277.2.3 人工湿地系统水质净化机理 2277.2.4 其他人工水生态系统水质净化机理 2347.3 人工水生态系统水质预测与智能管控 2357.3.1 数据准备与分析 2367.3.2 人工水生态系统预测模型建立 2387.3.3 人工水生态系统智能管理平台 242参考文献 245第8章 自然水生态系统水质智能预测与风险预警 2558.1 自然水生态系统水质信息特征 2568.1.1 污水处理出水对水生态系统的影响 2568.1.2 水生态系统生物种群群落信息 2588.1.3 水生态系统稳定性信息 2608.2 自然水生态系统水质智能化预测与溯源 2618.2.1 DO预测分析 2628.2.2 BOD预测分析 2648.2.3 污染物在线监测—预警—溯源分析 2668.3 自然水生态系统水质风险预警 2688.3.1 水质风险预警概述 2698.3.2 微生物风险预测与预警分析 2728.3.3 物种多样性预测与预警分析 2748.3.4 食物网结构预测与预警分析 2758.4 自然水生态系统水质智能预测与风险预警实例 2778.4.1 案例1：水华暴发的潜在风险评估预测 2778.4.2 案例2：污水出水的潜在风险预警评估 2798.4.3 案例3：环境干扰对浮游动物多样性影响的预测 280参考文献 282第9章 污水水质信息管理的人工智能大模型 2889.1 人工智能大模型概述 2889.1.1 人工智能大模型发展历程 2889.1.2 人工智能大模型框架结构 2909.2 人工智能大模型在污水水质信息管理中应用 2949.2.1 水质信息的全面感知 2949.2.2 水质信息的精准认知 2959.2.3 水质信息的辅助决策 2969.2.4 水质信息的人机交互管理 2969.2.5 典型案例：百度水业大模型 2979.3 人工智能大模型现存挑战与未来方向 3019.3.1 现存挑战 3019.3.2 未来方向 302参考文献 303
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第1章污水水质信息工程学概述 1.1水质信息工程学内涵 水质信息工程学是随着信息工程学的发展，尤其是人工智能、大数据、云计算等技术的兴起，在水质科学领域逐渐形成的新兴学科，是一门融合了信息工程学、水质科学、工程学等多个学科内涵的交叉学科。水质是该学科的研究对象，信息工程学是该学科的研究方法与手段。具体而言，水质信息工程学是将信息工程的技术和方法应用于水质信息收集、处理、传输、存储、管理和应用的学科，涉及水质监测系统、水质数据分析与处理、水质信息可视化、水质预警与决策支持等方面。 1.1.1水质及其特性 水质是水体物理、化学和生物等要素的含量、组成状况及其所决定的涵盖物质、能量和信息三个方面的特性，是全面认识水、科学处理水、充分利用水的基础。 水质的物质特性主要包括水体的温度、颜色、透明度、嗅和味等物理特性，溶解在水体中的气体、离子、分子、胶体物质及悬浮物等化学特性，以及水体中的细菌、微生物、浮游生物、底栖生物等生物特性。能量特性主要体现在水体中能量的存储和转化上：一方面，水具有可吸收和释放热能的特性，可与外界直接进行热量交换；另一方面，水体中的有机物及生物体是能量的载体，可通过各类物理、化学和生物过程等完成能量转化与交换。水质的信息特性包括基础的水质理化指标，以及水质变化的物理、化学和生物反应的过程、机理、影响和动态关系，可用来描述水质系统中不同部分和链接之间的相互作用，可分为状态信息和过程信息、内部信息和外部信息等[1]。如表1-1，水质的多维度信息涵盖了水体物理、化学、生物等方面，是评估水体质量和水生态健康的重要工具，其有效应用可为水体的保护和管理提供科学依据。 指导对物质特性的管理；能量变化反映水质信息，水质信息引导对水体能量特性的调控。这三个特性相互依存、相互作用，共同构成了水质的综合特性。 1.1.2信息工程学及其环境应用 信息工程学是一门涉及计算机科学、电子工程、通信技术、人工智能等多个领域的综合性学科，主要研究信息的获取、处理、存储、传输和利用，以及如何设计、开发信息系统和应用软件。具体来说，信息工程学旨在通过技术手段实现信息的有效收集、分析、存储、处理和传输，以满足社会和经济对信息技术的需求，涉及信息系统的设计、开发、维护和管理等多个方面。 随着信息工程学的迅速发展，其应用范围不断拓展，并与多学科相互交叉融合，己在众多领域得到广泛应用。在环境领域，信息工程学的应用主要包括在线环境监测、环境预警与应急响应、污染环境治理与修复、环境管理与决策支持、生态资源管理与保护等方面，涉及的信息技术包括但不限于大数据分析、云计算、物联网、人工智能、地理信息系统（GIS）、遥感技术和全球定位系统（GPS）等。信息工程学在环境领域的应用，不仅提升了环保工作的效率和精度，也为科学决策提供了坚实的技术支撑。 1.在线环境监测 通过传感器和数据采集设备，信息工程学可以实时监测大气污染、水质污染、噪声等环境参数，连续、准确地收集环境数据，为环境管理提供科学依据。这些收集到的环境数据可以通过通信技术传输到中心数据库，进行存储、处理和分析。 2.环境预警与应急响应 基于历史数据和模型，信息工程学可以构建环境预警系统，对潜在的环境风险进行预测和预警，有助于决策者及时采取措施，减少环境污染和生态破坏的发生。同时，在环境事件突发时，信息工程学能够提供实时的、动态的环境数据监控和应急响应措施，以便进行紧急处理。 3.污染环境治理与修复 基于信息技术工具与平台，通过全要素监测数据集成、大数据分析、模型在线实时模拟分析，信息工程学可以实现环境污染物浓度的变化趋势精确预测，实现污染物去除过程的建模与优化，从而实现污染环境治理与修复的优化控制。 4.环境管理与决策支持 通过建立完善的环境信息化管理系统，信息工程学可实现环境数据的统一规范管理和共享利用，从而提高数据的利用率和管理效率。进一步构建环境保护决策支持系统，信息工程学可以为决策者提供多维、动态、全面的环境数据分析和效果评估，辅助科学决策。 5.生态资源管理与保护 基于GIS和GPS等技术的应用，信息工程学可以实现对土地资源、森林资源和水资源等的动态监测和管理。例如，在森林资源管理中利用遥感技术获取森林面积、树种、林分结构等信息，为森林保护和利用提供科学依据。 综上所述，信息工程学在环境领域的应用具有广泛性和重要性。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，信息工程学在环境领域的应用将进一步发展壮大，为可持续发展做出更大贡献。 1.2污水水质信息工程学的发展历程 污水作为典型的水体环境，承载着丰富的物理、化学及生物信息。一方面，污水排放是导致水体污染的主要原因之一，严重影响自然水体的水质和生态平衡，污水中的有害物质还可能通过食物链、饮用水等途径进入人体，对人类健康造成威胁。另一方面，污水是一种潜在的、丰富的物质资源，可通过相应的处理技术和资源化技术，回收利用污水中的物质资源及水资源，创造经济效益。为了尽可能降低污水的危害而利用其资源化特性，基于己有的研究基础与现实需求，水质信息工程学的应用范围进一步拓展，形成了污水水质信息工程学。 污水水质信息工程学是一门以信息技术为基础，综合了环境分析化学、流行病学、计算机科学、工程学和管理学等多个领域的知识，研究污水全生命周期的水质信息采集、解析、应用与管理的学科。具体而言，污水水质信息工程学旨在借助信息工程学手段，提高污水中各类物理、化学与生物信息的获取、解析与应用效率，同时增强污水处理过程的稳定性和可持续性。 1.2.1污水处理行业起步与发展概述 早在公元前2000年左右，古代文明便己认识到了污水带来的危害，开始采取措施处理污水。这些早期的污水处理方法虽然简单，但标志着人类开始有意识地管理和处理污水。随着时间的推移，污水处理技术不断完善和改进，至19世纪和20世纪，现代污水处理系统逐步形成和普及。1914年，英国学者Ardem和Lockett建立了世界上**座活性污泥法污水处理试验厂。之后，全球的污水处理行业从简单的污水收集和初步处理向现代化、高效率、资源化处理转变，不断适应环境保护和可持续发展的需求。 随着人类对污水认知的转变，污水治理也经历了系列发展历程。从*初认为污水中含有大量有毒有害物质，威胁人类健康和生态系统稳定，到逐步认识到其双刃剑特性，意识到污水治理与健康、碳中和及能源回收的协同效应，再到如今在信息化技术的支持下，对污水处理与水质保障的目标更为明确，全球污水治理己历经物质削减、能源回用、信息智控的发展阶段（图1-1）。 图1-1污水治理发展的三阶段 中国污水处理事业虽然起步较晚，但在城镇化扩张、城市人口快速增长与环境需求升级的多重驱动下快速发展壮大。根据住建部统计年鉴，1978年全国城市污水处理厂仅37座，1978？1995年增速缓慢，1995年末增至141座。1995年后进入快速扩张期，2010年城市污水处理厂达1444座；随后增速趋缓，2020年增至2618座[2]。截至2023年，全国共有14620座污水处理厂（含日处理能力500吨以上的农村污水处理设施）[3]。城市化进程加速与环保意识提升，使污水处理厂的建设与运营成为中国环境保护体系的核心组成。 1.2.2污水处理的物质削减导向阶段 随着工业革命推进，工业生产规模迅速扩大，大量含毒害污染物的污水被排放到自然环境中，导致严重的水体污染，对水生生态系统和人类健康构成威胁。在污水治理早期，由于技术水平和经济条件的限制，污水治理的主要目标是减少污水中的有害物质及过量的氮磷元素，即实现物质削减，防止其对环境造成进一步污染。 19世纪泰晤士河污染事件导致重大健康损害与财产损失，直接促成世界*部水环境保护法《河流污染防治法》颁布。20世纪以来，系列污染物引发的人群健康危害事件频发，国际社会由此深化对有毒有害污染物及营养盐的认知，并持续修订相关限值标准(图1-2）。1962年，《寂静的春天》一书出版，人们意识到了滴滴涕、六六六等高毒化合物对生态系统的危害，此后，国际上发生了多起由多氯联苯污染造成的人类健康危害事件，推动了相关标准实施。20世纪80年代后期，由于人工合成有机农药对环境的污染增加，且美国国会认为原水质标准对水媒性微生物疾病的风险控制存在缺陷，美国环境保护署（USEPA）逐步颁布了20余种污染物的标准值，尤其针对有机和无机污染物、消毒副产物及病原体等高危污染物制定了更严格的标准。1993年，美国威斯康星州Milwaukee市发生了由隐孢子虫引发的消化道传染病，USEPA对水质标准进行了第二次重大修改，加强了对肠道病原体的控制，并颁布了《过渡性加强地表水处理条例》(IESWTR）等法规。 图1-2毒害污染物诱导的人类生态健康危害事件推动水质标准的产生和发展 我国在当时技术政策现状及国内外法律法规经验的基础上，于2002年发布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002），2005年扩大了标准中一级A标准的应用范围。2007年太湖蓝藻暴发后，有关人员认识到除了有毒有害物质，过量的氮磷营养盐排入自然水体亦会造成重大水体污染，一级A标准成为新建和改扩建污水处理厂的普遍标准，以限制污水中的氮磷水平，在之后的生活饮用水标准中也增加了微囊藻毒素的限制值。2012年，北京市发布《城镇污水处理厂水污染物排放标准KDB11/890—2012），此标准中B级标准己达到地表IV类水的标准，而A级标准几乎达到地表III类水的标准，引领众多省市迈入IV类水时代。2015年，《水污染防治行动计划》明确要全面控制污染物排放，强化城镇生活污染治理，深化污染物排放总量控制，全面推行排污许可。 除了污水处理标准法规的不断完善，污水处理技术也从简单的物理处理向更复杂的物理化学和生物处理方向发展。活性污泥法、生物膜法等生物处理技术的出现，标志着污水处理技术进入新的发展阶段，这些技术能更有效地去除污水中的有机物、氮、磷等污染物，实现有毒有害物质的大幅削减。1974年，Seidel*次建造人工湿地，此后，该工艺在全球得到推广应用，人工湿地可高效去除尾水中的持久性毒物，显著提升有毒有害物质的削减效率并维护水生态健康[4]。 1.2.3污水处理的能源回用导向阶段 随着对污水认识的不断深入，人们逐渐意识到，污水不仅仅是各类污染物的载体，更是一个极具价值的资源宝库，可通过相应技术手段回收污水中的营养元素氮磷、部分有机化合物和能源，在减少环境污染、降低运行成本的同时实现资源的循环利用。“十四五”时期，国家发展改革委联合各部门推出污水资源化利用、污泥无害化处置及资源化利用等实施方案，促进减污降碳协同增效，推动高质量发展、可持续发展。城镇污水资源化利用是我国经济社会可持续发展的重要战略需求，国家发展改革委等十部委共同发布《关于推进污水资源化利用的指导意见》（发改环资〔2021〕13号），强调要推动我国污水资源化利用，实现高质量发展；国家发展改革委、住房城乡建设部联合发布《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》（发改环资〔2021）827号），要求到2035年，污水污泥资源化利用水平显著提升，城镇污水得到安全高效处理。 污水能源回用是指污水经无害化处理并达规定水质后，替代常规水源用于工业、市政、生活、生态、农业及地下水回灌等领域，同时回收其中资源与能源；该过程可优化供水结构、新增水资源供给、缓解供需矛盾、削减污染负荷并保障水生态安全。一般而言，城镇污水能源回用包括污水、污泥中的余热、热能、化学能的回收利用[5]。余热的利用环节包括污泥厌氧消化热电联产、热水解、干化、焚烧、湿式氧化等工艺过程，回收的余热主要在厂内用于生产工艺单元池体保温、物料加热和生产
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