自動(dòng)化技術(shù)在水處理行業(yè)中的應(yīng)用

天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 張 泳

自動(dòng)化技術(shù)在水處理行業(yè)中的應(yīng)用

天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 張 泳

1 我國(guó)水資源的基本狀況

水，既是工業(yè)生產(chǎn)中常見的生產(chǎn)原料，同時(shí)更是人類生活必需的重要資源，具有極其重要的意義。

2014年，我國(guó)對(duì)全國(guó)21.6萬km的河流水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。全年Ⅰ類水河長(zhǎng)占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的5.9%，Ⅱ類水河長(zhǎng)占43.5%，Ⅲ類水河長(zhǎng)占23.4%，Ⅳ類水河長(zhǎng)占10.8%，Ⅴ類水河長(zhǎng)占4.7%，劣Ⅴ類水河長(zhǎng)占11.7%，水質(zhì)狀況總體為中。珠江區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)、東南諸河區(qū)水質(zhì)為良，松花江區(qū)、黃河區(qū)、遼河區(qū)、淮河區(qū)水質(zhì)為中，海河區(qū)水質(zhì)為劣。

同期對(duì)全國(guó)開發(fā)利用程度較高和面積較大的121個(gè)主要湖泊共2.9萬km2水面進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)。全年總體水質(zhì)為～Ⅲ類的湖泊有39個(gè)，Ⅳ～Ⅴ類湖泊57個(gè)，劣Ⅴ類湖泊25個(gè)，分別占評(píng)價(jià)湖泊總數(shù)的32.2%、47.1%和20.7%。國(guó)家重點(diǎn)治理的“三湖”中，太湖全湖總體水質(zhì)為Ⅳ類，滇池、巢湖水質(zhì)均Ⅴ類。

2014年，對(duì)全國(guó)661座主要水庫(kù)進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)。全年總體水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類的水庫(kù)有534座，Ⅳ～Ⅴ類水庫(kù)97座，劣Ⅴ類水庫(kù)30座，分別占評(píng)價(jià)水庫(kù)總數(shù)的80.8%、14.7%和4.5%。

2014年，對(duì)主要分布在北方17?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）平原區(qū)的2071眼水質(zhì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行了監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，地下水水質(zhì)總體較差。其中，水質(zhì)優(yōu)良的測(cè)井占評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)井總數(shù)的0.5%、水質(zhì)良好的占14.7%、水質(zhì)較差的占48.9%、水質(zhì)極差的占35.9%。

2 我國(guó)水處理行業(yè)的基本現(xiàn)狀

為了實(shí)現(xiàn)水的可用性和可再生性，為人類的生產(chǎn)活動(dòng)提供水資源保障，水處理行業(yè)成為城市發(fā)展中不可或缺的部分。

水處理主要包括凈水處理和污水處理，而污水處理又分為工業(yè)廢水處理和生活污水處理。

2014年全國(guó)總供水量6095億m3。其中，地表水源供水量4921億m3，占總供水量的80.8%；地下水源供水量1117億m3，占總供水量的18.3%；其他水源供水量57億m3，占總供水量的0.9%。2014年我國(guó)規(guī)模以上自來水生產(chǎn)和供應(yīng)行業(yè)企業(yè)數(shù)量為1495家，資產(chǎn)總計(jì)8717.14億元，主營(yíng)業(yè)務(wù)收入1713.53億元，利潤(rùn)總額達(dá)151.22億元。自來水生產(chǎn)與供應(yīng)行業(yè)快速發(fā)展，但與此同時(shí)自來水的安全性問題也隨之而來，全國(guó)各地發(fā)生多起自來水安全事故。同時(shí)隨著水源地水質(zhì)下降、自來水廠處理工藝落后，二次供水設(shè)施存在設(shè)備老化、不能定期清洗，自來水被污染的幾率大大增加。

2014年全國(guó)廢水排放總量716.2億噸。其中，工業(yè)廢水排放量205.3億噸、城鎮(zhèn)生活污水排放量510.3億噸。廢水中化學(xué)需氧量排放量2294.6萬噸，氨氮排放量238.5萬噸。全國(guó)投運(yùn)的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施共4436座，總設(shè)計(jì)處理能力1.71億立方米/日，平均日處理水量1.35億立方米。

3 水處理行業(yè)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用情況

目前對(duì)水處理行業(yè)的控制需求而言，PLC類控制器在水處理集散控制系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。在凈水廠范圍內(nèi)所需要的取水、加藥、過濾、送水，在污水處理廠范圍內(nèi)所需的曝氣、生化反應(yīng)、污泥脫水等過程控制與監(jiān)測(cè)中都起到了主控的作用。特別是在污水處理中，對(duì)于不同種類的污水，如工業(yè)廢水、生活污水等，其處理工藝可能相差很大。不同種類的污水處理過程，處理步驟各有特點(diǎn)，且目前對(duì)污水處理的要求已經(jīng)不僅僅是使之無害化，還要求將其加以回收循環(huán)利用。這些步驟和要求，都需要采用PLC類控制器，使系統(tǒng)具備相當(dāng)程度的自動(dòng)化。

在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)測(cè)量等方面，需要大量的儀器、儀表類產(chǎn)品。這些應(yīng)用于水處理行業(yè)的儀器儀表，主要分為過程類儀表和分析類儀表，過程類儀表包括溫度、壓力變送器、液位儀表、流量計(jì)、閥門、執(zhí)行器等，而分析類儀表的種類則多而細(xì)，必須根據(jù)實(shí)際處理原水的水質(zhì)、種類，結(jié)合相應(yīng)地處理工藝流程進(jìn)行使用。

分層控制、集中管理的集散式控制系統(tǒng)，對(duì)于所依靠的工業(yè)通訊方式，也具有很高的要求。近年來，從比較普遍的現(xiàn)場(chǎng)總線，到相對(duì)較新的工業(yè)以太網(wǎng)，都已經(jīng)達(dá)到了成規(guī)模的應(yīng)用。同時(shí)，為了滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用，無線通信技術(shù)也介入了水處理行業(yè)，并取得了良好的效果。

由于水處理行業(yè)的特點(diǎn)和經(jīng)營(yíng)規(guī)模，需要多層次、多步驟的控制管理。從實(shí)現(xiàn)各種步驟和功能的現(xiàn)場(chǎng)控制站，到自來水廠或污水處理廠，再到上一級(jí)的集團(tuán)公司，包括了監(jiān)測(cè)、控制、執(zhí)行、調(diào)度、管理、診斷等多種功能和任務(wù)，這就要求SCADA系統(tǒng)具有可靠性、安全性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

從上面的概述可以看到，水處理行業(yè)是自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)化應(yīng)用的一個(gè)典型行業(yè)?，F(xiàn)代化的水處理工業(yè)如果脫離了自動(dòng)化產(chǎn)品和技術(shù)，根本無法有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，更無法達(dá)到安全、智能等方面的要求。隨著現(xiàn)代水處理工業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，自動(dòng)化技術(shù)也越來越多地應(yīng)用到水處理行業(yè)中去，提高了行業(yè)的效率和先進(jìn)性。

4 近年來自動(dòng)化技術(shù)在水處理行業(yè)應(yīng)用中的技術(shù)亮點(diǎn)

4.1 數(shù)字化儀表及現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用

數(shù)字化儀表及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是互可操作性與互用性?；タ刹僮餍跃褪菍?shí)現(xiàn)了互連設(shè)備間信息傳送與溝通的一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)，或者是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)匹配，實(shí)現(xiàn)了高效率的信息傳送?；ビ眯跃褪菍?shí)現(xiàn)了設(shè)備的互換互用，尤其是儀表的變送器。水處理行業(yè)采用數(shù)字化儀表系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線，不僅節(jié)約投資，同時(shí)減少了變送器的種類和數(shù)量，節(jié)省安裝和維護(hù)費(fèi)用。

4.2 無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無線網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的變革。在水處理行業(yè)中，現(xiàn)在廣泛地利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)等參數(shù)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。利用無線傳感及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用短程無線通信和3G等遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4.3 PLC與DCS技術(shù)的融合應(yīng)用

近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC和DCS兩者互相靠攏，功能越來越接近，水處理行業(yè)中采用的PLC已經(jīng)普遍具備了相當(dāng)強(qiáng)大的模擬量處理能力。這種技術(shù)上的融合，既發(fā)揮了PLC邏輯控制響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，又吸收了DCS善于進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)水處理系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、不確定性、多變量、非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速采集與處理，以及各種復(fù)雜控制策略的應(yīng)用。在控制出水指標(biāo)、抑制外部環(huán)境干擾對(duì)處理過程的影響中，發(fā)揮了較高的功效。

4.4 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用卻完全不同，是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域、面向生產(chǎn)過程，對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)完整性有很高要求的以太網(wǎng)技術(shù)。在水處理行業(yè)中，工業(yè)以太網(wǎng)的全開放性、全數(shù)字化，可以在工程分期建設(shè)、提標(biāo)改造工程中實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備之間的互聯(lián)，提供比現(xiàn)場(chǎng)總線更快的通信速率，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，形成了水處理行業(yè)企業(yè)級(jí)管控一體化的全開放網(wǎng)絡(luò)。

5 “十三五”期間，水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 建設(shè)規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)

“十二五”期間，我國(guó)投入的污水處理廠建設(shè)規(guī)模約3000~5000萬噸，水務(wù)市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率不低于15%。水污染治理資金投入需求超過1萬億元。隨著國(guó)家實(shí)行嚴(yán)格的水資源管理制度，加強(qiáng)用水總量控制與定額管理，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)等政策，“十三五”期間我國(guó)單位GDP的水資源消耗量會(huì)下降，但是經(jīng)濟(jì)總量的不斷擴(kuò)大，管網(wǎng)建設(shè)的完善，城鎮(zhèn)化步伐的加快，預(yù)計(jì)“十三五”期間污水處理廠的建設(shè)規(guī)模、資金投入等不會(huì)低于“十二五”。根據(jù)環(huán)保部的預(yù)測(cè)，包含“十二五”末年2015年在內(nèi)，水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的總投資將達(dá)2萬億元，水環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品及設(shè)備的增速在15%~20%左右，水環(huán)境服務(wù)業(yè)的增速在30%~40%左右。

5.2 水處理行業(yè)建設(shè)投融資模式轉(zhuǎn)變

污水處理項(xiàng)目投資具有投資額大、項(xiàng)目回收期長(zhǎng)的顯著特點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)在約40%的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施通過BOT、BT、TOT 等投融資模式引入社會(huì)資本，參與設(shè)施建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，促進(jìn)了污水處理行業(yè)的快速發(fā)展。2014年國(guó)務(wù)院43號(hào)文提供了新一屆政府對(duì)地方債務(wù)治理的框架，其中明確將逐步剝離地方融資平臺(tái)公司的政府融資職能，推廣使用政府與社會(huì)資本合作模式，未來地方政府性債務(wù)主要由一般政府債、專項(xiàng)政府債和PPP債構(gòu)成。可見，應(yīng)對(duì)未來城鎮(zhèn)化建設(shè)，PPP模式被委以了重任。從合作關(guān)系而言，BOT中政府與企業(yè)更多是垂直關(guān)系，即政府授權(quán)私企獨(dú)立建造和經(jīng)營(yíng)設(shè)施，而不是與政府合作。PPP則通過共同出資特殊目標(biāo)公司更強(qiáng)調(diào)政府與私企利益共享和風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)，能夠協(xié)調(diào)不同利益主體的不同目標(biāo)，形成社會(huì)利益最大化，更加適合于水處理行業(yè)等公用事業(yè)。

5.3 更高更嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)

《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》已于2012年7月1日開始全面強(qiáng)制執(zhí)行，新標(biāo)準(zhǔn)將水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)由35項(xiàng)提升至106項(xiàng)，我國(guó)自來水行業(yè)迎來了大規(guī)模的升級(jí)改造。

隨著國(guó)家和地方政府依據(jù)《中華人民共和國(guó)水污染防治法》加大污染防治力度，居民對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，我國(guó)大部分污水處理廠均面臨提標(biāo)和升級(jí)改造，如除臭改造，強(qiáng)化脫氮除磷功能，污泥穩(wěn)定化，出水水質(zhì)提升至一級(jí)B、一級(jí)A甚至更高的標(biāo)準(zhǔn)等。未來污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提升以及隨之而來的提標(biāo)改造進(jìn)程，為污水處理行業(yè)提供了新的發(fā)展機(jī)遇。

5.4 海水利用規(guī)模擴(kuò)大

截止到2013年底，全國(guó)已建成海水淡化工程103個(gè)，產(chǎn)水規(guī)模900830噸/日。已建成萬噸級(jí)以上海水淡化工程26個(gè)，千噸級(jí)以上、萬噸級(jí)以下海水淡化工程31個(gè)，千噸級(jí)以下海水淡化工程46個(gè)。在國(guó)內(nèi)水資源短缺困局日漸嚴(yán)重的背景下，國(guó)家制定了嚴(yán)格的水資源管理的“紅線”，其中水資源開發(fā)利用的控制紅線是到2030年全國(guó)用水總量控制在7000億m3，用水效率控制紅線是到2030年用水效率達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，萬元工業(yè)增加值用水量（以2000年不變價(jià)格計(jì)算）降低到40m3以下。嚴(yán)格的水資源控制、用水效率控制、水資源有償使用、首要保障民生用水等政策，使得海水淡化成為解決工業(yè)用水危機(jī)的替代方案之一。同時(shí)隨著海水淡化技術(shù)的進(jìn)步，海水淡化已具備與其他水凈化方式競(jìng)爭(zhēng)的成本優(yōu)勢(shì)。

5.5 小規(guī)模、集成化水處理技術(shù)推廣

我國(guó)目前污水處理設(shè)施建設(shè)仍主要集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，而經(jīng)濟(jì)較為落后的地區(qū)及農(nóng)村地區(qū)，則發(fā)展速度較慢，地區(qū)間發(fā)展不平衡。進(jìn)入“十三五”，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的建設(shè)重點(diǎn)將由東部城市和大中城市逐步向中西部、中小城市和縣城滲透，特別是目前尚無污水處理設(shè)施的小城鎮(zhèn)。單個(gè)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模小，但是項(xiàng)目總量大幅增加。小規(guī)模、集成化污水處理裝置，將工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，將設(shè)備、電氣、自動(dòng)化系統(tǒng)等集成化，大大減少污水收集管網(wǎng)的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，提高全社會(huì)的污水處理率。

6 “十三五”期間自動(dòng)化技術(shù)在水處理行業(yè)的發(fā)展方向

6.1 設(shè)備的智能化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的相互滲透、結(jié)合，產(chǎn)生了基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。把網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器嵌入到水處理設(shè)備中，將水處理過程中的數(shù)據(jù)通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與“互聯(lián)網(wǎng)”整合起來，實(shí)現(xiàn)人工智能與物理系統(tǒng)的整合。依托云計(jì)算對(duì)網(wǎng)內(nèi)的機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)、控制策略等實(shí)施實(shí)時(shí)管理和調(diào)整，以精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化方式管理水處理過程，提高生產(chǎn)力水平。

6.2 建設(shè)透明水廠

信息技術(shù)可以大幅提升數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、處理和分析能力，提升管理效率，為水處理行業(yè)高效管理提供有力工具?！笆濉逼陂g，隨著水環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的不斷深化，管理內(nèi)容的不斷擴(kuò)展，產(chǎn)生和需要處理的數(shù)據(jù)及信息量大幅度增加，迫切需要強(qiáng)化信息化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水處理行業(yè)管理數(shù)據(jù)的高效獲取、海量存儲(chǔ)、快速處理和標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)告的自動(dòng)生成，提升管理效率。同時(shí)，信息化、標(biāo)準(zhǔn)化將促進(jìn)社會(huì)監(jiān)督，讓公眾及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地了解水處理企業(yè)的運(yùn)行、進(jìn)出水指標(biāo)、減排指標(biāo)等各類信息，確保公眾的環(huán)境知情權(quán)，促進(jìn)公眾自身積極參與到水環(huán)境保護(hù)工作中來。

6.3 建設(shè)智慧水網(wǎng)

建設(shè)智慧水網(wǎng)，是建立基于智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的水務(wù)綜合管理平臺(tái)，為水務(wù)系統(tǒng)的安全管理、生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備管理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的自動(dòng)化、信息化、智能化管理平臺(tái)，系統(tǒng)性地解決城市蓄水、供水、用水、排水、節(jié)水、污水處理、防洪、排澇等環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)資源共享及交換，將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時(shí)分析與處理，依托人工智能、大數(shù)據(jù)等形成的抽象的、虛擬的、可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的計(jì)算資源，做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)水資源的高效管理與利用，水處理的穩(wěn)定與安全，達(dá)到“智慧水網(wǎng)”的狀態(tài)。

“十三五”期間，社會(huì)對(duì)水資源凈化、回收、利用的需求和增長(zhǎng)是穩(wěn)定的，尤其是隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)、環(huán)保升級(jí)、節(jié)能升級(jí)、消費(fèi)升級(jí)、生活質(zhì)量升級(jí)，對(duì)水資源、水環(huán)境的要求也會(huì)相依升級(jí)，尤其是對(duì)水處理行業(yè)的智能化、安全性等也提出了新的要求，這就為水處理行業(yè)和相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)及設(shè)備，帶來了一個(gè)持續(xù)的發(fā)展空間。

張泳（1971-），男，注冊(cè)電氣工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師。1993年畢業(yè)于重慶建筑工程學(xué)院，2002年獲得天津大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。在天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院從事市政工程中的電氣、自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，擔(dān)任過多項(xiàng)大型市政工程、重點(diǎn)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。