作者簡(jiǎn)介

張泳（1971-），男，注冊電氣工程師，教授級高級工程師。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計研究院從事市政工程中的電氣、自動(dòng)化設計工作，擔任過(guò)多項大型市政工程、重點(diǎn)項目的負責人。

1　我國水資源的基本狀況

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

我國水資源總量位居世界第6 位，但人均水資源占有量卻僅為世界平均水平的28%。全國城市中有約2/3 缺水，約1/4 嚴重缺水，水質(zhì)型缺水的情況突出。

2013年，對全國20.8萬(wàn)km的河流水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)。全年Ⅰ類(lèi)水河長(cháng)占評價(jià)河長(cháng)的4.8%，Ⅱ類(lèi)水河長(cháng)占42.5%，Ⅲ類(lèi)水河長(cháng)占21.3%，Ⅳ類(lèi)水河長(cháng)占10.8%，Ⅴ類(lèi)水河長(cháng)占5.7%，劣Ⅴ類(lèi)水河長(cháng)占14.9%。長(cháng)江區、松花江區水質(zhì)為中，黃河區、遼河區、淮河區水質(zhì)為差，海河區水質(zhì)為劣。

同期對全國開(kāi)發(fā)利用程度較高和面積較大的119個(gè)主要湖泊，共2.9萬(wàn)km2水面進(jìn)行了水質(zhì)評價(jià)。全年總體水質(zhì)為Ⅰ~Ⅲ類(lèi)的湖泊有38個(gè)，Ⅳ~(yú)Ⅴ類(lèi)湖泊50個(gè)，劣Ⅴ類(lèi)湖泊31個(gè)，分別占評價(jià)湖泊總數的31.9%、42.0%和26.1%。國家重點(diǎn)治理的“三湖”中，太湖全湖總體水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)，滇池、巢湖總體水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)。

2013年，對全國共667座主要水庫進(jìn)行了水質(zhì)評價(jià)。全年水質(zhì)為Ⅰ類(lèi)的水庫有31座，占評價(jià)水庫總數的4.7%；Ⅱ類(lèi)水庫301座，占45.1%；Ⅲ類(lèi)水庫211座，占31.6%；Ⅳ類(lèi)水庫66座，占9.9%；Ⅴ類(lèi)水庫25座，占3.7%；劣Ⅴ類(lèi)水庫33座，占5.0%。

同期依據1229眼水質(zhì)監測井的資料，對北京等10?。ㄗ灾螀^、直轄市）的地下水水質(zhì)進(jìn)行了分類(lèi)評價(jià)。水質(zhì)適用于各種用途的Ⅰ~Ⅱ類(lèi)監測井僅占評價(jià)監測井總數的2.4%，適合集中式生活飲用水水源及工農業(yè)用水的Ⅲ類(lèi)監測井占20.5%，而多達77.1%的監測井水質(zhì)為Ⅳ~(yú)Ⅴ類(lèi)，不適合飲用。

2　我國水處理行業(yè)的基本現狀

為了實(shí)現水的可用性和可再生性，為人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)提供水資源保障，水處理行業(yè)成為城市與企業(yè)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。

2013年全國總供水量6183.4億m3，其中，地表水源供水量占81.0%，地下水源供水量占18.2%，其他水源供水量占0.8%。2013年我國規模以上自來(lái)水的生產(chǎn)和供應行業(yè)企業(yè)數量為998家，行業(yè)總資產(chǎn)5975.15億元，銷(xiāo)售總收入合計1090.07億元，比上年同期增加117.01億元，增長(cháng)了12.03%。自來(lái)水生產(chǎn)與供應行業(yè)快速發(fā)展，但與此同時(shí)自來(lái)水的安全性也隨之而來(lái)，全國各地發(fā)生多起自來(lái)水安全問(wèn)題。同時(shí)隨著(zhù)水源地水質(zhì)下降、自來(lái)水廠(chǎng)處理工藝落后，二次供水設施存在設備老化、不能定期清洗，自來(lái)水被污染的幾率大大增加。

2013年全國廢水排放總量695.44億噸，其中，工業(yè)廢水排放量209.84億噸，城鎮生活污水排放量485.11億噸，集中式廢水排放量0.50億噸?；瘜W(xué)需氧量排放總量2352.72萬(wàn)噸，氨氮排放總量245.66萬(wàn)噸。全國城鎮污水處理廠(chǎng)5364座，設計處理能力達到1.7億噸/日，全年共處理污水456.1億噸。

3　水處理行業(yè)中自動(dòng)化技術(shù)的應用情況

目前對水處理行業(yè)的控制需求而言，PLC類(lèi)控制器在水處理集散控制系統中得到大量應用。在凈水廠(chǎng)范圍內所需要的取水、加藥、過(guò)濾、送水，在污水處理廠(chǎng)范圍內所需的曝氣、生化反應、污泥脫水等過(guò)程控制與監測中都起到了主控的作用。特別是在污水處理中，對于不同種類(lèi)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(lèi)的污水處理過(guò)程，處理步驟各有特點(diǎn)，且目前對污水處理的要求已經(jīng)不僅僅是使之無(wú)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(lèi)控制器，使系統具備相當程度的自動(dòng)化。

在水質(zhì)監測、狀態(tài)測量等方面，需要大量的儀器、儀表類(lèi)產(chǎn)品。這些應用于水處理行業(yè)的儀器儀表，主要分為過(guò)程類(lèi)儀表和分析類(lèi)儀表，過(guò)程類(lèi)儀表包括溫度、壓力變送器、液位儀表、流量計、閥門(mén)、執行器等，而分析類(lèi)儀表的種類(lèi)則非常多而細，必須根據實(shí)際處理原水的水質(zhì)、種類(lèi)，結合相應地處理工藝流程進(jìn)行使用。

分層控制、集中管理的集散式控制系統，對于所依靠的工業(yè)通訊方式，也具有很高的要求。近年來(lái)，從比較普遍的現場(chǎng)總線(xiàn)，到相對較新的工業(yè)以太網(wǎng)，都已經(jīng)得到了成規模的應用。同時(shí)，為了滿(mǎn)足遠程監測等一些特殊場(chǎng)合的應用，無(wú)線(xiàn)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)規模，需要多層次、多步驟的控制管理。從實(shí)現各種步驟和功能的現場(chǎng)控制站，到自來(lái)水廠(chǎng)或污水處理廠(chǎng)，再到上一級的集團公司，包括了監測、控制、執行、調度、管理、診斷等多種功能和任務(wù)，這就要求SCADA系統具有可靠性、安全性、穩定性、可擴展性等性能。

從上面的概述可以看到，水處理行業(yè)是自動(dòng)化技術(shù)系統化應用的一個(gè)典型行業(yè)?，F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(wú)法有效地運轉，更無(wú)法達到安全、智能等方面的要求。隨著(zhù)現代水處理工業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)創(chuàng )新，自動(dòng)化技術(shù)也越來(lái)越多地深入到水處理行業(yè)中去，提高了行業(yè)的效率和先進(jìn)性。

4　近年來(lái)自動(dòng)化技術(shù)在水處理行業(yè)中應用的技術(shù)亮點(diǎn)

4.1　數字化儀表及現場(chǎng)總線(xiàn)的應用

數字化儀表及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的突出的優(yōu)點(diǎn)就是互可操作性與互用性?；タ刹僮餍跃褪菍?shí)現了互連設備間信息傳送與溝通的一點(diǎn)對一點(diǎn)，或者是一點(diǎn)對多點(diǎn)匹配，實(shí)現了高效率的信息傳送?；ビ眯跃褪菍?shí)現了設備的互換互用，尤其是儀表的變送器。水處理行業(yè)采用數字化儀表系統及現場(chǎng)總線(xiàn)，不僅節約投資，同時(shí)減少了變送器的種類(lèi)和數量，節省安裝和維護費用。

4.2　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以其低功耗、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的變革。在水處理行業(yè)中，現在廣泛地利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對水質(zhì)等參數的無(wú)線(xiàn)遠程監測。利用無(wú)線(xiàn)傳感及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，并采用短程無(wú)線(xiàn)通信和3G等遠程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合的方式實(shí)現了遠程監測。

4.3　PLC與DCS技術(shù)的融合應用

近年來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，PLC和DCS兩者互相靠攏，功能越來(lái)越接近，水處理行業(yè)中采用的PLC已經(jīng)普遍具備了相當強大的模擬量處理能力。這種技術(shù)上的融合，既發(fā)揮了PLC邏輯控制響應速度快的優(yōu)勢，又吸收了DCS善于進(jìn)行復雜計算的優(yōu)勢。針對水處理系統的不穩定性、不確定性、多變量、非線(xiàn)性、時(shí)變性、隨機性，實(shí)現了數據的快速采集與處理，以及各種復雜控制策略的應用。在控制出水指標、抑制外部環(huán)境干擾對處理過(guò)程的影響中，發(fā)揮了較高的功效。

4.4　工業(yè)以太網(wǎng)的應用

工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE 802.3標準）兼容，但實(shí)際產(chǎn)品和應用卻完全不同，是應用于工業(yè)控制領(lǐng)域、面向生產(chǎn)過(guò)程，對實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性和數據完整性有很高的要求的以太網(wǎng)技術(shù)。在水處理行業(yè)中，工業(yè)以太網(wǎng)的全開(kāi)放性、全數字化，可以在工程分期建設、提標改造工程中實(shí)現不同廠(chǎng)商設備之間的互聯(lián)，提供比現場(chǎng)總線(xiàn)更快的通信速率，實(shí)現了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接，形成了水處理行業(yè)企業(yè)級管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )。

5 　“十三五”期間，水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢

5.1　建設規模穩步增長(cháng)

“十二五”期間，我國將投入的污水處理廠(chǎng)建設規模約3000~5000萬(wàn)噸，水務(wù)市場(chǎng)的年增長(cháng)率不低于15%。水污染治理資金投入需求將超過(guò)1萬(wàn)億元。隨著(zhù)國家實(shí)行嚴格的水資源管理制度，加強用水總量控制與定額管理，建設節水型社會(huì )等政策，“十三五”期間我國單位GDP的水資源消耗量會(huì )下降，但是經(jīng)濟總量的不斷擴大，管網(wǎng)建設的完善，城鎮化步伐的加快，預計“十三五”期間污水處理廠(chǎng)的建設規模、資金投入等不會(huì )低于“十二五”。根據環(huán)保部的預測，包含“十二五”末年2015年在內，水污染防治行動(dòng)計劃的總投資將達2萬(wàn)億元，水環(huán)境保護產(chǎn)品及設備的增速在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)建設投融資模式轉變

污水處理項目投資具有投資額大、項目回收期長(cháng)的顯著(zhù)特點(diǎn)。我國現在約40%的城鎮污水處理設施通過(guò)BOT、BT、TOT等投融資模式引入社會(huì )資本，參與設施建設與運營(yíng)，促進(jìn)了污水處理行業(yè)的快速發(fā)展。2014年國務(wù)院43號文提供了新一屆政府對地方債務(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(lái)地方政府性債務(wù)主要由一般政府債、專(zhuān)項政府債和PPP債構成?？梢?jiàn)，應對未來(lái)城鎮化建設，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，即政府授權私企獨立建造和經(jīng)營(yíng)設施，而不是與政府合作。PPP則通過(guò)共同出資特殊目標公司更強調政府與私企利益共享和風(fēng)險分擔，能夠協(xié)調不同利益主體的不同目標，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　更高更嚴的標準

《生活飲用水衛生標準》已于2012年7月1日開(kāi)始全面強制執行，新標準將水質(zhì)監測指標由35項提升至106項，我國自來(lái)水行業(yè)迎來(lái)了大規模的升級改造。

隨著(zhù)國家和地方政府依據《中華人民共和國水污染防治法》加大污染防治力度，居民對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，我國大部分污水處理廠(chǎng)均面臨提標和升級改造，如除臭改造，強化脫氮除磷功能，污泥穩定化，出水水質(zhì)提升至一級B、一級A甚至更高的標準等。未來(lái)污水處理排放標準的進(jìn)一步提升以及隨之而來(lái)的提標改造進(jìn)程，為污水處理行業(yè)提供了新的發(fā)展機遇。

5.4　海水利用規模擴大

截止到2013年底，全國已建成海水淡化工程103個(gè)，產(chǎn)水規模900830噸/日。已建成萬(wàn)噸級以上海水淡化工程26個(gè)，千噸級以上、萬(wàn)噸級以下海水淡化工程31個(gè)，千噸級以下海水淡化工程46個(gè)。在國內水資源短缺困局日漸嚴重的背景下，國家制定了嚴格的水資源管理的“紅線(xiàn)”，其中水資源開(kāi)發(fā)利用的控制紅線(xiàn)是到2030年全國用水總量控制在7000億m3，用水效率控制紅線(xiàn)是到2030年用水效率達到或接近世界先進(jìn)水平，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量（以2000年不變價(jià)格計算）降低到40m3以下。嚴格的水資源控制、用水效率控制、水資源有償使用、首要保障民生用水等政策，使得海水淡化已經(jīng)成為解決工業(yè)用水危機的替代方案之一。同時(shí)隨著(zhù)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爭的成本優(yōu)勢。

5.5　小規模、集成化水處理技術(shù)推廣

我國目前污水處理設施建設仍主要集中于經(jīng)濟發(fā)達地區，而經(jīng)濟較為落后的地區及農村地區，則發(fā)展速度較慢，地區間發(fā)展不平衡。進(jìn)入“十三五”，城鎮污水處理行業(yè)的建設重點(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(wú)污水處理設施的小城鎮。單個(gè)項目建設規模小，但是項目總量大幅增加。小規模、集成化污水處理裝置，將工藝流程標準化、模塊化，將設備、電氣、自動(dòng)化系統等集成化，大大減少污水收集管網(wǎng)的建設和維護費用，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　設備的智能化

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的相互滲透、結合，產(chǎn)生了基于無(wú)線(xiàn)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備中，將水處理過(guò)程中的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(lái)，實(shí)現人工智能與物理系統的整合。依托云計算對網(wǎng)內的機器設備、控制系統、控制策略等實(shí)施實(shí)時(shí)管理和調整，以精細化、動(dòng)態(tài)化方式管理水處理過(guò)程，提高生產(chǎn)力水平。

6.2　建設透明水廠(chǎng)

信息技術(shù)可以大幅提升數據的獲取、存儲、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(zhù)水環(huán)境管理標準化建設的不斷深化，管理內容的不斷擴展，產(chǎn)生和需要處理的數據及信息量大幅度增加，迫切需要強化信息化、標準化建設，實(shí)現水處理行業(yè)管理數據的高效獲取、海量存儲、快速處理和標準化報告的自動(dòng)生成，提升管理效率。同時(shí)，信息化、標準化將促進(jìn)社會(huì )監督，讓公眾及時(shí)、準確、完整地了解水處理企業(yè)的運行、進(jìn)出水指標、減排指標等各類(lèi)信息，確保公眾的環(huán)境知情權，促進(jìn)公眾自身積極參與到水環(huán)境保護工作中來(lái)。

6.3　建設智慧水網(wǎng)

建設智慧水網(wǎng)，是建立基于智能設備、大數據、物聯(lián)網(wǎng)、云計算的水務(wù)綜合管理平臺，為水務(wù)系統的安全管理、生產(chǎn)運行、設備管理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供統一的自動(dòng)化、信息化、智能化管理平臺，系統性地解決城市蓄水、供水、用水、排水、節水、污水處理、防洪、排澇等環(huán)節的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現水務(wù)數據資源共享及交換，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、大數據等形成的抽象的、虛擬的、可動(dòng)態(tài)擴展的計算資源，做出相應的處理結果輔助決策建議，以更加精細和動(dòng)態(tài)的方式管理水務(wù)系統的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，實(shí)現水資源的高效管理與利用，水處理的穩定與安全，達到“智慧水網(wǎng)”的狀態(tài)。

“十三五”期間，社會(huì )對水資源凈化、回收、利用的需求和增長(cháng)是穩定的，尤其是隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)升級、環(huán)保升級、節能升級、消費升級、生活質(zhì)量升級，對水資源、水環(huán)境的要求也會(huì )相依升級，尤其是對水處理行業(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)及設備，帶來(lái)了一個(gè)持續的發(fā)展空間。

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年11月增刊