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作者簡介

張泳（1971-），男，注冊電氣工程師，教授級高級工程師。1993年畢業(yè)于重慶建筑工程學院，2002年獲得天津大學電氣工程碩士學位。在天津市市政工程設(shè)計研究院從事市政工程中的電氣、自動化設(shè)計工作，擔任過多項大型市政工程、重點項目的負責人。

1　我國水資源的基本狀況

水，既是工業(yè)生產(chǎn)中常見的生產(chǎn)原料，同時更是人類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km的河流水質(zhì)進行了評價。全年Ⅰ類水河長占評價河長的4.8%，Ⅱ類水河長占42.5%，Ⅲ類水河長占21.3%，Ⅳ類水河長占10.8%，Ⅴ類水河長占5.7%，劣Ⅴ類水河長占14.9%。長江區(qū)、松花江區(qū)水質(zhì)為中，黃河區(qū)、遼河區(qū)、淮河區(qū)水質(zhì)為差，海河區(qū)水質(zhì)為劣。

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

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

同期依據(jù)1229眼水質(zhì)監(jiān)測井的資料，對北京等10省（自治區(qū)、直轄市）的地下水水質(zhì)進行了分類評價。水質(zhì)適用于各種用途的Ⅰ~Ⅱ類監(jiān)測井僅占評價監(jiān)測井總數(shù)的2.4%，適合集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類監(jiān)測井占20.5%，而多達77.1%的監(jiān)測井水質(zhì)為Ⅳ~Ⅴ類，不適合飲用。

2　我國水處理行業(yè)的基本現(xiàn)狀

為了實現(xiàn)水的可用性和可再生性，為人類的生產(chǎn)活動提供水資源保障，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(guī)模以上自來水的生產(chǎn)和供應行業(yè)企業(yè)數(shù)量為998家，行業(yè)總資產(chǎn)5975.15億元，銷售總收入合計1090.07億元，比上年同期增加117.01億元，增長了12.03%。自來水生產(chǎn)與供應行業(yè)快速發(fā)展，但與此同時自來水的安全性也隨之而來，全國各地發(fā)生多起自來水安全問題。同時隨著水源地水質(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。

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(zhèn)生活污水排放量485.11億噸，集中式廢水排放量0.50億噸。化學需氧量排放總量2352.72萬噸，氨氮排放總量245.66萬噸。全國城鎮(zhèn)污水處理廠5364座，設(shè)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類控制器在水處理集散控制系統(tǒng)中得到大量應用。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、污泥脫水等過程控制與監(jiān)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，且目前對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)具備相當程度的自動化。

在水質(zhì)監(jiān)測、狀態(tài)測量等方面，需要大量的儀器、儀表類產(chǎn)品。這些應用于水處理行業(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、閥門、執(zhí)行器等，而分析類儀表的種類則非常多而細，必須根據(jù)實際處理原水的水質(zhì)、種類，結(jié)合相應地處理工藝流程進行使用。

分層控制、集中管理的集散式控制系統(tǒng)，對于所依靠的工業(yè)通訊方式，也具有很高的要求。近年來，從比較普遍的現(xiàn)場總線，到相對較新的工業(yè)以太網(wǎng)，都已經(jīng)得到了成規(guī)模的應用。同時，為了滿足遠程監(jiān)測等一些特殊場合的應用，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)的特點和經(jīng)營規(guī)模，需要多層次、多步驟的控制管理。從實現(xiàn)各種步驟和功能的現(xiàn)場控制站，到自來水廠或污水處理廠，再到上一級的集團公司，包括了監(jiān)測、控制、執(zhí)行、調(diào)度、管理、診斷等多種功能和任務，這就要求SCADA系統(tǒng)具有可靠性、安全性、穩(wěn)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)是自動化技術(shù)系統(tǒng)化應用的一個典型行業(yè)。現(xiàn)代化的水處理工業(yè)如果脫離了自動化產(chǎn)品和技術(shù)，根本無法有效地運轉(zhuǎn)，更無法達到安全、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，自動化技術(shù)也越來越多地深入到水處理行業(yè)中去，提高了行業(yè)的效率和先進性。

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

4.1　數(shù)字化儀表及現(xiàn)場總線的應用

數(shù)字化儀表及現(xiàn)場總線技術(shù)的突出的優(yōu)點就是互可操作性與互用性。互可操作性就是實現(xiàn)了互連設(shè)備間信息傳送與溝通的一點對一點，或者是一點對多點匹配，實現(xiàn)了高效率的信息傳送。互用性就是實現(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)場總線，不僅節(jié)約投資，同時減少了變送器的種類和數(shù)量，節(jié)省安裝和維護費用。

4.2　無線網(wǎng)絡的應用

無線網(wǎng)絡以其低功耗、分布式和自組織的特點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)絡實現(xiàn)對水質(zhì)等參數(shù)的無線遠程監(jiān)測。利用無線傳感及無線網(wǎng)絡技術(shù)，并采用短程無線通信和3G等遠程無線通信技術(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。

4.3　PLC與DCS技術(shù)的融合應用

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善于進行復雜計算的優(yōu)勢。針對水處理系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、不確定性、多變量、非線性、時變性、隨機性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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)過程，對實時性、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)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)的全開放性、全數(shù)字化，可以在工程分期建設(shè)、提標改造工程中實現(xiàn)不同廠商設(shè)備之間的互聯(lián)，提供比現(xiàn)場總線更快的通信速率，實現(xiàn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡的無縫連接，形成了水處理行業(yè)企業(yè)級管控一體化的全開放網(wǎng)絡。

5 　“十三五”期間，水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢

5.1　建設(shè)規(guī)模穩(wěn)步增長

“十二五”期間，我國將投入的污水處理廠建設(shè)規(guī)模約3000~5000萬噸，水務市場的年增長率不低于15%。水污染治理資金投入需求將超過1萬億元。隨著國家實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(shè)節(jié)水型社會等政策，“十三五”期間我國單位GDP的水資源消耗量會下降，但是經(jīng)濟總量的不斷擴大，管網(wǎng)建設(shè)的完善，城鎮(zhèn)化步伐的加快，預計“十三五”期間污水處理廠的建設(shè)規(guī)模、資金投入等不會低于“十二五”。根據(jù)環(huán)保部的預測，包含“十二五”末年2015年在內(nèi)，水污染防治行動計劃的總投資將達2萬億元，水環(huán)境保護產(chǎn)品及設(shè)備的增速在15%~20%左右，水環(huán)境服務業(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

污水處理項目投資具有投資額大、項目回收期長的顯著特點。我國現(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資本，參與設(shè)施建設(shè)與運營，促進了污水處理行業(yè)的快速發(fā)展。2014年國務院43號文提供了新一屆政府對地方債務治理的框架，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資本合作模式，未來地方政府性債務主要由一般政府債、專項政府債和PPP債構(gòu)成。可見，應對未來城鎮(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)私企獨立建造和經(jīng)營設(shè)施，而不是與政府合作。PPP則通過共同出資特殊目標公司更強調(diào)政府與私企利益共享和風險分擔，能夠協(xié)調(diào)不同利益主體的不同目標，形成社會利益最大化，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(wèi)生標準》已于2012年7月1日開始全面強制執(zhí)行，新標準將水質(zhì)監(jiān)測指標由35項提升至106項，我國自來水行業(yè)迎來了大規(guī)模的升級改造。

隨著國家和地方政府依據(jù)《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(wěn)定化，出水水質(zhì)提升至一級B、一級A甚至更高的標準等。未來污水處理排放標準的進一步提升以及隨之而來的提標改造進程，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(guī)模擴大

截止到2013年底，全國已建成海水淡化工程103個，產(chǎn)水規(guī)模900830噸/日。已建成萬噸級以上海水淡化工程26個，千噸級以上、萬噸級以下海水淡化工程31個，千噸級以下海水淡化工程46個。在國內(nèi)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”，其中水資源開發(fā)利用的控制紅線是到2030年全國用水總量控制在7000億m3，用水效率控制紅線是到2030年用水效率達到或接近世界先進水平，萬元工業(yè)增加值用水量（以2000年不變價格計算）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。同時隨著海水淡化技術(shù)的進步，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(guī)模、集成化水處理技術(shù)推廣

我國目前污水處理設(shè)施建設(shè)仍主要集中于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，而經(jīng)濟較為落后的地區(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。進入“十三五”，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的建設(shè)重點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)。單個項目建設(shè)規(guī)模小，但是項目總量大幅增加。小規(guī)模、集成化污水處理裝置，將工藝流程標準化、模塊化，將設(shè)備、電氣、自動化系統(tǒng)等集成化，大大減少污水收集管網(wǎng)的建設(shè)和維護費用，提高全社會的污水處理率。

6　“十三五”期間自動化技術(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)絡化智能傳感器。把網(wǎng)絡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，實現(xiàn)人工智能與物理系統(tǒng)的整合。依托云計算對網(wǎng)內(nèi)的機器設(shè)備、控制系統(tǒng)、控制策略等實施實時管理和調(diào)整，以精細化、動態(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、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。“十三五”期間，隨著水環(huán)境管理標準化建設(shè)的不斷深化，管理內(nèi)容的不斷擴展，產(chǎn)生和需要處理的數(shù)據(jù)及信息量大幅度增加，迫切需要強化信息化、標準化建設(shè)，實現(xiàn)水處理行業(yè)管理數(shù)據(jù)的高效獲取、海量存儲、快速處理和標準化報告的自動生成，提升管理效率。同時，信息化、標準化將促進社會監(jiān)督，讓公眾及時、準確、完整地了解水處理企業(yè)的運行、進出水指標、減排指標等各類信息，確保公眾的環(huán)境知情權(quán)，促進公眾自身積極參與到水環(huán)境保護工作中來。

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)、云計算的水務綜合管理平臺，為水務系統(tǒng)的安全管理、生產(chǎn)運行、設(shè)備管理等關(guān)鍵業(yè)務提供統(tǒng)一的自動化、信息化、智能化管理平臺，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)務需求，實現(xiàn)水務數(shù)據(jù)資源共享及交換，將海量水務信息進行及時分析與處理，依托人工智能、大數(shù)據(jù)等形成的抽象的、虛擬的、可動態(tài)擴展的計算資源，做出相應的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細和動態(tài)的方式管理水務系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、管理和服務流程，實現(xiàn)水資源的高效管理與利用，水處理的穩(wěn)定與安全，達到“智慧水網(wǎng)”的狀態(tài)。

“十三五”期間，社會對水資源凈化、回收、利用的需求和增長是穩(wěn)定的，尤其是隨著產(chǎn)業(yè)升級、環(huán)保升級、節(jié)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)的自動化技術(shù)及設(shè)備，帶來了一個持續(xù)的發(fā)展空間。

摘自《自動化博覽》2015年11月增刊