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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計研究院從事市政工程中的電氣、自動化設計工作，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，水質型缺水的情況突出。

2013年，對全國20.8萬km的河流水質進行了評價。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)水質為中，黃河區(qū)、遼河區(qū)、淮河區(qū)水質為差，海河區(qū)水質為劣。

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水面進行了水質評價。全年總體水質為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，太湖全湖總體水質為Ⅳ類，滇池、巢湖總體水質為劣Ⅴ類。

2013年，對全國共667座主要水庫進行了水質評價。全年水質為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）的地下水水質進行了分類評價。水質適用于各種用途的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下降、自來水廠處理工藝落后，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、種類，結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，根本無法有效地運轉，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)展和技術創(chuàng)新，自動化技術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　近年來自動化技術在水處理行業(yè)中應用的技術亮點

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，并采用短程無線通信和3G等遠程無線通信技術相結合的方式實現(xiàn)了遠程監(jiān)測。

4.3　PLC與DCS技術的融合應用

近年來隨著技術的發(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。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、提標改造工程中實現(xiàn)不同廠商設備之間的互聯(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、項目回收期長的顯著特點。我國現(xiàn)在約40%的城鎮(zhèn)污水處理設施通過BOT、BT、TOT等投融資模式引入社會資本，參與設施建設與運營，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債構成。可見，應對未來城鎮(zhèn)化建設，PPP模式被委以了重任。從合作關系而言，BOT中政府與企業(yè)更多是垂直關系，即政府授權私企獨立建造和經(jīng)營設施，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政府與私企利益共享和風險分擔，能夠協(xié)調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(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施的小城鎮(zhèn)。單個項目建設規(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”期間自動化技術在水處理行業(yè)的發(fā)展方向

6.1　設備的智能化

隨著網(wǎng)絡技術、無線技術以及智能傳感器技術的相互滲透、結合，產(chǎn)生了基于無線技術的網(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)的機器設備、控制系統(tǒng)、控制策略等實施實時管理和調整，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　建設透明水廠

信息技術可以大幅提升數(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，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，促進公眾自身積極參與到水環(huán)境保護工作中來。

6.3　建設智慧水網(wǎng)

建設智慧水網(wǎng)，是建立基于智能設備、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、設備管理等關鍵業(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)和相關的自動化技術及設備，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