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自动化技术在水处理行业中的应用

发布时间:2018-02-09 16:11:46

作者简介

张泳(1971-),男,注册电气工程师,教授级高级工程师。1993年毕业于重庆建筑工程学院,2002年获得天津大学电气工程硕士学位。在天津市市政工程设计研究院从事市政工程中的电气、自动化设计工作,担任过多项大型市政工程、重点项目的负责人。

1 我国水资源的基本状况

水,既是工业生产中常见的生产原料,同时更是人类生活必需的重要资源,具有极其重要的意义。

我国水资源总量位居世界第6 位,但人均水资源占有量却仅为世界平均水平的28%。全国城市中有约2/3 缺水,约1/4 严重缺水,水质型缺水的情况突出。

2013年,对全国20.8万km的河流水质进行了评价。全年Ⅰ类水河长占评价河长的4.8%,Ⅱ类水河长占42.5%,Ⅲ类水河长占21.3%,Ⅳ类水河长占10.8%,Ⅴ类水河长占5.7%,劣Ⅴ类水河长占14.9%。长江区、松花江区水质为中,黄河区、辽河区、淮河区水质为差,海河区水质为劣。

同期对全国开发利用程度较高和面积较大的119个主要湖泊,共2.9万km2水面进行了水质评价。全年总体水质为Ⅰ~Ⅲ类的湖泊有38个,Ⅳ~Ⅴ类湖泊50个,劣Ⅴ类湖泊31个,分别占评价湖泊总数的31.9%、42.0%和26.1%。国家重点治理的“三湖”中,太湖全湖总体水质为Ⅳ类,滇池、巢湖总体水质为劣Ⅴ类。

2013年,对全国共667座主要水库进行了水质评价。全年水质为Ⅰ类的水库有31座,占评价水库总数的4.7%;Ⅱ类水库301座,占45.1%;Ⅲ类水库211座,占31.6%;Ⅳ类水库66座,占9.9%;Ⅴ类水库25座,占3.7%;劣Ⅴ类水库33座,占5.0%。

同期依据1229眼水质监测井的资料,对北京等10省(自治区、直辖市)的地下水水质进行了分类评价。水质适用于各种用途的Ⅰ~Ⅱ类监测井仅占评价监测井总数的2.4%,适合集中式生活饮用水水源及工农业用水的Ⅲ类监测井占20.5%,而多达77.1%的监测井水质为Ⅳ~Ⅴ类,不适合饮用。

2 我国水处理行业的基本现状

为了实现水的可用性和可再生性,为人类的生产活动提供水资源保障,水处理行业成为城市与企业中不可或缺的部分。

水处理主要包括净水处理和污水处理,而污水处理又分为工业废水处理和生活污水处理。

2013年全国总供水量6183.4亿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年我国规模以上自来水的生产和供应行业企业数量为998家,行业总资产5975.15亿元,销售总收入合计1090.07亿元,比上年同期增加117.01亿元,增长了12.03%。自来水生产与供应行业快速发展,但与此同时自来水的安全性也随之而来,全国各地发生多起自来水安全问题。同时随着水源地水质下降、自来水厂处理工艺落后,二次供水设施存在设备老化、不能定期清洗,自来水被污染的几率大大增加。

2013年全国废水排放总量695.44亿吨,其中,工业废水排放量209.84亿吨,城镇生活污水排放量485.11亿吨,集中式废水排放量0.50亿吨。化学需氧量排放总量2352.72万吨,氨氮排放总量245.66万吨。全国城镇污水处理厂5364座,设计处理能力达到1.7亿吨/日,全年共处理污水456.1亿吨。

3 水处理行业中自动化技术的应用情况

目前对水处理行业的控制需求而言,PLC类控制器在水处理集散控制系统中得到大量应用。在净水厂范围内所需要的取水、加药、过滤、送水,在污水处理厂范围内所需的曝气、生化反应、污泥脱水等过程控制与监测中都起到了主控的作用。特别是在污水处理中,对于不同种类的污水,如工业废水、生活污水等,其处理工艺可能相差很大。不同种类的污水处理过程,处理步骤各有特点,且目前对污水处理的要求已经不仅仅是使之无害化,还要求将其加以回收循环利用。这些步骤和要求,都需要采用PLC类控制器,使系统具备相当程度的自动化。

在水质监测、状态测量等方面,需要大量的仪器、仪表类产品。这些应用于水处理行业的仪器仪表,主要分为过程类仪表和分析类仪表,过程类仪表包括温度、压力变送器、液位仪表、流量计、阀门、执行器等,而分析类仪表的种类则非常多而细,必须根据实际处理原水的水质、种类,结合相应地处理工艺流程进行使用。

分层控制、集中管理的集散式控制系统,对于所依靠的工业通讯方式,也具有很高的要求。近年来,从比较普遍的现场总线,到相对较新的工业以太网,都已经得到了成规模的应用。同时,为了满足远程监测等一些特殊场合的应用,无线通信技术也介入了水处理行业,并取得了良好的效果。

由于水处理行业的特点和经营规模,需要多层次、多步骤的控制管理。从实现各种步骤和功能的现场控制站,到自来水厂或污水处理厂,再到上一级的集团公司,包括了监测、控制、执行、调度、管理、诊断等多种功能和任务,这就要求SCADA系统具有可靠性、安全性、稳定性、可扩展性等性能。

从上面的概述可以看到,水处理行业是自动化技术系统化应用的一个典型行业。现代化的水处理工业如果脱离了自动化产品和技术,根本无法有效地运转,更无法达到安全、智能等方面的要求。随着现代水处理工业的不断发展和技术创新,自动化技术也越来越多地深入到水处理行业中去,提高了行业的效率和先进性。

4 近年来自动化技术在水处理行业中应用的技术亮点

4.1 数字化仪表及现场总线的应用

数字化仪表及现场总线技术的突出的优点就是互可操作性与互用性。互可操作性就是实现了互连设备间信息传送与沟通的一点对一点,或者是一点对多点匹配,实现了高效率的信息传送。互用性就是实现了设备的互换互用,尤其是仪表的变送器。水处理行业采用数字化仪表系统及现场总线,不仅节约投资,同时减少了变送器的种类和数量,节省安装和维护费用。

4.2 无线网络的应用

无线网络以其低功耗、分布式和自组织的特点带来了信息感知的变革。在水处理行业中,现在广泛地利用无线网络实现对水质等参数的无线远程监测。利用无线传感及无线网络技术,并采用短程无线通信和3G等远程无线通信技术相结合的方式实现了远程监测。

4.3 PLC与DCS技术的融合应用

近年来随着技术的发展,PLC和DCS两者互相靠拢,功能越来越接近,水处理行业中采用的PLC已经普遍具备了相当强大的模拟量处理能力。这种技术上的融合,既发挥了PLC逻辑控制响应速度快的优势,又吸收了DCS善于进行复杂计算的优势。针对水处理系统的不稳定性、不确定性、多变量、非线性、时变性、随机性,实现了数据的快速采集与处理,以及各种复杂控制策略的应用。在控制出水指标、抑制外部环境干扰对处理过程的影响中,发挥了较高的功效。

4.4 工业以太网的应用

工业以太网在技术上与商用以太网(IEEE 802.3标准)兼容,但实际产品和应用却完全不同,是应用于工业控制领域、面向生产过程,对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求的以太网技术。在水处理行业中,工业以太网的全开放性、全数字化,可以在工程分期建设、提标改造工程中实现不同厂商设备之间的互联,提供比现场总线更快的通信速率,实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成了水处理行业企业级管控一体化的全开放网络。

5  “十三五”期间,水处理行业的发展趋势

5.1 建设规模稳步增长

“十二五”期间,我国将投入的污水处理厂建设规模约3000~5000万吨,水务市场的年增长率不低于15%。水污染治理资金投入需求将超过1万亿元。随着国家实行严格的水资源管理制度,加强用水总量控制与定额管理,建设节水型社会等政策,“十三五”期间我国单位GDP的水资源消耗量会下降,但是经济总量的不断扩大,管网建设的完善,城镇化步伐的加快,预计“十三五”期间污水处理厂的建设规模、资金投入等不会低于“十二五”。根据环保部的预测,包含“十二五”末年2015年在内,水污染防治行动计划的总投资将达2万亿元,水环境保护产品及设备的增速在15%~20%左右,水环境服务业的增速在30%~40%左右。

5.2 水处理行业建设投融资模式转变

污水处理项目投资具有投资额大、项目回收期长的显著特点。我国现在约40%的城镇污水处理设施通过BOT、BT、TOT等投融资模式引入社会资本,参与设施建设与运营,促进了污水处理行业的快速发展。2014年国务院43号文提供了新一届政府对地方债务治理的框架,其中明确将逐步剥离地方融资平台公司的政府融资职能,推广使用政府与社会资本合作模式,未来地方政府性债务主要由一般政府债、专项政府债和PPP债构成。可见,应对未来城镇化建设,PPP模式被委以了重任。从合作关系而言,BOT中政府与企业更多是垂直关系,即政府授权私企独立建造和经营设施,而不是与政府合作。PPP则通过共同出资特殊目标公司更强调政府与私企利益共享和风险分担,能够协调不同利益主体的不同目标,形成社会利益最大化,更加适合于水处理行业等公用事业。

5.3 更高更严的标准

《生活饮用水卫生标准》已于2012年7月1日开始全面强制执行,新标准将水质监测指标由35项提升至106项,我国自来水行业迎来了大规模的升级改造。

随着国家和地方政府依据《中华人民共和国水污染防治法》加大污染防治力度,居民对环境质量要求的不断提高,我国大部分污水处理厂均面临提标和升级改造,如除臭改造,强化脱氮除磷功能,污泥稳定化,出水水质提升至一级B、一级A甚至更高的标准等。未来污水处理排放标准的进一步提升以及随之而来的提标改造进程,为污水处理行业提供了新的发展机遇。

5.4 海水利用规模扩大

截止到2013年底,全国已建成海水淡化工程103个,产水规模900830吨/日。已建成万吨级以上海水淡化工程26个,千吨级以上、万吨级以下海水淡化工程31个,千吨级以下海水淡化工程46个。在国内水资源短缺困局日渐严重的背景下,国家制定了严格的水资源管理的“红线”,其中水资源开发利用的控制红线是到2030年全国用水总量控制在7000亿m3,用水效率控制红线是到2030年用水效率达到或接近世界先进水平,万元工业增加值用水量(以2000年不变价格计算)降低到40m3以下。严格的水资源控制、用水效率控制、水资源有偿使用、首要保障民生用水等政策,使得海水淡化已经成为解决工业用水危机的替代方案之一。同时随着海水淡化技术的进步,海水淡化已具备与其他水净化方式竞争的成本优势。

5.5 小规模、集成化水处理技术推广

我国目前污水处理设施建设仍主要集中于经济发达地区,而经济较为落后的地区及农村地区,则发展速度较慢,地区间发展不平衡。进入“十三五”,城镇污水处理行业的建设重点将由东部城市和大中城市逐步向中西部、中小城市和县城渗透,特别是目前尚无污水处理设施的小城镇。单个项目建设规模小,但是项目总量大幅增加。小规模、集成化污水处理装置,将工艺流程标准化、模块化,将设备、电气、自动化系统等集成化,大大减少污水收集管网的建设和维护费用,提高全社会的污水处理率。

6 “十三五”期间自动化技术在水处理行业的发展方向

6.1 设备的智能化

随着网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合,产生了基于无线技术的网络化智能传感器。把网络化智能传感器嵌入到水处理设备中,将水处理过程中的数据通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。然后将“物联网”与“互联网”整合起来,实现人工智能与物理系统的整合。依托云计算对网内的机器设备、控制系统、控制策略等实施实时管理和调整,以精细化、动态化方式管理水处理过程,提高生产力水平。

6.2 建设透明水厂

信息技术可以大幅提升数据的获取、存储、处理和分析能力,提升管理效率,为水处理行业高效管理提供有力工具。“十三五”期间,随着水环境管理标准化建设的不断深化,管理内容的不断扩展,产生和需要处理的数据及信息量大幅度增加,迫切需要强化信息化、标准化建设,实现水处理行业管理数据的高效获取、海量存储、快速处理和标准化报告的自动生成,提升管理效率。同时,信息化、标准化将促进社会监督,让公众及时、准确、完整地了解水处理企业的运行、进出水指标、减排指标等各类信息,确保公众的环境知情权,促进公众自身积极参与到水环境保护工作中来。

6.3 建设智慧水网

建设智慧水网,是建立基于智能设备、大数据、物联网、云计算的水务综合管理平台,为水务系统的安全管理、生产运行、设备管理等关键业务提供统一的自动化、信息化、智能化管理平台,系统性地解决城市蓄水、供水、用水、排水、节水、污水处理、防洪、排涝等环节的业务需求,实现水务数据资源共享及交换,将海量水务信息进行及时分析与处理,依托人工智能、大数据等形成的抽象的、虚拟的、可动态扩展的计算资源,做出相应的处理结果辅助决策建议,以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程,实现水资源的高效管理与利用,水处理的稳定与安全,达到“智慧水网”的状态。

“十三五”期间,社会对水资源净化、回收、利用的需求和增长是稳定的,尤其是随着产业升级、环保升级、节能升级、消费升级、生活质量升级,对水资源、水环境的要求也会相依升级,尤其是对水处理行业的智能化、安全性等也提出了新的要求,这就为水处理行业和相关的自动化技术及设备,带来了一个持续的发展空间。

摘自《自动化博览》2015年11月增刊