IWA在2016年10月10日第十屆世界水大會上發(fā)布了專家組(IWA Specialist Groups, SGs)的最新報告Global Trends & Challenges in Water Science, Research and Management。這份報告的第一版于2012年出版,由IWA的25個專家組對其所在領(lǐng)域的新興熱點進(jìn)行了總結(jié)。今年發(fā)布的最新版報告,延續(xù)了其對水行業(yè)不同領(lǐng)域最新話題和前沿趨勢的探討,參與報告編寫的專家組也上升到了36個,所關(guān)注的方面更加全面和深入。
這份報告包含38篇不限形式的簡報,每篇文章除了水科研和管理方面的愿景和挑戰(zhàn)之外,還有各種技術(shù)細(xì)節(jié)和綜合性的解決方案,可謂是融合了IWA專家組成員智慧和熱情的集體成果。IWA微信公眾號將用連載的方式向大家介紹幾個跟中國
水處理現(xiàn)狀密切相關(guān)的熱點話題。本期要關(guān)注的話題是全球水處理的儀器控制及自動化。
全球水業(yè)的儀器控制與自動化
Instrumentation, Control and Automation in the Global Water Industry
從上世紀(jì)70年代以來,儀器控制與自動化(ICA)一直是IWA關(guān)注的焦點話題之一。ICA為滿足當(dāng)今飲用水供應(yīng)和污水處理的需求提供了監(jiān)測和控制的工具。全球水行業(yè)在ICA方面的經(jīng)驗是非常廣泛和多層次的,這其中包括了下水道管網(wǎng)、污水處理廠和自來水廠及其供水網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。
ICA在電子工程和化工行業(yè)已經(jīng)非常普遍,而對工業(yè)和市政領(lǐng)域的客戶來說,ICA正在變得越來越常見。ICA似乎是一種不可見的技術(shù),當(dāng)它成功運行時,可以為水務(wù)部門開辟全新層面的管理方式。ICA不僅僅是關(guān)于信息和通訊工程,它還包括了:
了解工藝的動態(tài)
傳感器和儀器的配套
數(shù)據(jù)收集、自動測量記錄傳導(dǎo)和通訊
數(shù)據(jù)和信息的管理
工藝控制和自動化
數(shù)據(jù)分析的結(jié)果為決策提供支持
更積極主動的原點信息處理(edgeprocessing)
建模分析
ICA的終極目標(biāo)不單是保障出水水質(zhì),而且是通過更加高效的方式來實現(xiàn)出水達(dá)標(biāo),平衡投資和運行的費用、穩(wěn)定性、質(zhì)量等因素,用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)實現(xiàn)最優(yōu)化運行。然為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和數(shù)據(jù)爆發(fā)式的增長,將使我們在ICA領(lǐng)域面臨更大的挑戰(zhàn)。
全球趨勢與挑戰(zhàn)
將自來水業(yè)務(wù)和污水處理有機(jī)整合,實現(xiàn)水圈的完整循環(huán),讓水從自然中來回到自然中去,是全球水業(yè)當(dāng)今的一個重要愿景。水行業(yè)中的一體化系統(tǒng)應(yīng)該將焦點放在其智能性上,使其具備快速收集和分析數(shù)據(jù)的能力,為對未來的預(yù)判洞察提供信息和知識。
要想早日實現(xiàn)一體化的智能系統(tǒng),水務(wù)部門需要在觀念上做出改變:信息部門不應(yīng)只是其單位的一個亮點,而應(yīng)該是所有運行系統(tǒng)的核心和大腦。這樣的認(rèn)知應(yīng)該得到更多的關(guān)注和認(rèn)同。新技術(shù)和新觀念的不斷涌現(xiàn)為水行業(yè)提供一次加快應(yīng)用智能技術(shù)的機(jī)遇,但在這些機(jī)遇面前,我們也面臨著以下四方面的挑戰(zhàn):
1. 網(wǎng)絡(luò)安全
隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)安全問題在水處理行業(yè)也受到越來越多的關(guān)注。PLCs和SCADA系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接,增加了對產(chǎn)品質(zhì)量和處理設(shè)施造成損失的風(fēng)險。WiFi、藍(lán)牙、GSM/GPRS和5G通訊工具的加入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,這使得網(wǎng)絡(luò)安全變成了ICA中的一個專門細(xì)分領(lǐng)域。CISCO公司估計到2020年,全球的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將高達(dá)500億個,如何保護(hù)客戶的數(shù)據(jù)隱私會日漸成為ICA的重要課題。
2. 遙感通訊
目前水處理行業(yè)有不同的通訊協(xié)議,這種選擇的多樣性其實是另一種挑戰(zhàn)。目前可行的協(xié)議包括傳統(tǒng)的4–20 mA 模擬信號以及HART、Profibus、Fieldbus、Ethernet、GSM、Radio、 DNP3 和 WITS等。不同水務(wù)公司將使用不同協(xié)議收集的數(shù)據(jù)流來作整合和標(biāo)準(zhǔn)化不是一件容易的事情。常見的問題包括互用性、設(shè)計的挑戰(zhàn)以及整體成本的上漲等,而這些問題通常都比較復(fù)雜,且并非短期能夠解決。
3. 儀器規(guī)格和安裝
ICA儀器的安裝應(yīng)該被視作工程項目的一部分而得到更多的重視和考慮,這樣能更好地選購和安裝儀器,費用更低,運行效果也更好。另外一個問題就是儀器國際規(guī)格的缺失。
4. 技能培訓(xùn)
工程師和技術(shù)人員的短缺是個全球問題,在水處理行業(yè)也是如此。很多項目現(xiàn)在并沒有專門的ICA工程師的參與,這導(dǎo)致了儀器設(shè)備的選購不當(dāng),最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)不及預(yù)期。另外,數(shù)據(jù)工程師也是需要配套的人才儲備,給污水廠的運行人員提供專門培訓(xùn)有助于解決這些工藝上出現(xiàn)的問題。
污水處理方面的挑戰(zhàn)
除了上述普遍性的問題之外, 排放標(biāo)準(zhǔn)的變化是ICA在污水處理領(lǐng)域面臨的另外一個問題。尤其是在歐洲地區(qū),BOD、磷和重金屬以及POPs等微量污染物都是重點監(jiān)測對象,這些標(biāo)準(zhǔn)的提高對目前的在線監(jiān)測技術(shù)是新的挑戰(zhàn)。
因此有必要采用基于生物技術(shù)的自動化監(jiān)測方法,例如開發(fā)不同工藝階段的微生物數(shù)據(jù)庫,其中一個例子是全球污水和飲用水微生物組數(shù)據(jù)庫(Global Wastewater and Water Microbiome Database)。用戶能調(diào)用數(shù)據(jù)庫信息,根據(jù)檢驗出的過度增長的指示微生物的信息分析出對應(yīng)的運行問題,計算機(jī)甚至能夠自動更正運行條件。其實這樣的先進(jìn)傳感器在醫(yī)學(xué)行業(yè)已經(jīng)有應(yīng)用了,水處理行業(yè)也應(yīng)該考慮引進(jìn)。
污水管網(wǎng)系統(tǒng)控制的挑戰(zhàn)
美國克利夫蘭早在上世紀(jì)70年代就開始最早的管網(wǎng)控制系統(tǒng)的開發(fā)探索,目前很多國家都開始使用先進(jìn)的模型和運行系統(tǒng)來控制污水管網(wǎng),丹麥?zhǔn)瞧渲械馁摺?br />
但污水管網(wǎng)系統(tǒng)控制方面的問題仍有很多,其中最突出的是:
降雨量的影響
更適合系統(tǒng)控制的模型研發(fā)
開發(fā)基于儀器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并且能對其監(jiān)測方法的不確定性進(jìn)行更正
開發(fā)整合污水管網(wǎng)和污水處理系統(tǒng)的控制策略
使用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)來實現(xiàn)雨污分流或者自動辨識濃度輕重決定分流與否的系統(tǒng)
飲用水方面的挑戰(zhàn)和趨勢
飲用水方面最大的挑戰(zhàn)還是微生物的檢測和控制。如今市場需要更快的自動化檢測工具,例如在線的流式細(xì)胞儀(flow cytometry)。雖然病原菌方面的檢測已經(jīng)取得進(jìn)展,但在病毒和真菌方面則還沒有。針對飲用水的生物傳感器和生物鑒定技術(shù)已經(jīng)存在,像三鹵甲烷(Trihalomethane )的監(jiān)控就是很好的例子。
Flow Cytometry流式細(xì)胞術(shù)的工作原理圖
總結(jié)總體來講,在水處理方面獨立于工藝開發(fā)的ICA主要發(fā)展方向可以總結(jié)為:
1. 通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化:從傳統(tǒng)的4-20mA的模擬信號轉(zhuǎn)移到以太網(wǎng),覆蓋整個水網(wǎng),以實現(xiàn)收集更大規(guī)模的數(shù)據(jù)。
2. 數(shù)據(jù)管理:隨著數(shù)據(jù)量的增大,我們還需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用的信息、知識和預(yù)測未來的洞察力,這包括了水務(wù)公司和個人使用者的企業(yè)數(shù)據(jù)以及兩者間的交互。
3. 基于模型的自動化控制:這包括了飲用水和污水系統(tǒng)的分布、收集和處理。
4. 傳感器在關(guān)鍵領(lǐng)域的開發(fā):例如用于飲用水質(zhì)量控制的改良式微生物傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),和污水處理中的流量和液位控制等。
關(guān)于作者:
Oliver Grievson,Water Industry Process Automation & Control 項目經(jīng)理,英國
Juan Antonio Baeza,巴塞羅那自治大學(xué)助理教授,西班牙
Ken Thompson, CH2M,美國
Pernille Ingildsen, Kalundborg Forsyning A/S 項目和規(guī)劃經(jīng)理,丹麥
Gustaf Olsson, 隆德大學(xué)教授,瑞典
Eveline Volcke,根特大學(xué)教授,比利時
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