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，還有各種技術細節(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)狀密切相關的熱點話題。本期要關注的話題是全球水處理的儀器控制及自動化。

第一期：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70年代以來，儀器控制與自動化（ICA）一直是IWA關注的焦點話題之一。ICA為滿足當今飲用水供應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，當它成功運行時，可以為水務部門開辟全新層面的管理方式。ICA不僅僅是關于信息和通訊工程，它還包括了：

1 了解工藝的動態(tài)

2 傳感器和儀器的配套

3 數(shù)據(jù)收集、自動測量記錄傳導和通訊

4 數(shù)據(jù)和信息的管理

5 工藝控制和自動化

6 數(shù)據(jù)分析的結果為決策提供支持

7 更積極主動的原點信息處理(edgeprocessing)

8 建模分析

ICA的終極目標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)出水達標，平衡投資和運行的費用、穩(wěn)定性、質(zhì)量等因素，用恰當?shù)募夹g實現(xiàn)最優(yōu)化運行。然為物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)和數(shù)據(jù)爆發(fā)式的增長，將使我們在ICA領域面臨更大的挑戰(zhàn)。

全球趨勢與挑戰(zhàn)

將自來水業(yè)務和污水處理有機整合，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)當今的一個重要愿景。水行業(yè)中的一體化系統(tǒng)應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)，水務部門需要在觀念上做出改變：信息部門不應只是其單位的一個亮點，而應該是所有運行系統(tǒng)的核心和大腦。這樣的認知應該得到更多的關注和認同。新技術和新觀念的不斷涌現(xiàn)為水行業(yè)提供一次加快應用智能技術的機遇，但在這些機遇面前，我們也面臨著以下四方面的挑戰(zhàn)：

1. 網(wǎng)絡安全

隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，網(wǎng)絡安全問題在水處理行業(yè)也受到越來越多的關注。PLCs和SCADA系統(tǒng)與網(wǎng)絡的連接，增加了對產(chǎn)品質(zhì)量和處理設施造成損失的風險。WiFi、藍牙、GSM/GPRS和5G通訊工具的加入增加了系統(tǒng)的復雜度，這使得網(wǎng)絡安全變成了ICA中的一個專門細分領域。CISCO公司估計到2020年，全球的聯(lián)網(wǎng)設備將高達500億個，如何保護客戶的數(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。不同水務公司將使用不同協(xié)議收集的數(shù)據(jù)流來作整合和標準化不是一件容易的事情。常見的問題包括互用性、設計的挑戰(zhàn)以及整體成本的上漲等，而這些問題通常都比較復雜，且并非短期能夠解決。
 

ICA儀器的安裝應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

工程師和技術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，這導致了儀器設備的選購不當，最終可能導致系統(tǒng)表現(xiàn)不及預期。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， 排放標準的變化是ICA在污水處理領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，這些標準的提高對目前的在線監(jiān)測技術是新的挑戰(zhàn)。

因此有必要采用基于生物技術的自動化監(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的運行問題，計算機甚至能夠自動更正運行條件。其實這樣的先進傳感器在醫(yī)學行業(yè)已經(jīng)有應用了，水處理行業(yè)也應該考慮引進。

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的模型和運行系統(tǒng)來控制污水管網(wǎng)，丹麥是其中的佼佼者。

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)絡系統(tǒng)，并且能對其監(jiān)測方法的不確定性進行更正

開發(fā)整合污水管網(wǎng)和污水處理系統(tǒng)的控制策略

使用先進的監(jiān)測技術來實現(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，例如在線的流式細胞儀(flow cytometry)。雖然病原菌方面的檢測已經(jīng)取得進展，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流式細胞術的工作原理圖

總結

總體來講，在水處理方面獨立于工藝開發(fā)的ICA主要發(fā)展方向可以總結為：

1. 通訊協(xié)議的標準化：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、知識和預測未來的洞察力，這包括了水務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. 傳感器在關鍵領域的開發(fā)：例如用于飲用水質(zhì)量控制的改良式微生物傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，和污水處理中的流量和液位控制等。3. 儀器規(guī)格和安裝