水是生命之源——自動(dòng)化技術(shù)提高飲用水生產(chǎn)能力和質(zhì)量

　　如今，地球上約有五分之一的人口沒(méi)有干凈水源，因此廢水處理設(shè)備常常就是他們的水源源頭

    地球之所以被稱為“藍(lán)色星球”，是因?yàn)榈厍蛴?0％的表面被水覆蓋著。盡管如此，地球卻存在著嚴(yán)重的水荒問(wèn)題：地球有97％的水是含有鹽分的水，不適合人們直接使用，只有其余3％的水是可以飲用的淡水。而這3％的淡水中又有三分之二是保存在地球的南、北極中，以及地球的永久冰川地帶。最終，只有不足1％的水是可以供人類直接飲用的淡水。

    上面敘述使用了百分比來(lái)表示相對(duì)數(shù)據(jù)；若用絕對(duì)數(shù)字表示就是：地球上的水資源總量為13.8億m3，其中3600萬(wàn)m3是淡水，而可供人類直接使用的淡水僅360萬(wàn)m3。純數(shù)學(xué)計(jì)算可以得出結(jié)論：即使是很少比例的淡水，也足夠供地球人使用，而且是按照當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家人均用水的6倍標(biāo)準(zhǔn)。但令人遺憾的是：這些淡水資源在地球上的分布很不均勻，世界各地淡水資源受到的污染程度也不完全相同，而且利用淡水所要解決的重點(diǎn)問(wèn)題在世界各地也各不相同。地球上有五分之一的人無(wú)法得到干凈的淡水。超過(guò)13億人飲用水的水源是受到污染的水源，24億人沒(méi)有可控制的廢水處理設(shè)施使用。

　　據(jù)聯(lián)合國(guó)計(jì)算，2025年，全球?qū)⒂腥种娜松钤谌彼蛩坎蛔愕沫h(huán)境中。聯(lián)合國(guó)解釋：2005~2015年是國(guó)際“生命之水”工程的10年。聯(lián)合國(guó)在這10年中的重要目標(biāo)就是將全球缺少干凈飲用水的人數(shù)在全球人口不斷增長(zhǎng)的情況下減少一半。

　　若聯(lián)合國(guó)的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，則將有180000人每天工作在飲用水處理設(shè)備旁，每天有330000人工作在廢水凈化設(shè)備旁。這對(duì)用水領(lǐng)域來(lái)講則意味著需要準(zhǔn)備好提供充足的水量、保障水質(zhì)的可靠，以及建立與保持相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

　　新方案具有較大的差異性

　　聯(lián)合國(guó)的這一目標(biāo)如果利用不缺水工業(yè)國(guó)家現(xiàn)行的廢水處理技術(shù)和消毒技術(shù)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。不同的可用水資源條件、不同的氣候和社會(huì)條件，以及不同的基礎(chǔ)設(shè)施條件等這些前提條件都要與當(dāng)?shù)貙?shí)際相適應(yīng)才行，首先是可持續(xù)發(fā)展的水資源管理、水資源循環(huán)利用技術(shù)、消毒與海水淡化方案。其次，無(wú)論采用哪種水處理技術(shù)，節(jié)約能源都有重要意義。由于廢水處理設(shè)備會(huì)需消耗大量能源，通過(guò)產(chǎn)生CO2也會(huì)帶來(lái)氣候變暖的問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保都很重要。德國(guó)污水處理設(shè)備每年消耗的電力在4400GWh/a左右。

　　另外，由于新興工業(yè)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家人口的增長(zhǎng)變化迅猛，以及都市化進(jìn)程加快，用戶也在污水處理方面提出了追加投資的要求。到2030年時(shí)，世界上將會(huì)有60％的人口居住在面積占10％的超級(jí)城市里。這就帶來(lái)了以下的問(wèn)題：工業(yè)國(guó)家的廢水處理系統(tǒng)能否承擔(dān)如此繁重的污水處理和供水工作。或者說(shuō)，分散控制管理，以及半集中控制管理的水處理、廢水處理和能源供應(yīng)是否能夠很好地實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。

　　全球范圍內(nèi)，今后幾年在可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施的制造和分析方面的投資額將高達(dá)2900億歐元，而通過(guò)其他統(tǒng)計(jì)渠道得出的結(jié)果竟高達(dá)4800億歐元。為解決全球性的水荒問(wèn)題，水資源管理組織的形式和結(jié)構(gòu)也是不可忽視的。在歐洲，歐盟和GAT正努力推動(dòng)著關(guān)于水處理和循環(huán)水供應(yīng)廣泛應(yīng)用的討論，雖然其在公眾的討論中受到了重重阻力，毫無(wú)爭(zhēng)議的是德國(guó)用水經(jīng)濟(jì)中的企業(yè)呈現(xiàn)出集中的趨勢(shì)。

　　電子技術(shù)在用水經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中的作用往往被人們所低估。用水經(jīng)濟(jì)中的自動(dòng)化技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和能源技術(shù)有著很大的節(jié)能潛力可以挖掘，因?yàn)橛盟?jīng)濟(jì)中的設(shè)備在生產(chǎn)制造之后通常都是終生工作的，一般情況下其使用年限為40年以上。盡管企業(yè)對(duì)這些設(shè)備都進(jìn)行了生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，但在這些設(shè)備的使用運(yùn)行過(guò)程中，供水企業(yè)一直把供水的穩(wěn)定性和可靠性作為自身的首要任務(wù)。高效的設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅可以減少水處理企業(yè)的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，而且也能減少CO2排放。在連續(xù)運(yùn)行的水處理企業(yè)中，企業(yè)在高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面的投資可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行回收。在企業(yè)選擇高效節(jié)能的驅(qū)動(dòng)技術(shù)時(shí)應(yīng)注意：設(shè)備在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)的總成本費(fèi)用有著決定性的意義。

　　幾乎所有第二套水處理設(shè)備都是超規(guī)格的設(shè)備：大多數(shù)情況下，在項(xiàng)目剛開始時(shí)設(shè)備的使用運(yùn)行條件都還不夠完備，因此首先應(yīng)該確定一個(gè)動(dòng)力較大的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以保障設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)行起來(lái)；其次是按照一定的工作位置使用運(yùn)行，其與最佳的工作位置有著明顯差距。另一方面，優(yōu)化后的流量調(diào)節(jié)也有著很大的節(jié)約潛力：在通常情況下，流程泵和壓縮機(jī)是按照機(jī)械流量控制方式，利用節(jié)流板或旁通閥進(jìn)行流量控制的。負(fù)載的變化需要通過(guò)設(shè)備特性曲線的移動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而這種調(diào)節(jié)對(duì)電動(dòng)機(jī)所需功率的改變非常小。用不到的流量則作為一種功率損失白白浪費(fèi)掉了，這樣不僅令設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高昂，還會(huì)產(chǎn)生其他有害副作用，例如不希望的介質(zhì)發(fā)熱。

　　節(jié)能技術(shù)得到快速推廣

　　可變轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有變頻功能，其所改變的不是整套設(shè)備的工作特性曲線，而是泵的工作特性曲線。這種方法可實(shí)現(xiàn)節(jié)約30%~50%的能源。除此之外，變頻器調(diào)節(jié)技術(shù)還在改善系統(tǒng)的機(jī)械性能方面提供了便利：其能避免電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的電流峰值和強(qiáng)烈的扭矩沖擊；同樣，該技術(shù)還能使管道系統(tǒng)免受壓力沖擊、氣蝕或振動(dòng)的影響，避免了設(shè)備受到的后續(xù)損害。

　　另一個(gè)節(jié)能的做法是采用歐盟EEF1級(jí)或美國(guó)EPACT等級(jí)的高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)。EFF1級(jí)的高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)在年工作2000h時(shí)可在1年內(nèi)收回投資。

　　若不能對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行建筑性改造，則只能通過(guò)更智能的設(shè)備運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此時(shí)的最佳方法是利用自動(dòng)化控制技術(shù)利用所需功能，利用SPS可編程序控制器對(duì)設(shè)備所需的功能進(jìn)行自動(dòng)化控制。2030年時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)采用專門的算法語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的數(shù)學(xué)優(yōu)化運(yùn)算，并將這一算法語(yǔ)言集成到流程控制系統(tǒng)之中。計(jì)算結(jié)果便能方便地作為指令傳達(dá)到下一級(jí)自動(dòng)化層中，實(shí)現(xiàn)完全過(guò)程自動(dòng)化控制。本文介紹的管道網(wǎng)絡(luò)控制就是實(shí)例。

　　在系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化同時(shí)，用水經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的企業(yè)也對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)能夠使設(shè)備在無(wú)需真正啟動(dòng)設(shè)備、不損害產(chǎn)品質(zhì)量的條件下對(duì)設(shè)備隨時(shí)間變化而變化的工作情況進(jìn)行模擬。在大型企業(yè)采用了模擬技術(shù)作為工程項(xiàng)目進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)之后，下一步就是生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的在線模擬，對(duì)設(shè)備的使用運(yùn)行狀況進(jìn)行支持。在真實(shí)的生產(chǎn)設(shè)備中實(shí)際使用的輔助系統(tǒng)，其核心是與生產(chǎn)工程同時(shí)進(jìn)行的設(shè)備狀態(tài)模擬計(jì)算，其能實(shí)時(shí)再現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而為未來(lái)的設(shè)備工藝過(guò)程優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

　　除了現(xiàn)今已經(jīng)熟知的基本模塊之外，在所有的流程工作階段中，功能強(qiáng)大的模塊組件皆可供用戶選擇使用；現(xiàn)在，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的第一步便是在污水凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用：將管道網(wǎng)絡(luò)、污水凈化設(shè)備和清水輸送系統(tǒng)都納入到一個(gè)模塊中進(jìn)行建模，以便對(duì)它們的共同作用進(jìn)行模擬。

　　組合模塊將不同技術(shù)融合

　　由于流程自動(dòng)化的高低程度越來(lái)越多地受到供水設(shè)備功率性能的影響，因此在模擬軟件中我們也可以看到它們的身影。組合式的控制模塊，就是將連續(xù)的生產(chǎn)流程與階段式的工作方式進(jìn)行結(jié)合的自動(dòng)化功能控制模塊，其被集成在一個(gè)整體系統(tǒng)之中；這使得流程控制技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)能夠在可視化的設(shè)計(jì)階段便能及時(shí)再現(xiàn)設(shè)備的實(shí)際工況，避免了設(shè)備性能儲(chǔ)備的不足。

　　為迎合市場(chǎng)需要，自動(dòng)化技術(shù)也越來(lái)越多采用了標(biāo)準(zhǔn)化。過(guò)去一直關(guān)注所謂的“硬件”統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，而現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)則是：未來(lái)的系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，以及接口的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。為了避免標(biāo)準(zhǔn)化與專業(yè)特殊系統(tǒng)之間的沖突，自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商企業(yè)提供無(wú)償、適合于所有供水企業(yè)所需的自動(dòng)化模塊。將來(lái)，以太網(wǎng)通信技術(shù)協(xié)議能成為大多數(shù)設(shè)備元器件的標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)協(xié)議?；谌藗儗?duì)標(biāo)準(zhǔn)化的理解，用戶將構(gòu)建在垂直及水平方向都暢通無(wú)阻的控制平臺(tái)，對(duì)不同生產(chǎn)廠家研發(fā)生產(chǎn)的元器件進(jìn)行配置。

　　高性能企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)

　　為了提高效率、避免故障及設(shè)備停車，設(shè)備需要流程控制系統(tǒng)提供越來(lái)越多的信息。安裝在生產(chǎn)設(shè)備中的PAM企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)，其原先主要是采集現(xiàn)場(chǎng)總線儀器設(shè)備在工作狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)化元器件維護(hù)保養(yǎng)所需的數(shù)據(jù)。當(dāng)不同流程工藝技術(shù)的元器件，例如管道系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備和儀器等都采用了PAM管理方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，并受到積極地影響與作用之后，供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有很大的提高。

　　在今后的一段時(shí)間內(nèi)，PAM企業(yè)資產(chǎn)管理軟件的市場(chǎng)需求必會(huì)大幅增長(zhǎng)。到目前為止，未來(lái)的供水企業(yè)是否需要具有這種功能的系統(tǒng)還是未知數(shù)，但企業(yè)看準(zhǔn)了其系統(tǒng)可按比例縮放制造設(shè)備的特殊功能，并已將其投放市場(chǎng)。減少了部分功能的“簡(jiǎn)編版”軟件可作為標(biāo)準(zhǔn)軟件用于系統(tǒng)的監(jiān)控顯示，以此避免因維護(hù)保養(yǎng)狀況報(bào)警而引起的故障。

　　在過(guò)去15~20年中，實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)不斷改進(jìn)，并以其能輕易清除有害藥物成分的效果而著名；例如它能對(duì)醫(yī)藥產(chǎn)品、有害及有毒材料中的有害成分進(jìn)行分析。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)醫(yī)藥產(chǎn)品，以及它們的降解產(chǎn)品與殘留物是否會(huì)對(duì)周圍環(huán)境、包括人類的安全構(gòu)成威脅這一話題展開過(guò)激烈的討論。醫(yī)藥產(chǎn)品能夠通過(guò)種種渠道進(jìn)入到地下水中：在德國(guó)每年要消耗30000t藥物，其中人體最多能將95%的藥物有效成分不加變化或作為降解物而排出體外。傳統(tǒng)的污水凈化設(shè)備都無(wú)法處理醫(yī)藥的有效成分，因此這些藥物的有效成分會(huì)以較小比例及濃度進(jìn)入到地下水中。

　　當(dāng)人們真正清除這些殘留在水體中的藥物有效成分時(shí)，則要求有更多醫(yī)藥產(chǎn)品類別的在線檢測(cè)技術(shù)方法。全新檢測(cè)分析技術(shù)更可靠，價(jià)格也更合理，因此如今從醫(yī)藥技術(shù)的角度來(lái)看，清理工作已可以采用著名的生物傳感器了。這種生物傳感器是一種固定的生物性“檢測(cè)接受器”（例如抗體、酶及微生物）。該種生物傳感器的一個(gè)重要作用就是能及時(shí)識(shí)別混入到飲用水中的有毒有害成分。

　　自動(dòng)化技術(shù)的新面孔

　　到2030年，供水企業(yè)的面貌將會(huì)發(fā)生根本性變化：自動(dòng)化技術(shù)的重要意義將會(huì)在供水企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)得更加突出。而哪些創(chuàng)新性技術(shù)能夠在供水企業(yè)中得到應(yīng)用，主要還是取決于政策法規(guī)的規(guī)定。自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商的一個(gè)重要任務(wù)就是始終關(guān)注政策法規(guī)的變化，及時(shí)調(diào)整自動(dòng)化經(jīng)營(yíng)的方向。德國(guó)電子電氣工業(yè)協(xié)會(huì)和未來(lái)學(xué)和技術(shù)評(píng)判研究所也將此視為自己的工作任務(wù)之一，并開展了名為“至2020年的自動(dòng)化的趨勢(shì)、需求和未來(lái)市場(chǎng)”專項(xiàng)研究。2009年他們有望寫出第一份調(diào)查報(bào)告。

（轉(zhuǎn)載）