IWA在2016年10月10日第十屆世界水大會上發布了專家組(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域的新興熱點進行了總結。今年發布的最新版報告，延續了其對水行業不同領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之外，還有各種技術細節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。

全球水業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測和控制的工具。全球水行業在ICA方面的經驗是非常廣泛和多層次的，這其中包括了下水道管網、污水處理廠和自來水廠及其供水網絡的監控。

ICA在電子工程和化工行業已經非常普遍，而對工業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：

了解工藝的動態

傳感器和儀器的配套

數據收集、自動測量記錄傳導和通訊

數據和信息的管理

工藝控制和自動化

數據分析的結果為決策提供支持

更積極主動的原點信息處理(edgeprocessing)

建模分析

ICA的終極目標不單是保障出水水質，而且是通過更加高效的方式來實現出水達標，平衡投資和運行的費用、穩定性、質量等因素，用恰當的技術實現最優化運行。然為物聯網技術的出現和數據爆發式的增長，將使我們在ICA領域面臨更大的挑戰。

全球趨勢與挑戰

將自來水業務和污水處理有機整合，實現水圈的完整循環，讓水從自然中來回到自然中去，是全球水業當今的一個重要愿景。水行業中的一體化系統應該將焦點放在其智能性上，使其具備快速收集和分析數據的能力，為對未來的預判洞察提供信息和知識。

要想早日實現一體化的智能系統，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為水行業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：

1. 網絡安全

隨著互聯網和物聯網技術的發展，網絡安全問題在水處理行業也受到越來越多的關注。PLCs和SCADA系統與網絡的連接，增加了對產品質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的復雜度，這使得網絡安全變成了ICA中的一個專門細分領域。CISCO公司估計到2020年，全球的聯網設備將高達500億個，如何保護客戶的數據隱私會日漸成為ICA的重要課題。

2. 遙感通訊

目前水處理行業有不同的通訊協議，這種選擇的多樣性其實是另一種挑戰。目前可行的協議包括傳統的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議收集的數據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。

3. 儀器規格和安裝

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，在水處理行業也是如此。很多項目現在并沒有專門的ICA工程師的參與，這導致了儀器設備的選購不當，最終可能導致系統表現不及預期。另外，數據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的問題。

污水處理方面的挑戰

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，BOD、磷和重金屬以及POPs等微量污染物都是重點監測對象，這些標準的提高對目前的在線監測技術是新的挑戰。

因此有必要采用基于生物技術的自動化監測方法，例如開發不同工藝階段的微生物數據庫，其中一個例子是全球污水和飲用水微生物組數據庫(Global Wastewater and Water Microbiome Database)。用戶能調用數據庫信息，根據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學行業已經有應用了，水處理行業也應該考慮引進。

污水管網系統控制的挑戰

美國克利夫蘭早在上世紀70年代就開始最早的管網控制系統的開發探索，目前很多國家都開始使用先進的模型和運行系統來控制污水管網，丹麥是其中的佼佼者。

但污水管網系統控制方面的問題仍有很多，其中最突出的是：

降雨量的影響

更適合系統控制的模型研發

開發基于儀器的網絡系統，并且能對其監測方法的不確定性進行更正

開發整合污水管網和污水處理系統的控制策略

使用先進的監測技術來實現雨污分流或者自動辨識濃度輕重決定分流與否的系統

飲用水方面的挑戰和趨勢

飲用水方面最大的挑戰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存在，像三鹵甲烷(Trihalomethane )的監控就是很好的例子。

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的ICA主要發展方向可以總結為：

1. 通訊協議的標準化：從傳統的4-20mA的模擬信號轉移到以太網，覆蓋整個水網，以實現收集更大規模的數據。

2. 數據管理：隨著數據量的增大，我們還需要將數據轉化為可用的信息、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數據以及兩者間的交互。

3. 基于模型的自動化控制：這包括了飲用水和污水系統的分布、收集和處理。

4. 傳感器在關鍵領域的開發：例如用于飲用水質量控制的改良式微生物傳感網絡系統，和污水處理中的流量和液位控制等。

關于作者：

Oliver Grievson，Water Industry Process Automation & Control 項目經理，英國

Juan Antonio Baeza，巴塞羅那自治大學助理教授，西班牙

Ken Thompson, CH2M，美國

Pernille Ingildsen, Kalundborg Forsyning A/S 項目和規劃經理，丹麥

Gustaf Olsson, 隆德大學教授，瑞典

Eveline Volcke，根特大學教授，比利時