伴随着对于环境问题的日益关注，清洁、安全的饮用水也变得更加宝贵。这迫使水及污水处理行业加大了驱动控制和仪表方面的投资。

Mogan·Swamy

清洁供水和安全的污水回收，对于 保护环境和人类健康都十分重要。快速城市化的结果，就是加 大了清洁水资源的需求，因此水的管理也就成为了绝大部分关于水资源可持续性问题辩论的基本点。

但是，当我们讨论供水问题的时候，通常会谈到两类水资源：地表水和地下水。地表水 的定义是在地表上储藏或者流动的水，包括河 流、湖泊、水库中的水和下雨时的雨滴以及产生的水沟。而地下水，则指的是渗入到地表以下的降水，包括含水层和地下暗河。

地表水更容易被污染，但并不是说地下水 就一定可以幸免。这是因为地表水和地下水之 间的互动关系是非常复杂的。基本上，像城市 污水处理厂或者其他工厂排放的污水会污染地表水资源，但是像污染物这类的影响具有渗透肥，可能只会污染像小溪这样的地表水，而化肥中的某些元素却会渗入地下，进而污染到地 下的含水层。

带来污染的污染物可能包括多种化学品和病 原，其中的绝大部分都是有毒的，会导致人类 和动物宿主的水性疾病。除此之外，水的物理 化学性质的变化，比如pH值、导电率、温度的 变化，或者某种化学养分浓度的增加，都会导 致水中氧元素的消耗，这对于鱼类和其他水生 动物种群有着毁灭性的伤害。因此，尽管在传统上，供水以及水处理的 集成管理，关注的是运营、降低成本和配水， 现在，人们开始将注意力转移到水资源的可持续、环境保护以及对公共健康的潜在影响上。

这样的转变，也佐证了一个事实，就是绝大部分地表水和地下水作为资源的长期存在，不仅正受到污染的危险，同时过度开采也导致地下水资源出现枯竭。

污水处理的问题更加复杂，这是因为大量的家用、工业和商业用水在排放回自然环境之前，都必须经过处理。这些污水和废水，包括人体垃圾、食物垃圾、油料、肥皂和化学品。它们由专门控制传统有机化合污染物的污水或者市政工厂处理，需要氧气(通过生物氧元素的需求或者BOD测定)和悬浮颗粒。除此而外，一 些污水处理厂还拥有可以处理营养物和病菌的 子系统。然而，绝大多数市政设施并不能处理工业废水中的有毒污染物。

很多情况下，工业排放的废水含有高浓度的传统污染物和毒性污染物，比如重金属和毒性有机质，或者像氨这种非传统型的污染物，这时就需要特殊的处理系统。

这些工厂需要安装预处理系统，去除有毒元素，然后将经过部分处理的废水送往市政系统。另一方面，那些生产大量废水的企业也可以使用自家的现场处理系统，在将废水排放到 性，危害也更大。举例来说，农田中使用的化外界环境之前按照法规的要求进行排污。

水处理

没有哪种单一技术可以去除所有的污染物。现阶段的挑 战是设计出一套系统，混合多种技术，最大化的去除各种污染物，以满足用户对于水质方面的需要。在这个意义上，许多自动化和控制方面的技术公司，开始投身到水及污水处理 行业，从这个社会和国家都日益重视的领域中掘金。

这些公司的战略意图，是将他们提供的解决方案集中在三个领域：处理过程、网络控制架构、仪表及现场设备。这些领域是自动化公司垄断整个行业应用的起点。

现在，供应饮用水的市政工厂处理方法由于工厂规模的不同、使用的是地表水亦或是地下水、以及水源的质量区别，而存在差异。总体来说，水处理系统包括三个基本的流程，简单说就是：预处理、主处理和后处理。

预处理技术主要是为了避免接下来的主处理过程中出现污垢和化学降解问题。主处理技术将水质提升到理想的水平，而后处理技术则要在配送和存储的过程中保持好水的质 量。但是，不同阶段的各种处理方式可以排成一定的顺序， 对于地表水来说，流程主要包括过滤、凝聚、沉淀和提纯。 其他的处理方法还包括粒子交换和吸收。

过滤用于去除颗粒，比如灰尘和泥土、自然有机物、来自工厂其他处理过程的沉淀物、铁和磁性物质、水中的微生物等等。这一处理过程通常会将水净化，加强了提纯的效果。过滤产品的一个例子，就是西门子Trident封装型过滤系统，它可以混合聚沉和凝聚两个环节。

凝聚在水处理过程中指的是将小颗粒混合或者凝结成较大颗粒，这样就可以将其作为沉淀物去除。通常可以使用明 矾和铁盐加速凝聚，也可以使用合成有机高分子聚合物， 或者将聚合物与铁盐混合使用。沉淀会自然发生，凝聚粒子 就会从水中去除。粒子交换过程用于去除那些在过滤和沉淀 环节中残存的非有机类污染物。粒子交换也可以用于处理硬 水，或者去除砷、铬、氟化物、硝酸盐、镭和铀。

吸收过程则是处理饮用水中的有机污染物，消除不应该有的颜色、味道和气味。西门子的LO-PRO多阶工具包就是一款气味控制系统。

在提纯过程中，一般在水进入配送系统之前使用氯或者 臭氧，这样可以保证杀死水中的有毒微生物。氯、氯胺或者 二氧化氯的使用最为常见，因为它们都是非常有效的消毒剂。这些药剂不仅使用在水处理工厂，也使用在配水管道当 中。尽管臭氧对于相对干净的水体是有一种强效的消毒剂， 但是在处理水管中的生物污染物时就显得力不从心。在这方面，西门子提供了一种多层安全栅的方法，通过将紫外线系统与基于氯的化学系统相结合，进行消毒杀菌。

污水处理

污水处理的故事稍微有点复杂。典型的污水处理开始于 处理原废水中的某种物质。这种物质被输送到一个碾碎机当 中，而其他的固体物质被分离到主澄清器中，原废水再由此 泵出。撇渣器从澄清器的表层和底部收集废渣，然后污水被导入充气槽进行细菌分解，这一过程叫做“有氧处理”。

还有另外一些生物过程，比如厌氧处理，是使用不需要氧气生存的微生物，将废水中的有机杂质转化为沼气，它是一种甲烷和二氧化碳的混合气体。

污水中剩余的悬浮颗粒在到过滤器滤除残余杂质之前， 要在第二道澄清器中去除。收集到的淤泥被倒入沼气池，脱水之后作为垃圾处理。污水处理的最后一步，需要使用紫外线提纯系统，杀灭气体剩余的细菌。这种“清洁”过的污水，才可以排放到自然环境当中。

然而，如果所有工厂排放的废水都使用这种物理生物方 法的话，效果就如同方法的名字，可以提供可持续的水资源 保护。但是人们需要记住，通过这些方法进行污水处理， 会产生下水道污泥。现在，后续的污泥处理也需要考虑处置 方法的可靠性以及实现可持续使用，比如将其应用在农业当中。为了实现这一目标，我们就需要使用像铁和矾这类的金 属盐，去除磷和其他凝聚物，对污泥进行脱水和增稠，这就是现在污水处理工厂常用的方法。然而，盐中的重金属成分 会影响到排放到处理工厂的污水中的金属含量，因此，必须对家用和工业用污水源的重金属进行有效控制。

沉淀剂的质量事关降低污水中的重金属含量，因此对于污泥的质量非常重要。所以，生物可降解化学需氧物(COD) 移除、硝化作用导致的氨氧化、化学沉淀除磷、以及重金属作为氢氧化物沉淀的效果，都会随着生物处理过程中“处理 效率”的提高而增强。

处理的目的，是去除排放污水中所有的耗氧物质、氨和磷，以保护河流、湖泊和海洋中食物链不受到损害。很不幸的是，很多企业处理废水时的物理生物方法，并不能有效的去除家用和工业用的重金属和顽固化学元素，而这些污染源 实际上也没有有效的手段能进行控制。因此，如果源头控制 做不好，那么就没有可以处理污泥的可靠方法。除此而外， 物理生物方法对于污泥的产量影响很小。

因此，“诊断”变成所有控制策略中不可缺少的一环， 与其他成熟的控制手段共同使用。比如说通风，可以为处理过程的微生物提供氧气，再比如氮化环节，都需要诊断。目的在于描绘出与水的使用相关的水质成分(注意，这里指的不 是水的质量好坏)。水质好坏取决于与用水相关的可承受风 险，它是成本和风险评估的结果。

今天的自来水公司需要监控多种污染物，以确认它们向公众提供的水符合各种标准。必须强调的是，随着工农业的发展，现在人们总会在工厂废水、农业和家用污水、以及泄 露的地下水储存和处理池中，发现新型的人造化学品和潜在危险污染物产生，所以，除了标准污染物外，水处理系统还 需要监控多种在当前标准之外的污染物。这些监控数据是未 来制定标准的基础。

当前污染物主要的分类包括：危险有机物、合成有机 物、非有机元素、放射性物质和微生物。水处理系统对于这 些污染物的检测需要在不同时间不同地点进行，但是数据的监控和汇总必须要考虑包括给水和排水处理过程在内整个企业的控制。

控制的角色

对于污水处理中测量和控制的重要性，最好的解释防止磷化物、氮化物、以及其他污染物在达到一定程度时，严重危害公众健康。污水处理中对于氮元素的控制，开始于用于 氨分子氧化的氮化过程，结束于去除亚硝酸盐以及将亚硝酸 盐转化为氮气，后一过程也被称为去氮。无论是氮化还是去 氮，都是通过活性微生物完成的，这一过程可以通过注入压 缩空气加速反应。然而，这一处理过程的效果，还要依赖于污水温度和酸碱度的测量与监控，上述两个指标对于控制氨与氨化离子的分布非常重要。

很多公司正在提供这些测量的工具，但是像处理过程中 污水的pH值、温度、导电率和水的体积，不仅需要测量，还 需要进行严格的监控，以保证不同批次水的指标都遵循一定 配方标准。这样做可以防止对于生化过程敏感输入变量中微生物的伤害。

然而，为了通过变更配方结果和数值研究和改善处理过 程，污水的配方管理需要储存和分析海量数据。装备SQL数 据服务器、内置互联网连接的SCADA系统可以做到这一点，它还可以允许标准机构查看污水工厂的排放数据。

系统本身必须是冗余的，这样可以防止处理和通讯流程 发生崩溃。因此，实时数据需要读到通讯服务器、储存在文档中，然后分配给处理工厂不同的部门。假设网络系统是可 靠的，在像污水处理这样的流程应用当中，需要注意的是低 速网络可以传输的数据包较小，而高速的则正好相反。

在这类应用当中，可配置网络是理想的方案，因为它们提升了互操作功能，允许在同一网络上出现多个供应商提供 的设备。另外一个吸引人的地方是，现在设备控制器中都已 经植入了绝大部分计算功能，并且现场设备中的现场总线协 议和嵌入式标签，可以帮助用户查看网络节点。这是必要的功能，因为设备、高速数据和干扰源之间的通讯路径经常会 出现拥堵。

无线方法

考虑到上述的因素，无线也是一个可行的方案，尤其是对于那些地理上分布很广的处理工厂来说。无线的灵活性、 以及污水处理厂对于大面积覆盖的需求，激发着一些供应商 将其点对点的设备，升级为横跨整个工厂、可以作为设备路 由器接收和发送信息的系统。这些需求，也同样促进了通过 音频传输数据的设备的发展，它们可以用于长距离、数据量低的场合的监视和控制。

但是来自不同应用的设备信号可能会彼此影响。这就需要认真协调好工厂内部各种设备发送信号的频段。这项工作 不仅需要为每一个音频网络选择频率，还需要定义处理工厂内的音波。信号编码可以保证用于监视和工厂处理中的数据 不会发生重叠。

另外，无线对于大型物品或者是运行中的机器所产生的电子噪声和干扰也十分敏感。扩频技术的使用，可以通过预置的模式将多个渠道中的信号进行分离，然后再根据明显噪声的相同比例进行重组，进而解决上述问题。但是，扩频本身并不安全，它的接收器更容易出现互调扭曲、阻塞和其他问题。

因此，还是应该尽量少的使用无线技术，尤其是在测量和监控收集不同工厂和流程污水的水槽液位数据这类关键场 合不要使用。这些水槽中的液位传感设备通常需要提供溢出 保护、注水过程控制、并且能够防止损坏水泵、马达这类设备。它们通常是采用超声波和雷达技术的浮游式系统，如果 使用得当，能够精确可重复的进行污水测量。超声波和雷达 设备不需要介质接触，因此常规的维护频率较低。但是对于浮游系统来说，维护是保证其准确度和正常运行的关键。

这些液位测量十分重要，因为像体积或者重量这些流程数据要通过它才能得到。同时，它也可以告诉控制系统需要在何时何地进行干预。当箱体中的液位达到一个预置水平的时候，就可以使用连续液位传感器开始或者关闭水泵。并 且，如果液位传感器可以通过多个绝缘常数进行编程，它们也能够处理污水箱当中需要去除的多种物质。

技术之外

水及污水处理现在已经变得非常重要，尤其是一旦出现问题将会有严厉的惩罚。如果控制系统和相关的仪表不够可靠或者失效，处理中就可能会出现故障。但这并不是不包括社会责任。水资源保持和污染物防范都需要嘉奖，这些工作 必须要持之以恒。人们无需等待新技术、新方案的出现才付诸行动，要知道，我们的任何疏忽和麻痹都会对环境造成影响。

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SCADA是核心

ARC顾问集团称，SCADA系统是未来一段时间内水及污水处理技术投资的核心

援引ARC顾问集团的研究数据，受到水处理行业 基础设施增强可持续能力需求的刺激，全球 SCADA(监控与数据采集)系统在水及污水处理行 业的销售额预计在未来几年中将以平均每年5.4%的速度增 长，在2013年达到4.03亿美金。

“SCADA系统是水及污水处理行业基础设施项目的重 要组成部分。这些新型SCADA系统易于集成，功能可以进 行扩展，并且改善了运营设施的可持续性。”“多个领域和 商业流程都在考虑这一系统，其中包括绩效管理”，ARC SCADA系统首席作家Russ Novak在其新发布的《水及污水 行业全球愿景》报告中如此说道。

与商业关联

根据该份报告所称，传统SCADA的功能已经发生了翻 天覆地的变化。在水处理设施中，新兴技术让SCADA可以 更加紧密的集成到商业流程当中，进而提升自身的使用价 值。SCADA系统可以同时提高分布于不同地方的设备的绩 效，在某一地区或者基于全局，建立一个实时绩效管理的 框架。水处理基础设施可以利用SCADA的加强功能，改善 核心商业流程。与此同时，发展中国家正在寻求升级或者 安装新的水及污水处理和给水系统，SCADA可以将不同地 区彼此分离的设备连接到一起。

根据ARC的报告，SCADA将是这个行业在不确定的 商业环境中改进商业流程满足更多需求、克服由于行业企 业私有化和公私合营所带来经济挑战的核心技术。供应商 必须要开发出能够与公司商业系统完全集成的SCADA系 统。这些商业系统可能包括地理信息系统(GIS)和资产管理 程序。报告最后指出，为了增强自身的竞争力，供应商必 须能够让他们的SCADA系统展现出可以提供实时数据的能 力，这样才能满足运营管理中各方现在甚至未来的需要。

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