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施汉昌清华大学环境学院教授
1污水处理厂未来自动化的需求
无人值守的污水处理厂的诞生
自动化控制技术诞生于上世纪四五十年代,七十年代欧美建立了大量的的污水厂,发展出模型,八九十年代计算机的诞生,给予了自动化更多的发展机会。
人类进入二十一世纪,信息化的大潮扑面而来,涤荡着世界的每一个角落。物联网、大数据、人工智能等新技术层出不穷,从根本上改变着人们的生产和生活方式。污水处理行业与新时代的相遇,使“智慧水务”应运而生。这一发展趋势指向了污水处理厂未来自动化的最高境界--无人值守污水处理厂。
实现无人值守或者少人值守需要有以上这些条件。从污水处理行业整体角度来看,自动控制还处于初级阶段,单纯从技术上和财力上来说,一个小规模或中规模的污水处理厂都可以做到几乎无人值守,但是在建成投产使用之后,人员技术水平如果达不到,污水处理厂也是很难做到完全真正的无人值守。无人值守的污水处理厂的实现还有很长的路要走,衡量其必要性和使用范围是十分重要的。
采用自动化控制的原因与需求
从自动化本身的目的和任务的角度来说,实现自动化对于污水处理企业来说要满足安全性、经济性、稳定性三方面的需求。首先要在生产过程中确保人身和设备的安全,不能出现事故,其次要保证生产成本低而效率高,最后要维持运行稳定,保证处理水质能够达标。根据以上要求,在了解工艺流程和生产过程的静态、动态特性的基础上,应用控制理论、概念和手段对控制系统进行分析,采用适宜的手段加以实现。
污水处理厂要采用自动控制的原因主要在于:
第一,由于出水水质的标准日益严格,污水厂对于自动控制的需求更加客观,对于系统的持续稳定性和高效运行性提出了更高的要求。
第二,多数国家从出水单纯达标转向以最小的经济消耗来实现达标。
第三,污水再生利用带来的经济效益,使人们关注到生产过程当中的物料控制。
第四,处理污染物的多样化也导致工艺的复杂性,原来只处理COD,后来又有氨氮,氮磷,未来还要对微量污染物等药物残留进行处理,在所需处理的污染物越来越复杂的情况下,对控制要求也大大提高。
第五,污水处理本身存在着动态变化,水量水质总处于动态变化中,系统要适应这样的过程,必然要进行监测控制,所以这些都促进了自动化控制的发展,也促进了仪器化的发展。
对污水处理的自动控制与仪器化的研究可以追溯到上世纪40年代,经过逐渐发展,70年代后期Olsson和Andrews根据污水处理原理对氧的需求进行详细解释,这是一个非常重要的贡献。
上世纪70年代国际水质协会提出了ICA的概念,即仪器化、控制化和自动化,是水处理自动化技术的三个阶段,其技术核心包括检测仪器、数学模型和控制系统。ICA技术的污水处理工程设施比单纯由人工操作的系统具有很大优势。因此,仪器是污水处理的一个重要的方面,所以对于自动化监测也是一项十分重要的内容。
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