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污水净化领域传感器技术的创新

作者:Sabine Mühlenkamp PROCESS德文版编辑 发布时间:2011-03-14

坚固耐用、免维护、低成本,这些传感器标准使人们认为,污水净化领域中传感器技术的创新已经达到了极限。而实际情况是,智能化的污水净化管理、能源消耗的优化、新的污水参数(如污水中的激素残留物)等要求污水净化有进一步的技术创新。

越来越高的成本,不断提高的质量要求和复杂性都是压在污水净化处理企业头上的大山。因此,对污水净化处理过程中所使用的传感器和检测仪器提出的最低要求是工作可靠、免维护和价格低廉。除此以外,这一领域中对检测技术和自动化技术提出更多且严格的要求和希望。

我们从污水净化的分析技术开始:除了传统的物理参数分析之外,分析技术领域中的参数分析(例如TOC总有机碳含量的分析检测)也显得越来越重要了。Krohne公司负责水处理和污水处理产品生产的Michael Rumpf先生认为,污水处理和净化过程控制优化所需的在线氧含量检测技术也要有本质性的改进。旨在使水中的营养成分参数C-N-P(碳、氮、磷)在受控的范围内,并满足排放到下水道的要求。“对不同分析技术的参数进行检测和监控是非常必要的。只有这样才能保证污水净化设备的最佳净化性能,才能持久地对水体的富营养化进行改进。”

Endress+Hauser公司欧洲区环保技术主管Heidrun Tippe博士带领她的团队在采集有害化合物数据,例如在污水中检测残留激素、农药或者抗生素的检测仪研发方面投入了很大的精力。ABB公司负责水处理和污水净化技术的经理Uwe Pohl先生也介绍了他们研发生产的水质检测传感器:“医药产品、X光显影液和荷尔蒙等激素类在污水中的残留物必须清除干净,从而保证可靠的污水净化等级、保证可靠的污水净化控制。”Pohl先生说。


图1 “管道网络优化的IT 解决方案,例如对泄露的监控未来将会是一个重要的监控项目。”
——Ulrike Lemmert-Honecker 博士,西门子公司

传感器的常规要求

一般情况下,对准确性的要求都在不断的提高。“自从人们能够在主控系统中对所有检测内容都做好报告和记录之后,信号的问题就更加突出了。在信号问题上,从超声波信号到雷达信号的转换趋势已经非常明显了。”这是Vega公司培训负责人Rolf Hauser先生分享的经验。因此,他们在IFAT2010展览会上展示了一种雷达式传感器VegapulsWL 61。它与传统的超声技术的检测传感器不同,它不受周边环境温度的影响,不受风力大小变化的影响,也不受雨雪雾露的影响。这种新型雷达传感器是专门为水处理领域研发设计的,而且在价格方面也是超声波传感器的理想替代产品。牢固浇注在外壳内的电缆,坚固的传感器外壳使其安全保护等级达到了IP66/68(105Pa的压力)。

对传感器提出的免维修要求实际是对传感器生产厂提出的要求。例如,微生物的滋生使得传感器的污垢异常严重,因此传感器的“自洁”是污水净化领域中老生常谈的问题。“在流量检测仪中,我们对传感器和外层涂料抵抗微生物滋生的性能提出了很高的要求;例如符合Atex(易燃易爆安全防护认证)的要求,用户提出的特殊保护性能要求等等。其目的只有一个,即延长检测仪的使用寿命。尤其是在腐蚀环境下的使用寿命。”Krohne公司的生产经理Thomas R?mer先生在谈到市场需求时说道。

Vega 公司也拿出了自己具有自洁性能的检测仪器:“我们的传感器首次实现了简单快捷的清理。我们的传感器有着坚固的、能够经受机械性清理的、外层镀膜。这层镀膜与敏感性传感器的完全不同。”Hauser先生说道。

新的战略

在给水排水领域中,提高效率的趋势也非常明显。而这里的高效则是通过给水排水组织机构的建立健全、给水排水过程的集中化和垂直集成而实现的。“也就是说,要尝试着进一步加强污水净化设备的自动化和监控的集中化。”西门子公司传感器和通信技术领域的市场开发负责人Ulrike Lemmert-Honecker女士解释说。她认为:供水的可靠性、供水质量的保证以及设备的安全可靠性等都是这一领域推动过程优化和过程监控的动力。“管道网络优化的IT解决方案,例如对泄露的监控将会是未来一个重要的监控项目。”因此,用户对检测仪器与主控系统之间的数字化连接(Modbus 和Profibus DP现场总线系统)非常感兴趣。R?mer先生还认为:Wireless无线传送技术在水质净化设备中的应用也是非常有吸引力的,因为它能够明显地降低不同规格大小净水设备的电缆敷设费用。用检测技术专业企业Vega公司的话来讲,自动化的无线传送技术还减少了数据传送过程中的故障和出错率。


图2 “小型水处理设备应该是费用更加低廉,检测仪器设备更加坚固耐用,有着足够的检测精度。”
——Heidrun Tippe 博士,Endress+Hauser公司

污水净化设备对能源的需求很高。Lemmert-Honecker博士说:“智能化的压力传感器、液位传感器或者流量传感器等都在降低能源消耗方面有着不可忽视的作用,例如在净水设备的水泵控制中使用这类智能化的传感器。污水净化后的净水分配,尤其是在公正的计算最终用户所使用消耗的净水过程中,现代化的流量检测仪能够提供非常准确的数据。”

众所周知,德国水处理领域的自动化程度是非常高的。但就ABB公司负责水处理和污水净化技术的经理UwePohl先生的经验来讲,不是所有的检测数据都要用于过程调节。根据他的观点,要根据能源利用优化采取新的调节战略。即使是在污水排放过程中,也需要新的、排水网络战略,使现有的排水系统能够作为“中间存储器”使用,使净水设备在阴雨天也能够在最佳工作点的范围内工作。

另一个关于节能的实例是Krohne公司最新研发生产的Optisens OAM 2080型浊度测量系统。“通过实践检验我们可以证明,在使用这种连续式检测系统后可以节约污水净化处理所需的能源。除此之外,它还提供了污水净化设备自动化的可能性。”R?mer先生说道。

鉴于自动化程度的不断提高,Tippe博士指出,例如对于污水处理设备预防性的维护保养来讲,还必须要有故障诊断的信息数据,而解决这类数据传送的关键是数字化的通信技术和智能化的传感器,就像Memos ens智能化传感器所实现的那样。

在IFAT展览会上,Endress+Hauser公司展示了一种适合于这一应用的新平台,利用Liqui l ine CM442型多功能检测数据转换器可以使用他们各种类型的、采用Memos ens技术协议的在线分析传感器。Endress+Hauser公司研发的技术平台把所有检测参数都向前推进了一步,为用户提供了检测条件统一、优化备件库存、模块化和安装简单等优点。

除此之外,还能够保证技术和经济两项重要的企业管理指标都得到改善。前瞻性、预防性的设备维护保养战略也像简捷的电子商务采购过程或者统一的整体的资产管理系统一样受到人们的欢迎。Tippe博士说:“成熟可靠的、经济的解决方案已经诞生了。”

小型设备强劲的上升势头

对于水处理、污水净化处理企业而言,分散式处理系统同样也是非常受欢迎的。据德国电子工业协会ZVEI基于人口统计学的人口变迁、环境气候的变化以及可能出台的新的法律法规而制定的至2020年后的路线图“污水和水”,小型化的水处理、污水净化设备将会有着越来越重要的意义。不断增长的小型设备需求已经开辟了水处理、污水净化领域中维护保养新的市场。文件、报告和记录中简单的参数,设备运行参数(例如流量、费用、含氨量等)的远程输送都是用户非常关心的事情。而用于检测技术的费用是非常紧张的。按照这一路线图,检测技术系统的费用最多应在50~500欧元之间。而在2015年之前欧洲可能会新建1000万个小型水处理厂,理论上检测技术系统的市场收入大约在5亿到50亿欧元之间。这一趋势也得到了Endress+Hauser公司的证实。Tipps博士说:“至少首先是从德国、奥地利、瑞士和丹麦等国开始。”小型水处理设备市场的动力在于长达几个月的维护周期,在这几个月的时间里无需专业人员对水处理设备的功能进行检验。但根据Tippe博士的看法,她不希望小型水处理检测系统与大型水处理检测系统完全相同:“对于小型水处理设备来讲, 应该完全是另外一种情况,费用更加低廉,检测仪器设备更加坚固耐用,有着足够的检测精度。”

可靠的市场

无论是大型的还是小型的水处理设备,水处理和污水净化将会是一个国际化的大市场。根据ZVEI 制定的路线图,全球性的给水排水市场的销售额大约在4000~5000亿欧元之间,在未来的十年里将会翻番,达到近8000亿欧元的水平。这给自动化技术企业带来了巨大的商机,而且设备安装的有关数字也有力的证明了这一点。例如,Krohne公司就结合水处理检测仪器对全球污水处理市场的增长情况进行了观察。Rumpf先生说到:“在金砖四国(指中国、俄罗斯、印度和巴西)和东盟国家中,作为一种资源,污水净化处理已经有了明显的增多。”其原因是在这些国家中,目前正在讨论或者实施新的、对污水净化检测和监控有着更加严格的要求和精度的法律法规。

Uwe Pohl先生进一步详细地解释说:“从技术的角度来看,德国和中欧地区更加需要对能源需求进行优化、提高污水净化效率的技术。除了中国以外, 新的东欧欧盟国家在污水净化处理领域也有着很大的需求。”西门子公司也得出了类似的结论。例如他们预测中国会在今后几年在工业污水、市政污水的净化处理、河流和地表水的净化工程中投入大量的资金(参加相关链接)。“我们在中国大连的生产厂为整个亚洲市场提供多种多样的污水净化检测仪器和设备。”Lemmert-Honecker博士说。在欧洲,尤其是中欧和东欧地区的国家,也将会加大污水净化处理的投资,以便满足欧盟污水处理标准的要求。

展望未来

一般来讲,污水净化是一个涉及到全球性的问题,因此不能只关注单个的污水净化设备,而且在2010年7月28日的联合国全体大会上,确认享有清洁饮用水是人的一项基本权利。“而在贫瘠的国家和地区,如北非或者中东地区,饮用干净的水却仍是一个非常高的要求。海水淡化设备价格过于昂贵,因此利用污水净化实现污水、废水的循环利用就成为一个令人感兴趣的问题。”Lemmer-Honecker博士说到。而具体哪种解决方案能够实现这一目的则是无关紧要的,重要的是MSR测量-控制-调节技术和自动化技术都将会在这里发挥重要的作用。

中国水处理和污水净化技术领域的现状

根据中国环境保护部的统计数据,中国2008年度处理的污水总量达到了572亿t, 比2007年增加了2.7%。其中工业污水总量为243亿t,占42.3%,比2007 年降低了2%。另一方面,市政污水的总量增加了6.4%,达到了577 亿t(占总量的57.7%)。

由于工业污水所占的比重较大(92.4%),经处理后再次投入工业使用的比例较大(83.8%),因此显得市政污水70.2%的比例相对较小。截止到2008年3月,中国共有1321家污水净化企业在运行中,还有889家污水处理企业正在建设之中。污水净化的总量达8043万m3/d。

在第十一个五年计划中,中国把保护水资源不受污染、加强水质监控视为一项重点工作。计划中的2712个水质保护项目的总投资高达1600亿人民币。在市政污水净化工程中市政污水净化的能力要提高到每天1200 亿t。不仅仅只是提高污水的净化处理能力,而且污水净化设备的效率也应该提高。中国污水净化设备的效率一般不到60%,与工业国家80%~90%的效率相比较有一定的差距。而且,由于中国的五年计划,工业化污水每年的增长率约15% ;这样,2010年中国水处理市场的总额高达1070亿人民币。总之,在第十一个五年计划期间内污水净化领域中的投资额会高达3320亿人民币。这不仅仅为工业企业,而且也为国际水处理工业集团提供了巨大的商机。(资料来源:AchemAsia 2010 趋势报告)

德国水处理和污水净化技术领域的现状

“未来的供水和污水净化处理属于涉及到水资源和污水处理要求的、高智能化的和高效的流程工艺技术。”这是VDMA德国机床和设备制造协会流程工艺技术领域发言人Richard Clemens先生在IFAT(德国慕尼黑国际环保会)前的VDMA新闻发布会上所讲的。在世界范围内,德国企业的水处理和污水净化技术都处于领先地位。当前的合同情况非常稳定,保障了企业的水处理设备和污水净化设备能够满负荷运行。Clemens 先生介绍说:“水处理和污水净化企业能够像以前一样在很高的负荷状态下运行。”水处理和污水净化设备机械产品的生产能力在2009年度增长了5.6%,达到了8.5亿欧元(2008 年度为8.05亿欧元)。出口增长了7.2%,达到了6.02亿欧元。Clemens先生说:“也就是说德国这一领域的市场在全球排行第二,仅次于美国的6.6亿欧元。第三位是意大利,2.74亿欧元。全球水处理、污水净化设备市场2009年度的市场总额约为33亿欧元。”

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