電氣自動化技術在污水處理廠節能中的應用及發展趨勢

摘要：電氣自動化技術已廣泛應用于工業生產，擁有廣闊的發展前景?；诖?，分析電氣自動化技術在污水處理廠節能中的應用及發展趨勢。研究表明，智能控制技術能夠提升設備運行效率并減少能耗；數據驅動決策有助于優化運營策略；通過應用節能環保技術，能有效降低碳足跡；國際合作與標準化能夠促進技術交流和資源共享，共同推動污水處理行業向更高效、智能和環保的方向發展。

關鍵詞：電氣自動化技術；污水處理廠；發展趨勢

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0374

Application and Development Trend of Electrical Automation Technology in Energy Conservation of Sewage Treatment Plants

YAO Qingyuan

（Beijing Waldes Water Technology Co.， Ltd.， Beijing 102308， China）

Abstract： Electrical automation technology has been widely applied in industrial production and has broad development prospects. Based on this， analyze the application and development trend of electrical automation technology in energy conservation of sewage treatment plants. Research has shown that intelligent control technology can improve equipment operating efficiency and reduce energy consumption; data driven decision-making helps optimize operational strategies; by applying energy-saving and environmental protection technologies， carbon footprint can be effectively reduced; international cooperation and standardization can promote technological exchange and resource sharing， jointly promoting the development of the sewage treatment industry towards higher efficiency， intelligence， and environmental protection.

Keywords： electrical automation technology; sewage treatment plant; development trend

隨著全球水資源日益緊缺和水污染問題的加劇，污水處理廠的運行效率和能耗水平備受關注。傳統工藝面臨高能耗和運行成本等挑戰，如何提升能源利用效率成為當前的研究重點。電氣自動化技術具有精準控制、高效管理和遠程監控等優勢，在污水處理領域展現出廣闊的應用前景。基于此，探討電氣自動化技術在節能中的應用價值和未來趨勢，并提出改進建議，為推動污水處理行業的可持續發展提供參考。

1 電氣自動化技術概述

電氣自動化技術融合了電子、計算機和信息技術，通過自動化控制實現設備的智能化管理，具有廣泛適用性和高可靠性。在污水處理領域，應用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、無線網絡等技術，實現設備的實時監控與精確控制，提升了系統的穩定性與效率。電氣自動化系統由控制系統、傳感器、中央監控系統、無線網絡及工業以太網組成，支持智能運行、遠程控制和一體化管理。

2 電氣自動化技術在污水處理廠節能中的具體應用

2.1 控制技術的應用

電氣自動化控制技術在污水處理廠的應用聚焦于工藝過程的精準調控[1]。PLC作為核心技術，實現了污水處理各環節的自動化控制，提升了系統運行效率與穩定性。該技術能夠實時采集數據并精確調控設備，確保生產過程穩定。在曝氣池中，PLC根據溶解氧濃度調節鼓風機風量，達到節能效果。通過優化算法，PLC能夠智能管理整體工藝流程，減少能源浪費，推動污水處理廠向高效、綠色方向發展。

2.2 無線網絡的應用

無線網絡在污水處理廠中的應用顯著增強了數據采集與傳輸效能。依托無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），能夠實時監測pH值、溶解氧、溫度等水質參數，并將數據高效傳輸至中央控制系統。無線網絡支持遠程監控和故障診斷，能夠及時識別問題，避免生產中斷，確保系統穩定。

2.3 數字儀表與現場總線技術的應用

數字儀表與現場總線技術的融合，大幅推進了污水處理廠的自動化進程。數字儀表能夠實時顯示和記錄關鍵參數，并通過現場總線高速傳輸數據，確保信息精準。該技術提升了系統的傳輸效率、互操作性和資源共享能力。通過實時監測進水流量，系統智能調節加藥量，減少藥劑浪費，提升資源利用率和經濟效益，推動污水處理廠向高效、智能化運營轉型。

2.4 工業以太網的應用

工業以太網在污水處理廠的應用大幅提升了通信效率和數據傳輸能力。它實現了設備間高速數據交換，融合了工業網絡與信息網絡，支持集中管理和遠程監控[2]。通過將實時數據傳輸至中央控制系統，操作人員可快速掌握設備狀態并處理異常。工業以太網還支持高級數據分析與故障診斷，縮短故障定位與修復時間，保障生產的連續性和穩定性，推動污水處理廠向智能化、高效化發展。

2.5 加氯、加氨與加藥控制

在污水處理中，加氯、加氨及加藥控制至關重要，精準調控能提升處理效率并減少藥劑浪費。加氯用于水體消毒，確保氯含量達標，保障水質安全；加氨則通過在線監測自動調節pH值，維持酸堿平衡。混凝劑、絮凝劑等藥劑的投加依托高精度流量計和變頻器，實現精細操控。復合控制系統通過動態調整藥劑投加量，優化處理效果并降低藥劑消耗。此策略不僅提升污水處理效率，還降低運行成本，實現節能。

3 電氣自動化技術在污水處理廠節能中應用的關鍵問題

3.1 電能損耗問題

目前，污水處理廠運營面臨嚴峻的電能損耗挑戰。為應對此問題，需采取綜合策略：第一，優化設備設計，引入高效電機與變壓器，減少內部能量耗散；第二，材料革新，選用低電阻材質降低線路損耗；第三，技術升級，實施高壓傳輸，提升傳輸效率；第四，智能調控，融合變頻與監控技術實現設備動態優化運行，從而有效減少電能損失，降低運營成本，促進資源高效利用[3-5]。

3.2 無功功率問題

無功功率雖不直接做功，但對穩定電網電壓和傳輸電能至關重要。在污水處理廠，電機和變壓器產生的無功電流會增加電能損耗，導致電壓波動、設備壽命縮短和維護成本上升。采用靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）和靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）等無功功率補償技術可實時調控無功功率，提升功率因數，減少能量損失。智能電氣自動化系統通過實時監測與調節無功功率，確保電力系統穩定運行。

3.3 變壓器問題

在變壓器運行過程中，能量損耗主要由鐵損與銅損構成。鐵損源自磁滯與渦流效應，受材料與設計制約，加劇電能消耗與變壓器發熱，縮短使用壽命；銅損則隨負載電流增大而增加，同樣導致電能浪費與變壓器過熱。為降低此損耗，一般采取以下策略：第一，優化設計，選用高品質硅鋼片與高導電材料降低磁滯與電阻損耗；第二，應用高效變壓器，顯著提升能效；第三，實施智能化管理，通過實時監控與動態調整操作參數，如智能控制系統在輕載時自動降檔運行，以匹配電網負載需求，實現能效最大化。

3.4 諧波問題

非線性負載，如變頻器、計算機設備和發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）照明會產生高頻諧波，導致線路損耗、設備過熱，并干擾通信，影響電網穩定。為應對諧波問題，可使用諧波濾波器。諧波濾波器通過并聯或串聯方式濾除高次諧波，提升電能質量。智能化系統通過實時監測和動態調整，進一步提高諧波治理效率。

4 電氣自動化技術在污水處理廠節能中的發展趨勢

隨著電氣自動化技術的不斷進步，其在污水處理廠節能中的應用也在不斷拓展和完善。未來的發展趨勢將更加注重智能化、數據驅動、節能環保、國際合作及標準化。

4.1 智能化

智能化與自適應系統在污水處理廠的應用標志著行業發展的前沿趨勢。通過信息技術與處理工藝的融合，這些系統利用實時數據分析和自主決策，實現最大化處理效率和最小化資源消耗[6-9]。智能控制技術集成了高精度傳感器和先進算法，能夠提升設備運行效率并減少能耗。自適應調節機制則根據污水流量和水質參數，動態調整曝氣和藥劑投加量，確保處理工藝始終高效運行。機器學習和人工智能的引入使系統能夠預測故障并進行預防性維護，減少停機時間和維護成本，逐步構建高效、可持續的污水處理生態系統。

4.2 數據驅動決策

數據驅動決策是污水處理廠實現精細化管理的關鍵，能夠優化運營策略。利用大數據和人工智能技術，系統可基于實時數據做出優化決策，提升設備性能和效率。通過分析進水流量、水質、設備能耗等數據，系統可自動調整運行參數，優化處理效果并提前預警潛在問題，減少故障發生[10-11]。預測性維護技術通過持續監測設備狀態，預測故障并安排計劃性維護，減少突發停機，降低維修成本并提高可靠性。數據分析還能優化加藥量、曝氣量等工藝參數，確保水質達標并降低能耗，提升整體運營效率。

4.3 節能環保

應用節能環保技術，能有效降低碳足跡。例如，為減少資源依賴和碳足跡，污水處理廠可通過厭氧消化技術將污泥轉化為沼氣，用于發電或供暖，實現能源回收；利用太陽能、風能等可再生能源，可為污水處理廠提供清潔電力；污泥經處理后可作為肥料，實現資源循環利用。這些措施不僅可以節約資源，還降低了運營成本。

4.4 國際合作和標準化

隨著全球化的推進，國際合作和標準化在污水處理領域發揮著重要作用。國際合作能夠促進技術交流和資源共享，推動技術進步。污水處理廠通過引進國外的先進技術和設備，借鑒成功的管理經驗，可優化運營模式，提升技術水平。加強國際合作還能推動人才交流，提升技術人員的素質。標準化通過統一技術標準和規范，確保設備互聯互通，提升系統性能和可靠性，降低維護成本。例如，統一通信協議可實現不同設備間的數據互通。建立共享平臺能夠促進信息和資源共享，提升管理水平，并為決策提供數據支持。通過共享平臺，污水處理廠能更好地應對技術挑戰，提升運行效率。

5 結論

電氣自動化技術在污水處理廠節能中的應用展現了顯著的優勢和發展潛力。智能化控制、數據驅動決策以及國際合作與標準化不僅能提升污水處理效率，還能大幅降低能耗和運營成本，推動污水處理行業向更加高效、智能和環保的方向發展。

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作者簡介：姚清圓（1987—），男，江蘇蘇州人，一級建造師。研究方向：電氣自動化。