第三章 實驗設備與方法 實驗設備與方法 實驗設備與方法 實驗設備與方法
3.5 倒傳遞類神經網路模式建立 倒傳遞類神經網路模式建立 倒傳遞類神經網路模式建立 倒傳遞類神經網路模式建立
使用實驗室原水水質與最適混凝加藥量瓶杯試驗數據作為BPANN模式訓練資 料 ， 使 用 之 類 神 經 網 路 軟 體 為 MATLAB 2010b 版 及 類 神 經 網 路 工 具 箱 (The Mathworks Inc.)，BPANN預測混凝加藥模式輸入水質參數以原水濁度、pH、溫度及 鹼度，分別建立三組不同水質參數之BPANN模式。網路訓練參數包括(1)隱藏層層 數(2)隱藏層神經元數目(3)學習速率(4)學習法則，其中隱藏層神經元數目將以試誤 法決定，其餘網路訓練參數依文獻建議值設定。本研究採用之網路效能之評估機制
G (s-1 )
轉速 (rpm)
為均方誤差(mean square error, MSE)及相關係數(correlation coefficient, r)。MSE是用
3.6 模廠試驗 模廠試驗 模廠試驗 模廠試驗
3.6.1 模廠處理流程
模廠處理流程 模廠處理流程 模廠處理流程
模廠設計最大處理水量為100 CMD，放置於新竹第二淨水場原水分水井旁，處 理流程如圖3-3所示。模廠以2個20呎貨櫃建造，所有處理單元槽體與儀表監控設備 均置於內(圖3-4、圖3-5)，處理槽體以壓克力材質(PP/S400)製成。處理程序為國內淨 水場最多使用之傳統處理程序，處理流程為原水經原水調節槽(圖3-6)、快混槽(圖 3-7)、慢混槽(圖3-7)、沉澱槽(圖3-8)，最後經快濾槽(圖3-9)完成處理程序。
圖 3-3 模廠處理流程
圖 3-4 模廠外觀
圖 3-5 模廠內部
圖 3-6 原水槽及原水採樣槽 圖 3-7 快混槽及慢混槽
圖 3-8 沉澱槽 圖 3-9 重力式快濾槽
3.6.2 模廠槽體規格及操作參數
模廠槽體規格及操作參數 模廠槽體規格及操作參數 模廠槽體規格及操作參數
模廠主要槽體包括原水槽、快混槽、慢混槽、沉澱槽及快濾槽，各槽體規格及 操作參數整理如表3-2，說明如下：
(1) 原水槽
原水槽槽體體積為1.55 m3(長1 m，寬1 m，高1.55 m)，以槽體內徑及液 面高度計算之水體體積為1.39 m3(長0.98 m，寬0.98 m，液位1.45 m)，停留 時間約為20分鐘，槽內設置水位計以控制槽內原水水位。
(2) 快混槽
快混槽使用新竹第二淨水場之PACl經適當稀釋後作為模廠混凝劑，槽 體體積為0.12 m3(長0.4 m，寬0.4 m，高0.75 m)，水體體積為0.09 m3(長0.38 m，寬0.38 m，液位0.64 m)，停留時間約為78秒。攪拌機(Teco, 40~240 rpm) 以垂直軸向轉動，具備轉速調整功能以達所需G值。快慢混攪拌設備之設計 為模擬新竹第二水場之攪拌機型式、快混G值及慢混Gt值，模廠設定快混攪 拌機轉速為118 rpm，G值為600 s-1。
(3) 慢混槽
慢混槽體體積為1.9 m3(長1 m，寬1 m，高1.9 m)，水體體積為1.59 m3(長 0.98 m，寬0.98 m，液位1.66 m)，停留時間約為23分鐘，攪拌機(Teco, 3.5~21
rpm)和快混槽相同以垂直軸向轉動，亦具備轉速調整功能以達所需G值，模 廠設定慢混攪拌機轉速為9.3 rpm，Gt值約為63,000。
(4) 沉澱槽
沉澱槽體體積為6.36 m3(長3.3 m，寬1.07 m，高1.8 m)，水體體積為5.3 m3(長3.28 m，寬1.05 m，液位1.54 m)，停留時間約為1.27小時，表面溢流 率約為29 m3/m2-day，採重力式沉澱，槽內設有傾斜板，進水由下往上流，
經溢流堰收集至快濾槽，出水處以濁度計監測沉澱出水濁度。污泥以傾斜 重力匯集至排放溝槽，再以重力方式批次排放。
(5) 快濾槽
快濾槽體體積為1.3 m3(長0.9 m，寬0.85 m，高1.7 m)，濾速約為130 m/day，採重力式過濾，濾料使用和新竹第二淨水場相同規格之石英砂(厚80 cm，有效粒徑為0.5 mm、均勻係數小於1.5、比重為2.55~2.65)，出水處裝置 雷射濁度計及顆粒計數器，過濾反洗水與沉澱槽出水共用1台濁度計進行反洗 監測。
表 3-2 模廠槽體規格及操作參數
槽體名稱 操作參數 操作值 水體體積(m3) 原水槽 停留時間(t) 20 min 1.39
停留時間(t) 78 sec 快混槽
攪拌強度(G 值) 600 s-1
0.09 停留時間(t) 23 min
攪拌強度(G 值) 46 s-1 慢混槽
Gt 值 63,000
1.59
停留時間(t) 1.27 hr 沉澱槽
表面溢流率(V0) 29 m3/m2-day
5.3
快濾槽 濾速 130 m/day 1.3
3.6.3 模廠自動監控系統
模廠自動監控系統 模廠自動監控系統 模廠自動監控系統
自動監控系統依組成元件主要由可程式控制器(programmable logic controller, PLC)、圖控程式、類神經網路軟體、線上水質量測儀器及相關閥件泵浦所構成，依 功能可分為監測與控制二部分，監測系統主要是利用可線上即時量測之水質儀器，
將量測到的數據以類比(analog)訊號傳輸至PLC；控制系統將PLC獲得監測系統所量 測到的訊號，經過BPANN模式運算得到之混凝加藥量，輸出類比訊號控制各項閥件 及泵浦，進行混凝加藥量之調整控制。
(1) 線上水質量測儀器
模廠原水槽為前饋控制的重要單元，必須藉由線上儀器量測之訊號提供 BPANN模組輸出混凝加藥量，因此在原水端設置溫度計(DPC1R1A, Hach)、
pH計(DPC1R1A, Hach)、濁度計(SS7 sc, Hach)及鹼度計(APA6000, Hach)等線 上量測儀器。
沉澱槽出水端設置線上濁度計(1720E, Hach)，並將監測結果輸出至圖控 介面，以確保沉澱出水之水質。
快 濾 槽 出 水 端 設 置 線 上 雷 射 濁 度 計 (FT660 sc, Hach) 及 顆 粒 計 數 器 (2200PCX, Hach)，而反洗排水與沉澱出水使用同一台濁度計(1720E, Hach)進 行反洗水濁度監測。
(2) 混凝加藥蠕動泵浦
混凝加藥機初始設計為使用定量泵浦，配合可調整開度電磁閥進行混凝 加藥調整控制，但受限於藥槽容量及加藥管僅為3分之一英吋管，因此無法以 可調整開度電磁閥控制。此外，模廠混凝加藥控制需較為精確，設定出藥量 與BPANN計算之結果設定誤差值須小於0.2 mg/L as Al，因此最後選擇使用可 線上控制轉速之蠕動泵浦作為混凝加藥機(委託廠商自製，加藥率為12~144 mL/min)。由於蠕動泵浦可能因為長時間使用而有轉速變慢或軟管破裂之問
題，為此每月執行蠕動泵浦流量校正，並備有另一台蠕動泵浦作為備用，以
圖 3-10 模廠圖控程式主控畫面
3.6.4 模廠試驗流程
模廠試驗流程 模廠試驗流程 模廠試驗流程
模廠快混槽測試時使用之清水流量平均為52.88 CMD，使用水體體積0.09 m3計算之理論停留時間約為147秒，追蹤劑實際測試之停留時間為157秒，相 對偏差(REt)為6.8％；慢混槽測試時使用之清水流量平均為61.95 CMD，使用 水體體積1.59 m3計算之理論停留時間約為37分鐘，實際測試之停留時間為 37.2分鐘，REt為0.54％；沉澱槽測試時使用之清水流量平均為53.48 CMD，
使用水體體積5.3 m3計算之理論停留時間約為2.378小時，追蹤劑實際測試沉 澱池之停留時間為2.368小時，相對偏差(REt)為-0.42％，顯示模廠快、慢混槽 及沉澱槽並無短流之現象，追蹤劑測試數據如附錄A~C，測試結果如表3-4。
表 3-4 模廠槽體停留時間追蹤劑測試結果 快混槽快混槽
快混槽快混槽 慢混槽慢混槽慢混槽慢混槽 沉澱槽沉澱槽沉澱槽沉澱槽 理論停留時間 147 sec 37 min 2.378 hr 實測停留時間 157 sec 37.2 min 2.368 hr 相對偏差(REt) 6.8% 0.54% -0.42%
(2) 與實場平行混凝加藥對照測試
與實場添加相同劑量之混凝劑，以測試模廠之處理效果，以瞭解模廠軟 硬體設備之運作穩定性。首先在測試當日紀錄實場之混凝加藥量，以此藥量 添加至模廠快混槽中，紀錄模廠混凝加藥2小時後之沉澱出水濁度及2.5小時 後之過濾出水濁度，並與實場沉澱出水濁度進行對照。
(3) 倒傳遞類神經網路輸入參數篩選測試
使用以實驗室瓶杯試驗數據訓練完成之三組不同輸入參數BPANN模 式，以可程式控制器進行混凝加藥自動控制，利用模廠實際操作運轉，篩選 最適使用於模廠混凝加藥之BPANN輸入參數的模式。
(4) 倒傳遞類神經網路模式連續操作驗證
使用最適於模廠混凝加藥之BPANN模式，以可程式控制器進行混凝加藥 自動控制長時間驗證，以瞭解BPANN模式應用於模廠連續操作之穩定性及準 確性。
(5) 人工高濁度原水混凝加藥自動控制測試
人工高濁原水污泥取自新竹第二淨水場原水沉砂池底部污泥，以人工調
配適當濁度後加入原水槽混合天然低濁度原水進行混凝加藥測試，使用經模 廠 連 續 操 作 驗 證 之 BPANN模 式 進 行 三 組 試 驗 ， 第 一 組 混 凝 加 藥 量 為 依 BPANN模式預測之混凝劑量添加；第二組混凝加藥量為依BPANN模式預測 之混凝劑量再增加50%添加；第三組混凝加藥量為依BPANN模式預測之混凝 劑量再減少50%添加，以探討BPANN模式預測之混凝劑量是否過量或不足。
第四章 第四章 第四章
第四章 結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論
本研究欲探討應用 BPANN 模式於使用地表水為原水之淨水場，其混凝加藥自 動控制之可行性，然則實場混凝加藥量可能過多或不足，因此本研究建立之 BPANN 模式所使用的訓練資料為實驗室瓶杯試驗數據，非一般研究所使用之實場混凝加藥 成功數據；輸入參數為原水濁度、pH、溫度及鹼度。訓練完成之 BPANN 模式，再 利用模廠配合自動控制系統，進一步驗證應用 BPANN 模式於混凝加藥自動控制之 穩定性與準確性。
4.1 實驗室瓶杯試驗數據庫建立 實驗室瓶杯試驗數據庫建立 實驗室瓶杯試驗數據庫建立 實驗室瓶杯試驗數據庫建立
新竹第二淨水場廢水包含沉澱池排放之污泥及快濾池反洗水，經廢水池靜置沉 澱後，上澄液不定時迴流至原水井與原水混合進入處理單元，本研究採取含廢水迴 流及不含迴流水樣，進行二種原水之水質分析及瓶杯試驗。原水水質物化特性如表 4-1，結果顯示含廢水迴流及不含迴流原水僅濁度有差異，其餘水質項目(導電度、
pH、鹼度)其數值均相似。表 4-2 為不含廢水迴流與含迴流水樣之最適混凝劑量評估 數據，結果顯示二種水樣雖然濁度不同，但其最適劑量之差距不大，原因可能為迴 流水屬二次混凝顆粒，經再次混凝加藥後較易沉澱。為避免迴流水濁度影響 BPANN 模式之混凝加藥預測判斷，因此本研究選用不含廢水迴流之原水作為 BPANN 模式 之訓練資料及模廠測試之處理原水。
表 4-1 含廢水迴流及不含迴流水樣水質物化特性
自 98 年 8 月至 100 年 8 月，採取新竹第二淨水場原水共 114 組有效水樣進行原 水水質與實驗室最適混凝劑量瓶杯試驗(原始水質及最適混凝劑量瓶杯試驗數據如 附錄 D)。在原水水質分析的結果顯示，新竹第二淨水場原水之濁度範圍為 4.6 ~ 2,260 NTU，溫度範圍為 15 ~ 30℃，其 pH 約落在 7 ~ 8.6 間，最適混凝劑量範圍為 0.7 ~ 4.5 mg/L as Al，但鹼度則受到原水濁度之影響呈現兩種不同的數值。高濁度原水(>100 NTU)之鹼度約 60 ~ 165 (mg/L as CaCO3)之間，當原水在低濁度條件下(<100 NTU)，
其鹼度約在 72 ~ 230 (mg/L as CaCO3)之間，此結果顯示因降雨增加水量，河川中原 水鹼度物質濃度因而被稀釋，使得天然原水因降雨而濁度增加但鹼度下降。
由於水中有機物會影響混凝作用，雖然地表水有機物含量較湖庫水低，為確認 對象水廠原水中有機物含量高低，本研究在 98 年 8 月至 99 年 10 月採樣分析新竹 第二淨水場 50 筆原水中溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)含量，分析結 果 DOC 平均值為 1.2 mg/L，大多維持在 0.8 ~ 1.4 mg/L 之範圍，顯示新竹第二淨水 場原水有機物含量不高，因此後續在 BPANN 模式建立時未將 DOC 作為水質輸入參 數。
4.2 倒傳遞類神經網路模式建立 倒傳遞類神經網路模式建立 倒傳遞類神經網路模式建立 倒傳遞類神經網路模式建立
利用實驗室建立之 114 筆瓶杯試驗資料庫進行不同輸入參數(原水濁度、pH、溫
利用實驗室建立之 114 筆瓶杯試驗資料庫進行不同輸入參數(原水濁度、pH、溫