第三章 工作方法及步驟
3.2 混凝監測技術及數據庫建置
3.2.1 建置混凝程序之監測技術
由於光學膠羽偵測(PDA)及膠羽影像色彩分析(FICA)技術之監測時效快且技術 已相當成熟，較符合國內淨水場現場之使用。因此，本研究團隊將使用光學膠羽偵 測及膠羽影像色度分析技術，建置即時混凝監測系統，以求得最適的混凝加藥控制 模式。本研究建置混凝程序之監測技術範疇包含三大部份，第一為瓶杯試驗整體系 統之建立，第二為 PDA 系統之建置，第三則為膠羽影像色彩分析技術之建置，混凝 程序之監測技術建置方法詳述於下：
(1)瓶杯試驗
本計畫擬進行之實驗室瓶杯試驗主要以方形之瓶杯容器及平板式(flat)攪拌器為 試驗之器材，混凝程序之操作參數將以各原水水樣之淨水場現場停留時間計算快 混、慢混及沉澱時間，並參照代表性淨水場之現場快混強度(G 值)，依據美國水廠 Jar test 標準的對應圖求得平板式攪拌器轉速所對應之快混強度(如圖 5)。在實驗室混凝 瓶杯試驗時，先取代表性淨水場原水 1 升倒入 2 升之方形瓶杯容器(此水樣容量與美 國 水 廠 Jar test 標 準 對 應 圖 不 同 ) ， 在 添 加 混 凝 劑 前 ， 須 先 利 用 瓶 杯 試 驗 機 (Phipps&Birds PB900)以 200 rpm 之轉速攪拌一分鐘，使水樣維持懸浮的狀態，隨後 加入淨水場所使用之聚氯化鋁(PACl)混凝劑。混凝試驗之快混、慢混與沉澱參數分別
為快混 240 rpm (75 秒)、慢混 30 rpm (20 分)及靜置沉澱 20 分，並於快混後以界達電 位儀(Zetasizer nano ZS, Malvern, UK)分析顆粒之界達電位，以協助最適加藥量之判 斷。在完成混沉後，取液面下 3 cm 之上澄液(因本研究混凝瓶杯試驗是以 1 L 的燒杯 作為容器，與文獻中以 2 L 的燒杯進行混凝瓶杯試驗不同，故取水位置會小於 10 cm)，以濁度計(HACH 2100P)、總有機碳分析儀(TOC-800, USA)及過濾性試驗進行殘 餘濁度、DOC 及過濾性之量測。本計畫在混凝後之沉澱效率評估上，主要以上澄液 殘餘濁度為主要判斷沉澱效率之指標，並輔以上澄液殘餘 DOC 作為評判混沉之效 率。此外，在過濾效率之評估上，將以混沉後之上澄液過濾性為主要評估指標。
圖 5 方型槽體中平板式攪拌器之強度(G 值)與轉速(rpm)之對應
(2)光纖膠羽偵測試驗
轉速 (rpm) G(s-1 )
本計畫使用光纖膠羽偵測儀(PDA2000, Rank Brothers Ltd.)搭配瓶杯試驗，以進行 混凝加藥監測，其混凝監測系統如圖 6 所示。本計畫採用淨水場採購之聚氯化鋁混 凝劑，添加後即進行快混攪拌，此時將水樣抽至 3 mm 軟管(Tygon R-3603)中模擬慢 混，此軟管環繞於一圓柱上，呈環狀圍繞型排列，軟管總長約 15 m，快混結束後，
水樣流經環繞在圓柱上的軟管，於軟管內顆粒會碰撞聚集，以模擬慢混，接著水樣 再流經 PDA 儀器，偵測膠羽大小，輸出 Ratio 值訊號至電腦，最後，將軟管後端接 至快混槽內使之成一循環系統，以連續監測快混之成效，系統藉由蠕動幫浦驅動。
Power
Power
PDA 2000 Peristaltic
Pump
Coil tube Mixing tank
Computer
圖 6 光纖膠羽偵測(PDA)系統之配置
(3) 膠羽影像色彩分析試驗
本 研 究 團 隊 已 初 步 開 發 膠 羽 影 像 色 彩 分 析 技 術 (floc image color analysis, FICA)，此系統主要利用光學影像監測水中懸浮液之色彩三原色(RGB)值以分析濁度 顆粒聚集的情形，藉由 FICA 系統對混凝之光學影像進行色彩模式數值分析，可得知 混凝是否良好。FICA 由影像擷取系統與光學影像色彩模式分析系統組成，其中影像 擷取系統包含攝影機、石英觀測視窗、LED 平面背光模組、以及影像擷取電腦，裝 置如圖 7。混凝水樣由重力方式經過石英槽，藉由攝影機鏡頭擷取畫面後，利用 LabView 程式進行影像分析。
圖 7 膠羽影像色彩分析(FICA)監測系統之裝置
3.2.2 研究混凝最適加藥劑量與不同原水水質參數之資料庫建置及快濾操作等相關性 分析
本計畫擬採用符合建立自動操作監控系統之對象淨水場原水進行混凝最適加藥 量之試驗，並分析不同原水水質參數與混凝最適加藥量之相關性，以及混凝最適加 藥量與快濾操作之相關性分析。由於水處理混凝加藥控制會受原水水質參數變化的 影響，因此，本計畫的第一階段的最主要工作乃建立一前饋控制之資料庫，可利用 此資料庫預測不同原水水質的情況下最適加藥量，作為未來模場初始運作時自動加 藥控制之依據。在建立資料庫前，須先使用濁度計(HACH 2100P)偵測原水之濁度，
並分析鹼度，以及使用 pH 計(WTW inoLab Multi Level 1)及總有機碳分析儀(Shimadzu TOC-5000A)進行原水 pH 值與 DOC 之量測，建立原水水質參數。另外，由於原水水 質會受到氣候等因素而變化，為增加資料庫適用範圍，當原水濁度產生變化時，即 會利用混凝監測系統搭配杯瓶試驗決定不同水質的情況下最佳混凝加藥濃度，完成 上述實驗後，可得到多組不同原水水質之最適加藥量，由這些數據建立混凝加藥量 控制決策數據庫，步驟如圖 8 所示。詳細之實驗規劃如下所述：
首先，在不同原水水質參數下，改變混凝劑加藥量及溶液 pH 等，將混凝中之水 樣經由蠕動泵浦以適當的速度抽送至 PDA 及 FICA 系統中，建置不同水質參數與操 作條件下，PDA 所測得之 FI 值及 FICA 色彩分析之數據資料庫。接下來對以上結果 進行相關性分析，即訊號變化(如訊號變化率與訊號偏差等)、操作因子及水質條件(如 原水濁度與加藥量等)、與處理成效(即殘餘濁度與膠羽大小等)三者間之相關性。一 般說來，原水濁度與加藥量之間為非線性之關係；另一方面懸浮固體物濃度與濁度
淨水場原水
1. pH 2. 濁度 3. 鹼度 4. DOC 基本性質分析
混凝瓶杯試驗
建立混凝 加藥量控制 決策數據庫 原水水質與 混凝最適加藥量及 過濾性之相關性分析 光纖膠羽偵測（PDA）
膠 羽 影 像 色 彩 分 析 (FICA)
1. 絮凝指數 (FI) 2. RGB 3. 殘餘濁度
(RT) 4. 殘餘 DOC 5. pH
或其他光學訊號間的關係，可能在不同區間各自呈現線性關係，因此在分析其相關 性時，依據資料採礦(data mining)的邏輯，必須首先將各種資料依原水濁度範圍分類 後，再進行訊號變化與加藥量等分析。
圖 8 混凝加藥量控制決策數據庫建置流程
另外，本計畫針對不同水質參數與操作條件下，針對混沉後上澄液進行過濾性 試驗，以進一步分析混凝最適加藥劑量與快濾操作之相關性。實驗室過濾性實驗中 將原水經混凝沉澱後，以 500 mL 定量瓶取上澄液定量至 500 mL，倒入裝有 0.45 µm 濾紙的過濾器中，打開幫浦抽氣，並同時開始計時，至過濾完後讀取秒數計 為 t。再取相同 500 mL 的純水以上述相同方式操作，至過濾完時讀取計數為 t0， 裝置如圖 9。t 與 t0的比值即為吸取時間指標(Suction Time Index, STI)以作為評估 過濾性的指標(林，2008)，過濾性試驗 STI 值如式 3-1：