公共給水現代化淨水操作監控及知識化資訊管理之示範建置計畫(3/3)

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MOEAWRA1000088

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目 目 目

目 錄 錄 錄 錄

目 錄 ... I 圖目錄 ... IV 表目錄 ... VI 中文摘要 ...VII ABSTRACT ...VIII 第一章、計畫緣起、目的及工作項目... 1-1 1.1 計畫緣起... 1-1 1.2 計畫目的... 1-1 1.3 今年 (100 年度)工作項目及執行對照... 1-2 第二章、研究背景及文獻回顧... 2-1 2.1 混凝加藥監測技術 ... 2-3 2.2 混凝加藥控制系統 ... 2-9 2.3 過濾操作... 2-11 2.4 淨水場資訊管理系統 ... 2-15 第三章、前期計畫主要成果... 3-1 3.1 第一年( 98 年度)計畫工作項目及主要成果... 3-2 3.2 第二年( 99 年度)計畫工作項目及主要成果... 3-6 第四章、淨水場處理單元操作文件製作建議研提... 4-1 第五章、淨水操作監控技術建立及模廠測試驗證... 5-1 5.1 混凝加藥前饋控制系統建立 ... 5-1 5.1.1 實驗室瓶杯試驗數據庫建立 ... 5-1 5.1.2 BPANN 模組建立 ... 5-3

5.3 傳統淨水程序模廠操作監控系統測試 ... 5-14 5.3.1 模廠規劃設計及實場與模廠現況說明 ... 5-14 5.3.2 模廠自動監控系統 ... 5-21 5.3.3 模廠操作測試及驗證 ... 5-23 5.3.4 模廠成本分析 ... 5-40 5.4 不同處理規模淨水場操作效能提升之具體建議 ... 5-42 5.5 小結... 5-44 第六章、現代化淨水場資訊管理系統建置... 6-1 6.1 建立水處理相關論文檢索平台 ... 6-2 6.2 規劃產官學專家社群機制 ... 6-2 6.3 研提自來水事業報表查核制度建議 ... 6-3 6.4 建立自來水事業報表管理系統 ... 6-4 6.5 建立自來水事業設備改善報告提交系統，提供報表上傳機制

... 6-8 第七章、結論與建議 ... 7-1 7.1 結論... 7-1 7.2 建議... 7-2 參考文獻 ... 1

附錄一 潭頂淨水場操作技術文件與相關評估作業範本 附錄二 和美淨水場操作技術文件與相關評估作業範本 附錄三 白沙淨水場操作技術文件與相關評估作業範本 附錄四 實驗室混凝加藥瓶杯試驗數據

附錄五 模廠操作手冊

附錄六 模廠線上水質測量儀器量測範圍及校正時程 附錄七 模廠槽體停留時間追蹤劑測試紀錄

附錄八 第 28 屆自來水研究發表會程序及投稿摘要

附錄九 第七屆海峽兩岸水質安全控制技術與管理研討會議程及投稿摘要 (混凝監控技術)

附錄十 「判斷化學混凝成效之方法」專利申請摘要 附錄十一 淨水操作知識庫輸入資料清單

附錄十二 第七屆海峽兩岸水質安全控制技術與管理研討會投稿摘要 (資訊系統建構)

附錄十三 現代化淨水場操作系統操作說明 附錄十四 服務建議書審查意見及回覆 附錄十五 期中審查意見及回覆

附錄十六 期末審查意見及回覆

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1 「公共給水現代化淨水操作監控及知識化資訊管理之示範建置」

三年工作架構 ... 1-3 圖 2 工作進度甘梯圖... 1-5 圖 3 計畫工作內容架構... 2-3 圖 4 PDA 2000 輸出值隨顆粒濃度之變化 ... 2-6 圖 5 絮凝指數 FI 曲線解析 ... 2-6 圖 6 類神經網路模型... 2-10 圖 7 主要單元進行操作技術文件與相關評估作業之建立流程... 4-3 圖 8 類神經網路訓練過度適配現象... 5-5 圖 9 濁度 150 NTU 適量加藥之 RGB-S.D.值修正前後之比較... 5-9 圖 10 慢混階段之標準偏差計算流程... 5-10 圖 11 低濁度不同加藥之 RGB-S.D.值(45 NTU) ... 5-11 圖 12 高濁度不同加藥之 RGB-S.D.值(150 NTU) ... 5-12 圖 13 高濁度不同加藥之 RGB-S.D.值(430 NTU) ... 5-13 圖 14 100 CMD 級模廠處理流程... 5-16 圖 15 模廠外觀 ... 5-17 圖 16 模廠內部 ... 5-17 圖 17 模廠處理單元 ... 5-18 圖 18 實場原水分水井... 5-19 圖 19 實場快混單元 ... 5-19 圖 20 模廠快混單元 ... 5-19 圖 21 實場與模廠慢混單元... 5-20 圖 22 實場與模廠沉澱單元... 5-20 圖 23 模廠圖控程式主控畫面... 5-22 圖 24 Y 型過濾器及阻塞情形 ... 5-25 圖 25 沉澱池進水管修改前後對照... 5-26 圖 26 快濾槽進水散水導管... 5-26 圖 27 BPANN 模組模廠驗證(4 個輸入參數：濁度、溫度、鹼度、pH) .... 5-29 圖 28 BPANN 模組模廠驗證(3 個輸入參數：濁度、溫度、pH) ... 5-30 圖 29 BPANN 模組模廠驗證(2 個輸入參數：濁度、pH) ... 5-30 圖 30 BPANN 模組模廠連續測試(2 個輸入參數：濁度、pH) ... 5-31 圖 31 PDA 及 FICA 系統模廠驗證訊號變化... 5-32 圖 32 FICA 系統影像監測... 5-33 圖 33 人工高濁水調配... 5-33 圖 34 人工高濁水混凝加藥測試(依 BPANN 預測加藥量)... 5-34 圖 35 人工高濁水混凝加藥測試(依 BPANN 預測加藥量增加 50％)... 5-35 圖 36 人工高濁水混凝加藥測試(依 BPANN 預測加藥量減少 50％)... 5-36

圖 37 重力式快濾槽尺寸... 5-37 圖 38 模廠過濾反洗監控測試... 5-38 圖 39 模廠過濾槽反洗濁度變化曲線... 5-39 圖 40 現代化淨水場資訊管理系統發展期程... 6-1 圖 41 依關鍵字進行系統資料庫內容檢索... 6-2 圖 42 日本實施資產管理實施概念... 6-3 圖 43 企業競爭力與組織策略整合架構... 6-3 圖 44 主管機關管理者登錄之系統首頁... 6-4 圖 45 系統管理者登錄之系統首頁... 6-5 圖 46 自來水事業代表人登錄之系統首頁... 6-5 圖 47 主管機關授權使用者登錄之系統首頁... 6-6 圖 48 授權使用者登錄之系統首頁... 6-6 圖 49 日本三園浄水場高度浄水施設-事業評價項目 ... 6-7 圖 50 現代化淨水場操作資訊系統功能架構... 6-8 圖 51 現代化淨水場操作資訊系統登錄畫面... 6-8 圖 52 設備檢驗及改善報告「第一章、前言」資料輸入... 6-9 圖 53 設備檢驗及改善報告「第二章、設備簡介」資料輸入... 6-10 圖 54 設備檢驗及改善報告「第三章、運轉現況」資料輸入... 6-10 圖 55 設備檢驗及改善報告「第四章、檢驗及維修」資料輸入... 6-11 圖 56 設備檢驗及改善報告「第五章、故障分析及排除」資料輸入... 6-11 圖 57 設備檢驗及改善報告「第六章、檢討改善」資料輸入... 6-12 圖 58 設備檢驗及改善報告「自來水設備運轉現況表」資料輸入... 6-12 圖 59 設備檢驗及改善報告「附表」資料輸入... 6-13 圖 60 主管機關依自來水事業圖示查詢設備檢驗報告... 6-13 圖 61 主管機關查詢開啟自來水事業設備檢驗報告或下載檔案全文... 6-14 圖 62 自來水事業查詢設備檢驗及改善報告功能... 6-14 圖 63 知識分享區之自來水相關政策法規及專業論文... 6-15

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 1 今年度工作項目及對應頁數... 1-6 表 2 影響淨水場供水水質與水量之操作問題... 2-1 表 3 混凝監測技術之適用性及優缺點比較... 2-4 表 4 國內常用之各類過濾型式及特性... 2-12 表 5 98 年度計畫工作項目及主要成果... 3-5 表 6 99 年度計畫工作項目及主要成果... 3-8 表 7 不同規模淨水場主要處理設施統計(含薄膜海水淡化及薄膜處理廠) .. 4-2 表 8 新竹第一淨水場與新竹第二淨水場原水水質物化特性... 5-2 表 9 新竹第一淨水場與新竹第二淨水場混凝最適劑量評估... 5-2 表 10 不同輸入參數之 BPANN 模組隱藏層神經元數測試結果 ... 5-7 表 11 快慢混時間對照 ... 5-9 表 12 模廠槽體停留時間追蹤劑測試結果... 5-24 表 13 蠕動泵浦校正紀錄... 5-25 表 14 模廠混凝加藥量與沉澱、過濾出水濁度之測試結果... 5-28 表 15 不同規模模廠建造成本比較... 5-41 表 16 使用者資料存取權限... 6-16

中文摘要 中文摘要 中文摘要 中文摘要

公共給水品質的提升與淨水場操作效能息息相關，本計畫藉由淨水操作監 控基本資料之蒐集及研析，提出國內淨水場主要處理單元操作文件內容製作建 議；以及透過自動化操作監控系統的開發，以模廠進行測試驗證；並且建構全 方位淨水場資訊管理系統，強化操作資訊之知識化管理，協助國內自來水事業 之發展及提升國際競爭力。

本計畫為水利署三年期科專計畫，今年度為第三年延續計畫，本計畫已完 成不同規模淨水場操作監控基本資料分析，擬定淨水場主要淨水處理單元所需 之操作相關文件內容，內容包含淨水場基本資料、主要單元說明、主要單元設 計、操作、維護、程序控制資料及主要單元操控標準等，以作為台灣各淨水場 建置淨水操作標準作業程序之參考；在混凝加藥監控之核心技術開發方面，乃 利用倒傳遞類神經網路(BPANN)作為前饋加藥控制系統，並以光纖膠羽偵測技 術(PDA)或膠羽影像色彩分析技術(FICA)作為回饋加藥控制系統。由模廠測試 及驗證結果顯示，前饋加藥控制系統以原水濁度及 pH 為輸入變數、隱藏層 1 層、隱藏層神經元 2 個時，可即時反應最適混凝劑加藥量；另外，回饋加藥系 統中 FICA 偵測之水樣 RGB 值變化趨勢較 PDA 偵測之 FI 值訊號穩定，顯示 RGB 值變化程度適合作為最適混凝劑量之判斷指標，尤其在高濁原水混凝之 RGB 值變化更為顯著；在自動化過濾操作監控系統方面，濾池水頭損失搭配 過濾水顆粒計數及濁度偵測器可作為濾池反洗時機之判斷依據，且依據濾池反 洗水濁度變化達到 30 NTU 所需花費之反洗時間可作為濾池最適反洗延時之判 斷指標。另一方面，已建置淨水場知識化操作資訊系統，包括水處理相關論文 檢索平台及自來水事業報表提交及管理系統，以協助主管機關掌握各類淨水場 之處理能力，進而提升其對公共給水緊急應變之效率。

Abstract

The quality of public water supply is highly related to the operation performance of water treatment plants (WTPs). This project is the third part of the three-year project awarded by the WRA. The aims of this projet are to: 1) analyze the previously collected data in related to operation and monitoring from water treatment plants and select the operation-related documents for major water treatment units, 2) develop an automatic monitoring system for treatment operation using a pilot plant, and 3) establish a holistic information management system to strengthen the knowledge management of water treatment operations, in the hope to upgrade the Taiwan water supply business and its international competition.

In previous years, we have collected and compiled information related to operation and monitoring from water treatment plants of various scales. This year, we have analyzed these data and selected relevant operation-related documents for major water treatment units, including basic information of WTPs; major treatment units and their design, operation, maintenance, process control, and operation and monitoring standards. The information will serve as the reference to establish the standard operation procedure (SOP) for WTPs in Taiwan. The core technology for coagulation dosing monitoring is a combination of a feed-forward control system by back propagation artificial neural network (BPANN) and a feedback control system by Photometric Dispersion Analyzer (PDA) or Floc Image Color Analysis (FICA). The pilot results indicate that the feed-forward control system can promptly reflect the optimum coagulant dosage when turbidity and pH are the variables in the BPANN model with one hidden-layer and 2 neurons. It was also found that, in the feedback control system, the variation of RGB values of the FICA is more stable than the FI variation of the PDA system, especially at the coagulation of high turbidity water, indicating that RGB is a better indicator for optimum coagulant dosage. For the automation of filter operation and control, the head loss of the filter coupled with the particle counts and turbidimeter of the filtrate can serve as the index for the determination of the timing of filter backwashing, and the optimum duration of backwashing can be judged by the time when the turbidity of

the filtrate reaches 30 NTU which is based on the conclusion of the previous study.

In the knowledge management of water treatment operations, a browsing platform for water treatment related documents and a water supply business reports submission and management system have been established to assist the administration to fully understand the treatment capabilities of the WTPs, which will enhance the effectiveness of water supply in emergency conditions. It is anticipated that the outcome of this project becomes a model for operation monitoring and knowledge management of the public water supply in Taiwan.

第一章 第一章 第一章

第一章、 、 、 、計畫緣起 計畫緣起 計畫緣起、 計畫緣起 、 、 、目的 目的 目的 目的及 及 及 及工作 工作 工作 工作項目 項目 項目 項目

1.1 計畫計畫計畫緣計畫緣緣緣起起起起

臺灣每年降雨量約 2,500 mm，但由於河流短急等地理因素，加上降雨期 間多集中在夏季，尤其是颱風季節時的豪雨，土砂經大量的沖刷或擾動，使水 中濁度急劇提高，因而極易癱瘓淨水場；此外，近年來水源區的過度開發利用，

導致水源水質變化，如藻類數量急遽增加，使得自來水的供應品質趨於惡化。

另一方面，自來水事業目前人力結構有老化之趨勢，亦面臨經驗傳承之斷層問 題，因此藉由資訊科技與相關管理機制變革，利用留存現有淨水場寶貴操作經 驗之知識交換與經驗分享，採跨領域學習，提升公共給水產業知識量能，亦為 當務之急。

淨水場操作效能攸關公共給水的品質，而淨水單元操作效能的提升則可仰 賴於自動化監控系統功能的落實，因此淨水單元建置準確及反應靈敏之自動化 監控系統，輔助操作效能的提升，已是現代化淨水場操作不可或缺的要項。而 國內各淨水場處理單元之型式差異性大，也增加全面性落實淨水場自動化操作 之困難度，況且國內尚未有成熟的自動化操作監控技術以因應迅速變化的水源 水質(如急遽變化之高濁度原水)，加上水源開發不易、原水水質污染日趨嚴重 及飲用水法規標準日趨嚴格，自來水事業單位在提升自來水生產操作效能以及 降低營運成本負擔為前提下，必須維持公共給水的穩定。為此，提昇國內淨水 場各種淨水設備之操作監測控制能力，是有其必要性及急迫性。

1.2 計畫目的計畫目的計畫目的 計畫目的

本計畫期建構一個具備即時監控及資訊管理典範之淨水場操作模式，以因 應原水水質之多變與劣化，可提供傳統淨水場升級為現代化淨水場所之依據。

並且，透過淨水場操作者經驗的知識化管理，發展全國淨水場操作資訊系統平 台，據以強化淨水場管理及操作效能，並發展公共給水產業知識網絡系統，整 合產官學專業資源，活絡台灣自來水事業從業人員之知識分享，促成自來水事 業相關資訊的知識化管理，確保量足質優的服務品質，以提升供水品質。

1.3 今年今年今年 (100 年今年 年年年度度度)工作項目度 工作項目工作項目及執行對照工作項目及執行對照及執行對照及執行對照

本計畫分為三年執行，三年期之工作架構及執行流程如圖 1 所示，今年度 (100 年)為第三年延續計畫，本計畫在混凝加藥監控之核心技術採用線上水質 量測儀器蒐集水質數據，並利用倒傳遞類神經網路(BPANN)運算水質數據產生 最適混凝加藥量預測值，作為混凝加藥監控之前饋控制系統，輔以光纖膠羽偵 測技術(PDA)或膠羽影像色彩分析技術(FICA)監測混凝效果，作為混凝加藥監 控之回饋監測系統，即時修正混凝加藥量。利用前饋及回饋監控系統，對於台 灣原水水質多變之特性，可迅速準確地反應混凝加藥量之變化，提升淨水操作 之效能。

今年度工作重心在於利用前二年實驗室所建立之操作監控系統進行長時 間的模廠測試、修正、驗證及示範，進而提出淨水場操作效能提升之具體建議，

可提供國內淨水場升級自動操作監控系統之參考模式。同時利用前二年所建立 不同規模淨水場操作監控適用之背景環境基本資料分析結果，提出淨水場處理 單元操作文件製作建議，適用於台灣各淨水場建置淨水操作文件。另一方面，

建立水處理相關論文檢索平台、規劃產官學專家社群機制及研提自來水事業報 表查核制度建議，以充實公共給水產業知識網絡系統，此外，建置自來水事業 報表提交及管理系統，協助主管機關掌握各類淨水場之處理能力，進而提升其 對公共給水緊急應變之效率。

圖 1 「公共給水現代化淨水操作監控及知識化資訊管理之示範建置」三年工作架構

彙整國內外之不同 彙整國內外之不同 彙整國內外之不同 彙整國內外之不同 規模淨水場操作監 規模淨水場操作監 規模淨水場操作監 規模淨水場操作監

控技術控技術 控技術控技術、、、、規範規範規範規範

建立不同規模淨 建立不同規模淨 建立不同規模淨 建立不同規模淨 水場操作監控適 水場操作監控適 水場操作監控適 水場操作監控適 用之背景環境之 用之背景環境之 用之背景環境之 用之背景環境之

基本資料 基本資料 基本資料 基本資料

研析不同規模淨水 研析不同規模淨水 研析不同規模淨水 研析不同規模淨水 場各項操作監控技 場各項操作監控技 場各項操作監控技 場各項操作監控技 術之適用性與優缺 術之適用性與優缺 術之適用性與優缺 術之適用性與優缺

點 點點 點

檢討自來水法中自來 檢討自來水法中自來 檢討自來水法中自來 檢討自來水法中自來 水工程設施標準等規 水工程設施標準等規 水工程設施標準等規 水工程設施標準等規 範對淨水操作監控技 範對淨水操作監控技 範對淨水操作監控技 範對淨水操作監控技

術的相關規定 術的相關規定 術的相關規定 術的相關規定 收集國內外操作檢測 收集國內外操作檢測收集國內外操作檢測 收集國內外操作檢測 設備與檢測技術之相 設備與檢測技術之相設備與檢測技術之相 設備與檢測技術之相 關法規及技術規範 關法規及技術規範 關法規及技術規範 關法規及技術規範

研究混凝最適加藥劑量 研究混凝最適加藥劑量研究混凝最適加藥劑量 研究混凝最適加藥劑量 與不同原水水質參數之 與不同原水水質參數之與不同原水水質參數之 與不同原水水質參數之 資料庫建置及快濾操作 資料庫建置及快濾操作資料庫建置及快濾操作 資料庫建置及快濾操作

等相關性分析 等相關性分析 等相關性分析 等相關性分析 建置混凝程序之 建置混凝程序之建置混凝程序之 建置混凝程序之

監測技術 監測技術監測技術 監測技術

規劃及設計完整自動操 規劃及設計完整自動操規劃及設計完整自動操 規劃及設計完整自動操 作監控之傳統處理程序 作監控之傳統處理程序作監控之傳統處理程序 作監控之傳統處理程序

模型廠模型廠 模型廠模型廠

規劃全國現代化淨 規劃全國現代化淨 規劃全國現代化淨 規劃全國現代化淨 水場操作資訊系統 水場操作資訊系統 水場操作資訊系統 水場操作資訊系統

建立現代化淨水場 建立現代化淨水場 建立現代化淨水場 建立現代化淨水場 操作資訊系統平台 操作資訊系統平台 操作資訊系統平台 操作資訊系統平台

雛型 雛型 雛型 雛型

建置自動操作監控 建置自動操作監控 建置自動操作監控 建置自動操作監控 系統

系統系統

系統/現代化淨水場現代化淨水場現代化淨水場現代化淨水場 操作資訊系統設備 操作資訊系統設備 操作資訊系統設備 操作資訊系統設備

搭配自動化混凝操作效能 搭配自動化混凝操作效能 搭配自動化混凝操作效能 搭配自動化混凝操作效能 監測設備之實驗室級自動 監測設備之實驗室級自動 監測設備之實驗室級自動 監測設備之實驗室級自動

監控系統 監控系統 監控系統

監控系統，，，，進行最適化進行最適化進行最適化進行最適化 混凝加藥測試 混凝加藥測試混凝加藥測試 混凝加藥測試

發展淨水場知識化操作 發展淨水場知識化操作發展淨水場知識化操作 發展淨水場知識化操作 資訊系統平台

資訊系統平台 資訊系統平台

資訊系統平台，，，，以圖像化以圖像化以圖像化、以圖像化、、、 流程化方式以

流程化方式以 流程化方式以

流程化方式以10萬噸淨水場萬噸淨水場萬噸淨水場萬噸淨水場 之操作相關資料為例 之操作相關資料為例 之操作相關資料為例 之操作相關資料為例，，，，建立建立建立建立 工作類別分析決策入口網站 工作類別分析決策入口網站 工作類別分析決策入口網站 工作類別分析決策入口網站

之示範模型 之示範模型之示範模型 之示範模型

規劃公共給水產業知識 規劃公共給水產業知識規劃公共給水產業知識 規劃公共給水產業知識

網絡發展架構 網絡發展架構 網絡發展架構 網絡發展架構 發展智能系統快速分析

發展智能系統快速分析發展智能系統快速分析 發展智能系統快速分析 淨水場混凝加藥與原水 淨水場混凝加藥與原水淨水場混凝加藥與原水 淨水場混凝加藥與原水

水質間之相關性 水質間之相關性水質間之相關性 水質間之相關性

以代表性之不同規模 以代表性之不同規模以代表性之不同規模 以代表性之不同規模 淨水場建造傳統淨水程序 淨水場建造傳統淨水程序 淨水場建造傳統淨水程序 淨水場建造傳統淨水程序

之模廠 之模廠之模廠

之模廠，，，並裝置自動，並裝置自動並裝置自動並裝置自動 操作監控系統 操作監控系統操作監控系統 操作監控系統

發展快濾池操作 發展快濾池操作發展快濾池操作 發展快濾池操作(含反沖洗含反沖洗含反沖洗含反沖洗

操作 操作 操作

操作)之監控系統之監控系統之監控系統之監控系統

第一年第一年 第一年第一年(98年年年)年

台灣自來水公司 台灣自來水公司 台灣自來水公司 台灣自來水公司 台北自來水事業處 台北自來水事業處台北自來水事業處 台北自來水事業處 金門縣自來水廠 金門縣自來水廠 金門縣自來水廠 金門縣自來水廠 連江縣自來水廠 連江縣自來水廠 連江縣自來水廠 連江縣自來水廠

淨水場入口網站 淨水場入口網站 淨水場入口網站 淨水場入口網站 各式淨水場操作資訊 各式淨水場操作資訊 各式淨水場操作資訊 各式淨水場操作資訊 相關圖表化分析 相關圖表化分析 相關圖表化分析 相關圖表化分析

進行模廠濾池操作 進行模廠濾池操作進行模廠濾池操作 進行模廠濾池操作

最適化測試 最適化測試最適化測試 最適化測試

建立不同規模淨水操作監 建立不同規模淨水操作監 建立不同規模淨水操作監 建立不同規模淨水操作監 控技術標準與相關作業規 控技術標準與相關作業規 控技術標準與相關作業規 控技術標準與相關作業規

範範範 範

發展公共給水產業知識 發展公共給水產業知識發展公共給水產業知識 發展公共給水產業知識

網絡系統 網絡系統網絡系統 網絡系統

建置產業知識化平台與 建置產業知識化平台與建置產業知識化平台與 建置產業知識化平台與 水處理的類專家系統 水處理的類專家系統 水處理的類專家系統 水處理的類專家系統 (EIS)，，，，以協助提升應以協助提升應以協助提升應以協助提升應

變效率變效率 變效率變效率 傳統淨水程序模廠操作監

傳統淨水程序模廠操作監 傳統淨水程序模廠操作監 傳統淨水程序模廠操作監

控系統 控系統 控系統

控系統，，，，作長時間的測作長時間的測作長時間的測作長時間的測 試試

試試、、、修正、修正修正修正、、、驗證及示範、驗證及示範驗證及示範驗證及示範，，，， 以研提不同規模淨水場最 以研提不同規模淨水場最 以研提不同規模淨水場最 以研提不同規模淨水場最

適操作參數 適操作參數 適操作參數 適操作參數

持續推動及提升淨水場 持續推動及提升淨水場持續推動及提升淨水場 持續推動及提升淨水場 操作資訊系統平台使用 操作資訊系統平台使用操作資訊系統平台使用 操作資訊系統平台使用

效能 效能效能 效能 以模型廠實場驗證研提

以模型廠實場驗證研提 以模型廠實場驗證研提 以模型廠實場驗證研提 不同規模淨水場操作效 不同規模淨水場操作效 不同規模淨水場操作效 不同規模淨水場操作效 能提升之具體建議 能提升之具體建議 能提升之具體建議 能提升之具體建議

研提不同規模淨水操作 研提不同規模淨水操作 研提不同規模淨水操作 研提不同規模淨水操作

標準作業規範 標準作業規範標準作業規範 標準作業規範

操作技術 操作技術 操作技術

操作技術 操作資訊操作資訊操作資訊操作資訊

第二年第二年第二年 第二年(99年年年年)

第三年 第三年 第三年

第三年(100年年年)年

混凝加藥混凝加藥 混凝加藥混凝加藥 過濾反洗操作 過濾反洗操作 過濾反洗操作 過濾反洗操作

建立水處理相關論文檢索 建立水處理相關論文檢索 建立水處理相關論文檢索 建立水處理相關論文檢索

平台 平台 平台 平台 規劃產官學專家社群機制 規劃產官學專家社群機制 規劃產官學專家社群機制 規劃產官學專家社群機制 研提自來水事業報表查核 研提自來水事業報表查核 研提自來水事業報表查核 研提自來水事業報表查核

制度建議 制度建議制度建議 制度建議 建置自來水事業報表管理 建置自來水事業報表管理建置自來水事業報表管理 建置自來水事業報表管理

系統 系統系統 系統

建立自來水事業設備改善 建立自來水事業設備改善建立自來水事業設備改善 建立自來水事業設備改善

報告提交系統 報告提交系統 報告提交系統 報告提交系統 提出淨水場處理

提出淨水場處理提出淨水場處理 提出淨水場處理 單元操作文件製 單元操作文件製單元操作文件製 單元操作文件製

作建議 作建議作建議 作建議

本計畫今年度工作項目為：

(一)發展公共給水產業知識網絡系統，包含整合產官學專業資源並建構專 家社群機制及專家影音頻道、水處理相關論文檢索平台

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(二)建置產業知識化平台與水處理的類專家系統(EIS)，以協助提升應變效 率

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(三)持續推動及提升淨水場操作資訊系統平台使用效能

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反洗操作)作長時間的測試、修正、驗證及示範，以研提不同規模淨 水場最適操作參數

(五)以模廠實場驗證研提不同規模淨水場操作效能提升之具體建議 (六)研提不同規模淨水操作標準作業規範

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本計畫依據合約規定工作項目執行，完成各項工作之預定進度，工作進度 甘梯圖如圖 2，今年度各項工作與報告本文對應頁數列於表 1。

年度 100 工作項目

月份 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1、發展公共給水產業知識網絡系統，包含整合產

官學專業資源並建構專家社群機制建置及專家 影音頻道、水處理相關論文檢索平台

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2、建置產業知識化平台與水處理的類專家系統 (EIS)，以協助提升應變效率

˙

3、持續推動及提升淨水場操作資訊系統平台使用 效能

˙

供報表上傳機制供報表上傳機制 供報表上傳機制

4、傳統淨水程序模型廠操作監控系統傳統淨水程序模型廠操作監控系統傳統淨水程序模型廠操作監控系統(監控單元主傳統淨水程序模型廠操作監控系統 監控單元主監控單元主監控單元主 要包括混凝加藥及過濾反洗操作

要包括混凝加藥及過濾反洗操作要包括混凝加藥及過濾反洗操作

要包括混凝加藥及過濾反洗操作)作長時間的測作長時間的測作長時間的測作長時間的測 試試試

試、、、修正、修正修正、修正、、驗證及示範、驗證及示範驗證及示範，驗證及示範，，以研提最適操作參數，以研提最適操作參數以研提最適操作參數 以研提最適操作參數 5、以模型廠實場驗證研提淨水場操作效能提升之以模型廠實場驗證研提淨水場操作效能提升之以模型廠實場驗證研提淨水場操作效能提升之以模型廠實場驗證研提淨水場操作效能提升之

具體建議具體建議具體建議 具體建議

6、研提淨水操作標準作業規範

˙

7、工作報告

期

中

期 末 累積進度（％） 15 30 40 50 60 70 80 90 100

圖 2 工作進度甘梯圖

表 1 今年度工作項目及對應頁數 項次

項次項次

項次 工作項目工作項目工作項目工作項目 報告書頁數報告書頁數報告書頁數報告書頁數 1 建立水處理相關論文檢索平台 p. 6-2

2 規劃產官學專家社群機制 p. 6-2 3 研提自來水事業報表查核制度建議 p. 6-3 4 建置自來水事業報表管理系統 pp. 6-4 ~ 6-7 5 建立自來水事業設備改善報告提交系統，提供報

表上傳機制 pp. 6-8~ 6-16

6

傳統淨水程序模廠操作監控系統(監控單元主要 包括混凝加藥及過濾反洗操作)作長時間的測 試、修正、驗證及示範，以研提不同規模淨水場 最適操作參數

pp. 5-1 ~ 5-41

7 以模廠實場驗證研提不同規模淨水場操作效能提

升之具體建議 pp. 5-41 ~ 5-42 8 提出淨水場處理單元操作文件製作流程 pp. 4-1 ~ 4-11

第二章 第二章 第二章

第二章、 、 、 、研究背景及文獻回顧 研究背景及文獻回顧 研究背景及文獻回顧 研究背景及文獻回顧

淨水單元處理效能的提升與混凝加藥及過濾操作有關，然而，因國內淨水 場處理單元之型式差異性大，快混單元之型式會影響混凝劑加藥的模式，以及 原水水質變異大，不利於以傳統經驗加藥或既定操作模式進行淨水場之單元操 控；此外，現今淨水場快濾單元反沖洗時機之判斷方式，雖依濾程、水頭損失 及過濾水濁度等綜合判斷反洗啟動指標，但缺乏反洗時機最適化之操作策略，

致使快濾池處理效能不彰，另一方面，反洗延時之控制缺乏科學依據，導致反 洗水量增加，造成不必要之浪費。整理影響淨水場供水水質與水量之操作問題 如表 2 所示。

表 2 影響淨水場供水水質與水量之操作問題

操作問題操作問題

操作問題操作問題 影響層面影響層面影響層面影響層面 無法即時反應原水濁度變化

混凝

混凝加藥量掌控不精準

1.混凝劑使用量過多或不足 2.增加沉澱污泥量

3.沉澱出水水質不佳 4.增加濾池負荷 反洗時機缺乏最適化操作策略 供水水質不佳 過濾 反洗延時控制缺乏科學依據

1.過度反洗會減少濾池操作壽命並且 使反洗水量過度浪費

2.反洗不足會使供水水質不佳，可能對 人體健康產生影響

傳統淨水場之混凝加藥控制大多數仍是根據操作人員多年的經驗，或是藉 由不定期的瓶杯試驗來決定混凝劑的加藥量，其往往無法於短時間內因應水質 作最佳加藥量的調整，因此常造成混凝效果不佳的現象發生，進而影響後續快 濾池之濾程以及供水品質，研析國際上淨水處理發展趨勢，現代化淨水場提升 操作營運主要目標朝向以下四個面向：

1.處理技術整合化：利用科學的方法及應用，將處理技術整合，提高各處 理單元效率。

2.操作技術自動化：利用自動化監測控制設備，將淨水場各操作單元予以 自動控制，使設備操作簡單且具有彈性。

3.管理技術資訊化：以結構化、系統化、知識化的系統發展手法，使淨水 場管理技術及操作經驗藉由資訊科技之方式進行知識交換與經驗分

享，可迅速的進行設備維修及養護，減少資源之重複耗費。

4.營運成本最佳化：運用各項技術使淨水場之出水水質在符合法規規範之 下，以最低營運成本，發揮設備最大效益，藉以延長淨水場資產生命週 期。

為達到現代化公共給水之目標，本計畫主要內容架構如圖 3 所示，包含操 作指引、監控技術及資訊系統報表管理等三大主軸所建構而成，主要研究重點 在於淨水操作技術中之混凝加藥操作監控系統、快濾池操作監控系統等發展，

並以模廠測試、修正、驗證及示範，同時檢討建立不同規模淨水操作監控技術 標準與相關作業規範，並將淨水技術研究及法規環境建構之研究成果，以淨水 知識化操作資訊平台進行交流及知識管理，據以強化淨水場管理及操作效能，

並發展公共給水產業知識網絡系統，整合產官學專業資源，活絡台灣自來水事 業從業人員之知識分享，促成自來水事業相關資訊的知識化管理。本研究以三 年時間建構一個具備即時監控及資訊管理典範之淨水場操作模式，以因應原水 水質之多變與劣化，可提供傳統淨水場升級為現代化淨水場所之依據，確保自 來水事業量足質優的服務品質，以提升國內供水品質。

本計畫今年度之目標，在操作指引部分，提出淨水場處理單元操作文件製 作建議，作為台灣各淨水場建置淨水操作標準作業程序之參考；監控技術部 分，利用實驗室已建立之混凝及過濾操作監控系統，進行長時間的模廠測試、

修正、驗證及示範，並提出淨水場操作效能提升之具體建議；資訊系統報表管 理部分，在淨水場知識化操作資訊系統內建立水處理相關論文檢索平台與規劃 專家社群運作機制，以及研提自來水事業報表查核制度建議，以落實公共給水 產業知識網絡系統功能，並持續推動及提升淨水場操作資訊系統平台使用效 能。

圖 3 計畫工作內容架構

國內淨水場現階段尚仰賴人為的判斷以決定混凝加藥劑量及過濾操作控 制的程序，有賴於建立準確的混凝加藥及過濾操作監控模式，以提升淨水場操 作及監控效能，另外仍須透過操作資訊系統之落實以提升自來水事業對操作資 訊知識化管理能力。國內自來水事業單位在推動傳統淨水場邁向現代化淨水場 的過程中，應將建置本土性淨水場適用之混凝加藥及過濾(含反洗)操作監控模 式及建置操作資訊知識化管理系統列為主要目標。淨水場常用之混凝加藥監控 技術與過濾操作模式之簡介及國內淨水場資訊管理系統之現況說明，分別詳述 如下：

2.1 混凝加藥監測技術混凝加藥監測技術混凝加藥監測技術 混凝加藥監測技術

傳統上，淨水場對混凝程序的監測系統主要是利用線上濁度計，一般利用 可見光為光源，在光源 90 度的位置偵測散射光之強度，當懸浮微粒的數量越 多，則散射光強度亦越強，即濁度越高。但濁度計並無法提供膠羽外觀等資訊，

若需要進一步瞭解膠羽長成的情形，還是必須倚賴精密的粒徑分析儀器。另一 方面，淨水場之即時監測多使用電極或探棒式的接觸型濁度計，設置於淨水場 水流多變的環境下容易損壞，以及產生監測數據誤差，影響混凝監控之成效。

實際上，監測混凝效果亦常量測水中顆粒表面之界達電位，但界達電位與 瓶杯試驗一樣皆為不連續採樣的測量方法，其所得之數據適用於過去水質，並 不一定適用於當下入流之原水。當原水為高濁度時，界達電位的測量困難度變

現代化

現代化

現代化

現代化

公共給水 公共給水 公共給水

公共給水

高，且該試驗對水溫及導電度的變化相當敏感，因此很難獲得確切的顆粒表面 電荷值。因此如何發展一套能有效且即時的加藥監控設備，達到混凝加藥的自 動化操作，是學者專家共同努力研究的方向。

國內外不同規模淨水場除均以線上濁度監測技術監測原水濁度、沉澱水及 過濾水濁度外，針對過濾單元之反洗常使用壓力計或水頭損失計量測過濾池之 阻塞情況以判斷反洗之時間，並以線上濁度計監測砂濾反洗水濁度變化以判斷 濾池反洗之延時。然而，國內針對混凝單元操作監測技術之應用一直相當缺 乏，現階段因應混凝過程之顆粒特性所開發之混凝單元操作監測技術包括光纖 膠羽偵測(PDA)、膠羽影像色彩分析(FICA)、流導電流偵測(SCD)、顯示式膠 凝控制(FCD)及懸液濁度偵測系統(NTMS)，這些偵測技術之適用性(含適用之 原水種類)及優缺點歸納如表 3 所示。

表 3 混凝監測技術之適用性及優缺點比較

監測技術監測技術 監測技術監測技術 項目

項目 項目項目

光纖膠羽偵測 光纖膠羽偵測 光纖膠羽偵測 光纖膠羽偵測

(PDA)

膠羽影像 膠羽影像膠羽影像 膠羽影像 色彩分 色彩分色彩分 色彩分析析析析

(FICA)

流導電流偵測 流導電流偵測 流導電流偵測 流導電流偵測

(SCD)

顯示式 顯示式 顯示式顯示式 膠凝控制 膠凝控制膠凝控制 膠凝控制

(FCD)

懸液濁度 懸液濁度懸液濁度 懸液濁度 偵測系統 偵測系統偵測系統 偵測系統

(NTMS) 偵測方式 膠羽大小 懸浮液色彩及

膠羽大小 顆粒表面電性 膠羽大小 懸浮液濁度變 化標準偏差 濁度適用範圍 適用範圍廣 適用範圍廣 不適用高濁度 適用範圍廣 適用範圍廣

pH 值 不影響 不影響 會影響 不影響 不影響

色度物質 不影響 不影響 會影響 不影響 不影響 離子強度 不影響 不影響 會影響 不影響 不影響

參數值的決定 易 易 難 難 易

遲滯時間 短 短 短 較長 短

原水適用種類 地表水 地表水 地表水 水庫水及

地表水 地表水 優點 技術成熟 可直接觀察膠

羽大小

連續即時偵測 之操控性佳

可直接觀察膠

羽大小 系統設置簡易 缺點 會受顆粒濃度

及大小影響

影像解析度較 低

易受水質變化

影響 偵測時間長 儀器需時常校 正

由於 PDA 及 FICA 系統是利用光學的方式偵測顆粒聚集的程度，因此不 會因水質變化而產生偵測誤差，且可直接用於偵測混凝槽內之膠羽，遲滯時間 較短，較適合連續處理水質變化大之原水，其中因 PDA 開發較早，其技術已 經相當成熟，雖然 FICA 系統之研究及應用案例較少，但 FICA 的功能較強大，

可同時量測懸浮液色彩值及即時觀察膠羽大小，現階段雖處於技術測試階段，

但未來市場發展之潛能相當大，因此本計畫選擇 PDA 及 FICA 技術作為混凝 操作監測之回饋控制系統，其原理及應用成果分述如下：

(一一一一) 光纖膠羽偵測技術光纖膠羽偵測技術光纖膠羽偵測技術(PDA) 光纖膠羽偵測技術

監測混凝行為除了量測顆粒表面電位的方法外，另一種方法乃直接觀察膠 羽粒徑的大小變化，作為判斷混凝程度的依據。其中第一個方法為光纖偵測技 術。此方法最初於 1985 年 Gregory 發現，光線照射懸浮性固體溶液時，平均 穿透光強度變化，是由於水樣中顆粒總數的隨機變化所造成。其假設顆粒數目 的變化符合卜瓦松分佈(Poisson-distribution)，則光強度變化的均方根值(root mean square, RMS)與顆粒散射係數和顆粒濃度的根號值有關。對於單一分散相 的懸浮溶液而言，結合 RMS 值和濁度值可簡單地推導出顆粒數目和大小，這 種關係適用於廣泛的濃度範圍，且不需要事先知道顆粒的光學性質，並由此原 理發展出 PDA。

PDA 之設計即按照上述理論發展而來，PDA 三種輸出值包含 DC、RMS 及 Ratio 值，其中 DC 輸出值即為V，而 RMS 輸出值則為V_rms。三種輸出值會 隨著管內懸浮液顆粒濃度的變化而改變，當顆粒出現在光徑中時，因為顆粒會 造成的光線遮蔽及散射，使得 DC 讀值降低，濃度愈高時，遮蔽及散射效應愈 明顯，DC 讀值亦愈低。而 RMS 的讀值在懸浮顆粒濃度非常低的情況下，會 隨著顆粒濃度根號值的增加而增加；但在較高濃度下，RMS 值達最大後開始 降低，這是因為隨著濁度增加，當入射光對懸浮液的穿透量為 60%時，RMS 值達最大。Ratio 值（RMS/DC）亦隨著顆粒濃度根號值增加而增加，其增加 率較 RMS 值大，而且在更高的濃度下才開始減低。這三種訊號與顆粒濃度的 變化如圖 4 所示，但此圖只適用於顆粒濃度改變但顆粒大小及凝集狀態不變的 情況下方能成立。對於含固定顆粒濃度的懸浮液而言，由 RMS 和 Ratio 值的 大小，決定於顆粒的大小及其光學性質；一般來說，高散射光係數及較大的顆

粒會有較大的 RMS 和 Ratio 讀值。因此亦可以由三項讀值監測顆粒混凝之情 形。

V₀

ion Concentrat

Ratio

DC

RMS

圖 4 PDA 2000 輸出值隨顆粒濃度之變化

Ratio 值另一個說法為絮凝指數(flocculation index, FI)。如圖 5 所示。典型 的 FI 曲線一般為 S 型，由圖示可得出 FI 曲線的特徵參數如下：S 為 FI 曲線上 升階段的最大速率，可以代表混凝反應速率；ho為 FI 的初始值，一般情況下 幾乎等於零；h 為 FI 曲線的平衡高度，它與顆粒聚集體最終聚集的尺寸有關；

t₁為遲滯時間，代表顆粒聚集體開始出現的時間；t₂代表 FI 曲線最大高度的反 應時間。對一定的原水顆粒而言，混凝的化學條件會直接影響混凝的反應速 度，從而決定 t1及 S；攪拌條件則直接影響聚集體的最終顆粒粒徑，從而決定 h。

圖 5 絮凝指數 FI 曲線解析

hhhh0000

hhhh tttt2222

tttt1111

S SS S

FFFFIIII

在 光 纖 偵 測 技 術 實 際 應 用 方 面 ， Esienlauer 及 Horn (1987) 採 用 前 饋 (feedforword)控制方式，首先將光纖偵測技術應用於淨水處理及陶瓷業廢水的 混凝加藥量之控制上，其監測進流水濁度變化和 pH 值來調整混凝加藥量，此 方法在水質一發生變化而未進入處理單元時便能立刻偵測加以應變，在進流水 水質變化頻繁的情況下，此套監測系統仍可適用。此外，由層流管進行 PDA 實驗時發現，管中心的流速快而愈接近管壁則愈慢，因此顆粒流動時所受的剪 力不一致，為了改善此現象，Gregory (1987)以彎管達到慢混的作用，可以縮 短偵測時間並得到較穩定的訊號，利用管徑較大的彎管處理高濃度及高黏稠性 的污泥，因此對於高濃度之原水此方法亦可行。另外，Matsui 等人利用即時連 線方法監測膠羽沉降過程(Matsui and Tambo, 1991)，並由 PDA 輸出之 Vrms/V 值代入 經驗式中來推估膠羽的大小和沉降速度，此比值即為 RMS 值，另一定義為絮 凝指數(FI)，其可以直接反應顆粒的聚集狀態。Li 等人曾利用電荷耦合元件 (charge coupled device, CCD)攝影機及 PDA 2000 直接觀測高嶺土懸浮液(Li et al.,

2007)，加入混凝劑後生成之膠羽，研究結果顯示，膠羽尺寸與 Ratio 值成一階

正相關。由上述可知，利用 PDA 偵測混凝膠羽生長程度來判斷最佳混凝劑加 藥量比瓶杯試驗可靠。

PDA 系統在實場應用之案例上，本計畫主持人黃志彬教授研究團隊曾針 對豐原淨水場進行 PDA 自動加藥監測系統之評估^(甘，1997)，其首先進行 PDA 之 批次實驗，改變不同濁度、pH 值及快混強度的實驗條件，觀察 PDA Ratio 輸 出值、殘餘濁度、膠羽生成大小及沉降速度的關係，利用不同的混凝劑量求得 相對應的 Ratio 值，並證明在 Ratio 值達最高值時其加藥量可作為最佳加藥量。

實驗中亦利用不同之原水濁度作探討，發現不論在低、中及高濁度，使用 PDA 都可以完整地監測混凝時隨混凝劑量不同所顯示生成膠羽大小的變化，且 FI 最高值會隨著原水濁度變高而增加，並發現 PDA 決定之最佳加藥量濃度小於 實場所得之瓶杯實驗濃度值，故可透過 PDA 的系統以減少過量加藥的情形發 生。此外，在小型模廠之連續流試驗中以快混 G 值 520 s^-1，而慢混槽之 G 值 52 s^-1，進行模廠處理該淨水場原水時，PDA 呈現之輸出值亦相當穩定，且能 有效地顯示最佳加藥量。

(二二二二) 膠羽影像色彩分析技術膠羽影像色彩分析技術膠羽影像色彩分析技術(FICA) 膠羽影像色彩分析技術

此技術乃依據光散射之原理，當水中懸浮微粒濃度越高，則散射光強度越 強，即水越混濁。另一方面，不同的懸浮微粒或膠羽吸光或是散射光之波長不 同，因此顯現出不同顏色，如自然水體中之天然細砂等多呈土色；混凝多利用 沉澱絆除達成，因此膠羽多呈現氫氧化鋁沉澱物之白色；最常被用來模擬原水 或是瞭解混凝操作之高嶺土，亦呈現白色。若以高嶺土為例，高濃度時，水樣 便呈現白霧狀，即影像便與濃度之高低有關，也就是在相當濃度的差距下，憑 肉眼便可知濃度之高低。若將影像利用色彩模式數值化，濃度高低之辨識便可 更精確。另一方面，水體中若 SS 濃度(重量濃度)相同時，平均粒徑較大的水 樣，由於顆粒數較少，散射出來的光也較少，如顆粒越小，則影像則越白，透 光度則減低。因此除了濃度高低可以將影像色彩以色彩模式數值化，粒徑明顯 的變更亦可以將影像色彩以色彩模式數值化後表示。在光的色彩分析中，RGB 一般稱為光的三原色。我們在電腦螢幕上看到的所有色彩，都是由紅(Red)、

綠(Green)、藍(Blue)三種顏色所混合而成的。每一個顏色都能表現 256 種變化 (0~255)，數值為 0 的時候最暗、255 時最亮，例如當紅色數值達到 255 時，就 是最亮最紅的紅色。三原色依不同的比例混合，可產生各種不同的顏色，如果 RGB 以最大亮度混合時(數值皆為 255)，就會形成白色；若 RGB 三色完全沒 有亮度(數值皆為 0)，就會變成黑色了。

本計畫協同主持人秦靜如副教授研究團隊曾以光學影像監測高嶺土模擬 水樣之混凝^(吳，2008)，以多元氯化鋁作為混凝劑進行瓶杯試驗，過程中擷取光學 影像，可得到混凝過程中各階段及混凝效果好壞所呈現之光學影像。混凝初步 的影像呈現均勻的灰白色，當加入藥劑之後膠羽逐漸形成，影像也從整片均勻 灰白色轉成有灰色背景及如白色棉絮般微細膠羽的情況。接著更大的膠羽形 成，影像中出現明顯的亮白色膠羽，即散射光強度較強，且影像的背景亦逐漸 變黑，也就是溶液逐漸變清澈。而在過量加藥中，可見混凝成效不佳且膠羽細 小鬆散，影像則一直呈現灰色的背景以及模糊的白色影像，即是散射光強度較 弱。分析其光學影像之色彩模式後初步發現，在剛加入最佳混凝劑加藥量後，

RGB 值沒有變化維持大約 1 分鐘，之後 RGB 值明顯的快速下降，而且 RGB 值下降趨勢相同，且肉眼可見的膠羽大量出現，並有許多相當大的膠羽。RGB

的光大幅減少。當過量加藥時，由於形成過多細小的氫氧化鋁沉澱物，呈現如 密集的雪片般的影像，沒有大且緊實的膠羽產生。由於仍有過多的細小膠羽，

因此入射光被大量的散射，RGB 值雖有略微下降，但幾乎不明顯，且下降的 時間非常短，表示膠羽並沒有長成。由初步的試驗已知，藉由混凝影像之色彩 模式分析，可以得知混凝是否良好。因此，利用 RGB 色彩模式分析可用來判 斷快混程序膠羽變化的情形。

2.2 混凝加藥混凝加藥混凝加藥控制混凝加藥控制控制控制系統系統系統系統

混凝加藥監控系統的建置須先建立水質參數與加藥量之間的關係模組，至 於使用哪些方法可能要依據各個淨水場的情況或成本考量來決定，目前，已有 很多研究根據水質參數建立一套系統來預測最適加藥量，這些參數包括 DOC、UV₂₅₄、濁度、鹼度等。經驗數學模組和類神經網路系統則被用來評估 加藥量的預測能力，很多研究已經利用水質參數去建立一套數學模式來決定需 要的加藥量，由於類神經網路能解決動態非線性問題，與其他有預測能力工具 比起來，更有利於監測資料的分析及預測上，因此本研究以類神經網路作為混 凝加藥量預測之前饋控制系統，以下就類神經網路系統之發展與應用加以說 明︰

˙ ˙ ˙

˙

類神經網路(artificial neural network, ANN)控制器乃是藉由模仿人類 大腦結構，利用大量的資料來訓練類神經網路中的神經元，再用訓練完成 的類神經網路控制器，來控制各個程序。若不易具體敘述完整的操作心 得，而僅能取得長期的應變操作資料，則較適合運用類神經網路技術萃取 有用的操作動作。類神經網路能解決動態非線性問題，與其他有預測能力 工具比起來，更有利於監測資料的分析及預測上。對於高維度的問題，利 用類神經網路高度平行的特性，其計算速度仍舊很快。

在水處理領域上，ANN 系統可根據輸入的水質參數來預測加藥量，

不同於數學模組，因為使用者不需發展一套特定的演算法，取而代之的是 根據先前得到的結果和主要的水質參數去訓練這套系統，這套系統不需去 決定理論與經驗上對於影響因子與結果重要性的關係。然而，為了使 ANN 能準確及快速的運算，ANN 應用於水處理上還是必須先決定影響較大的

水質參數。ANN 系統主要是由很多處理單元所構成，如圖 6 所示，每個 處理單元對於輸入的信號進行加權的運算，輸出結果再成為下一個運算單 元的輸入信號，這些高連結性的運算單元就構成類神經網路，當處理系統 遭遇不同的環境，ANN 會藉由調整權重去適應並學習(Zupan and Gasteiger, 1991;

Sperring et al., 1992; Spining et al., 1994)

。一般而言，ANN 軟體裡面的運算單元主要分為 三層，且信號傳遞都是單向的，利用所有數據的水質參數當成輸入信號，

瓶杯試驗所得到的結果作為欲得到的輸出信號，最後再跟實際得到的輸出 結果比較。

圖 6 類神經網路模型

此外，根據原水水質參數找到與加藥量之間的關係是有區域性的，

ANN 已被證實可用於決定淨水場原水混凝最適加藥量(Mirsepassi et al., 1995)。另 外，不同於經驗公式，ANN 不需建立一個適合實驗數據的數學式子，或 者是在每個參數之間假設理論上理想的關係。根據水質參數的不同，來決 定使用何種混凝劑與加藥量，因此，要決定應用何種系統來預測最適加藥 量，也是要根據此地域的水質參數。首先，要找出對於混凝效果影響較大 的水質參數，作為模組的主要參數，且利用瓶杯試驗所得到的結果與預測 的結果作比較，來驗證此模組的可行性，若要最佳化系統，則需要建立資 料庫。

應用類神經網路於化學混凝系統已有相當多的研究報告，白氏等人以 原水濁度、色度、溫度、流量、pH 值為輸入層，混凝劑加藥量為輸出層，

Alkalinity turbidity

pH Temperature

Coagulant dosage

輸入層 隱藏層 輸出層

下降至 3.5%；而準確度由學習前的 85.7%提高至 96.4%，因此，經過學習 之資料庫，其預測加藥量與實際加藥量的數值相當接近，用來預測混凝程 序是可行的^(白，2002)。黃氏等人則以原水濁度、鹼度、溫度及 pH 值四項參 數為輸入層^(黃，2004)，混凝劑加藥量為輸出層，並根據 2000 年 72 個實際運 行之樣本作為 BP(Back-Propagation)網路之訓練樣本，再從 2001 年選取 30 個樣本作為預留檢驗，發現訓練好資料庫後，經由前 72 個樣本建立之資 料庫計算出之混凝加藥量的誤差百分比為 6~7%，再將 30 個樣本代入已訓 練好之 BP 網路，得到的混凝加藥量誤差百分比為 6~8%之間。

綜合上述，類神經網路系統於淨水場之混凝加藥控制之應用上已相當 普遍，且可輔助混凝最適加藥量的判斷，提升混凝加藥監控系統的時效性 及準確性。

2.3 過濾操作過濾操作過濾操作 過濾操作

在淨水工程中，過濾單元為淨水場出水前的最後一道屏障，主要移除沉澱 時未被去除的膠羽顆粒與細菌，係極重要的處理單元。若以濾速區分，則可分 為慢濾及快濾兩種型式。台灣地區因為地狹人稠，土地昂貴，故許多淨水場在 擴建時，常將早期所建之慢濾池改為快濾池，因為在同一出水量下，後者所需 之土地面積只有前者之十分之一或更低；因此，目前國內大型之淨水場，亦均 採用此一處理程序。

(一一一一) 過濾型式及應用過濾型式及應用過濾型式及應用過濾型式及應用

過濾是一種需間歇性操作的淨水程序，當濾床因阻塞導致水頭損失或過 濾速率減緩時，可藉由反沖洗回復濾池的過濾功能。一般而言，淨水場的過 濾單元多採用重力式的快砂濾法，而以定壓或定濾的方式決定反沖洗時機。

過濾單元移除顆粒的機制主要發生在濾床內，又稱為深床過濾去除顆粒，係 以物理性的篩除去除較濾料孔隙大的顆粒，並藉由傳送(transport mechanism) 及吸著(attachment)去除較小的顆粒。

國 內 的 淨 水 場 中 ， 常 見 的 過 濾 單 元 大 致 為 韋 勒 式 快 濾 池 (Wheeler filters)、綠葉式快濾池(green leaf filters)及哈丁式快濾池(Hardinge filters)三 種，其中，又可依其反沖洗方式，分為全池暫時中斷過濾，如韋勒式快濾池