廢污水具有水質/水量變異大的性質，為了在處理過程中達到環保主管機關所要求的放流水標準，或達到回收再利用的水質標準，無論在設計或是操作過程中，往往有過度保守的情況，造成能源、藥品及耗材的過度使用，不但對業主是財務上的浪費，對環境而言，也造成額外的負荷。就管理層面而言，由於欠缺一個科學化的作業系統，在倚賴人工處理的情況下，人為疏失發生機會高，環保及工安事故屢見不鮮。
本文將從以下大綱，介紹工研院材化所如何將物聯網(IoT)及人工智慧(AI)運用到水及污水處理的領域中，讓IoT所收集到的數據有更進一步發揮效能的機會。
‧物聯網在水處理相關的運用
1. 物聯網
(1) 感知層
(2) 網路層
(3) 應用層
2. 物聯網在國內水環境保護的運用
(1) 環保署
(2) 水利署
(3) 各地方政府
3. 大數據的運用
‧水處理特性與智能化
1. 何謂智能化
2. 水質/水量的變異
3. 安全係數與Over Design/Over Operation
4. 智能化適合於水處理
‧水處理智能化的作法
1. 自動化vs.智能化
2. 智能化管理平台
(1) 基本階段
(2) WISE-PaaS
3. 成套解決方案
4. 人工智慧的運用
5. 全廠決策輔助系統
‧結語
1. 水處理智能化的效益
2. 水處理智能化的處境及未來
【內文精選】
物聯網在水處理相關的運用
1. 物聯網
物聯網(Internet of Things; IoT)以無線或有線的網際網路對設備進行固定位址的連結，以形成互相聯通的網路，具有網路互聯、通訊識別以及智慧功能。IoT具有自動反應、自我回饋、智慧控制等特性，常用的方式是使用各種「感測器(Sensor)」對外界的光、電位、電流、熱、磁、壓力、流量、酸鹼度、化學品濃度等訊號有所反應。物聯網的組成可分為三大部分：感知層、網路層與應用層。
2. 物聯網在國內水環境保護的運用
(1) 環保署
國內物聯網技術運用在水質及水情監測方面，主要有環保署的「重大點源放流水自動連續監測資訊公開查詢系統」。自民國106年10月以後環保法規要求，除發電廠以外排放量大於1,500 CMD之污水處理廠，必須設有自動連續監測設施，將流量、溫度、酸鹼度及導電度，連網傳到環保署網站。超過5,000 CMD者，除了上述項目外，再增加化學需氧量、懸浮固體物及放流口監視攝錄影。工業區專用下水道超過2,000 CMD者，均需將放流水流量、溫度、酸鹼度、導電度、化學需氧量、懸浮固體物及攝錄影監視上傳至該網站。
水處理特性與智能化
4. 智能化適合於水處理
如前所述，水處理具有進流水水量/水質高度變易的特性，工程師及科學家雖努力發展出許多數學模型來模擬水處理過程的各種現象，舉例來說，目前最廣為接受的污水生物處理模型「活性污泥三號模型」(Activated Sludge Model No.3; ASM#3)，其中就包含了21個生化程序，以及49個參數，其複雜的程度可想而知。ASM#3提供了水處理的學理依據，帶來許多的方便，專家學者們也仍繼續努力想要把整個模型發展得更細緻、更完全。然而，從另一個方向來看，水處理的過程由於變異性大、數學模型的運算不容易，這些特性適合運用人工智慧(AI)來處理，透過機器學習的特有方式，達到預測的功能，進一步得以運用到實際的控制上。
水處理智能化的作法
2. 智能化管理平台
(3) 工研院光復院區的遠端控制中心
工研院於新竹市光復院區設有智能化遠端監控中心（如圖一所示），以WISEPaaS及其核心軟體WebAccess架設。該中心計畫將工研院材化所位於全國各地的水處理模廠訊號以固定IP的方式回傳，在新竹的控制中心以可視化Dashboard呈現，將數據轉化成友善易懂的指標，以利管理者迅速了解處理狀況。該監控中心除了監看的功能外，也能夠透過無線網路傳輸，在新竹的監控中心對全國各模廠進行控制。計畫的試驗廠包括了桃園北區水資源回收中心NF膜廢水回收及MBR廢水處理、平鎮工業區EDR廢水回收、楠梓污水處理廠NF膜廢水回收、臨海污水處理廠EDR廢水回收以及工研院中興院區污水處理廠等。
圖一、工研院光復院區的水處理智能化遠端控制中心
3. 成套解決方案
成套解決方案SRP是水處理智能化的基本單位，工研院材化所目前開發中的SRP包括：進流抽水機智慧節能SRP、鼓風機智慧節能SRP、生物處理智能化控制SRP、混凝沉澱智能化控制SRP以及薄膜過濾智能化控制SRP（如圖二所示）。SRP的組成包含了幾個重要的部分：線上監測設備、數據採擷與控制系統(Supervisory Control and Data Acquisition; SCADA)、智能化運算及可調控的設備。分別簡介如下…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、水處理智能化成套解決方案示意圖
作者：羅英維／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」380期，更多資料請見下方附檔。