水資源與水處理產業智能化應用

 

刊登日期:2020/5/5
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張哲銘、黃莛涵、黃智、羅英維/工研院材化所
 
WATER 4.0是國際上近年來在水相關產業備受矚目的技術發展趨勢,藉由數位化與自動化技術作為核心策略,提升水資源管理效率與優化效能;其核心技術包含虛實整合系統(CPS)、人工智慧智能化分析預測技術,同時仍需跨領域整合水相關產業專業知識。德國水夥伴組織(GWP)提出WATER 4.0白皮書,提到智能化是水相關產業不可避免的發展趨勢,並且其在歐盟境內已有許多場域驗證實例,包含德國國鐵隧道工程、保加利亞汙水處理廠以及維也納地下汙水道等;而在國內,工研院材料與化工研究所水處理智能化團隊也協助淨水廠導入WATER 4.0技術,不僅穩定淨水廠出水水質,減少廢棄汙泥量,同時提升廠內人力資源運用效益。
 
【內文精選】
WATER 4.0
WATER 4.0是由美國柏克萊大學的David Sedlak教授在2014年同名書籍中所提出的概念。依據書中的描述,自從羅馬時代至今,人類社會歷經了三個水資源(Water Resource)及自來水的時代變革,而如今因為都市、氣候、汙染物等改變,我們正在經歷第四個變革,所以叫作WATER 4.0。
 
WATER 4.0主要概念為導入數位化與自動化技術作為核心策略,進行水資源管理,使其具備彈性且提升水資源的應用效益。WATER 1.0至4.0的發展歷程如圖一所示。為了實現WATER 4.0的構想,必須跟更早被提出來的工業4.0整合,透過智慧電網、物聯網服務將整個水資源處理流程系統數位化,連結每一台機器、每一道加工工序與資料數位化儲存;這也是工業4.0中的虛實整合系統(Cyber Physical System; CPS)的實際體現。
 
圖一、WATER 4.0發展歷程
圖一、WATER 4.0發展歷程
 
德國國鐵隧道工程之排水系統即時性監測
德國國鐵(Deutsche Bahn; DB)要在斯圖加特(Stuttgart)至烏爾姆(Ulm)段建造鐵路隧道工程,但因途經施瓦本(Swabian)地區與阿爾伯河(Alb River)的高度複雜地形,如何在能準確監測地下水水層的水壓、水質的同時,進行有效隧道工程作業將變得非常困難。
 
因此他們在隧道沿線布置了超過60個經過優化的感測器,用於監測地下水層的水壓及水質相關化學變化指標,並且這些資訊可以自動化且不間斷地傳送回中控中心。技術人員透過網頁方式即可隨時掌握整體工程狀態,如圖二所示;而這套即時性網頁系統除了提供全面性的監測外,同時包含早期警示系統以及部分科學及統計之資料分析功能,可作為技術人員整體性判斷與決策的依據。
 
該計畫是於2012年所執行,從技術層面來看,較偏向於虛實整合系統的概念,將整體工程、氣候、地形、地下水層等相關資訊數位化,並進行監測,同時因工程管理需求差異性,此案例並未導入智能化資料分析技術,但仍屬於WATER 4.0的成功典型案例。
 
國內WATER 4.0導入案例
除了上述國外案例外,在國內,工研院材料與化工研究所水處理智能化團隊也協助客戶進行轉型邁向WATER 4.0。圖五為水處理智能化的整體概念圖,透過整合既有地端與水質指標資料、水處理(Water Treatment)專業領域知識與智能化運算預測軟體,並以可視化雲端平台呈現,以利進行管理維護。
 
圖五、工研院水處理智能化概念圖
圖五、工研院水處理智能化概念圖
 
工研院材化所水處理智能化團隊協助台南鏡面淨水廠進行混凝沉澱智能化加藥系統建置,該案例整體水處理程序如圖六所示。首先,原水由鏡面水庫進水後須於水躍池處添加硫酸鋁作為混凝劑,並以次氯酸鈉作為前加氯消毒藥劑,完成快混,現階段以瓶杯試驗結果作為手動控制加藥之依據;接著再於膠羽池進行慢混,最後進入沉澱池,依目前操作模式與進流水量停留時間約5~6小時…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》401期,更多資料請見下方附檔。

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