挑戰(zhàn) 美國(guó)西部的一家公共事業(yè)單位有三個(gè)工廠(chǎng)，負(fù)責(zé)處理地下水和地表水。不同的季節(jié)里，這三個(gè)工廠(chǎng)的水處理量都會(huì)有很大的變化。工廠(chǎng)都位于落基山脈，地理位置偏遠(yuǎn)，運(yùn)營(yíng)空間有限。其中一個(gè)工廠(chǎng)是采用混凝和過(guò)濾技術(shù)的傳統(tǒng)工廠(chǎng)，每天的高水處理量為 1 千萬(wàn)加侖，夏季的平均水處理量為 500 萬(wàn)加侖，冬季為 250 萬(wàn)加侖。工廠(chǎng)為了進(jìn)一步了解和優(yōu)化凝聚劑的投放量，決定利用水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)建立一套預(yù)測(cè)算法，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的工藝控制。
在不同的季節(jié)里，水的溫度、流速、質(zhì)量會(huì)大幅波動(dòng)，因此工廠(chǎng)需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為決策的依據(jù)。有了準(zhǔn)確的水質(zhì)數(shù)據(jù)（例如水的堿度、總有機(jī)碳 TOC）、濁度等數(shù)據(jù)），就能確保出廠(chǎng)水的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，確保水處理工藝穩(wěn)定可靠。例如，當(dāng)春季徑流開(kāi)始時(shí)，水的濁度會(huì)達(dá)到峰值，然后落回基本水平。而 TOC 卻會(huì)在到達(dá)峰值后繼續(xù)保持在高位。此時(shí)工廠(chǎng)就需要在使用地表水還是使用地下水井之間做決斷。有了 TOC 數(shù)據(jù)，就能迅速、自信地做出正確決斷。圖 1 是原水和出廠(chǎng)水的以往 TOC 數(shù)據(jù)。
圖 1. 工廠(chǎng)的 TOC 歷史數(shù)據(jù)
解決方案
在每個(gè)工藝步驟中，都需要使用各種化學(xué)品來(lái)處理水，例如用高錳酸鉀進(jìn)行預(yù)氧化，用聚氯化鋁（PACl）進(jìn)行凝結(jié)，用氫氯酸鋁（ACH）助凝劑進(jìn)行初級(jí)處理，用非離子聚合物進(jìn)行預(yù)過(guò)濾。以前，工廠(chǎng)主要用臭氧來(lái)消毒，但由于對(duì)臭氧的殘留量有較高的要求，如今工廠(chǎng)使用次氯酸鈉來(lái)消毒。上述工藝步驟滿(mǎn)足工廠(chǎng)對(duì)濁度的原始設(shè)計(jì)要求，而當(dāng)工廠(chǎng)增加了 TOC 分析之后，又能確保滿(mǎn)足消毒劑/消毒副產(chǎn)物法規(guī)（DBPRs，Disinfectant/Disinfection Byproduct Rules）。
以往，工廠(chǎng)需要進(jìn)行很多次杯瓶實(shí)驗(yàn)才能確定正確的凝聚劑投放量，這給操作人員帶來(lái)很大的工作量，而且無(wú)法得到原水和出廠(chǎng)水質(zhì)量的實(shí)時(shí)信息。后來(lái)工廠(chǎng)購(gòu)置了兩臺(tái) Sievers* M5310 C 在線(xiàn)型 TOC 分析儀來(lái)監(jiān)測(cè)原水和出廠(chǎng)水，就大大增強(qiáng)了堿度和濁度數(shù)據(jù)的可靠性，還能夠確定 TOC 的去除率。如果在發(fā)生徑流時(shí)水中的 TOC 升高，分析儀就會(huì)提示工廠(chǎng)減產(chǎn)，更多地使用地下水。表 1 是平均季節(jié)性 TOC 數(shù)據(jù)。
結(jié)果
工廠(chǎng)收集了往年的原水和出廠(chǎng)水的水質(zhì)數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化主要凝聚劑的投放量，并設(shè)定預(yù)測(cè)算法中各參數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，原始 TOC 與凝聚劑用量之間有很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，而堿度/濁度與凝聚劑用量之間的關(guān)系較弱。在隨后的研究中，工廠(chǎng)改進(jìn)了回歸方程，使凝聚劑用量?jī)H與進(jìn)廠(chǎng)水的 TOC 相關(guān)。工廠(chǎng)仍然使用將 TOC、濁度、堿度相關(guān)聯(lián)的回歸算法。當(dāng)發(fā)生急劇變化的水質(zhì)事件（例如快速融雪或下暴雨）時(shí)，可以根據(jù)濁 度和堿度的變化來(lái)調(diào)節(jié)凝聚劑的用量。盡管目前工廠(chǎng)尚未*達(dá)到自動(dòng)化，但操作人員可以根據(jù)上述水質(zhì)數(shù)據(jù)做出基于實(shí)際數(shù)據(jù)的決策，從而進(jìn)行正確的操作調(diào)整。
由于吸水口在河中，而河水的水質(zhì)每小時(shí)都可能急劇變化，因此每天都需要多次調(diào)整凝聚劑的投放量。有了原始 TOC、堿度、濁度數(shù)據(jù)，工廠(chǎng)就能準(zhǔn)確調(diào)整化學(xué)品的用量，能夠應(yīng)對(duì)夏末雨季的濁度高峰、或季節(jié)性山區(qū)徑流造成的 TOC 和堿度變化。
結(jié)論
根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)做決策和確認(rèn)合規(guī)性，可以有效地進(jìn)行水處理，保護(hù)自然環(huán)境和人類(lèi)健康。 TOC 分析幫助工廠(chǎng)調(diào)整季節(jié)性操作，使工廠(chǎng)能夠?qū)δ蹌┑耐斗帕孔鞒稣_決定。其它優(yōu)點(diǎn)包括：
• 臭氧預(yù)氧化去除鐵、錳和 TOC，減少對(duì)凝聚劑的需求量
• 臭氧按劑量投放，保持臭氧殘留量與原始 TOC 相關(guān)
• 全面提高工廠(chǎng)的年生產(chǎn)效率，優(yōu)化水處理工藝，確保水的清潔度
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