挑戰(zhàn) 美國西部的一家公共事業(yè)單位有三個工廠，負責(zé)處理地下水和地表水。不同的季節(jié)里，這三個工廠的水處理量都會有很大的變化。工廠都位于落基山脈，地理位置偏遠，運營空間有限。其中一個工廠是采用混凝和過濾技術(shù)的傳統(tǒng)工廠，每天的高水處理量為 1 千萬加侖，夏季的平均水處理量為 500 萬加侖，冬季為 250 萬加侖。工廠為了進一步了解和優(yōu)化凝聚劑的投放量，決定利用水質(zhì)數(shù)據(jù)來建立一套預(yù)測算法，以實現(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)量會大幅波動，因此工廠需要準(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、總有機碳 TOC）、濁度等數(shù)據(jù)），就能確保出廠水的質(zhì)量達標(biāo)，確保水處理工藝穩(wěn)定可靠。例如，當(dāng)春季徑流開始時，水的濁度會達到峰值，然后落回基本水平。而 TOC 卻會在到達峰值后繼續(xù)保持在高位。此時工廠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 是原水和出廠水的以往 TOC 數(shù)據(jù)。
圖 1. 工廠的 TOC 歷史數(shù)據(jù)
解決方案
在每個工藝步驟中，都需要使用各種化學(xué)品來處理水，例如用高錳酸鉀進行預(yù)氧化，用聚氯化鋁（PACl）進行凝結(jié)，用氫氯酸鋁（ACH）助凝劑進行初級處理，用非離子聚合物進行預(yù)過濾。以前，工廠主要用臭氧來消毒，但由于對臭氧的殘留量有較高的要求，如今工廠使用次氯酸鈉來消毒。上述工藝步驟滿足工廠對濁度的原始設(shè)計要求，而當(dāng)工廠增加了 TOC 分析之后，又能確保滿足消毒劑/消毒副產(chǎn)物法規(guī)（DBPRs，Disinfectant/Disinfection Byproduct Rules）。
以往，工廠需要進行很多次杯瓶實驗才能確定正確的凝聚劑投放量，這給操作人員帶來很大的工作量，而且無法得到原水和出廠水質(zhì)量的實時信息。后來工廠購置了兩臺 Sievers* M5310 C 在線型 TOC 分析儀來監(jiān)測原水和出廠水，就大大增強了堿度和濁度數(shù)據(jù)的可靠性，還能夠確定 TOC 的去除率。如果在發(fā)生徑流時水中的 TOC 升高，分析儀就會提示工廠減產(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
工廠收集了往年的原水和出廠水的水質(zhì)數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)來優(yōu)化主要凝聚劑的投放量，并設(shè)定預(yù)測算法中各參數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，原始 TOC 與凝聚劑用量之間有很強的線性關(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，工廠改進了回歸方程，使凝聚劑用量僅與進廠水的 TOC 相關(guān)。工廠仍然使用將 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，可以根據(jù)濁 度和堿度的變化來調(diào)節(jié)凝聚劑的用量。盡管目前工廠尚未*達到自動化，但操作人員可以根據(jù)上述水質(zhì)數(shù)據(jù)做出基于實際數(shù)據(jù)的決策，從而進行正確的操作調(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)，工廠就能準(zhǔn)確調(diào)整化學(xué)品的用量，能夠應(yīng)對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)來做決策和確認合規(guī)性，可以有效地進行水處理，保護自然環(huán)境和人類健康。 TOC 分析幫助工廠調(diào)整季節(jié)性操作，使工廠能夠?qū)δ蹌┑耐斗帕孔鞒稣_決定。其它優(yōu)點包括：
• 臭氧預(yù)氧化去除鐵、錳和 TOC，減少對凝聚劑的需求量
• 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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