汙水處理監控系統的製作方法

2023-06-18 01:02:26 2

本發明是關於一種汙水處理監控系統，特別是關於一種利用傳感設備實時監測汙水處理系統的運作，將監測到的數據與雲端監控平臺中儲存的數據進行比對，判斷汙水處理系統是否出現異常的智能型監控系統。

背景技術：

已知的汙水處理系統，大多具有下列的基本處理步驟，如攔截垃圾異物、讓汙水靜置使泥沙沉澱、進行氧化分解或者加入藥劑消毒等程序，讓工業廢水或家庭廢水經過處理後才排放至外界環境當中，避免當中的汙染物或病菌危害自然生態中的水資源。然而光是汙水種類不同，處理的複雜程度與要求就會有所變化，例如工業廢水可能需要處理重金屬材料或有毒物質的殘留，家庭廢水則需要較多有機物分解的處理等。這些都會影響到最後排放的水質。以往的汙水處理系統，大多是定時抽檢相關設備或儲存池的狀態，或者定時檢測排放口的水質來確保符合放流標準。但是這樣的監控方式往往不夠實時，要是水質出現問題，待檢測發現異常時，進行檢測前的這段期間所排出的汙水可能已造成汙染而來不及補救。

另外，考慮人力的資源分配及成本，每個汙水處理系統不易設置特定的人員持續進行監控，因此都是異常發生一段時間後，才能找到對應的操作人員或進行相關的調整。而操作人員的經驗，又是無法預測的變因，人員偷懶疏失造成檢驗不確實，或者為了達到排放標準投入過量的藥劑等，都是利用目前管控汙水處理系統常面臨的問題。

有鑑於此，如何設計一種實時監測汙水處理系統，在各種汙水處裡程序進行時，能實時且持續的監測汙水處理系統的狀態，確保放流的水質能符合排放 標準，同時還能提升操作效率以減少不必要的人力成本浪費，將是汙水處理業者需要的重要技術。因此，本發明的發明人思索並設計一種汙水處理監控系統，針對現有技術的缺失加以改善，進而增進產業上的實施利用。

技術實現要素：

有鑑於上述現有技術的問題，本發明的目的就是在提供一種汙水處理監控系統，以解決已知無法實時監測汙水處理系統，且無法通過與已知資料比對來提早得知異常發生的問題。

根據本發明的一目的，提出一種汙水處理監控系統，其包含汙水處理系統以及雲端監控平臺。其中，汙水處理系統包含多個汙水處理單元、水位數據監測器、設備數據監測器以及水質數據監測器。多個汙水處理單元分別具有汙水容納空間，汙水容納空間之間通過汙水管線互相連接。待處理的汙水由進流管道流入汙水處理系統，利用對應汙水容納空間設置的汙水處理設備進行汙水處理程序後，由放流管道排出。水位數據監測器設置於預設的汙水容納空間當中，監測汙水於汙水容納空間當中的水位高度數據。設備數據監測器連接於汙水處理設備，監測汙水處理設備的操作狀態數據。水質數據監測器設置於預設的多個汙水處理單元當中，檢測汙水於對應的汙水容納空間中的水質監測數據。雲端監控平臺透過網際網路聯機方式與汙水處理系統連接。雲端監控平臺包含資料資料庫、智能資料庫以及處理器。資料資料庫儲存由水位數據監測器、設備數據監測器及水質數據監測器上傳的水位高度數據、操作狀態數據及水質監測數據。智能資料庫連接於資料資料庫，儲存汙水處理系統歷史數據的水質連續監測數據，並且儲存使用者所設定的水位臨界值及設備異常條件。處理器連接於資料資料庫及智能資料庫，實時比對水位高度數據與水位臨界值、操作狀態數據與設備異常條件及水質監測數據與水質連續監測數據，當比對結果發生異常時，傳送異常信息至操作人員。

優選地，汙水容納空間可包含汙水處理池、汙水儲存槽或汙水處理渠道。

優選地，汙水處理系統可進一步包含監測數據收集器，透過物聯網與水位 資料監測器、設備數據監測器及水質數據監測器相連，接收水位高度數據、操作狀態數據及水質監測數據，並經由網際網路聯機上傳至資料資料庫。

優選地，水質監測數據可包含溫度、導電度、酸鹼值、溶氧量及懸浮微粒量。

優選地，水質連續監測數據可依照時間區間連續記錄水質數據監測器所偵測到的水質監測數據，並扣除偵測的無效數據及遺失數據，儲存於智能資料庫當中。

優選地，處理器可比對水質監測數據與水質連續監測數據的相關性，通過計算水質監測數據與水質連續監測數據的差異值，評估差異值的變異性來確認是否為異常狀態。

優選地，汙水處理系統可包含多個汙泥處理單元，分別具有汙泥容納空間，汙泥容納空間之間通過汙泥管線互相連接。多個汙水處理單元產生的汙泥，利用對應汙泥容納空間設置的汙泥處理設備進行汙泥處理程序，將汙泥處理後廢棄，產生的廢水重新回流至汙水處理系統進行汙水處理程序。

優選地，汙泥容納空間可設置水位數據監測器，監測汙泥於汙泥容納空間當中的水位高度數據，並將水位高度數據上傳至資料資料庫。

優選地，汙泥處理設備可設置設備數據監測器，監測汙泥處理設備的操作狀態數據，並將操作狀態數據上傳至資料資料庫。

優選地，雲端監控平臺可進一步包含控制指令資料庫，當實時比對結果發生異常時，處理器將控制指令資料庫中對應的控制指令傳送至產生異常的汙水處理設備，直接調整汙水處理設備的操作參數以調整操作的狀態。

承上所述，依本發明的汙水處理監控系統，其可具有一或多個下述優點：

(1)此汙水處理監控系統能利用水位數據監測器、設備數據監測器及水質數據監測器實時監測汙水處理系統的處理狀態，並且將數據上傳至雲端監控平臺，讓用戶能對汙水處理系統進行實時監控，減少異常狀態發生時間，提高處理應變的效率。

(2)此汙水處理監控系統能通過實時監測數據與智能資料庫所儲存的水位臨界值、設備異常條件及水質連續監測數據進行比對，判斷汙水處理系統當中的汙水水位、設備狀態及汙水水質是否產生異常變化，提出異常信息的警示以及早採取應變措施，持續維持汙水處理系統正常運作的狀態。

(3)此汙水處理監控系統能在異常發生時，利用控制指令直接調整汙水處理設備參數，實時解決異常問題，避免人工操作進行過度的調整，降低整體人力及設備資源的浪費。

附圖說明

圖1為本發明的汙水處理監控系統的示意圖。

圖2為本發明的實施例的汙水處理系統的示意圖。

圖3為本發明的實施例的水質監測器設置的示意圖。

具體實施方式

為利貴審查委員了解本發明的技術特徵、內容與優點及其所能達成的功效，現將本發明配合附圖，並以實施例的表達形式詳細說明如下，而其中所使用的圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後的真實比例與精準配置，故不應就所附的圖式的比例與配置關係解讀、局限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請參考圖1，其為本發明的汙水處理監控系統的示意圖。如圖所示，汙水處理監控系統包含汙水處理系統10以及雲端監控平臺20，兩者可通過有線或無線的網際網路聯機方式互相連接。汙水處理系統10可為各地區的大型汙水處理廠、住家小區的小型汙水處理廠、或是工廠的汙水處理設施等，本實施例以單一汙水處理系統10為例來說明，但汙水處理監控系統也可讓雲端監控平臺20同時連接於多個汙水處理系統，實時進行監控。待處理的汙水由進流口15經由進流管道17流入，經過多個處理程序後由放流管道19導至放流口16排出。汙水處理系統10當中設有第一汙水處理單元11、第二汙水處理單元12以及第三汙水處理單元13，每個汙水處理單元分別進行不同的汙水處理程序，例如過濾 或沉澱汙水中的異物、氧化分解有機物、加入藥劑消毒等。汙水處理程序執行的方式包含設置各自的汙水容納空間，待汙水進入後，再由對應的處理設備執行汙水處理程序。如本實施例所示，第一汙水處理單元11包含第一汙水容納空間11a及第一汙水處理設備11b，第二汙水處理單元12包含第二汙水容納空間12a及第二汙水處理設備12b，第三汙水處理單元13包含第三汙水容納空間13a及第三汙水處理設備13b，各個汙水容納空間之間以汙水管線18連接。這裡所述的汙水容納空間包含汙水處理池、汙水儲存槽或汙水處理渠道等，依照處理程序的需求情況來設置，因此，各種不同需求或不同規模的汙水處理系統可包含不同數量的汙水處理單元，其數量不局限於本實施例所述的三個汙水處理單元。

在上述的汙水處理系統10當中，在各個汙水處理單元當中會設置相關的傳感器來監測汙水處理的情況，同樣如第1圖所示，第一汙水處理單元11包含第一水位數據監測器111、第一設備數據監測器112以及第一水質資料監測器113。第一水位資料監測器111與第一水質數據監測器113設置在第一汙水容納空間11a，分別監測汙水在空間中的水位高度以及汙水處理的水質情況，第一設備數據監測器112連接於第一汙水處理設備11b，監測第一汙水處理設備11b的設備操作狀態。同樣地，第二汙水處理單元12也可包含第二水位數據監測器121、第二設備數據監測器122以及第二水質數據監測器123；第三汙水處理單元13可包含第三水位數據監測器131、第三設備數據監測器132以及第三水質資料監測器133。第二及第三汙水處理單元12、13當中監測器設置的方式可同於第一汙水處理單元11，但本發明不以此為限，水位資料監測器及水質資料監測器也可僅設置在默認的汙水處理單元之中，監測特定程序的處理狀態，而非設置在每一個汙水處理單元當中。另外，設備數據監測器不一定是獨立的傳感裝置，也可為擷取及傳輸裝置，直接抓取汙水處理設備上的操作參數數據或運轉狀態數據，再上傳至雲端監控平臺20。

再次以第一汙水處理單元11為例，第一水位數據監測器111、第一設備數 據監測器112以及第一水質資料監測器113所監測到的水位高度數據、操作狀態數據以及水質監測數據，可利用無線傳輸方式傳送至雲端監控平臺20的資料資料庫21。這裡所述的無線傳輸方式是利用無線傳輸裝置14來傳送監測數據，此無線傳輸裝置14可為無線網絡基地臺，讓各個監測器可利用WiFi傳輸方式連上網際網路，將數據上傳至資料資料庫21。或者無線傳輸裝置14也可為數據收集器，利用物聯網與第一水位數據監測器111、第一設備數據監測器112以及第一水質數據監測器113連接，接收並整合各個監測數據後，再由無線傳輸裝置14一同上傳至資料資料庫21。同樣地，第二汙水處理單元12及第三汙水處理單元13也可用相同的方式來上傳監測數據。

雲端監控平臺20的資料資料庫21儲存了上傳的水位高度數據、操作狀態數據及水質監測數據，而智能資料庫22則連接於資料資料庫21，將各個水質監測器所測量的歷史數據，儲存成為水質連續監測數據，此水質連續監測數據，可包含了每日、每周、每月、每季的連續數據，也即在特定時間區間內，所有水質監測指針的數據。在此，若有發生異常的監測數據，或是監測設備故障無法取得正確監測數據，都必須將其時間區間的數據扣除。通過有效監測記錄值百分率的計算，可以查核並確保數據傳輸數據的有效性，其計算方式可以下列公式計算。

其中，P為有效監測記錄值百分率，T為時間區間的總時間，Du為監測器中無效數據，Dm為監測器中遺失數據。

在確保智能資料庫22當中的水質連續監測數據的有效性後，於第一汙水處理單元11運作的同時，雲端監控平臺20當中的處理器23可比對第一水質監測器113實時測得的水質監測數據與智能資料庫22當中的水質連續監測數據，進行相關性的分析。利用實時水質監測數據與水質連續監測數據當中數據的差值，計算算數平均值、差值標準偏差、信賴係數、相對誤差測試查核的相對準確度及平均差值等特徵值，當這些特徵值超過預設的臨界值時，判定第一汙水處理 單元11當中的水質發生異常。此時，處理器23可傳送異常信息201至汙水處理系統10的操作人員，例如傳送簡訊至操作人員的隨身手持裝置，通知第一汙水處理單元11發生問題，需要儘快採取適當的應變措施，避免水質持續惡化。或者也可在雲端監控平臺發布異常信息，讓連上該平臺的監控人員能得知水質產生異常，而能實時的做出對應的處理。

再者，智能資料庫22也儲存用戶設定的水位臨界值及設備異常條件，當第一汙水處理單元11當中的第一水位數據監測器111偵測到第一汙水容納空間11a當中汙水的水位高於最高臨界值或低於最低臨界值時，處理器23判斷水位高度異常，通過傳送異常信息201對操作人員提出預警，讓操作人員能適時提高或降低流量以調整水位高度問題，避免第一汙水處理設備11b空轉或者無法處理過多的水量。除此之外，設備異常條件則是針對第一汙水處理設備11b的操作狀態進行監控，例如處理器23可比對第一汙水處理設備11b連續運轉是否超過設備異常條件內的設定，當監測到持續運轉超過預設時間時，通知操作人員檢查設備或者考慮替換或重啟設備，避免過度運轉損壞第一汙水處理設備11b。另外，雲端監控平臺20還可包含控制指令資料庫，儲存發生異常時，不同情況所對應的控制指令，當處理器比對發現異常時，可直接將對應的控制指令回傳至汙水處理單元當中，例如第一汙水處理設備11b出現異常時，直接由對應的控制指令調整第一汙水處理設備11b的操作參數，調整機臺設備的操作狀態以避免異常持續發生。上述雲端監控平臺20的架構及監控方式，也可同樣適用於第二汙水處理單元12及第三汙水處理單元13，因而構成整體的汙水處理監控系統。

請參考圖2，其為本發明的實施例的汙水處理系統的示意圖。如圖所示，本實施例的汙水處理系統包含多個汙水處理單元及多個汙泥處理單元，其中汙水處理單元包含攔汙池31、沈砂除油池32、調勻池33、氧化深渠34、最終沉澱池35、消毒池36以及放流池37，通過汙水管線連接。汙水由進流口流入後，經過上述汙水容納空間當中設置的汙水處理設備處理後，由放流口放流排出。 上述的汙水處理單元可分別對應不同的汙水處理設備，例如攔汙池31可設置攔汙機及輸送機；沈砂除油池32設置攪拌機、洗砂機、抽砂泵及洗砂廢水泵；調勻池33包括攪拌機及鼓風機；氧化深渠34設置曝氣機；最終沉澱池35包括刮泥機及浮渣泵；消毒池36設置抽水泵、加藥機及除臭機；放流池37設置抽水泵，上述汙水處理設備的機臺數量均可依汙水處理系統的規模來調整。在每一個機臺設備上都可裝設設備數據監測器，實時監測每一個汙水處理設備操作的狀態。水位數據監測器31a、32a、36a、37a則可選擇裝設在重要的攔汙池31、沈砂除油池32、消毒池36以及放流池37等，監測主要汙水處理程序當中的水位高度。

除了多個汙水處理單元外，汙水處理系統還可設置多個汙泥處理單元，其包含汙泥貯槽41、重力濃縮池42以及廢水收集池43。在最終沉澱池35產生的汙泥，先經由汙泥管線輸送到汙泥貯槽41暫存，部分汙泥經由重力濃縮後形成廢棄汙泥，另一部分則回流至調勻池33。而汙泥處理程序中產生的廢水，則收集到廢水收集池43，重新回到氧化深渠34進行汙水處理程序。汙泥處理單元的汙泥貯槽41可包括進料泵、回流汙泥泵、輸送機、脫水機；重力濃縮池42設置攪拌機；廢水收集池43設置抽水泵等汙泥處理設備。與汙水處理單元類似，汙泥處理單元也在每一機臺設備裝設設備數據監測器，實時監測每一個汙泥處理設備操作的狀態。水位數據監測器41a、43a則選擇性的裝設在汙泥貯槽41重力濃縮池42以及廢水收集池43，監測汙泥處理程序當中汙泥容納空間的水位高度。

請參考圖3，其為本發明的實施例的水質監測器設置的示意圖。如圖所示，本實施例的汙水處理系統包含多個汙水處理單元，如調勻池51、氧化深渠52、沉澱池53以及放流池54，可參考前一實施例的設置，除了針對汙水容納空間進行水位監測及針對汙水處理設備進行狀態監測外，還必須對其中的汙水水質進行監測。以本實施例為例，水質數據監測器51a、52a、54a可分別設置於調勻池51、氧化深渠52以及最終的放流池54，利用前、中、後段汙水處理程序 當中汙水水質的變化，判定水質是否異常。水質數據檢測器設置的位置，依據汙水處理系統的變化也可設置在其他汙水處理單元當中，不局限於本實施例所設置的位置。

這些水質數據監測器51a、52a、54a，可利用傳感器分別檢測汙水的溫度、導電度、酸鹼值、溶氧量及懸浮微粒量，這些項目依照設定條件，例如溫度設定的區間、酸鹼值設定的區間或是懸浮微粒的濃度等，分別由傳感器取得不同條件的監測記錄數值，再將這些數值上傳至雲端監控平臺的資料資料庫，由處理器比對這些實時監測記錄數值與智能資料庫當中的水質連續監測數據的相關性，判斷處理的水質當中，各個監測項目是否產生異常。

相關性的判斷可包含利用實時水質監測數據與水質連續監測數據當中數據的差值，計算算數平均值、差值標準偏差、信賴係數、相對誤差測試查核的相對準確度及平均差值等特徵值。其計算方式包含下列公式(1)-(5)：

其中，為「實時監測記錄」與「水質連續監測數據」數據差值的算術平均值；di為「實時監測記錄」與「水質連續監測數據」數據的差值；n為監測紀錄次數；Sd為「實時監測記錄」與「水質連續監測數據」數據差值的標準偏差；CC為信賴係數(confidence coefficient)；t為檢定值。

以下分別對於水質檢測實際的溫度、導電度、酸鹼值、溶氧量及懸浮微粒量等範例進行說明。首先針對溫度的檢測，可視汙水處理單元設置方式來調整，若是露天的處理池，將會受到日照期間影響而使早晚偵測到的溫度有明顯差距， 例如白天溫度維持於約26℃，而夜間則維持在約23℃，智能資料庫紀錄此處理池每日、每周、及每季的變化，建立溫度變化曲線，當實時監測到的溫度數據明顯偏離曲線時，產生異常信息通知操作者或管理人員。再以導電度為例，處理池當中一日的連續監測數值均在3.5μs/cm至3.9μs/cm間，低導電度數值反映出受汙染程度相對為輕，若是水質數據監測器實時偵測到的數值超過上述數值，或是實時偵測到的數值與連續監測數值差距持續提高，則判斷導電度發生異常。同樣針對溶氧量、酸鹼度及懸浮微粒量的檢測，利用連續偵測數據於智能資料庫當中建立每日的變化曲線，例如溶氧量可介於2ppm至7ppm間、pH值在8至10之間以及懸浮固體在55mg/L至72mg/L間。因此，當實時監測數據超過默認臨界值或是與標準的差值持續擴大，系統則判斷產生異常。這些異常發生時，除了發出異常通知外，也可依預設控制方式直接傳送操作指令至各個汙水處理設備，例如增加加藥機的投藥量，增加攪拌或沉澱時間等，待原本異常的數據回到正常範圍內時，在回復到原本的機臺設定，使整體汙水處理系統更有效率的處理異常狀況。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明的精神與範疇，而對其進行的等效修改或變更，均應包含於後附的申請專利範圍中。

附圖標記說明

10：汙水處理系統

11、12、13：第一、第二、第三汙水處理單元

11a、12a、13a：第一、第二、第三汙水容納空間

11b、12b、13b：第一、第二、第三汙水處理設備

111、121、131：第一、第二、第三水位資料監測器

112、122、132：第一、第二、第三設備數據監測器

113、123、133：第一、第二、第三水質資料監測器

14：無線傳輸裝置

15：進流口

16：放流口

17：進流管道

18：汙水管線

19：放流管道

20：雲端監控平臺

21：資料資料庫

22：智能資料庫

23：處理器

201：異常信息

31：攔汙池

31a、32a、36a、37a、41a、43a：水位資料監測器

32：沈砂除油池

33、51：調勻池

34、52：氧化深渠

35、53：最終沉澱池

36：消毒池

37、54：放流池

41：汙泥貯槽

42：重力濃縮池

43：廢水收集池

51a、52a、54a：水質資料監測器