基于智能化過濾系統(tǒng)的農(nóng)村安全飲用水解決方案

□ 彭雙雙 盧 森 黃修行 陳星豪

農(nóng)村地區(qū)飲用水源大多是以山泉水、山澗坑水、河水為水源，水體直接暴露在自然環(huán)境中，很容易受到山體表土沙、泥沖刷，并受到人、畜活動等污染[1]。尤其是在雨季，大量的泥沙涌入，致使水源變得渾濁發(fā)黃，無法飲用。自從開展精準扶貧以來，解決農(nóng)村安全飲用水成為迫切需要解決的問題。廣西電力職業(yè)技術(shù)學院響應(yīng)國家“精準扶貧”號召，對幫扶的河池市環(huán)江毛南族自治縣東興鎮(zhèn)東興社區(qū)安全飲用水進行充分調(diào)研。通過對該供水水源地取樣分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雨天時水質(zhì)存在多項指標超標，如濁度、懸浮物、鐵離子等，且持續(xù)水質(zhì)質(zhì)量持續(xù)若干天，不滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）中規(guī)定的作為飲用水水源地的Ⅲ類及以上水體標準，從而導致飲水終端水質(zhì)未達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》標準；同時供水管道經(jīng)常被泥沙堵塞，難以保證正常供水[2-3]。為解決東興社區(qū)居民飲水問題，擬對水源地至自來水廠段供水設(shè)施及管網(wǎng)進行技術(shù)改造升級，提出了基于智能化過濾系統(tǒng)的農(nóng)村安全飲用水解決方案。

基于智能化過濾系統(tǒng)的農(nóng)村安全飲用水解決方案主要包括兩個模塊，分別為飲用水自動過濾模塊和智能化水質(zhì)檢測模塊。飲用水自動過濾模塊通過工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，達到過濾的功能。智能化水質(zhì)檢測模塊通過檢測傳感設(shè)備收集數(shù)據(jù)，運用檢測算法得出水質(zhì)結(jié)果，根據(jù)結(jié)果再判斷是否啟動相應(yīng)的過濾流程。整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架圖

1 飲用水自動過濾模塊

1.1 總體思路

一是將水源地的水引進沉淀池，在沉淀池內(nèi)通過設(shè)計結(jié)構(gòu)和裝設(shè)工藝設(shè)備，實現(xiàn)過濾的功能。二是通過臭氧殺菌后進行蓄水池，蓄水池的水可直接引入家庭作為飲用水。

1.2 過濾流程

水源地的水進入沉淀池中，同時加藥箱的絮凝劑聚氯化鋁也隨水加入沉淀池。在絮凝劑的反應(yīng)下，大顆粒泥沙將會聚集，并在重力的作用下沉淀。經(jīng)過沉淀池后的水再進入砂濾池，而砂濾池中的石英砂、活性炭能過濾水中細小的泥沙顆粒，同時除臭除異味，最終通過臭氧殺菌進入蓄水池中。具體流程如圖2和圖3所示。

1.3 設(shè)備工藝

1.3.1 絮凝加藥箱

絮凝加藥箱采用PE材質(zhì)藥桶，藥箱容量1000L，人工預拌藥劑，主要用途是為原水中添加絮凝劑聚氯化鋁，采用射流器的自吸原理，添加到原水管路中，再通過管道混合器在管路內(nèi)混合，整個過程無須電動力，使用管理方便，系統(tǒng)工作簡單。

圖2 工藝流程圖

1.3.2 混凝沉淀池

混凝沉淀池的主要作用。先對原水進行加藥混凝反應(yīng)，在絮凝劑的反應(yīng)下，大顆粒泥沙將會聚集，在重力的作用下沉淀，水中所含的泥沙沉淀后，沉淀池設(shè)計采用斜板（斜管）式截流，水力停留時間為20min，更方便污泥排出，沉淀池的材質(zhì)選用混凝土結(jié)構(gòu)。

1.3.3 砂濾池

砂濾池的主要填料為石英砂、活性炭。主要作用是過濾水中細小的泥沙顆粒，同時除臭除異味，其過濾精度高，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點，是目前水處理行業(yè)常用的預處理工藝。

砂濾池具有反沖洗功能。反沖洗是通過空壓機在底部暴氣和反沖洗水泵同時工作，利用氣泡混合沖洗，設(shè)計在砂濾池底部的暴氣裝置，反沖洗水源，來自沉淀池出水口水源。沖洗廢水排除池外。砂濾池材料選用混凝土結(jié)構(gòu)。

圖3 工藝流程圖

1.3.4 臭氧放生器

臭氧發(fā)生器主要是消毒水處理。臭氧發(fā)生器作為高效環(huán)保的消毒設(shè)備，利用了臭氧的強氧化性，臭氧可在一段時間內(nèi)殺滅水中的各種微生物，并且，臭氧的半衰期為8h左右，可以持續(xù)消毒，防止水質(zhì)受到二次污染。

2 智能化水質(zhì)檢測模塊

智能化飲用水檢測模塊分為環(huán)境感知數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)層和云平臺智能化分析處理層[4-5]，框架如圖4所示。

圖4 水質(zhì)檢測模塊框架圖

環(huán)境感知數(shù)據(jù)采集層通過集成化數(shù)據(jù)采集儀，可以對蓄水池環(huán)境數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)pH、總硬度、渾濁度、細菌總數(shù)、溫度、壓力、流量等水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)方式負責把采集到的各個環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞到云平臺，同時也會根據(jù)云平臺的指令傳遞及控制現(xiàn)場設(shè)備，從而采集控制所有的感知層傳感器。云平臺智能化數(shù)據(jù)分析處理層對收集的數(shù)據(jù)與生活飲用水標準進行指標匹配比對，并能實現(xiàn)實時預警功能。同時根據(jù)測量公式計算濁度測量值來自動控制反沖洗的時間和強度。

指標匹配比對采用線性的一一比對方式，某一指標超出范圍值則發(fā)出預警。本文定義f（xi，yj）為指標匹配比對結(jié)果，使用循環(huán)得出各個指標匹配比對結(jié)果，根據(jù)結(jié)果來執(zhí)行相應(yīng)的預警等信息。

根據(jù)美國水廠協(xié)會（AWWA）和美國環(huán)保局的說法，當出水達到0.10NTU時，可以開始過濾器反沖洗過程；當濁度在10NTU～15NTU范圍內(nèi)時，反沖洗過程應(yīng)終止[6]。

本文使用濁度測量來監(jiān)測清洗過程的進展，定義u為濁度測量值：

當u>=0.10時，過濾器反沖洗過程開始。

當u>0.10時，反沖洗過程終止。

準確的濁度測量優(yōu)化了過濾器反沖洗，優(yōu)化了飲用水工廠的性能，最大限度地降低了運行成本。

圖4 晴天水質(zhì)監(jiān)測顯示

圖5 雨天水質(zhì)監(jiān)測顯示

3 實施效果

項目實施地原本的飲用水獲取流程如下：自然山泉涌出水所形成河流，為滿足用水量已筑壩截流形成供水水庫，水流引至水池容量為6.20t，再利用自然重力作用經(jīng)無閥濾池流入落差為30m的80t～100t沉淀池，經(jīng)初步沉淀處理后溢流進入500t蓄水池，為自來水廠待用。在晴天條件下，河水清澈未渾濁，自來水廠出水水質(zhì)目測達標，但未有監(jiān)測設(shè)備可以科學驗證水質(zhì)實際達標。在雨天條件下，河水渾濁，出現(xiàn)沉淀池處理效果不佳，最終導致自來水廠水質(zhì)目測不達標。

項目實施后，晴天和雨天取水抽樣發(fā)現(xiàn)，晴天和雨天水質(zhì)目測并無異樣，說明飲用水自動過濾模塊充分發(fā)揮了作用，過濾了雜質(zhì)。從晴天和雨天水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果圖4和圖5來看，測試結(jié)果只存在微小的可忽略不計的差異。綜合結(jié)果來看，基于智能化過濾系統(tǒng)的農(nóng)村安全飲用水的解決方案能較好地解決農(nóng)村的安全應(yīng)用水問題。

4 結(jié)語

基于智能化過濾系統(tǒng)的農(nóng)村安全飲用水的解決方案即從工藝設(shè)計角度完成水自動過濾，再根據(jù)智能化公式控制和調(diào)度過濾步驟。根據(jù)此方案建成的河池市環(huán)江縣東興鎮(zhèn)東興社區(qū)安全飲用水工程項目，可解決2萬人（其中建檔立卡戶489戶1891人）喝上了符合國家飲用水標準的安全水和放心水的問題，日均供水量達15t，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約500萬元。

同時，項目的建成，極大改善了人民群眾的生活條件、健康狀況以及受益群眾的生產(chǎn)和生活條件，使農(nóng)村群眾減輕了找水、擔水的勞動強度和經(jīng)濟負擔。促進了鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，積極推動了農(nóng)村生活環(huán)境的改善。黨委和政府急農(nóng)民之所急，想群眾之所想，辦群眾之所盼，密切了黨群干群關(guān)系，促進了農(nóng)村社會和諧，具有良好的社會效益。

基于智能化過濾系統(tǒng)的農(nóng)村安全飲用水解決方案為農(nóng)村安全飲用水問題的解決起到了較好的參考作用，不足之處在于智能化控制方面在深度和全面性還有待加強，這是下一步需要完善的工作。