基于智能化過濾系統的農村安全飲用水解決方案

□ 彭雙雙 盧 森 黃修行 陳星豪

農村地區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黃，無法飲用。自從開展精準扶貧以來，解決農村安全飲用水成為迫切需要解決的問題。廣西電力職業技術學院響應國家“精準扶貧”號召，對幫扶的河池市環江毛南族自治縣東興鎮東興社區安全飲用水進行充分調研。通過對該供水水源地取樣分析，結果發現雨天時水質存在多項指標超標，如濁度、懸浮物、鐵離子等，且持續水質質量持續若干天，不滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中規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未達到《生活飲用水衛生標準》標準；同時供水管道經常被泥沙堵塞，難以保證正常供水[2-3]。為解決東興社區居民飲水問題，擬對水源地至自來水廠段供水設施及管網進行技術改造升級，提出了基于智能化過濾系統的農村安全飲用水解決方案。

基于智能化過濾系統的農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檢測模塊。飲用水自動過濾模塊通過工藝結構的設計，達到過濾的功能。智能化水質檢測模塊通過檢測傳感設備收集數據，運用檢測算法得出水質結果，根據結果再判斷是否啟動相應的過濾流程。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，在沉淀池內通過設計結構和裝設工藝設備，實現過濾的功能。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。在絮凝劑的反應下，大顆粒泥沙將會聚集，并在重力的作用下沉淀。經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 設備工藝

1.3.1 絮凝加藥箱

絮凝加藥箱采用PE材質藥桶，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混合，整個過程無須電動力，使用管理方便，系統工作簡單。

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，在絮凝劑的反應下，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，沉淀池的材質選用混凝土結構。

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，具有出水水質穩定等特點，是目前水處理行業常用的預處理工藝。

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構。

圖3 工藝流程圖

1.3.4 臭氧放生器

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

2 智能化水質檢測模塊

智能化飲用水檢測模塊分為環境感知數據采集層、數據通信網絡層和云平臺智能化分析處理層[4-5]，框架如圖4所示。

圖4 水質檢測模塊框架圖

環境感知數據采集層通過集成化數據采集儀，可以對蓄水池環境數據采集，可實現pH、總硬度、渾濁度、細菌總數、溫度、壓力、流量等水質參數的數據采集。數據通信網絡層由各種網絡方式負責把采集到的各個環境數據傳遞到云平臺，同時也會根據云平臺的指令傳遞及控制現場設備，從而采集控制所有的感知層傳感器。云平臺智能化數據分析處理層對收集的數據與生活飲用水標準進行指標匹配比對，并能實現實時預警功能。同時根據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出預警。本文定義f（xi，yj）為指標匹配比對結果，使用循環得出各個指標匹配比對結果，根據結果來執行相應的預警等信息。

根據美國水廠協會（AWWA）和美國環保局的說法，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范圍內時，反沖洗過程應終止[6]。

本文使用濁度測量來監測清洗過程的進展，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。

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

圖4 晴天水質監測顯示

圖5 雨天水質監測顯示

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無閥濾池流入落差為30m的80t～100t沉淀池，經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，自來水廠出水水質目測達標，但未有監測設備可以科學驗證水質實際達標。在雨天條件下，河水渾濁，出現沉淀池處理效果不佳，最終導致自來水廠水質目測不達標。

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

4 結語

基于智能化過濾系統的農村安全飲用水的解決方案即從工藝設計角度完成水自動過濾，再根據智能化公式控制和調度過濾步驟。根據此方案建成的河池市環江縣東興鎮東興社區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，產生直接經濟效益約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和生活條件，使農村群眾減輕了找水、擔水的勞動強度和經濟負擔。促進了鄉鎮區域經濟的發展，積極推動了農村生活環境的改善。黨委和政府急農民之所急，想群眾之所想，辦群眾之所盼，密切了黨群干群關系，促進了農村社會和諧，具有良好的社會效益。

基于智能化過濾系統的農村安全飲用水解決方案為農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。