Unfailing Water Quality - · PDF fileUnfailing Water Quality ... Laboratorio MIUR di Ricerca e...
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Knowledge Based Applications to
Unfailing Water Quality
Consolato Generale degli Stati Uniti d’America – Napoli 9 giugno 2004
“Sonde Multiparametriche e Sensori per il Controllo della Qualità
dell’Acqua e Sensori per la Misura del Livello dell’Acqua”
UNI ISO 9001: 2000
Laboratorio MIUR di Ricerca e Sviluppo nel Campo dell’Ingegneria della Conoscenza e delle Applicazioni Software Centro Direzionale is.G1 80143 – 80143 Napoli (ITALY) – Tel 0039 081 750.25.35 www.anova.it [email protected]
Ing. Giovanni Mappa
• in Ground Water Quality Monitoring Application
• in Tertiary Water Treatment Plant Real-time Control
Unfailing Water Quality based on:
1) Data Validation (knowledge based)
2) One-Trace Index WQI for Quality Monitoring
& Water Systems Efficiency Management
3) Early Warning Monitoring to Detect
Hazardous Events in Water Supplies
UNI ISO 9001: 2000
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1) Data Validation
Knowledge Based Data Validation:
Value/Data of a generic WQ Parameter on-line detected
(Dynamic Medium Value of the Period)
Variance (Process Dynamics & Water Quality Variability)
(Total error of the specific measure chain)
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KB Data Validation (ex.: a Dam)
Never be relaxed if the detected value
is different by the KB aspected one!
(You may stay waterless!)
V
Qi
Qu
lev = m
m(t)
m-²/n = (Qi-Qu) KB (Water balance)
(das, hysteresis, etc.)
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KB Data Validation (ex.: a Well)
Q [l/s]
h
[m]
Inverno
Estate
P
Livello Statico
Livello Statico
Livello Dinamico
Piano Campagna
FALDA FREATICA
STRATO
IMPERMEABILE
25
20
15
10
5
0
-5
-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
pH
pE
CARATTERISTICHE (MEDIE) ACQUE SUPERFICIALI ACQUE PROFONDE
Temperatura
Torbidità
Ossigeno Disciolto
Ammoniaca
Nitrati
Ferro e Manganese biv. (disciolti)
Idrogeno Solforato
Gas Carbonico (aggressivo)
Inquinanti e Microinquinanti
Pozzo di captazione
Limite della zona di
cattura del pozzo
Pozzo di
monitoraggio
(rete di
sorveglianza) Centro di
pericolo
2) One-Trace Index WQI [Water Quality Index ]
WQI was developed in the early 1970s by by over 100 water
quality experts from EPA (Environmental Protection Agency) and NSF (National Sanitation Foundation)
WQI can be used to monitor quality changes in a particular
water supply over time, or can be used to compare a water
supply’s quality with other water supply around the world
WQI used a scale from 0 to 100 to rate the quality of the
water, with 100 being the highest possible score
WQI score is calculated detecting 9 WQ parameters: BOD5,
DO, pH, Temperature (T), TDS, Turbidity, Total Nitrogen (TN),
Total Phosphorus (TP) and Fecal Coliform (FC).
WQI is a WAC 173-201A Standards of Quality compliant.
UNI ISO 9001: 2000
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WQI / BOD&DO correlations
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WQI / FC&TN correlations
WQI – Modified by only 5 WQ parameters
(pH, DO/ORP, Cond, Torb, Temp)
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X
Y
Z
Knowledge Surface
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Holistic and Knowledge Based approach to Unfailing Water Quality
3) Early Warning Monitoring
Early Warning Monitoring System to Detect
Hazardous Events in Water Supplies
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Goal: identify low probability/high impact contamination events (chemical,
microbiological, radioactive) in source water or distribution systems in time to
allow an effective local response that reduces or avoid entirely the adverse
impacts that may result from the event.
Requirements for an Ideal Early Warning System:
Provides Warning in sufficient time for action
Cost is affordable
Requires low skill and training
Covers all potential threats
Is able to identify the source
Is sensitive to quality changes at regulatory levels
Gives minimal false positive or negative responses
Is robust
Is reproducible and verificable
Allows remote operation
Functions year-round
Some Advices on EW approach:
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to avoid:
to be untrained in the face of predictable failures from
measurement chain (ex.: maintenances of sensors, etc.)
to be untrained in the face of predictable changing of water quality due to repetitive environmental or anthropic events.
to invest:
in knowledge based approach and tools in water quality data
acquisition systems (multiparameters probes and WMSK)
make ordinary the actual extraordinary problems of WQ
monitoring, to go further on with the application of early warning
monitoring technologies to detect hazardous events!
Sensore
d
h
Sistema di
pulizia
Installazione,
posizionamento,
sporcizia
Rumore e.m.
(rete di alimentazione,
stazioni radio, ecc.)
Sporcizia,
programmazione
Segnale
analogico
o digitale
Trasmettitore
Rumore e.m.
(rete di alimentazione,
stazioni radio, ecc.)
Agenti atmosferici,
invecchiamento
componenti, ecc.
Lunghezza cavo
(perdita di segnale,
interferenze, ecc.)
Segnale non
condizionato
Scatola di
giunzione
RTC
GSM LD Wireless
Ponti Radio
LP
modem modem
Segnale
digitale
Risoluzione nella
conversione A/D
(16 bit, 12bit, ecc.)
modem
Segnale
digitale
N
DAQ
RTUs
PLC
Campionatore
Metodologie di
indagine e analisi
Measurement Chain Faults... (…)
Metrological Efficiency
CM(t) = ·i (t) Chain Metrological Efficiency
- set = ƒ(gain, off-set, drift, etc.)
- old. (t) = ƒ(Life Cycle, time)
- random = ƒ(noise, interferences, etc.)
- fix. = ƒ(sampling., resolut., scale fix)
- site = ƒ(installation, positioning, etc.)
- fouling = ƒ(stream, foul action, etc.)
CM(t) = 1-catenaeri = ·i (t)
old(t) = CV’/CVo ƒ(e-t/cvo)
fouling(t) ƒ(1-t/k+t)
[old(t)+fouling(t)]·o
Deterioration Model
Metrological Time Test
o maintenance scheduled time
Conclusions:
Unfailing Water Quality means to be trained to
exploit WQ data acquisition
Only a few WQ parameters are available to be
detected on-line (as regards national
regulations)
WQ Parameters being equal, a multi-
parameter probe is more effective and …
To invest to knowledge based approach
means to make possible (price being equal) to
have unfailing water quality
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