絮体污泥介观动力学的测试方法

　　申请日2013.01.11

　　公开(公告)日2013.05.01

　　IPC分类号G01N21/85

　　摘要

　　本发明公开了一种絮体污泥介观动力学的测试方法与装置，主要研究絮体污泥在介于宏观尺度下的流动特性和微观尺度下微生物聚集体结构变化之间的动力行为(10nm～100nm)。絮体污泥介观动力学的研究对象为污泥介观团块，在不同的流动介质中与水力条件下，介观亚结构和动态结构的变形规律以及聚合、断裂行为。絮体污泥介观动力学测试装置和测试方法是一种用来研究和表征絮体污泥特性的新的测试手段。利用本发明可实现对絮体污泥在介观尺度下水动力学和形貌演变机制的研究，提高不同尺度上絮体污泥评价结果的相关性，加深对絮体污泥行为与性状变化的估计和机理认识，优化水处理反应器的运行效果。

　　权利要求书

　　1.一种絮体污泥介观动力学的测试装置，其特征在于：该装置由硬件系统和软件系统组成，硬件系统包括光路系统、图像采集系统、信号同步控制系统和絮体污泥测试平台，软件系统包括图像处理模块与数据分析模块，数据分析模块又包括介观参数测量模块;光路系统由激光器和透镜组组成，通过数据线与计算机和信号同步控制系统的同步控制器连接;絮体污泥测试平台包括样品混合与投加池、多维调节台、样品测试器和出水储存罐，絮体污泥测试平台上还设置有图像采集系统。

　　2.根据权利要求1所述的絮体污泥介观动力学的测试装置，其特征在于：所述的图像采集系统包括由第一CCD相机图像采集器和第二CCD相机图像采集器，标定板置于第一CCD相机图像采集器和第二CCD相机图像采集器的片光照射中。

　　3.根据权利要求2所述的絮体污泥介观动力学的测试装置，其特征在于：同步控制器上游通过数据线与计算机相连接收计算机指令，下游通过并行分支结构分别与激光器及第一CCD相机图像采集器和第二CCD相机图像采集器连接，以控制激光器与CCD相机图像采集器拍摄帧频同步，实现图像与光照的同步采集。

　　4.根据权利要求1所述的絮体污泥介观动力学的测试装置，其特征在于：激光器为YAG激光器，功率为175mW ，波长532nm。

　　5.一种絮体污泥介观动力学的测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

　　第一，絮体污泥的制备与前处理：

　　根据不同的研究需要，制备不同絮体污泥，在正式进入主体测试平台之前，选择如下处理方法之一：

　　透明或半透明状絮体污泥或絮体团聚物

　　透明的絮体污泥或絮体团聚物可直接进入主体测试平台;半透明状絮体污泥或絮体团聚物根据具体情况可直接或参考非透明类絮体污泥或絮体团聚物进行前处理;

　　非透明类的絮体污泥或絮体团聚物

　　根据絮体污泥或絮体团聚物自身化学和物理特性，在不影响和改变其自身性状和结构的前提，选取细胞荧光素CY3、TRITC和Propidium Iodide之一，按使用要求进行前处理;

　　第二，测试系统的布设：

　　在系统正式开始测试之前，各组成装置布局要求如下：

　　①调节透镜组支架，使激光器发射的激光经透镜组所生成的片光垂直进入样品测试器中的液面;

　　第一CCD相机与第二CCD相机的镜头面、感光面与激光片光面的三个面平行，且两部相机镜头中心轴线垂直于片光，以保证不同相机采集到的不同尺度的图象为同一物理空间中同一时刻的测试对象;

　　将标定板至于片光照射中，使片光的厚度分别照在标定板两面;

　　标定板面方向与CCD镜头面平行，其中标定板正反两面具有不同间距与刻度标定点，分别用于介尺度和宏观尺度成像的标定;

　　第三，测试装置的启动与样本的加载：

　　① CCD相机参数的初始成像标定

　　通过对照标定调焦，使标定点能清晰成现于计算机图像上，分别进行介尺度和宏观尺度CCD相机的标定，对标定板上的标定点进行拍照后，系统通过将图像上标定点之间所占像素与实际标定点上距离的对比，自动计算出图像上的实际像素所代表实际物理空间的距离，确定像距与物距之比;根据具体试验需要，设定相机快门参数，以捕捉更多信息;

　　激光脉冲频率与相机帧频的设定

　　按具体研究目的和要求，根据实际流场分布情况，设置激光脉冲频率与CCD的拍摄帧频，并开启同步控制器，对两部相机及激光器进行控制;

　　絮体污泥投加

　　按具体研究目的和要求，将所制备的絮体污泥投加至主体测试平台内的样品混合器中，促进絮体污泥与水的均匀混合;

　　为了保持污泥絮体的完整，不破坏絮体的内部结构和形态，采用高位静压均匀布水方式，使混合液进入样品测试器，并根据测试研究控制进水流速和流量;

　　第四，絮体污泥介尺度动力学参数测量

　　絮体污泥介尺度动力学参数测定依靠系统软件中的介观参数测量模块完成，其过程主要包括：

　　① 介观成像、图像采集与存储

　　观测主体测试平台内，絮体污泥介尺度的形貌动态变化;

　　根据测试要求，对絮体污泥进行连续采集与存储;

　　图像前处理

　　由于在用CCD抓拍图像时，流场絮体污泥变化过程中的反光性并不是一致，因此在实测采集的图像中含有不同程度的噪声，不仅影响图片质量，而且降低测量精度，故需对原始图像进行去噪和增强;目前图像去噪算法主要包括：加权平均法、中值滤波法、模板平滑法;增强方法分为基于空间域和变换域两大类，前者直接对像素进行操作，包括灰度图像的线性变换和直方图法，后者在图像变换域中处理，再反变换到空间域获得增强的图像;

　　介观图像信息提取、动力学参数的计算、数据输出

　　信息提取

　　经过图像预处理后，对同一间隔时间所拍连续单帧照片进行絮体形貌信息提取，充分考虑絮体污泥的脉动变化与“软物质”特性，改进传统基于“硬质”粒子图像的相关测速方法，采用絮团分形维数最大相关法;通过图像中絮团分形维数匹配算法获得絮体微团在像平面上的位移，计算出絮体团动态结构变化、亚结构分形数、运动速度、变形速率以及剪切力等;

　　动力学参数的计算

　　将图象中的计算结果，通过初始标定介观CCD相机时确定比例参数，进而计算获得实际介尺度动力学参数;

　　数据输出

　　输出絮体污泥的二维介观形貌、亚结构分形维数、XY方向上的形变速率、形变旋量场;

　　第五，絮体污泥宏尺度动力学参数测量：

　　宏观成像、图像采集与存储

　　观测主体测试平台内，絮体污泥介尺度的形貌动态变化;

　　根据测试要求，对絮体污泥进行连续采集与存储;

　　图像前处理

　　宏观图像信息提取、动力学参数的计算、数据输出

　　信息提取

　　对经过前处理后的照片，进行流场与絮体污泥两相流场的图像分割;即：将原始图像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素为污泥絮体，背景像素为流体;

　　点击流体计算模块，对流体采用粒子互相关法进行计算;

　　点击絮状污泥计算模块，充分考虑絮体污泥的脉动变化与“软物质”特性，改进传统基于“硬质”粒子跟踪的测速方法，采用絮团“最小分形维数变化率”作为判定条件进行计算;

　　由上计算出絮体污泥在图形中的XY方向上的流速、周边液相XY方向上流速、絮体污泥宏观形貌、宏观结构分形数;

　　动力学参数的计算

　　将图象中的计算结果，通过初始标定宏观CCD相机时确定比例参数，进而计算获得实际宏观尺度动力学参数;

　　数据输出

　　对所采集到的絮体污泥宏观动态行为的图像进行絮体—流体两相流场分析，输出絮体污泥的XY方向上的流速、周边液相XY方向上流速、絮体污泥宏观形貌、宏观结构分形数等;

　　第六，数据处理与分析

　　实时采集连续单帧图像，重复上述第四步骤和第五步骤，可实现对絮体污泥介观动力学参数、宏观力学参数及周围流场的动态分析;数据处理与人机交互系统主要是通过计算机实现用户与系统的交流，实现对数据的编辑、分析和操作，按用户要求编辑数据结果、绘制相关曲线，实现分析结果可视化输出，并导出Execl格式的数据报告。

　　说明书

　　絮体污泥介观动力学的测试方法与装置

　　技术领域

　　本发明属于水处理环保技术领域，具体地是涉及一种絮体污泥介观动力学的测试装置及测试方法。

　　背景技术

　　水处理过程中，絮体污泥的动力行为直接影响着后续处理工艺单元的效果。以往对于絮体污泥的研究主要分为两大类，一是在宏观尺度上对其水动力学行为研究及参数测定，具体包括：絮体污泥的流速、悬浮浓度、污泥体积指数、污泥沉降比等;二是在微观尺度上，借助电镜扫描、高分辨率显微镜等手段对其形貌结构的变化行为进行研究，测定参数主要包括：分形数、微观形貌、微观结构等。但是从宏观到微观这两个尺度间的跨越大约为四到五个数量级，这两者间所存在的较大空间导致了两种研究方法及其评价结果的相关性差，难以在絮体污泥微观表征参数与宏观指标之间构建联系，以提高对絮体污泥行为与性状变化的估计和机理认识。

　　发明内容

　　本发明为了解决现有技术中的问题，而建立一套在介于宏观与微观之间的介尺度条件下，对絮体污泥动力行为的测试技术及装置，目的是填补现有水处理领域中絮体污泥在介观尺度上测试技术和装置的空白。

　　本发明所采取的技术方案是：

　　本发明的絮体污泥介观动力学的测试装置由硬件系统和软件系统组成，硬件系统包括光路系统、图像采集系统、信号同步控制系统和絮体污泥测试平台，软件系统包括图像处理模块与数据分析模块，数据分析模块又包括介观参数测量模块;光路系统由激光器和透镜组组成，通过数据线与计算机和信号同步控制系统的同步控制器连接;絮体污泥测试平台包括样品混合与投加池、多维调节台、样品测试器和出水储存罐，絮体污泥测试平台上还设置有图像采集系统。

　　所述的图像采集系统包括由第一CCD相机图像采集器和第二CCD相机图像采集器，标定板置于第一CCD相机图像采集器和第二CCD相机图像采集器的片光照射中。

　　同步控制器上游通过数据线与计算机相连接收计算机指令，下游通过并行分支结构分别与激光器及第一CCD相机图像采集器和第二CCD相机图像采集器连接，以控制激光器与CCD相机图像采集器拍摄帧频同步，实现图像与光照的同步采集。

　　激光器为YAG激光器，功率为175mW ，波长532nm。

　　本发明的絮体污泥介观动力学的测试方法，包括如下步骤：

　　第一，絮体污泥的制备与前处理：

　　透明或半透明状絮体污泥或絮体团聚物

　　具体步骤如下：

　　(1)蒸馏水清洗杂质;

　　(2)按测试要求，配置浓度，并与待测流体均匀混合;

　　非透明类的絮体污泥或絮体团聚物

　　具体步骤如下：

　　(1)将污泥放置在染色容器内;(2)蒸馏水清洗杂质;

　　(3)选取细胞荧光素染1分钟; (4)自来水冲洗;

　　(5)加碘液覆盖涂面染1分钟;(6)水洗，用吸水纸吸去水分;

　　(7)加95%酒精数滴，并轻轻摇动进行脱色，30秒后水洗，吸去水分;

　　(8)蕃红梁色液(稀)染10秒钟后，自来水冲洗;(9)染色完毕后，按测试要求，配置浓度，并与待测流体均匀混合;

　　第二，测试系统的布设：

　　在系统正式开始测试之前，各组成装置布局要求如下：

　　①调节透镜组支架，使激光器发射的激光经透镜组所生成的片光垂直进入样品测试器中的液面;

　　将标定板至于片光照射中，使片光的厚度分别照在标定板两面。标定板面方向与CCD镜头面平行，其中标定板正反两面具有不同间距与刻度标定点，分别用于介尺度和宏观尺度成像的标定;

　　第三，测试装置的启动与样本的加载：

　　① CCD相机参数的初始成像标定

　　激光脉冲频率与相机帧频的设定

　　按具体研究目的和要求，根据实际流场分布情况，设置激光脉冲频率与CCD的拍摄帧频，并开启同步控制器，对两部相机及激光器进行控制;

　　絮体污泥投加

　　按具体研究目的和要求，将所制备的絮体污泥投加至主体测试平台内的样品混合器中，促进絮体污泥与水的均匀混合。为了保持污泥絮体的完整，不破坏絮体的内部结构和形态，采用高位静压均匀布水方式，使混合液进入样品测试器，并根据测试研究控制进水流速(0～1.5m/s)和流量(0～20L/h);

　　第四，絮体污泥介尺度动力学参数测量

　　絮体污泥介尺度动力学参数测定依靠系统软件中的介观参数测量模块完成，其过程主要包括：

　　① 介观成像、图像采集与存储

　　l 观测主体测试平台内，絮体污泥介尺度的形貌动态变化;

　　l 根据测试要求，对絮体污泥进行连续采集与存储;

　　图像前处理

　　介观图像信息提取、动力学参数的计算、数据输出

　　l 信息提取

　　l 动力学参数的计算

　　将图象中的计算结果，通过初始标定介观CCD相机时确定比例参数，进而计算获得实际介尺度动力学参数;

　　l 数据输出

　　输出絮体污泥的二维介观形貌、亚结构分形维数、XY方向上的形变速率、形变旋量场;

　　第五，絮体污泥宏尺度动力学参数测量：

　　宏观成像、图像采集与存储

　　观测主体测试平台内，絮体污泥介尺度的形貌动态变化;

　　根据测试要求，对絮体污泥进行连续采集与存储;

　　图像前处理

　　宏观图像信息提取、动力学参数的计算、数据输出

　　l 信息提取

　　点击流体计算模块，对流体采用粒子互相关法进行计算;点击絮状污泥计算模块，充分考虑絮体污泥的脉动变化与“软物质”特性，改进传统基于“硬质”粒子跟踪的测速方法，采用絮团“最小分形维数变化率”作为判定条件进行计算;

　　由上计算出絮体污泥在图形中的XY方向上的流速、周边液相XY方向上流速、絮体污泥宏观形貌、宏观结构分形数;

　　l 动力学参数的计算

　　将图象中的计算结果，通过初始标定宏观CCD相机时确定比例参数，进而计算获得实际宏观尺度动力学参数;

　　l 数据输出

　　第六，数据处理与分析

　　本发明的优点和有益效果为：

　　本发明是一种在介于宏观与微观之间的介尺度条件下，对絮体污泥动力行为的测试装置及测试方法，该装置可在介尺度上观察和测试絮体污泥的亚结构、动态形变、聚合、断裂、运动等过程，以及在宏观尺度上其在流体介质运动时对应每一时刻的流速、压力等水动力学参数。利用本发明可实现对絮体污泥在介观尺度下水动力学和形貌演变机制的研究，提高不同尺度上絮体污泥评价结果的相关性，加深对絮体污泥行为与性状变化的估计和机理认识，优化水处理反应器的运行效果。

　　本发明适用于处理各类水处理反应器中的絮体污泥的介观尺度动力学行为和宏观尺度流体力学行为的测试，不受污泥种类的限制。