申请日2013.12.20
公开(公告)日2014.03.12
IPC分类号G01N15/02; G01N15/04
摘要
本发明涉及一种活性污泥在线计算机图像分析预警系统及方法;该系统由样品稀释器、蠕动泵、计算机、高速摄像机、显微镜和样品室构成。该方法是先获取样品形态图像，然后对获取的图像进行处理处理，分析活性污泥的絮体尺寸分布和丝状菌长度分布，将污泥絮体颗粒尺寸分布和丝状菌长度分布和活性污泥沉降性能相关联，进而对活性污泥沉降效果进行预警。
权利要求书
1.一种活性污泥在线计算机图像分析系统，其特征在于该系统由样品稀释器、 蠕动泵、计算机、高速摄像机、显微镜和样品室构成，样品稀释器与样品室由 循环管路连接，循环管路上设有蠕动泵;样品室由玻璃制成，设置在显微镜物 镜下方;一高速摄像机设置在显微镜目镜上方，通过显微镜对样品室中流动的 样品进行拍摄;计算机，用于控制高速摄像机进行图像获取和对蠕动泵进行自 动控制，根据获取的图像分析活性污泥的絮体尺寸分布和丝状菌长度分布，将 污泥絮体颗粒尺寸分布和丝状菌长度分布和活性污泥沉降性能相关联，对活性 污泥沉降效果进行预警。
2.一种活性污泥在线计算机图像分析和预警方法，包括以下步骤：
步骤一：利用设置在显微镜上的高速摄像机上获取样品的图像信息，传送给计 算机;
步骤二：计算机根据获取的形态图像进行图像处理，分析活性污泥的絮体 尺寸分布和丝状菌长度分布，
步骤三：观察活性污泥絮体平均直径及其标准偏差随所分析图像的数量的变化， 确定所需分析的活性污泥图像数量，絮体平均直径及其标准偏差稳定时的图像 分析张数为所需的图像数量;
步骤四：通过测定不同活性污泥样品的沉降性能及其污泥絮体颗粒尺寸分布和 丝状菌长度分布，找到沉降性能和污泥形态图像特征之间的关联;测定丝状菌总 长度和污泥沉降性能之间的线性相关关系;
步骤五：设定沉降性能预警值，计算机根据对获取的图像进行处理、分析， 并且和步骤四中的活性污泥沉降性能相关联，对活性污泥沉降效果进行预警。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中对活性污泥图像处 理包括污泥絮体颗粒尺寸分布和丝状菌长度分布;具体如下：
1)污泥絮体颗粒尺寸分布的测定：
污泥絮体颗粒尺寸分布主要通过以下几步完成：
(1)从获取的活性污泥样品图像中截取静态图像，获得活性污泥样品显微 镜图像;
(2)将显微镜图像转化为二进制图像。转化的标准是将灰度大于某一阈值 的像素作为‘物体’，将灰度小于这个阈值的像素作为图像背景，阀值的 大小由图像分析算法自动生成;
(3)对二进制图像进行降噪处理，去除图像中的杂质，得到活性污泥絮体 颗粒图;
(4)活性污泥絮体尺寸分布测定，通过计数絮体颗粒图中单个絮体的像素 数量，就可以测量出絮体的大小，此步测定的絮体尺寸的单位为像素，测 定后标定尺寸;
(5)像素尺寸和国际标准长度单位的转化：利用已知长度的微标尺，测定 其像素长度，从而转化为国际标准长度。
2)丝状菌长度分布的测定：
(1)丝状菌提取，将二进制图像和絮体颗粒图相减，就可以得到丝状菌和 一些颗粒杂质的二进制图像;
(2)将丝状菌和一些颗粒杂质的二进制图像进行降噪和对丝状菌提取骨架， 得到长度方向单像素的丝状菌骨架图像;
(3)通过计数单个丝状菌像素，测量出丝状菌的像素长度，并转化成国际 标准长度。
说明书
活性污泥在线计算机图像分析预警系统及方法
技术领域
本发明属于一种污水处理过程检测技术，具体来说就是为污水生物处理过 程中，二次沉淀池(二沉池)的活性污泥丝状菌情况进行连续计算机图形分析， 从而对可能出现的污泥丝状菌膨胀进行预警的方法。
背景技术
活性污泥法是最常见的生活污水处理技术。活性污泥经过二沉池实现泥水 分离，获得较澄清的出水。活性污泥沉降性能的好坏是取得较好出水水质的关 键，而污泥丝状菌膨胀是影响活性污泥沉降性能的一个重要因素。根据污泥絮 体形成的骨架理论,丝状菌能够为活性污泥絮体提供附着骨架，从而抵抗水力 的剪切作用，保持较大的体积以利于沉降。但是，当丝状菌过量生长的时，就 会影响污泥絮体之间的碰撞结合，使活性污泥变得松散，导致活性污泥膨胀。 现代活性污泥处理厂，特别是氮磷去除反应器，都有比较长的停留时间，溶解 性易降解有机物浓度较低。这些因素都会利于丝状菌的生长。因此，及时地监 测活性污泥丝状菌的状况是保证活性污泥法污水处理系统正常运行的重要保 障。
显微镜检测是检验活性污泥形态及其丝状菌含量的一个常用方法。但是这 种方法比较耗时，不能及时的反应活性污泥的沉淀状态，而且容易受到操作人 员的主观判断的影响。这些因素都限制了微生物显微镜检测在活性污泥即时监 测方面的应用。本发明利用在线计算机图形处理的方法代替传统微生物镜检， 获得活性污泥形态和沉降性能之间的关系。计算机图形处理是一种从图形中提 取定量信息的方法。它具有快速，定量的优点，并且可以避免人工操作的主观 性。
上世纪90年代末期，利用计算机图形分析的方法对活性污泥絮体形态分 析的方法开始在国外出现，通过分析活性污泥絮体的直径，分形常数，丝状菌 总长度等指标来评价活性污泥形态及其对活性污泥沉降的影响。在这些现有的 方法中，活性污泥絮体的大小一般是用平均直径来表示的。而活性污泥一般是 由大小差异很大的絮体颗粒组成的集合。只用一个平均数字来概括其大小显然 是不足的。因此在本发明中，将引入絮体大小分布和丝状菌长度分布的概念。
另外现有的活性污泥计算机图形分析方法都是离线完成的，通过人工取样、 样品准备、图像获取和分析来实现。这是限制了计算机图形分析方法在活性污 泥膨胀检测应用的关键。
发明内容
1、要解决的技术问题
现有活性污泥图像分析方法主要通过离线方法来完成，并且仅能够测定污 泥絮体和丝状菌的平均直径和总长度，无法作为二沉池沉降效果的在线预警。 本发明要解决的关键问题，就是提供一种可以在线计算机图形分析方法，对活 性污泥形态进行实时分析。
2、技术方案
为解决以上问题，本发明通过在线计算机图形分析方法，实时地分析活性 污泥的絮体尺寸分布和丝状菌长度分布，并且关联污泥沉降指数，从而实现对 二沉池沉降效果进行在线预警。
本发明公开了一种活性污泥在线计算机图像分析系统，该系统由样品稀释 器、蠕动泵、计算机、高速摄像机、显微镜和样品室构成，样品稀释器与样品 室由循环管路连接，循环管路上设有蠕动泵;样品室由玻璃制成，设置在显微 镜物镜下方;一高速摄像机设置在显微镜目镜上方，通过显微镜对样品室中流 动的样品进行拍摄;计算机，用于控制高速摄像机进行图像获取和对蠕动泵进 行自动控制，根据获取的图像分析活性污泥的絮体尺寸分布和丝状菌长度分布， 将污泥絮体颗粒尺寸分布和丝状菌长度分布和活性污泥沉降性能相关联，对活 性污泥沉降效果进行预警。
本发明还公开了一种活性污泥在线计算机图像分析和预警方法，包括以下 步骤：
步骤一：利用设置在显微镜上的高速摄像机上获取样品的形态图像信息， 传送给计算机;
步骤二：计算机根据获取的形态图像进行图像处理，分析活性污泥的絮体 尺寸分布和丝状菌长度分布，
步骤三：观察活性污泥絮体平均直径及其标准偏差随所分析图像的数量的 变化，确定所需分析的活性污泥图像数量，絮体平均直径及其标准偏差稳定时 的图像分析张数为所需的图像数量;
步骤四：通过测定不同活性污泥样品的沉降性能(以污泥沉降指数SVI)及其 污泥絮体颗粒尺寸分布和丝状菌长度分布，找到沉降性能和污泥形态图像特征 之间的关联，以便通过在线图形分析，得出活性污泥形态特征(活性污泥的絮 体尺寸分布和丝状菌长度分布)，就可以预警其沉降效果;测定丝状菌总长度 (TEFL)和污泥沉降性能之间的线性相关关系。
步骤五：设定沉降性能预警值，计算机根据对获取的图像进行处理、分析， 并且和步骤四中的活性污泥沉降性能相关联，对活性污泥沉降效果进行预警。
其中步骤二具体是：活性污泥图像处理主要分为两个部分，包括污泥絮体 颗粒尺寸分布和丝状菌长度分布。
1)污泥絮体颗粒尺寸分布的测定：
污泥絮体颗粒尺寸分布主要通过以下几步完成：
(1)从获取的活性污泥样品图像中截取静态图像，获得活性污泥样品显微镜 图像;
(2)将显微镜图像转化为二进制图像。转化的标准是将灰度大于某一阈值
的像素作为‘物体’，将灰度小于这个阈值的像素作为图像背景，阀值的
大小由图像分析算法自动生成;
(3)对二进制图像进行降噪处理，去除图像中的杂质，得到活性污泥絮体颗 粒图;
(4)活性污泥絮体尺寸分布测定，通过计数絮体颗粒图中单个絮体的像素 数量，就可以测量出絮体的大小，此步测定的絮体尺寸的单位为像素，测定后 标定尺寸;
(5)像素尺寸和国际标准长度单位的转化：利用已知长度的微标尺，测定 其像素长度，从而转化为国际标准长度。
2)丝状菌长度分布的测定：
(1)丝状菌提取，将二进制图像和絮体颗粒图相减，就可以得到丝状菌和一 些颗粒杂质的二进制图像;
(2)将丝状菌和一些颗粒杂质的二进制图像进行降噪和对丝状菌提取骨架， 得到长度方向单像素的丝状菌骨架图像;
(3)通过计数单个丝状菌像素，测量出丝状菌的像素长度，并转化成国际标 准长度。
步骤三中要确定所需分析的活性污泥图像数量，为了使图像分析的数据具 有广泛的代表性和可靠性，防止单次分析的偶然性，应对同一个水样进行多次 重复测定分析。活性污泥絮体是复杂的三维结构，它在显微镜镜头中的朝向会 影响测量的尺寸。本发明通过观察活性污泥絮体平均直径及其标准偏差随所分 析图像的数量的变化来确定所需的最小分析次数。标准偏差趋于稳定时所需要 的图像数量即为最低图像数量要求。
3、有益效果
传统的活性污泥显微镜检测方法比较耗时，不能作为一种实时的监测方法。 而且不同操作员工之间也存在着较大的操作误差。本发明利用在线计算机图形 分析的方法来分析活性污泥形态，用以消除人工显微镜检测的主观性。是一种 快速、定量测定活性污泥沉降性能的方法，可以作为一种即时监测污泥膨胀的 手段。
