申請(qǐng)日2013.09.26
公開(公告)日2013.12.25
IPC分類號(hào)G01N21/00
摘要
本發(fā)明公開了一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的具體步驟為：1)活性污泥菌膠團(tuán)圖像信息采集;2)菌膠團(tuán)圖像分析，包括測(cè)量活性污泥樣本中菌膠團(tuán)的直徑;將活性污泥中菌膠團(tuán)分為微型結(jié)構(gòu)、中型結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)3種類型;對(duì)3種類型的菌膠團(tuán)分別進(jìn)行計(jì)數(shù);計(jì)算菌膠團(tuán)體積;最后計(jì)算菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z;3)菌膠團(tuán)與活性污泥特性的相關(guān)性分析，建立菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z與SV、SVI、MLSS、MLVSS的關(guān)系函數(shù);4)計(jì)算待分析活性污泥樣本的特性參數(shù)。本發(fā)明提高了活性污泥分析監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和即時(shí)性，為污水處理運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)有效的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
權(quán)利要求書
1.一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，其步驟為：
1)活性污泥菌膠團(tuán)圖像信息采集：
調(diào)研污水處理廠，對(duì)處于不同運(yùn)行階段、不同污泥狀態(tài)及不同工藝條件下的生化池活性 污泥進(jìn)行取樣，采用數(shù)碼生物顯微鏡對(duì)采集到的活性污泥樣本中菌膠團(tuán)進(jìn)行拍攝;
2)菌膠團(tuán)圖像分析：
a、在數(shù)碼生物顯微鏡自帶的圖形分析軟件環(huán)境中，測(cè)量步驟1)采集的活性污泥樣本中 菌膠團(tuán)的直徑;
b、根據(jù)菌膠團(tuán)直徑大小將活性污泥中菌膠團(tuán)分為微型結(jié)構(gòu)、中型結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)3種類 型;
c、對(duì)步驟b中所述的3種類型的菌膠團(tuán)分別進(jìn)行計(jì)數(shù);
d、計(jì)算菌膠團(tuán)體積;
e、采用菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z;
3)菌膠團(tuán)與活性污泥特性的相關(guān)性分析：
對(duì)步驟1)中采集的活性污泥樣本，同時(shí)測(cè)定其特性參數(shù)SV、SVI、MLSS、MLVSS， 采用曲線擬合方式得出步驟2)獲得的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z與SV、SVI、MLSS、MLVSS的 關(guān)系函數(shù);
4)計(jì)算待分析活性污泥樣本的特性參數(shù)：
采集待分析活性污泥樣本，采用數(shù)碼生物顯微鏡對(duì)待分析活性污泥樣本中菌膠團(tuán)進(jìn)行拍 攝，并對(duì)該待分析活性污泥樣本重復(fù)步驟2)的操作，計(jì)算得到待分析活性污泥樣本的菌膠 團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z，將該菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z帶入步驟3)獲得的關(guān)系函數(shù)中，計(jì)算得到待分 析活性污泥樣本的特性參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，其特 征在于：步驟2)中所述的菌膠團(tuán)的3種類型具體分類標(biāo)準(zhǔn)為：菌膠團(tuán)直徑小于100μm為微 型結(jié)構(gòu);菌膠團(tuán)直徑介于100～300μm為中型結(jié)構(gòu);菌膠團(tuán)直徑大于300μm為大型結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，其特 征在于：步驟2)中計(jì)算菌膠團(tuán)體積時(shí)以菌膠團(tuán)在數(shù)碼生物顯微鏡觀察面上的投影面積代替 菌膠團(tuán)體積進(jìn)行計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法， 其特征在于：步驟2)中菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括3種類型菌膠團(tuán)的計(jì)數(shù)、菌膠團(tuán)的體積; 菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z的計(jì)算公式為：
Z=m1Mz2/Mz+m2(∑Sz2/∑Sz)+m3(∑Sz/∑Ss)
式中，Mz2/Mz為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)占總菌膠團(tuán)的數(shù)量比，Mz2為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)的顆粒 密度(個(gè)/mm2)，MZ為活性污泥中所有菌膠團(tuán)的顆粒密度(個(gè)/mm2);
∑Sz2/∑Sz為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)體積占所有菌膠團(tuán)的體積比，反映菌膠團(tuán)里中型結(jié)構(gòu)菌膠 團(tuán)的優(yōu)勢(shì)程度;
∑Sz/∑Ss為所有菌膠團(tuán)體積占所有活性污泥顆粒的體積比，反映活性污泥中菌膠團(tuán)的優(yōu) 勢(shì)程度;
m1、m2、m3分別為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)顆粒密度、中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)體積、活性污泥中菌膠 團(tuán)的作用權(quán)重，m1、m2、m3的具體值由其與活性污泥特性參數(shù)SV、SVI、MLSS、MLVSS 的相關(guān)性大小確定，m1+m2+m3=1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，其特 征在于：步驟3)中獲得的關(guān)系函數(shù)為：
SV=a1Z+b1
SVI=a2Z+b2
MLSS=a3Z+b3
MLVSS=a4Z+b4。
說(shuō)明書
一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性 污泥特性確定方法。
背景技術(shù)
污水處理中的活性污泥是由微生物及無(wú)機(jī)物、有機(jī)物質(zhì)組成的一個(gè)松散的絮狀、不規(guī)則 復(fù)合體，它是污水中有機(jī)污染物吸附與降解的載體。當(dāng)活性污泥培養(yǎng)成熟或狀態(tài)良好時(shí)，會(huì) 形成具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)比較緊密、均勻的生物絮凝體----菌膠團(tuán)。菌膠團(tuán)不僅可以保 護(hù)對(duì)污染物起分解作用的微生物，而且密度較大，有利于在二沉池中完成泥水分離，保證出 水的透明度。
菌膠團(tuán)的不同密度、不同大小直接反映活性污泥的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而直接影響到污水處理效果。 然而，在實(shí)際污水處理運(yùn)行與控制過程中，由于對(duì)活性污泥的微觀結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)鑒別分析技術(shù) 高要求的限制，生產(chǎn)管理人員不能對(duì)活性污泥中菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接分析，只能通過測(cè)定活 性污泥的常規(guī)特性指標(biāo)如SV(污泥沉降比)、SVI(污泥體積指數(shù))、MLSS(混合液懸浮固 體濃度)和MLVSS(混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)活性污泥狀況的間接分析判斷， 進(jìn)而對(duì)污水處理進(jìn)行運(yùn)行控制管理。如中國(guó)專利公開號(hào)為CN1461733，申請(qǐng)日為2002年5 月31日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：活性污泥程序的動(dòng)態(tài)控制方法，該申請(qǐng)案即是通過混合液體懸浮 固形物感測(cè)器控制活性污泥系統(tǒng)中的混合液體懸浮固形物，使反應(yīng)槽中的混合液體懸浮固形 物濃度維持在適當(dāng)?shù)牟僮鞣秶�，�?lái)控制污水處理操作。
而上述活性污泥的常規(guī)指標(biāo)只能間接地反映活性污泥的物理性質(zhì)，不能真正反映活性污 泥內(nèi)部的、本質(zhì)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些間接指標(biāo)所采用的運(yùn)行控制是經(jīng)驗(yàn)性的、模糊的、滯后的。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)活性污泥間接指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，活性污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)已遭破壞，這嚴(yán)重地影響了生產(chǎn) 的正常運(yùn)行。同時(shí)，分析上述常規(guī)指標(biāo)還存在費(fèi)時(shí)費(fèi)工、時(shí)間長(zhǎng)的問題。因此，建立一種新 的活性污泥特性分析方法很有必要性。
顯微圖像分析方法是一種先進(jìn)的物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)分析方法，可以彌補(bǔ)活性污泥形態(tài)分析困 難的不足。目前，應(yīng)用圖像分析方法進(jìn)行活性污泥結(jié)構(gòu)分析的文獻(xiàn)與專利未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有污水處理運(yùn)行管理中，無(wú)法直接對(duì)菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確鑒別，而 分析活性污泥常規(guī)指標(biāo)又存在模糊性與滯后性的問題，提供了一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析 的活性污泥特性確定方法，本發(fā)明的技術(shù)方案提高了活性污泥分析監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和即時(shí)性， 為污水處理運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)有效的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
2.技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
本發(fā)明的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，其步驟為：
1)活性污泥菌膠團(tuán)圖像信息采集：
調(diào)研污水處理廠，對(duì)處于不同運(yùn)行階段、不同污泥狀態(tài)及不同工藝條件下的生化池活性 污泥進(jìn)行取樣，采用數(shù)碼生物顯微鏡對(duì)采集到的活性污泥樣本中菌膠團(tuán)進(jìn)行拍攝;
2)菌膠團(tuán)圖像分析：
a、在數(shù)碼生物顯微鏡自帶的圖形分析軟件環(huán)境中，測(cè)量步驟1)采集的活性污泥樣本中 菌膠團(tuán)的直徑;
b、根據(jù)菌膠團(tuán)直徑大小將活性污泥中菌膠團(tuán)分為微型結(jié)構(gòu)、中型結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)3種類 型;
c、對(duì)步驟b中所述的3種類型的菌膠團(tuán)分別進(jìn)行計(jì)數(shù);
d、計(jì)算菌膠團(tuán)體積;
e、采用菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z;
3)菌膠團(tuán)與活性污泥特性的相關(guān)性分析：
對(duì)步驟1)中采集的活性污泥樣本，同時(shí)測(cè)定其特性參數(shù)SV、SVI、MLSS、MLVSS， 采用曲線擬合方式得出步驟2)獲得的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z與SV、SVI、MLSS、MLVSS的 關(guān)系函數(shù);
4)計(jì)算待分析活性污泥樣本的特性參數(shù)：
采集待分析活性污泥樣本，采用數(shù)碼生物顯微鏡對(duì)待分析活性污泥樣本中菌膠團(tuán)進(jìn)行拍 攝，并對(duì)該待分析活性污泥樣本重復(fù)步驟2)的操作，計(jì)算得到待分析活性污泥樣本的菌膠 團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z，將該菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z帶入步驟3)獲得的關(guān)系函數(shù)中，計(jì)算得到待分 析活性污泥樣本的特性參數(shù)。
更進(jìn)一步地，步驟2)中所述的菌膠團(tuán)的3種類型具體分類標(biāo)準(zhǔn)為：菌膠團(tuán)直徑小于100μm 為微型結(jié)構(gòu);菌膠團(tuán)直徑介于100～300μm為中型結(jié)構(gòu);菌膠團(tuán)直徑大于300μm為大型結(jié)構(gòu)。 研究表明微型結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)容易被水力剪切力所破壞，主要存在于活性污泥培養(yǎng)初期。中型 結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)大小適中、形態(tài)規(guī)則、質(zhì)地均勻、表面光滑平整，既有很好的沉降性，又不影 響傳質(zhì)，為理想的菌膠團(tuán)。且中型結(jié)構(gòu)的菌膠團(tuán)由絲狀菌連接，菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)比較緊密，不容 易被破壞。大型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)形態(tài)不規(guī)則、比較松散，雖然容易沉降，但由于顆粒太大，不利 于氧氣與有機(jī)物的傳質(zhì)。將菌膠團(tuán)大小按照其功能進(jìn)行分類，可以更好地為通過菌膠團(tuán)大小 判斷活性污泥特性提供依據(jù)。
更進(jìn)一步地，步驟2)中計(jì)算菌膠團(tuán)體積時(shí)以菌膠團(tuán)在數(shù)碼生物顯微鏡觀察面上的投影 面積代替菌膠團(tuán)體積進(jìn)行計(jì)算。
更進(jìn)一步地，步驟2)中菌膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括3種類型菌膠團(tuán)的計(jì)數(shù)、菌膠團(tuán)的 體積;菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)特征值Z的計(jì)算公式為：
Z=m1Mz2/Mz+m2(∑Sz2/∑Sz)+m3(∑Sz/∑Ss)
式中，Mz2/Mz為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)占總菌膠團(tuán)的數(shù)量比，Mz2為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)顆粒密 度(個(gè)/mm2)，MZ為活性污泥中所有菌膠團(tuán)的顆粒密度(個(gè)/mm2);
∑Sz2/∑Sz為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)體積占所有菌膠團(tuán)的體積比，反映菌膠團(tuán)里中型結(jié)構(gòu)菌膠 團(tuán)的優(yōu)勢(shì)程度;
∑Sz/∑Ss為所有菌膠團(tuán)體積占所有活性污泥顆粒的體積比，反映活性污泥中菌膠團(tuán)的優(yōu) 勢(shì)程度;
m1、m2、m3分別為中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)顆粒密度、中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)體積、活性污泥中菌膠 團(tuán)的作用權(quán)重，m1、m2、m3的具體值由其與活性污泥特性參數(shù)SV、SVI、MLSS、MLVSS 的相關(guān)性大小確定。即根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察的數(shù)據(jù)，分別作出中型結(jié)構(gòu)菌膠團(tuán)顆粒密度與SV、SVI、 MLSS、MLVSS的相關(guān)性分析得到4個(gè)相關(guān)性系數(shù)R11、R12、R13、R14;同理，可得中型結(jié) 構(gòu)菌膠團(tuán)體積與SV、SVI、MLSS、MLVSS的4個(gè)相關(guān)性系數(shù)R21、R22、R23、R24;活性污 泥中所有菌膠團(tuán)體積與SV、SVI、MLSS、MLVSS的4個(gè)相關(guān)性系數(shù)R31、R32、R33、R34; 再根據(jù)下列公式分別計(jì)算m1、m2、m3：
m1=R1max/(R1max+R2max+R3max)
m2=R2max/(R1max+R2max+R3max)
m3=R3max/(R1max+R2max+R3max)
式中，R1max、R2max、R3max分別為R11～R14，R21～R24，R31～R34中最大值，m1+m2+m3=1。
更進(jìn)一步地，步驟3)中獲得的關(guān)系函數(shù)為：
SV=a1Z+b1
SVI=a2Z+b2
MLSS=a3Z+b3
MLVSS=a4Z+b4。
3.有益效果
采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：
(1)本發(fā)明的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，其直接對(duì)菌膠團(tuán) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒別，對(duì)活性污泥特性的分析快速、準(zhǔn)確，避免了分析活性污泥常規(guī)指標(biāo)存在的模 糊性與滯后性的問題，可更好地調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，培養(yǎng)出更有活性的污泥，對(duì)于提高活性污泥 法污水處理過程的運(yùn)行管理效率，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義;
(2)本發(fā)明的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，使用范圍廣泛， 主要的污水生物處理工藝(如活性污泥法、接觸氧化法等)中，都存在著活性污泥菌膠團(tuán)， 都可利用本發(fā)明的方法進(jìn)行活性污泥特性分析，在污水生物法處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景;
(3)本發(fā)明的一種基于菌膠團(tuán)顯微圖像分析的活性污泥特性確定方法，以菌膠團(tuán)在數(shù)碼 生物顯微鏡觀察面上的投影面積代替菌膠團(tuán)體積進(jìn)行計(jì)算，且對(duì)菌膠團(tuán)的直徑測(cè)量、計(jì)數(shù)和 體積的計(jì)算均在數(shù)碼生物顯微鏡自帶的軟件中自動(dòng)完成，方法簡(jiǎn)單、高效。
