基于机器视觉的水处理絮凝过程中絮体检测与絮体性能研究

摘要

国内外传统的饮用水处理工艺主要包括混凝（含混合和絮凝）、沉淀、过滤和消毒等阶段，絮凝是其中的一个关键组成部分，絮凝效果的好坏对后续的沉淀、过滤等工艺有着重要的影响，其过程具有非线性和大时滞等特点。针对现有水厂大多数是通过检测沉后水的浊度、高锰酸钾指数和氨氮等指标来表征絮凝效果和控制混凝剂投药量，这在时间和反馈上具有时滞性，不能快速反映絮凝效果和反馈调节控制投药量。本课题应用拥有自主知识产权的微涡流絮凝技术，首先通过混凝沉淀烧杯试验优出混凝剂及确定最佳投药量，然后基于机器视觉系统，采用工业数字相机对过渡段处的絮体进行检测、识别获取絮体的性能参数（数量、等效粒径和分形维数）。在不同的絮凝时间和混凝剂投药量的工况下，考察了絮凝时间和投药量对絮体的数量、等效粒径和分形维数的影响；研究了絮体的数量、等效粒径、分形维数与沉后水水质（浊度和ξ电位）之间的相关性；以及分析了絮体的分形维数与等效粒径之间的关联性。试验结果为水厂混凝投药控制过程中的时滞性和投药量精准性等问题的解决提供数据参考。
　　试验期间原水取自华东交通大学孔目湖湖水，因受到校园生活污水一定的污染，其氨氮、总磷指标偏高，水质情况：水温为8～26℃、pH值为6.37～7.15、ξ电位为-32.08～-23.12mV、浊度为8.812~28.165NTU、高锰酸钾指数（CODMn）为5.220～23.560mg/L、氨氮（NH3-N）为4.560～12.050mg/L和总磷（TP）为0.250～2.760mg/L。试验主要结果与结论如下：
　　1、混凝沉淀烧杯试验
　　通过混凝沉淀烧杯试验，研究聚合氯化铝（PAC）、三氯化铁（FeCl3）、硫酸铝（Al2(SO4)3）三种混凝剂对絮凝过程水中浊度、CODMn、NH3-N和TP等去除效果，优选出PAC为最佳混凝剂，确定最佳投药量为18mg/L。
　　2、基于机器视觉的絮凝过程中絮体检测的试验研究
　　采用工业数字相机对过渡段处的絮体进行图像采集，利用计算机及软件Floc Processor-Microsoft Visual Studio对絮体图像进行预处理、目标检测识别等处理，有效地获取了絮体的数量、等效粒径和分形维数，且各参数值均在正常值范围内，说明采用机器视觉系统对絮体特征提取具有良好的可行性和实操性，为后续絮凝过程中絮体性能参数的研究提供技术支持。
　　3、絮凝控制条件对絮体性能参数的影响
　　本阶段试验是考察不同的絮凝时间、混凝剂投药量对絮体性能参数的影响：
　　（1）当PAC投药量为18mg/L时，考察不同的絮凝时间对絮体的数量、等效粒径和分形维数的影响：随着絮凝时间的减少，絮体的数量是先增加后减少、再增加的趋势，等效粒径和分形维数值的变化趋势均是先以较大幅度地增大再减小。
　　（2）当絮凝时间为17.1min时，考察不同的PAC投药量对絮体数量、等效粒径和分形维数的影响：随着投药量的增加，絮体的数量是逐渐增加的趋势，等效粒径是先逐渐增大后减小的变化趋势，分形维数值是先变大后减小的趋势。
　　4、絮体性能参数与沉后水水质之间的关系
　　本阶段试验是在絮凝时间为17.1min时，通过改变PAC投药量，研究絮体的数量、等效粒径和分形维数与沉后水水质（浊度和ξ电位）之间的相关性：
　　（1）随着PAC投药量增大至最佳投药量的过程中，沉后水浊度随着絮体数量的增多而下降，两者变化趋势呈负相关性，当投药量继续增加，沉后水浊度随着絮体数量增多而上升，二者变化趋势呈正相关性，关系式为y=0.00444χ2-0.95076χ+51.42522，相关系数R2为0.982；随着投药量的增加，絮体的等效粒径和分形维数与沉后水浊度的变化趋势基本均呈现为负相关，关系式分别为y=4.42369χ2-10.84602χ+7.11547和y=12.73575χ2-44.01026χ+38.43912，相关系数R2分别为0.851和0.875，当絮体的等效粒径、分形维数不断增大时，沉后水浊度随之降低。
　　（2）随着PAC投药量的增加，絮体数量与沉后水ξ电位值的变化趋势呈正相关，关系式是y=0.00858χ2-1.208χ+29.88725，相关系数R2值为0.868，随着絮体数量的增加，沉后水ξ电位从负值逐渐变为正值；絮体等效粒径与沉后水ξ电位值的变化趋势呈正相关，关系式为y=3.81045χ2+6.09273χ-14.75676，相关系数R2为0.879，随着等效粒径的增大，沉后水ξ电位从负值变为正值；当沉后水ξ电位从负值变为正值的过程，分形维数与沉后水ξ电位的变化趋势呈线性正相关，此时关系式为y=17.598χ-33.68，相关系数为0.942，分形维数值在增大；当沉后水ξ电位为正值增大的过程中，分形维数与沉后水ξ电位的变化趋势呈线性负相关，此时关系式为y=-7.6χ+14.432，相关系数为0.954，沉后水ξ电位值在变大，而絮体分形维数值在减小。
　　5、絮体分形维数与等效粒径之间的关联性
　　本阶段试验是在絮凝时间为17.1min，PAC投药量为20mg/L时，研究絮体的分形维数与等效粒径之间的关联性。试验期间絮体的等效粒径变化范围是0.417～2.989mm，平均值为1.345mm；絮体的分形维数值变化范围为1.05～1.96，平均值为1.66。试验结果分析表明，絮体的分形维数与等效粒径之间存在着较好的关联性，相关关系式为Df=1.0224·d0.13147，符合幂指数关系，相关系数R2为0.826。当絮体的等效粒径小于2mm左右时，随着等效粒径的增大，分形维数值也随之增大，当絮体等效粒径大于2mm左右时，随着等效粒径的增大，分形维数值逐步减小。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题来源、目的和意义

1.3 研究的主要内容及技术路线

第二章 水处理絮凝技术及絮体检测技术概述

2.1 水处理絮凝技术概述

2.2 絮体检测技术概述

第三章 烧杯试验及结果分析

3.1 试验目的

3.2 试验材料

3.3 试验方法

3.4 混凝沉淀烧杯试验设计

3.5 试验结果与分析

3.6 本章小结

第四章 基于机器视觉的絮凝过程中絮体检测的研究

4.1 试验概述

4.2 试验装置及仪器设备

4.3 机器视觉系统

4.4 本章小结

第五章 基于机器视觉的絮凝过程中絮体性能的研究

5.1 试验概述

5.2 絮凝控制条件对絮体性能参数影响的研究

5.3 絮体性能参数与沉后水水质之间的关系

5.4 絮体分形维数与等效粒径之间的关联性

5.5 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结果与讨论

6.2 建议

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢