CN103076335B - 絮体污泥介观动力学的测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

     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；

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

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；

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；

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（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

    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

l         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；

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

    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；

 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

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；

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

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。

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。

附图说明

图1为本发明的絮体污泥介观动力学测量装置的系统结构图；

图2为本发明的絮体污泥介观动力学测量装置的系统连接图；

图3是本发明的絮体污泥介观动力学测量装置的结构框图；

图4是本发明的絮体污泥测试平台的结构示意图；

图5是本发明的标定板的结构示意图；

图6是本发明的介尺度图像信息提取与分析流程图；

图7是本发明的宏尺度图像信息提取与分析流程图；

图8是CCD相机对标定板上的标定点进行拍照后的图像；

图9是絮体污泥介观二维形貌图；

图10是流场与絮体污泥两相流场的图像分割图；

图11是宏观尺度下反应器流场分布运动变化图；

图12是絮体污泥宏观形貌图；

图13是介观尺度下动力学参数的实时变化曲线；

图14是宏观尺度下动力学参数的实时变化曲线；

其中：      1. 计算机             2.  同步控制器

3.  激光器            4.  透镜组      5.  第一CCD相机     6.  第二CCD相机

7.  样品混合与投加池  8.  样品测试器   9.  数据线     10. 多维调节台；11. 标定板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1为本发明的絮体污泥介观动力学测量装置的系统结构图；图2为本发明的絮体污泥介观动力学测量装置的系统连接图；图3是本发明的絮体污泥介观动力学测量装置的结构框图。如图1至图3所示，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3和透镜组4组成，通过数据线9与计算机1和信号同步控制系统的同步控制器2连接；絮体污泥测试平台包括样品混合与投加池7、多维调节台10、样品测试器8和出水储存罐（未图示），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5和第二CCD相机6；标定板11置于第一CCD相机5和第二CCD相机6的片光照射中。

计算机通过信号输出端与自动化同步控制器相连，实验者可通过计算机发出指令，进而控制激光器等设备的开启与关闭等。此外，计算机可通过输入端接收CCD相机采集到的絮体污泥图像，经图像处理采集计算程序对图片进行预处理后输出絮体污泥的介观及宏观特征。

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。

絮体污泥测试平台是开展絮体污泥介观动力学实验的主要装置，包括样品混合与投加池7、多维调节台10、样品测试器8和出水储存罐（未图示）。

样品混合与投加池在正式进入测试之前，需对絮体污泥及流体介质（一般为水）进行混合，池中设有折板，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。

样品测试器主要为长方体的透明亚克力反应器，长×宽×高：60×12×15cm。前端进水处设置布水堰，起到均匀布水，稳定进水流场的作用。中段底部安装磁力搅拌转子，用来防止絮体污泥的沉积。后端设置污泥沉积槽，用来收集沉积的絮体污泥。进出水管设有玻璃转子流量计，用来调节进出水量。在反应器中段的两端侧壁面处，设置标尺刻度，用来调节样品测试器的位置以及为后续处理图象时标定尺寸。

多维调节台用来调节样品测试器与电荷耦合型图像传感器（CCD）、激光照射后的测试采集区的相对位置。台面设有样品测试器、介尺度光学图象采集器、宏观尺度光学图象采集器三个安装槽位底座。每个底座均可实现六维移动与调节（即：以X、Y、Z轴三个方向移动；以X、Y、Z为三个转轴转动）。调节台面具有刻度（精度0.01毫米），螺杆调节，可准确布设各组件的相对距离。

出水储存罐用来收集实验过程中出水。

光路系统由激光器、透镜组及摇臂组成，激光通过组合透镜，由点光源成为线光源，射入水中形成照射平面，絮体污泥运动至光平面内，其运动速度、形态变化都将固定在此光学平面中，被图像采集后进行后续处理和分析。激光器为YAG激光器，功率为175mW，波长532nm。

信号同步控制系统主要是通过同步控制器对介观图像采集器、宏观图像采集器和激光器三台设备进行同时控制，使图像拍摄帧频与激光脉冲的频率同步，实现图像与光照的同步采集。

图像采集主要是通过图像传感器将絮体污泥的介观观察图像、宏观运动图像进行实时采集和存贮。用于图像采集的电荷耦合型图像传感器（CCD）主要有介观图像采集和宏观图像采集两个。其中用于介观图像采集的电荷耦合型图像传感器（CCD）型号为MVC1000型，采用高倍镜头，隔行传输，100万像素，最高采集速度可达15帧/秒。主要用于絮体污泥介尺度图像的采集，分析絮体污泥的亚结构、动态形变、聚合、断裂等过程。用于宏观图像采集的电荷耦合型图像传感器（CCD）型号为美国Redlake高速摄像机HG-100K Motionxtra（Redlake MASD,Inc）和镜头（Nikon FAFD,zoom-Nikkor24-85mmf/2.8-f/4D），最高采集速度可达1000帧/秒。主要用于絮体污泥宏观尺度图像的采集，分析絮体污泥运动及液相流场。图像采集系统上置调焦旋钮（放大、缩小），调节可使成像放大倍数为25-2000倍。图像数据由1000-Mbps以太网传输和遥控，可快速下载到计算机上，与硬件系统配套的数据分析系统调用图片处理软件将絮体污泥样品的信息以数字图片的形式保存。

标定板厚度为5mm，带有底座，板面正反双面分别均匀布设等间距标定点，其中一面用于CCD相机参数的宏观成标定，每个标定点间隔8mm；另一面用于CCD相机参数的介观距成像标定，每个标定间隔10nm。

软件系统采用VC++开发出图像处理采集的计算程序，图像分析系统的主要功能是对所采集到的连续图片中的图像信息进行提取和分析，首先对图片进行预处理，然后对宏观与介观图像分别采用不同图像计算模型与软件模块。对所采集到的絮体污泥介观动态行为的图像进行形态学分析，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、形变旋量场等，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。

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，按用户要求统计和编辑数据结果、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。

本发明主要是建立一套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方法与装置。其中絮体污泥介观动力学是在一种新尺度下描述絮状污泥动力行为变化的研究手段，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是一种用来研究和表征絮体污泥特性的新的测试手段。

本发明主要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，是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，开发出可用于分析“软物质”水力学测试和组织结构变化的图像信息提取与计算算法的程序模块，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。

本发明的工作原理是：本发明基于耦合光学、电学及计算机图形学相关机理，在不干扰流场和絮体结构变化的情况下，通过同步控制电荷耦合型图像传感器（CCD）采集帧频和激光器脉冲光波，实现对宏观与介观双尺度图像信息的采集，将图像实时传输并存储于计算机中，运用计算机图形学提取和信息，分别采用介观图像分析模块与宏观图像分析模块将图像信息转化为实际测试数据，实现对絮体污泥本体和流场的实时分析，并完成后续数据处理和不同尺度上的信息关联及表达。

为实现上述发明原理，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：

根据不同的研究需要，制备不同絮体污泥（包括：化学絮体污泥及生物活性污泥），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；经处理后，絮体污泥或絮体团聚物吸附荧光物质，在激光照射下被激发而发光，提高图象采集的效果，降低信噪比。

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（2-3mm）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：絮体污泥介观成像、图像采集与存储、图像预处理、图像信息提取与分析计算等。

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

    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

l         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；

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：

絮体污泥宏尺度动力学参数测定过程主要包括：絮体污泥宏观成像、图像采集与存储、图像预处理、图像信息提取与分析计算等。

 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

    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；

 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

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；

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

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；

上述第四和第五步骤图像采集、存储处理为同步进行，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。图像信息提取与计算可选择自动处理模式，进行同步处理或人工处理模式分步处理。

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。

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。

本发明的技术特点与效果为：

（1）絮体污泥介观动力学是从一种新的视角和尺度研究水处理领域中对污泥动力行为，本发明可实现对介尺度范围内，絮体污泥絮团的亚结构、动态形变、聚合、断裂、运动等过程及参数的动态观察和测试。

（2）本发明克服了传统仅局限于单一尺度的测试方法和手段，可同时检测到宏观和介观双尺度条件下絮体污泥的动力学行为及参数，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。

（3）采用光学与计算机图像法进行测试，不会对絮体污泥的组织结构及周围流场产生干扰和破坏，测试结果精度高。

（4）所开发的絮体污泥介观尺度与宏观尺度的图像信息提取与计算算法，突破了传统图像测速法中流体介质中示踪剂或固相仅能为“硬质”粒子的局限，可同时获得大量颗粒或颗粒聚团的动态变化及其周围流体的详细运动信息。

（5）自行开发了图像采集与后续数据处理软件，软件用户界面友好，可实时观测整个实验过程，自动化程度高。所开发的数据接口程序可与多种数据处理与绘图软件对接，完善了后续结果处理的功能，方便使用，使实验结果和评估果直观明了。

以下是一个具体的实施实例：污水厂曝气池中活性污泥絮体的介观动力学研究实验；实验目的是研究活性污泥絮体均匀流场条下的介观形貌变化以及宏观运动变化规律。

实验内容包括：

（1）介观尺度下活性污泥絮体的亚结构变化、动态形变及形貌变化。

（2）宏观尺度下反应器内活性污泥絮体结构以及周围流场变化。

实验步骤：

（1）活性污泥絮体（取自某污水厂曝气池），采用细胞荧光素TRITC进行前处理，使其充分被吸附在活性污泥絮体上。

（2）布设测试系统

①调节透镜组支架，使激光经透镜组所生成的片光垂直进入主体测试反应器中的液面。

CCD相机1（介尺度）与CCD相机2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（2-3mm）分别照在标定板两面。标定板面方向与CCD镜头面平行，分别调节两个不同相机镜头，进行介尺度和宏观尺度成像的标定。 

（3）测试装置的启动与样本加载

① CCD相机参数的初始成像标定

   开启计算机，启动图像采集程序界面，分别进行介尺度和宏观尺度CCD相机的标定，通过对照标定调焦，使标定点能清晰成现于计算机图像上，对标定板上的标定点进行拍照后的图像如图8所示。

 激光脉冲频率与相机帧频的设定

   开启激光器、同步控制器，设定激光器脉冲频率100赫兹，两部CCD相机帧频同时设定为15帧/秒，连续采集模式。

 絮体污泥投加

  将所制备的絮体污泥通过高位水箱投加至主体测试平台内的样品混合器中，调节流量计至0.2L/min，使混合液进入样品测试器。

（4）絮体污泥介尺度动力学参数测量

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         对絮体污泥进行连续采集与存储。

 图像前处理

    启动图像前处理程序，对图像进行去噪和增加处理。

 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

采集连续4帧图像，进行信息提取与分析。

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。应用图像分析软件，对连续介观图片所表示的部位进行X、Y方向形变速率和形变旋转量场“Omiga”旋转量值、“Alpha” 旋转量场旋转角度进行分析。

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。

（5）絮体污泥宏尺度动力学参数测量  

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         对絮体污泥进行连续采集与存储。

 图像前处理

    启动图像前处理程序，对图像进行去噪和增加处理。

 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

1.         对经过前处理后的照片，连续采集4帧图像，进行流场与絮体污泥两相流场的图像分割（如图10所示）。

2.         点击流体计算模块，对流体采用粒子互相关法进行计算。流场分布如下图：

3.         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。

4.         由上计算出体污泥在图形中的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

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。

（6）数据后处理

重复上述步骤（1）—（5），可实现对絮体污泥介观和宏观尺度下动力学参数的实时测定。输出数据表（如下表1和表2），以及所得的实时变化数据曲线。

表1 介尺度测试数据输出表表1 介尺度测试数据输出表

  

表2  宏观尺度测试数据输出表

Claims (2)

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、透镜组及摇臂组成，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；所述的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；其中用于介观图像采集的电荷耦合型图像传感器CCD型号为MVC1000型，采用高倍镜头，隔行传输，100万像素，最高采集速度可达15帧/秒；用于宏观图像采集的电荷耦合型图像传感器CCD型号为美国Redlake高速摄像机HG-100K Motionxtra（Redlake MASD,Inc）和镜头Nikon FAFD,zoom-Nikkor24-85mmf/2.8-f/4D，最高采集速度可达1000帧/秒。

2.一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

     透明的絮体污泥直接进入主体测试平台；半透明状絮体污泥根据具体情况直接或参考非透明类絮体污泥进行前处理；

非透明类的絮体污泥

根据絮体污泥自身化学和物理特性，在不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像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；其中用于介观图像采集的电荷耦合型图像传感器CCD型号为MVC1000型，采用高倍镜头，隔行传输，100万像素，最高采集速度可达15帧/秒；用于宏观图像采集的电荷耦合型图像传感器CCD型号为美国Redlake高速摄像机HG-100K Motionxtra（Redlake MASD,Inc）和镜头Nikon FAFD,zoom-Nikkor24-85mmf/2.8-f/4D，最高采集速度可达1000帧/秒；

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；

动力学参数的计算

将图像中的计算结果，通过初始标定采用介观CCD相机确定比例参数，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：

  成像、图像采集与存储

    观测主体测试平台内，絮体污泥的形貌动态变化；

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；

 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

将图像中的计算结果，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；

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。