CN111796552B - 基于matlab图像转化的污泥沉降特性自动分析装置及方法 - Google Patents

基于matlab图像转化的污泥沉降特性自动分析装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置及方法，属于废水生物处理技术领域。该装置包括进样/出样装置、观测筒主体、污泥搅拌装置以及成像分析系统。进样/出样装置包括污泥输送管、污泥排出管和PLC控制系统，可实现测量过程的自动取样、分析和排空过程。成像分析由主机以及相应MATLAB控制分析程序构成，可实现长期连续采样过程的数据分析和记录。测量主体由透明观测筒和相应成像装置构成。该装置可实现实验室及现场(污水处理厂)污泥沉降性能的监测，实现污水处理过程中污泥沉降性能自动监测，对污水厂长期存在的污泥膨胀等风险实现预控。

Description

基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于图像自动化分析对污泥沉降特性高效分析的装置及其方法，属于废水生物处理领域。
背景技术
污泥沉降性能是污水处理设施稳定运行的重要参数，决定着二沉池水力负荷及回流比等诸多操作参数，进而影响污泥结构与出水水质稳定。然而，随着负荷变化，污水厂污泥沉降性能运行过程中沉降性能波动明显，对污泥厂运行操作控制产生了诸多影响。在污水处理厂和目前主要仍然采取的是人工检视的方式检测污泥沉降性能的变化。通过污泥体积指数(SV)检测或者污泥层高度(SBH)记录表征污泥的沉降性能。然而，SV监测方法污泥沉降波动明显的污水系统缺乏灵敏性，SBH测定过程过于繁琐和耗时，两种方法在实际测定中都存在一定缺陷。因此，亟待于设计一套用于污泥SBH自动化测定的装置，用于实验室及其污水厂活性污泥沉降性能的连续监测，对提高污水厂运行效率，维护生化系统稳定具有重要作用。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，并提供一套污泥沉降性能的自动分析装置，通过自动化操作和分析，实现污泥性能的自动检测，保障活性污泥工艺稳定运行。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其包括进样/出样装置、观测筒主体、污泥搅拌装置以及成像分析系统；所述进样/出样装置包括污泥输送管、污泥排出管和PLC控制系统，污泥输送管和污泥排出管的一端分别连接待监测设备的污泥取样口，另一端分别连接观测筒主体底部，污泥输送管和污泥排出管上分别设有第一输送泵和第二输送泵；所述观测筒主体的侧壁由透明材质构成，在反应器的反应区侧壁底部设有第一识别点，反应区侧壁顶部设有第二识别点，两个识别点均用于成像分析系统定位；
所述污泥搅拌装置包括曝气装置和气泵，所述曝气装置置于观测筒主体的内腔底部，所述气泵用于对曝气装置进行供气；所述第一输送泵、第二输送泵和气泵均与PLC控制系统相连，其启停均由PLC控制系统控制；
所述成像分析系统包括成像装置和上位机，所述成像装置用于对观测筒主体进行连续图像拍摄，获取第一识别点和第二识别点之间的反应区图像；所述成像装置和PLC控制系统均连接至上位机；所述上位机中设有MATLAB分析模块，用于对反应区图像进行分析，识别每张图像中的泥水界面位置并得到污泥层高度。
作为优选，所述曝气装置为微孔曝气头。
作为优选，所述第一输送泵和第二输送泵均为蠕动泵，第一输送泵、第二输送泵和气泵的启停时间和周期均通过预先在PLC控制系统中输入控制参数实现自动控制。
作为优选，所述成像装置采用水平的成像视角拍摄垂直设置的观测筒主体，以降低图像畸变。
作为优选，所述成像装置采用摄像头。
作为优选，所述上位机中的MATLAB分析模块，通过二值化和图像优化对图像中的泥水界面位置进行识别，其识别方法如下：
首先，将反应区图像导入MATLAB中，根据三刺激值特征识别出图像中的第一识别点和第二识别点所在位置，得到两个识别点的中心坐标之间纵坐标差值Y0；
然后，将反应区图像转化为灰度图，对灰度图进行二值化处理，得到二值化图像；
再后，对二值化图像进行滤波去噪，再进行连通域分析，去除泥水界面上方的离散污泥絮体导致的噪点图像，得到去噪后图像；
最后，计算去噪后图像中泥水界面所处位置与所述第一识别点中心点在图像中所处位置的纵坐标差值Y1，计算得到当前图像中污泥层的高度H＝H0×(Y1/Y0)，其中H0为观测筒主体上第一识别点和第二识别点的中心坐标实际高度差。
作为优选，所述上位机中还设有数据导出模块，所述数据导出模块用于读取从不同时刻的图像中得到的污泥层高度，并输出污泥沉降曲线。
作为优选，所述的待监测设备运行过程中，定期提取设备内部的污泥至观测筒主体中进行污泥沉降特性分析。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述分析装置的污泥沉降特性自动分析方法，其步骤如下：
S1：清空观测筒主体内的泥水混合物，保持观测筒主体内处于排空状态；
S2：打开第一输送泵，将待监测设备中的待分析污泥泵入观测筒主体中，直至反应区内的泥水混合物液面与所述第二识别点平齐；
S3：静置使观测筒主体内的污泥稳定后，启动气泵对曝气装置进行供气，通过曝气气提作用对反应区内的污泥进行搅拌；
S4：当反应区内的污泥充分混匀后，停止曝气同时启动成像装置，对观测筒主体中的反应区图像进行连续拍摄，得到不同沉降时刻的图像帧；
S5：将每个沉降时刻的图像帧输入MATLAB分析模块中，通过二值化和图像优化对图像中的泥水界面位置进行识别，获得图像帧中的污泥层高度；
S6：对不同时刻的图像帧中得到的污泥层高度进行处理，输出污泥沉降曲线。
作为优选，当成像装置拍摄完整个污泥沉降过程后，启动第二输送泵将观测筒主体内的泥水混合物重新泵入待监测设备中。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果：
(1)本发明通过PLC时序控制以及污泥测定循环过程控制，能够实现污泥沉降性能的连续测定。
(2)本发明基于MATLAB对污泥沉降特性的高效分析，沉降实验和图像分析都可以在实验室/现场环境下执行，无需依赖昂贵的设备和软件。
(3)本发明能够在长时间或高测量频率下进行沉降实验和数据分析，且该方法通过算法优化实现SBH配准的自动化，防止了人为误差和主观分析。
附图说明
图1为本发明的污泥沉降性测定装置结构示意图；
图2为污泥沉降特性自动分析方法流程图。
图3为数据输出界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本装置做进一步的描述
如附图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其主要结构包括进样/出样装置、观测筒主体4、污泥搅拌装置以及成像分析系统。其中，进样/出样装置包括污泥输送管、污泥排出管和PLC控制系统7，污泥输送管和污泥排出管的一端分别连接待监测设备1的污泥取样口，另一端分别连接观测筒主体4底部，污泥输送管和污泥排出管上分别设有第一输送泵2和第二输送泵3。待监测设备1是指需要进行污泥沉降性能监测的水处理设备，例如沉淀池、反应器等。
在该装置中，观测筒主体4的侧壁由透明材质构成，目的是能够通过成像设备获取其内部的污泥图像。为了便于图像分析时自动获取计算污泥层高度的基准，需要在反应器的反应区侧壁底部设有第一识别点，反应区侧壁顶部设有第二识别点，两个识别点均用于成像分析系统定位。识别点可以是一个颜色与反应器外壁和内部泥水混合物均不同的标记，后续可通过图像中的RGB值来对其进行识别。
在该装置中，污泥搅拌装置包括曝气装置9和气泵6，曝气装置9置于观测筒主体4的内腔底部，本实施例中的曝气装置9为微孔曝气头。微孔曝气头通过气管连接外部的气泵6，气泵6启动时可以对曝气装置9进行供气，大量气泡从曝气头排出，在浮力作用下上升进而对泥水混合物进行搅动，促进去混合均匀。
由于在本发明应用时，需要不断地提取待监测设备1中的污泥进行沉降实验，因此为了节省人力，提高自动化程度，第一输送泵2、第二输送泵3和气泵6均与PLC控制系统7相连，其启停均由PLC控制系统7控制。第一输送泵2、第二输送泵3和气泵6的启停时间和周期均通过预先在PLC控制系统7中输入控制参数实现自动控制。第一输送泵2和第二输送泵3均可采用蠕动泵，以便于定量控制。
在该装置中，成像分析系统包括成像装置5和上位机8，成像装置5用于对观测筒主体4进行连续图像拍摄，获取第一识别点和第二识别点之间的反应区图像。成像装置5采用水平的成像视角拍摄垂直设置的观测筒主体4，以降低图像畸变。成像装置5的高度最好位于两个识别点之间。成像装置5可以采用摄像头实现，以便于连续拍摄沉降过程的视频，每个视频帧均代表不同时刻的沉降状态。
成像装置5和PLC控制系统7均连接至上位机8，上位机8可以接收成像装置5拍摄的反应区图像，同时还可以设置作为下位机的PLC控制系统7的控制参数。上位机8中设有MATLAB分析模块和数据导出模块。
其中MATLAB分析模块用于对反应区图像进行分析，识别每张图像中的泥水界面位置并得到污泥层高度。在MATLAB分析模块中，具体的识别方法如下：
1)首先，将反应区图像导入MATLAB中，根据三刺激值特征识别出图像中的第一识别点和第二识别点所在位置，得到两个识别点的中心坐标之间纵坐标差值Y0；
2)然后进行图像数据转化：将反应区图像转化为灰度图，对灰度图进行二值化处理，得到二值化图像；
3)再后进行自优化过程：对二值化图像进行滤波去噪，再进行连通域分析，去除泥水界面上方的离散污泥絮体导致的噪点图像，得到去噪后图像；
4)最后进行数据处理：计算去噪后图像中泥水界面所处位置与所述第一识别点中心点在图像中所处位置的纵坐标差值Y1，计算得到当前图像中污泥层的高度H＝H0×(Y1/Y0)，其中H0为观测筒主体4上第一识别点和第二识别点的中心坐标实际高度差。
其中数据导出模块的作用是用于读取从不同时刻的图像中得到的污泥层高度，并输出污泥沉降曲线。
在待监测设备1运行过程中，定期提取设备内部的污泥至观测筒主体4中进行污泥沉降特性分析。该过程可以有PLC自动化控制，大大节省人力，且保证其测量的准确性。一次取样分析完成后，可在设定时间后再次启动，重复上述过程，直至达到设定次数。
下面通过一个实施例，进一步说明本发明的具体实现形式。
实施例1
在本实施例中，污泥沉降性测定装置包括进样/出样单元、观测筒主体、污泥搅拌单元以及成像分析系统，具体结构如图1所述，不再赘述。下面主要描述各部件的具体参数。进样管/出样管内径0.8mm，两个输送泵的输送流量为5.2ml-252ml/min；污泥输送管/排出管连接观测筒主体底部。观测筒主体通过3D打印设计，根据样本体系可设计10ml，100ml，1000ml三套不同规格的系统，其材质均为透明光敏树脂，在底部和头部分别置有红色的识别点，用于成像分析系统定位。污泥搅拌装置由微孔曝气系统构成，其启动/停止受到PLC装置控制。污泥连续测定过程首先设定PLC和主机参数，由PLC开启采样循环：在此过程中，首先由PLC装置控制第一输送泵对目标位置进行污泥采样，然后进行曝气搅拌，充分搅拌混合后开始沉降，最后沉降完毕将污泥重新排回原位置。同时，沉降过程中有摄像机进行实时图像显微采集，由PC主机录入并转化数据。PC主机中的数据处理流程如图2所示主要包括数据转化分析和数据导出过程构成，具体参见前述的步骤1)～4)。本实施例中，数据导入形式为wav,采用VideoReader、imwrite函数导入截取图像，基于imb2b、b2m函数对污泥层界面进行界定参数优化，利用videoinput、Timer Period设定摄像时序和间隔，最终程序由MATLABGUI，MATLAB compiler生成exe程序包，可在不安装MATLAB的主机上执行。
本实施例中，为测定丝状菌生长对活性污泥沉降性能影响，在1L体系活性污泥中加入丝状菌Gordonia australis.spp孵育。由于体系有机物复合较低，需要在24h对污泥沉降性能进行不间断检测。为此，采用100mL采样体系，其取样间隔设定为1h,沉降曲线时间设定为0.5h。实验过程在恒温摇床中进行，通过污泥输送管和排出管(内径0.8mm,7#标准管)，采样过程无需停止微生物培养过程。
在采样循环中，首先由PLC装置启动第一输送泵，运行时间125s，污泥输送流速0.8ml/L，输送完毕后静置175s，该采样段共计时间5min。然后，进入搅拌段，PLC控制气泵和微孔曝气装置启动，运行5min，使泥水充分混合均匀。曝气停止后，摄像机启动，拍摄并在PC机中记录污泥沉降过程。30min后污泥再次曝气搅拌，并通过启动第二输送泵将污泥从底部排回原位置的活性污泥体系，排泥时间设定为5min。
对其中一次所得的图像进行数据分析得到污泥沉降曲线为例：在MATLAB中，视频转换后显示样本量54100，图像大小为640×368pixel。基于图像识别点三元色差异(R>230,G<100,B<100)提取两个识别点的特征区域中心坐标为A(23，178)；B(338，168)，根据中心坐标上下限图像分析区域进一步提取为矩阵[23,338；168,178]。对图像分析区域依次进行灰度化和二值化，再通过滤波(imfilter函数)去除图像中噪点，再通过连通域分析(bwlabel函数)区域连通域像素在50个以下的图像块，避免在图像中引入由于泥水界面上方的离散污泥絮体二值化而引入的噪点图像，从而通过自优化处理得到边界清晰的污泥层图像。从图像中读取污泥层高度，继而根据识别位点实际高度(15mm)计算出实际污泥层高度信息。
对摄像机拍摄的视频中的不同帧进行上述处理，即可得到不同时刻的污泥层高度。由于污泥沉降速度较慢，因此视频文件中图像文件存在冗余，对于每一帧进行计算会导致计算量过大，本实施例中程序默认对每秒首帧图像进行分析，最终得到24*1800数据点。最终结果在GUI界面上输出并以CSV UTF-8格式保存，其污泥沉降曲线在GUI界面上的显示如图3所示。
由此可见，该装置可实现实验室及现场(污水处理厂)污泥沉降性能的监测，实现污水处理过程中污泥沉降性能自动监测，对污水厂长期存在的污泥膨胀等风险实现预控。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于：包括进样/出样装置、观测筒主体（4）、污泥搅拌装置以及成像分析系统；所述进样/出样装置包括污泥输送管、污泥排出管和PLC控制系统（7），污泥输送管和污泥排出管的一端分别连接待监测设备（1）的污泥取样口，另一端分别连接观测筒主体（4）底部，污泥输送管和污泥排出管上分别设有第一输送泵（2）和第二输送泵（3）；所述观测筒主体（4）的侧壁由透明材质构成，在反应器的反应区侧壁底部设有第一识别点，反应区侧壁顶部设有第二识别点，两个识别点均用于成像分析系统定位；
所述污泥搅拌装置包括曝气装置（9）和气泵（6），所述曝气装置（9）置于观测筒主体（4）的内腔底部，所述气泵（6）用于对曝气装置（9）进行供气；所述第一输送泵（2）、第二输送泵（3）和气泵（6）均与PLC控制系统（7）相连，其启停均由PLC控制系统（7）控制；
所述成像分析系统包括成像装置（5）和上位机（8），所述成像装置（5）用于对观测筒主体（4）进行连续图像拍摄，获取第一识别点和第二识别点之间的反应区图像；所述成像装置（5）和PLC控制系统（7）均连接至上位机（8）；所述上位机（8）中设有MATLAB分析模块，用于对反应区图像进行分析，识别每张图像中的泥水界面位置并得到污泥层高度；
所述上位机（8）中的MATLAB分析模块，通过二值化和图像优化对图像中的泥水界面位置进行识别，其识别方法如下：
首先，将反应区图像导入MATLAB中，根据三刺激值特征识别出图像中的第一识别点和第二识别点所在位置，得到两个识别点的中心坐标之间纵坐标差值Y0；
然后，将反应区图像转化为灰度图，对灰度图进行二值化处理，得到二值化图像；
再后，对二值化图像进行滤波去噪，再进行连通域分析，去除泥水界面上方的离散污泥絮体导致的噪点图像，得到去噪后图像；
最后，计算去噪后图像中泥水界面所处位置与所述第一识别点中心点在图像中所处位置的纵坐标差值Y1，计算得到当前图像中污泥层的高度H=H0×（Y1/ Y0），其中H0为观测筒主体（4）上第一识别点和第二识别点的中心坐标实际高度差。
2.如权利要求1所述的基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于：所述曝气装置（9）为微孔曝气头。
3.如权利要求1所述基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于，所述第一输送泵（2）和第二输送泵（3）均为蠕动泵，第一输送泵（2）、第二输送泵（3）和气泵（6）的启停时间和周期均通过预先在PLC控制系统（7）中输入控制参数实现自动控制。
4.如权利要求1所述基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于，所述成像装置（5）采用水平的成像视角拍摄垂直设置的观测筒主体（4），以降低图像畸变。
5.如权利要求1所述基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于，所述成像装置（5）采用摄像头。
6.如权利要求1所述基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于，所述上位机（8）中还设有数据导出模块，所述数据导出模块用于读取从不同时刻的图像中得到的污泥层高度，并输出污泥沉降曲线。
7.如权利要求1所述基于MATLAB图像转化的污泥沉降特性自动分析装置，其特征在于，所述的待监测设备（1）运行过程中，定期提取设备内部的污泥至观测筒主体（4）中进行污泥沉降特性分析。
8.一种利用如权利要求1~7任一所述分析装置的污泥沉降特性自动分析方法，其特征在于，步骤如下：
S1：清空观测筒主体（4）内的泥水混合物，保持观测筒主体（4）内处于排空状态；
S2：打开第一输送泵（2），将待监测设备（1）中的待分析污泥泵入观测筒主体（4）中，直至反应区内的泥水混合物液面与所述第二识别点平齐；
S3：静置使观测筒主体（4）内的污泥稳定后，启动气泵（6）对曝气装置（9）进行供气，通过曝气气提作用对反应区内的污泥进行搅拌；
S4：当反应区内的污泥充分混匀后，停止曝气同时启动成像装置（5），对观测筒主体（4）中的反应区图像进行连续拍摄，得到不同沉降时刻的图像帧；
S5：将每个沉降时刻的图像帧输入MATLAB分析模块中，通过二值化和图像优化对图像中的泥水界面位置进行识别，获得图像帧中的污泥层高度；
S6：对不同时刻的图像帧中得到的污泥层高度进行处理，输出污泥沉降曲线。
9.如权利要求8所述的污泥沉降特性自动分析方法，其特征在于，当成像装置（5）拍摄完整个污泥沉降过程后，启动第二输送泵（3）将观测筒主体（4）内的泥水混合物重新泵入待监测设备（1）中。
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