CN112919605A - 基于图像采集的污水处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像采集的污水处理系统及方法，其中该污水处理系统包括控制器和与控制器通信连接的药品添加装置、图像采集装置；药品添加装置用于向污水处理容器中添加凝聚剂，图像采集装置用于采集污水处理容器中水体的沉降图像，并根据沉降图像生成代表絮凝效果的特征参数，控制器用于根据特征参数实时调节药品添加装置所输出的沉降药品的量；通过上述污水处理系统，可根据污水处理容器内水体的实时变化，实时调节沉降药品的添加量，以得到良好的沉降效果，同时节约药品用量，另外，由于沉降图像反映的是污水处理容器中当前水体总的沉降效果图，可适用于各种水质，而且可有效应对污水水质、水量的时变性和非线性。

Description

基于图像采集的污水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及污水处理设备技术领域，尤其涉及一种基于图像采集的污水处理系统及方法。

背景技术

畜禽养殖场粪污水主要由尿液、饲料残渣、夹杂粪便及圈舍冲洗水组成，其中冲洗水及尿液占了绝大部分。畜禽养殖废水成分复杂，总体来说，畜禽养殖废水是典型的高浓度有机废水，其具有化学需氧量(COD)或生化需氧量(BOD)、氨氮(NH3-N)、悬浮物(SS)、总磷(TP)浓度高的特点。污水处理是一个极其复杂的系统，特点是多变量、非线性、时变性。鉴于污水处理任务的特殊性，整个处理系统又要求有较高的稳定性和可靠性。

在目前污水处理过程中，虽然部分污水处理厂已经实现了药剂的自动添加，但是在絮凝、助凝等药剂添加方面，添加量与复配往往是在通过试验结果所得或参照相似水质条件下的运行经验等经综合比较确定。然而实验室很难完全模拟现场的复杂工况，又加上现场工人经验的差异与人为参与的局限性，因此，这类加药模式的准确性与稳定性以及适应性都很难保证。

实践表明，采用自动加药是提高设备效率、优化工艺过程、减少运行成本、强化管理工作的有效途径。目前经常采用的自动加药系统大体分为两类一是由在线式水质单项参数传感-变送器或检测仪构成的定值调节系统。这类系统只对单个水质参数进行采集、控制和调节，适用于小型、单水源水厂的技术改造项目；二是采用DCS或PLC/based-PC的控制系统，这类系统能够实现在控制中心的屏幕上观测和操作模拟流程，但是需要人工设置，并不能保证控制效果最佳化。同时养殖污水水质、水量具有时变性、非线性，虽然目前采用计量泵定量加药实现了自动化，但是，计量泵不能根据污水实时情况来自动调节加药量，即不能实现智能化，造成药剂的浪费或处理效果的不理想，导致处理成本增加。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题而提供一种可根据污水处理容器中水体的实时状况实时调节沉降药品添加量以使得污水达到理想沉降效果的基于图像采集的污水处理系统及方法。

为了实现上述目的，本发明公开了一种基于图像采集的污水处理系统，包括控制器和与所述控制器通信连接的药品添加装置、图像采集装置；所述药品添加装置用于向污水处理容器中添加凝聚剂，所述图像采集装置用于采集所述污水处理容器中水体的沉降图像，并根据所述沉降图像生成代表絮凝效果的特征参数，所述控制器用于根据所述特征参数实时调节所述药品添加装置所输出的沉降药品的量。

与现有技术相比，本发明基于图像采集的污水处理系统，采用图像采集装置实时采集污水处理容器中水体的沉降图像，然后利用数字化图像处理技术对采集到的沉降图像进行处理，以识别出代表絮凝效果的特征参数，然后控制器根据该特征参数控制药品添加装置的工作状态，从而调节沉降药品的添加量；由此可知，通过上述污水处理系统，可根据污水处理容器内水体的实时变化，实时调节沉降药品的添加量，以得到良好的沉降效果，同时节约药品用量，另外，由于沉降图像反映的是污水处理容器中当前水体总的沉降效果图，可适用于各种水质，而且可有效应对污水水质、水量的时变性和非线性。

较佳地，所述特征参数包括絮体的等效直径、分形维数以及浓度中的其中一个或多个。

较佳地，还包括与所述控制器通信连接的容量检测装置，所述容量检测装置用于检测所述污水处理容器中的污水容量，所述控制器可根据所述容量检测装置的反馈调节所述药品添加装置所输出的沉降药品的量。

较佳地，所述图像采集装置包括样本容器和摄像装置；所述样本容器通过控制阀与所述污水处理容器连通，用于采集污水沉降过程中的样本溶液；所述样本容器为透明结构，所述摄像装置设置在所述样本容器的外部，用于采集所述样本容器中的沉降图像。

较佳地，还包括一将所述样本容器罩设于其中的遮光罩，所述遮光罩的内壁与所述样本容器的外壁之间具有一容置空间，所述摄像装置设置在所述容置空间中。

较佳地，所述样本容器内设置有平行光源。

较佳地，还包括一控制终端，所述污水处理容器中还设置有与所述控制终端通信连接的PH值采集传感器和温度采集传感器。

本发明还公开一种基于图像采集的污水处理方法，其包括如下步骤：

通过图像采集装置实时采集污水处理容器中水体的沉降图像，并对所述沉降图像进行处理，得到代表絮凝效果的特征参数；

根据所述特征参数和预设值的比较实时调节向所述污水处理容器中添加的沉降药品的量。

较佳地，所述特征参数包括絮体的等效直径、分形维数以及浓度中的其中一个或多个。

较佳地，对所述沉降图像进行处理的方法包括：

S1：对沉降图像进行灰度化和滤波处理；

S2：采用基于阈值的图像分割算法对所述沉降图像进行分割，以得到絮体图像；

S3：计算所述絮体的等效直径、分形维数和浓度值。

附图说明

图1为本发明实施例中污水处理系统的原理结构示意图。

图2为本发明实施例中图像采集装置的结构示意图。

图3为絮体等效直径与加药量之间的关系示意图。

图4为絮体浓度与加药量之间的关系示意图。

图5为絮体分形维数与加药量之间的关系示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图1和图2，本发明公开一种基于图像采集的污水处理系统，包括控制器3和与控制器3通信连接的药品添加装置4、图像采集装置5。药品添加装置4用于向污水处理容器6中添加凝聚剂，本实施例中的药品添加装置4优选为计量泵。图像采集装置5用于采集污水处理容器6中水体的沉降图像，并根据沉降图像生成代表絮凝效果的特征参数，控制器3用于根据特征参数实时调节药品添加装置4所输出的沉降药品的量。上述污水处理系统的工作方式为:

首先，通过图像采集装置5实时采集污水处理容器6中水体的沉降图像，并对沉降图像进行处理，得到代表絮凝效果的特征参数；具体地，可通过边缘计算设备2对沉降图像进行处理，并把处理结果反馈给控制器3，同时还可把处理结果反馈给控制终端1予以保存，另外，控制终端1还可通过边缘计算设备2与控制器3进行通信连接。

然后，根据特征参数和预设值的比较实时调节向污水处理容器6中添加的沉降药品的量。本实施例中的沉降药品包括絮凝剂和/或助凝剂。

较佳地，特征参数包括絮体的等效直径、分形维数以及浓度中的其中一个或多个。

絮凝体的面积、周长、颗粒的数量、颗粒的长宽比等参数都能反映絮凝体的特征，通过以上参数可以计算出絮凝体的等效直径(具体计算公式为本领域的技术人员的公知常识，在此不再赘述)。当絮体为一个标准圆形时，等效直径即为实际直径。絮凝体的等效直径是一个与沉淀水浊度有很好相关性的特征参数，等效直径越大，沉降速度越快，即絮凝体形成的越好，沉降越充分，沉淀水的浊度也就越小。通过絮体等效直径这一参数的使用，可有效降低对加药量控制的滞后性，絮体等效直径与加药量的关系可参阅图3中的加药曲线图。

分形维数是描述分形的一个基本参量，可以通过分形维数来描述和分析絮凝体的形成和生长，也可以通过分形维数来表征絮凝体的一些特征参数，例如絮凝体的固体质量、固体体积、密度和沉降速率等。若絮凝体较为密实、形态结构紧凑、则易于沉降。当絮凝效果不好时，絮凝体的分形维数值偏低。当投药量适中时，絮凝体图像多为密实絮凝体颗粒，且沉淀时间越长，絮凝体颗粒尺寸越大，絮凝效果越好，分形维数值也就偏高，絮凝体分形维数与加药量之间的关系可参阅图5中的加药曲线图。

另外，由于絮凝体是不规则的，有时连成一片，无法提取颗粒的特征参数。因此提取图像的浓度指标，能反映出絮凝体与污水表面之间的比例关系，从而反映出絮凝的效果，絮凝体浓度与加药量之间的关系可参阅图4中的加药曲线图。

当絮凝图像处理为二值图像，颜色黑色部分为所含絮凝体，用图像法求絮凝体的浓度实际上近似为黑色部分所占的像素数与图像总像素的比值。

关于采用数字化图像处理技术上述对沉降图像进行处理以得到特征参数的具体方法，本实施例优选为：

S1：对沉降图像进行灰度化和滤波处理；

S2：采用基于阈值的图像分割算法对沉降图像进行分割，以得到絮体图像；

S3：计算絮体的等效直径、分形维数和浓度值。

另外需要说明的是，上述图像处理方法仅为一优选方式，并不以此为限，本领域技术人员还可根据需求进行其他常规选择。

由于，当影响絮体沉淀过程的废水流量发生变化时，废水悬浊液浓度和絮凝体粒径分布之间对应参数也发生变化，需要及时调整与特征参数进行比对的预设值。为避免系统发生振荡，加入流量前馈降低废水流量变化干扰，可保证絮凝反应稳定进行，对此，本实施例中的污水处理系统还包括与控制器3通信连接的容量检测装置7，容量检测装置7用于检测污水处理容器6中的污水容量，控制器3可根据容量检测装置7的反馈调节药品添加装置4所输出的沉降药品的量。通过容量检测装置7的设置，可跟进污水处理容器6中的污水容量自动调节与特征参数比对的预设值，从而调节药品添加装置4所输出的沉降药品的量，有利于系统稳定进行。另外，还可加入浊度反馈对絮凝体粒径分布进行修正，也即在污水处理容器6中增设与控制器3通信连接的浊度计，通过对水体浊度的检测，自动调整与特征参数比对的预设值。

对于图像采集装置5的具体设置，如图2，包括样本容器50和摄像装置51。样本容器50通过控制阀52与污水处理容器6连通，用于采集污水沉降过程中的样本溶液。样本容器50为透明结构，摄像装置51设置在样本容器50的外部，用于采集样本容器50中的沉降图像。由于污水处理容器6一般体积比较大，不便于采集沉降图像，因此，本实施例中设置有样本容器50，采集沉降图像时，打开控制阀52，样本容器50与污水处理容器6连通，由于样本容器50为透明结构，将摄像装置51设置在样本容器50的外侧即可对样本容器50内的水体进行沉降图像的采集，从而达到方便采集图像的目的。进一步地，为避免外部光线对采集的沉降图像造成干扰，还可增设一将样本容器50罩设于其中的遮光罩53，遮光罩53的内壁与样本容器50的外壁之间具有一容置空间54，摄像装置51设置在容置空间54中。另外，由于絮凝体即通称的矾花也是一种悬浮颗粒，但会慢慢沉淀，当水体中含有一定量肉眼能够识别的悬浮颗粒时,水体就显得混浊，如果有一束平行的光源照射含有悬浮颗粒的水体,由于悬浮颗粒对光的散射和吸收,会在拍摄的照片上形成暗斑，因此，为方便对沉降图像进行数字化处理，样本容器50内还可设置平行光源55，以便更好地提取沉降图像中的絮体图。

由于温度和PH值会影响絮凝沉淀效果，因此，为方便对污水处理过程中絮凝效果的监测预警，还可在污水处理容器6中设置与控制终端1通信连接的PH值采集传感器80和温度采集传感器81，以及时在线监测污水处理系统运行和处理的效果，及时发现异常现象。另外需要说明的是，本实施例中采集的温度和PH值参数不直接参与对加药量进行反馈控制。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，包括控制器和与所述控制器通信连接的药品添加装置、图像采集装置；所述药品添加装置用于向污水处理容器中添加凝聚剂，所述图像采集装置用于采集所述污水处理容器中水体的沉降图像，并根据所述沉降图像生成代表絮凝效果的特征参数，所述控制器用于根据所述特征参数实时调节所述药品添加装置所输出的沉降药品的量。

2.根据权利要求1所述的基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，所述特征参数包括絮体的等效直径、分形维数以及浓度中的其中一个或多个。

3.根据权利要求1所述的基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，还包括与所述控制器通信连接的容量检测装置，所述容量检测装置用于检测所述污水处理容器中的污水容量，所述控制器可根据所述容量检测装置的反馈调节所述药品添加装置所输出的沉降药品的量。

4.根据权利要求1所述的基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，所述图像采集装置包括样本容器和摄像装置；所述样本容器通过控制阀与所述污水处理容器连通，用于采集污水沉降过程中的样本溶液；所述样本容器为透明结构，所述摄像装置设置在所述样本容器的外部，用于采集所述样本容器中的沉降图像。

5.根据权利要求4所述的基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，还包括一将所述样本容器罩设于其中的遮光罩，所述遮光罩的内壁与所述样本容器的外壁之间具有一容置空间，所述摄像装置设置在所述容置空间中。

6.根据权利要求4所述的基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，所述样本容器内设置有平行光源。

7.根据权利要求1所述的基于图像采集的污水处理系统，其特征在于，还包括一控制终端，所述污水处理容器中还设置有与所述控制终端通信连接的PH值采集传感器和温度采集传感器。

8.一种基于图像采集的污水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过图像采集装置实时采集污水处理容器中水体的沉降图像，并对所述沉降图像进行处理，得到代表絮凝效果的特征参数；

根据所述特征参数和预设值的比较实时调节向所述污水处理容器中添加的沉降药品的量。

9.根据权利要求8所述的基于图像采集的污水处理方法，其特征在于，所述特征参数包括絮体的等效直径、分形维数以及浓度中的其中一个或多个。

10.根据权利要求9所述的基于图像采集的污水处理方法，其特征在于，对所述沉降图像进行处理的方法包括：

S1：对沉降图像进行灰度化和滤波处理；

S2：采用基于阈值的图像分割算法对所述沉降图像进行分割，以得到絮体图像；

S3：计算所述絮体的等效直径、分形维数和浓度值。

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