CN112946215B - 一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法及系统，方法包括S1、采集饮用水环境中水样参数；S2、判断饮用水流量是否为零；是进入S4；否则进入S3；S3、基于水样参数，计算流动状态下的微生物量，进入S5；S4、基于水样参数及饮用水温度范围，计算静置状态下的微生物量，进入S5；S5、在设定的监测时间范围内，重复S1～S4，绘制监测时间范围内的微生物生长趋势变化图像。本发明通过与微生物有关的水质物理参数，计算微生物生长趋势，结果趋势间接反映微生物实际趋势，达到低成本、实时输出结果的效益，涉及微生物量的相关参数均由外部成熟的、低价的传感器采集，可直接或间接获取，可操作性强，利于小型化集成。

Description

一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法及系统

技术领域

本发明属于净水器技术领域，具体涉及一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法。

背景技术

目前，对饮用水在存储、饮用等场景的微生物监测方面，尚处于空白或需付出高昂代价。在不同环境和水体下，极有可能适合各种微生物的滋长，微生物检测结果可直观评价水质情况，掌握水质污染趋势，反映水质安全。

根据《GB 5750-2006生活饮用水卫生检验规范》，主要检测之别有菌落总数、总大肠菌群和耐热大肠菌群。其中，菌落总数最能反映水质优劣，所占影响最大。实验室环境下，菌落总数的检测要求是水样在营养琼脂上有氧条件下恒定37摄氏度培养48小时后，1毫升水样所含细菌菌落的总数，使用菌落计数器进行计数确认，菌落总数在10～10000cfu/ml可视为尚可。操作过程中，要求全程无菌，稀释管和培养皿需消毒处理，由此可见，现有微生物检测具有耗时长，条件要求高等缺点，无法快速产生结果和实时监测。

当前净水器设备主要通过反渗透等方式对饮用水进行实时净化，以满足生活饮用水要求，但其由于缺乏有效的传感器数据采集，数据存储和数据计算等功能，不具备快速监测微生物滋长趋势的条件，难以快速有效、低成本实现微生物生长趋势计算。不仅如此，商用净水器主要在家庭、学校和医院等场景下使用，也无法满足标准监测流程所需的实验条件。

综上所述，目前对于净水器设备中的微生物生长趋势实时监测还处于空白阶段。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的饮用水中微生物生长趋势实时监测方法及系统解决了现有净水及饮水机设备实际使用过程中，难以对微生物生长趋势进行计算及监测的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法，包括以下步骤：

S1、通过饮用水环境中内置的传感器采集当前饮用水环境中的水样参数；

S2、判断当前饮用水的流量是否为零；

若是，则进入步骤S4；

若否，则进入步骤S3；

S3、基于采集的水样参数，计算流动状态下的微生物量，进入步骤S5；

S4、基于采集的水样参数及当前饮用水温度范围，计算静置状态下的微生物量，进入步骤S5；

S5、在设定的监测时间范围内，重复步骤S1～S4，根据计算出的微生物量绘制当前监测时间范围内的微生物生长趋势变化图像，实现微生物生长趋势的实时监测。

进一步地，所述步骤S1中，饮用水环境中内置的传感器包括温度传感器、余氯传感器、浊度传感器及流量传感器。

进一步地，所述步骤S3中的微生物量用于表征当前状态下微生物菌落总数：

所述流动状态下的微生物量Y为：

式中，B上一次计算获得的微生物量的值，E为公式系数，v为当前状态下的流动速率。

进一步地，所述步骤S4中的微生物量用于表征当前状态下微生物菌落总数：

当前饮用水温度范围包括5度以下、5～10度、10～15度、15～20度、20～25度、25～30度及30～35度。

进一步地，当当前饮用水温度范围为5度以下时，对应的静置状态下的微生物量X₁为：X₁＝-1E-17x⁴*T+2E-13x³*C+8E-08x²-0.0031x+A

当当前饮用水温度范围为5～10度时，对应的静置状态下的微生物量X₂为：

X₂＝-6.1775x³T+105.09x²*C-210.89x+168.97+A

当当前饮用水温度范围为10～15度时，对应的静置状态下的微生物量X₃为：

X₃＝-4E-21x⁴*T+1E-14x³*C-8E-09x²+0.0041x+86.857+A

当当前饮用水温度范围为15～20度时，对应的静置状态下的微生物量X₄为：

X₄＝-3E-20x⁴*T+4E-14x³*C-2E-08x²+0.009x-63.415+A

当当前饮用水温度范围为20～25度时，对应的静置状态下的微生物量X₅为：

X₅＝-4E-24x⁵*T+4E-18x⁴*C-2E-12x³+2E-07x²+0.0041x+27.827+A

当当前饮用水温度范围为25～30度时，对应的静置状态下的微生物量X₆为：

X₆＝3E-14x³*T-3E-08x²*C+0.0157x-121.08+A

当当前饮用水温度范围为30～35度时，对应的静置状态下的微生物量X₇为：

X₇＝-5E-09x²*T+0.0102x*C+450.28+A

式中，E为公式系数，x为静置时长，T为浊度传感器采集的水样浊度数据，C为余氯传感器采集的水样余氯数据，A为计算系数，用于表征上一次流动状态转换为静置状态时对应的微生物量。

一种饮用水中微生物生长趋势实时监测系统，包括：

水样参数采集模块，用于采集待监测饮用水环境中包括温度、流量、余氯和流量数据在内的水样参数，并将其上传至数据处理模块；

数据通信模块，用于作为水样参数采集模块和数据处理模块之间的数据传输媒介；

数据处理模块，用于根据当前采集的水样参数计算当前饮用水中的微生物量，并在设定监测时间范围内根据计算得到微生物量生成微生物生长趋势变化图像，并将其上传至用户监测终端；

用户监测终端，用于显示数据处理模块生成的微生物生长趋势变化图像，实现微生物生长趋势的实时监测。

进一步地，所述数据处理模块包括动态微生物量计算单元和静置微生物量计算单元；

当饮用水环境中饮用水为动态时，根据当前饮用水温度，采用对应温度范围的微生物量计算公式计算当前微生物量；

当饮用水环境中饮用水为静态时，采用对应的微生物量计算公式计算当前微生物量。

本发明的有益效果为：

(1)本发明方法用于解决现有的净水及饮水机设备在实际使用过程中，微生物生长趋势难以计算及监测，标准的测定方法又难以实时得出结论的问题，采用本发明方法，即使在商用环境条件下，无需采用计量手段获取准确的微生物菌落情况，仅需快速获取相似值或趋势，即可反映出饮用水中微生物的生长情况；

(2)本发明通过与微生物有关的水质物理参数，对微生物生长趋势进行计算，对应结果的趋势将间接反映微生物实际趋势，达到低成本、实时输出结果的效益，是比实验室测定更为简便的方法；

(3)本发明中计算微生物生长趋势的相关参数均由外部成熟的、低价的传感器采集，可直接或间接获取，可操作性强，利于小型化集成。

附图说明

图1为本发明提供的饮用水中微生物生长趋势实时监测方法流程图。

图2为本发明提供的饮用水中微生物生长趋势实时监测系统结构框图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法，包括以下步骤：

S1、通过饮用水环境中内置的传感器采集当前饮用水环境中的水样参数；

S2、判断当前饮用水的流量是否为零；

若是，则进入步骤S4；

若否，则进入步骤S3；

S3、基于采集的水样参数，计算流动状态下的微生物量，进入步骤S5；

S4、基于采集的水样参数及当前饮用水温度范围，计算静置状态下的微生物量，进入步骤S5；

S5、在设定的监测时间范围内，重复步骤S1～S4，根据计算出的微生物量绘制当前监测时间范围内的微生物生长趋势变化图像，实现微生物生长趋势的实时监测。

上述步骤S1中，饮用水环境中内置的传感器包括温度传感器、余氯传感器、浊度传感器及流量传感器，传感器的探头均可浸入净水设备或饮水设备的流通管道和储水容器中，可确保持续采集水样。以上传感器采集的水样参数是影响微生物生长趋势在日常条件下的主要因素，本实施例中计算得到的微生物生长趋势用于表征微生物菌落，以实现对饮用水安全监测。

上述步骤S2中，通过判断饮用水流量来确定当前饮用水为流动还是静置状态，流动状态是指在饮水机//净水器在使用中，储水容器卸放可能已经静置一段时间的水，物理流动将大幅度减少微生物的滋长趋势，并通常伴随干净水源补入；通常水流量速率越大，微生物滋长趋势越会受到抑制，属于负相关。而静置状态是指饮水机/净水器未使用，储水容器环境将成为微生物滋长场所，并在温度、余氯、浊度和时间等因素影响下，与微生物生长趋势表现为正相关的情形。

上述步骤S3中，的微生物量用于表征当前状态下微生物菌落总数：

所述流动状态下的微生物量Y为：

式中，B上一次计算获得的微生物量的值，E为公式系数，v为当前状态下的流动速率，单位为毫升/秒。

以上计算公式通过试验测定，在已约定的温度点位下，流速范围10～200ml/秒，步进流量为10ml，放水时间恒定为10秒(典型饮用水接水时间)，测定不同温度，不同流量下的微生物生长趋势，测定方法以《GB 5750-2006生活饮用水卫生检验规范》为参考，记录实验前后的微生物生长趋势，以描点方式记录，通过数学拟合方式串联各点位数值，产生曲线及其拟合公式。由于温度在流动状态下对微生物生长影响较小，因此选择固定25度作为典型温度的曲线作为最终流动状态下的微生物量计算的拟合公式。上述公式中的E为在确定实验过程中通过科学计算法对描点数据进行表示时获得公式系数。

上述步骤S4中的微生物量用于表征当前状态下微生物菌落总数：

当前饮用水温度范围包括5度以下、5～10度、10～15度、15～20度、20～25度、25～30度及30～35度，上述几个温度范围的划分符合日常主要场景，也符合微生物菌落总数主要滋长的温度范围，范围以外的情况视为极端条件，本实施例中不予计算。

具体地，当当前饮用水温度范围为5度以下时，对应的静置状态下的微生物量X₁为：

X₁＝-1E-17x⁴*T+2E-13x³*C+8E-08x²-0.0031x+A

当当前饮用水温度范围为5～10度时，对应的静置状态下的微生物量X₂为：

X₂＝-6.1775x³T+105.09x²*C-210.89x+168.97+A

当当前饮用水温度范围为10～15度时，对应的静置状态下的微生物量X₃为：

X₃＝-4E-21x⁴*T+1E-14x³*C-8E-09x²+0.0041x+86.857+A

当当前饮用水温度范围为15～20度时，对应的静置状态下的微生物量X₄为：

X₄＝-3E-20x⁴*T+4E-14x³*C-2E-08x²+0.009x-63.415+A

当当前饮用水温度范围为20～25度时，对应的静置状态下的微生物量X₅为：

X₅＝-4E-24x⁵*T+4E-18x⁴*C-2E-12x³+2E-07x²+0.0041x+27.827+A

当当前饮用水温度范围为25～30度时，对应的静置状态下的微生物量X₆为：

X₆＝3E-14x³*T-3E-08x²*C+0.0157x-121.08+A

当当前饮用水温度范围为30～35度时，对应的静置状态下的微生物量X₇为：

X₇＝-5E-09x²*T+0.0102x*C+450.28+A

式中，E为公式系数，x为静置时长，单位为妙，T为浊度传感器采集的水样浊度数据，单位为NTU，C为余氯传感器采集的水样余氯数据，单位为PPM，A为计算系数，用于表征上一次流动状态转换为静置状态时(即：流量变化速率从非零状态转换为零状态)对应的微生物量，初始值为0。

实施例2：

本实施例提供基于上述实施例1中的饮用水中微生物生长趋势实时监测方法的饮用水中微生物生长趋势实时监测系统，如图2所示，包括：

水样参数采集模块，用于采集待监测饮用水环境中包括温度、流量、余氯和流量数据在内的水样参数，并将其上传至数据处理模块；

数据通信模块，用于作为水样参数采集模块和数据处理模块之间的数据传输媒介；

数据处理模块，用于根据当前采集的水样参数计算当前饮用水中的微生物量，并在设定监测时间范围内根据计算得到微生物量生成微生物生长趋势变化图像，并将其上传至用户监测终端；

用户监测终端，用于显示数据处理模块生成的微生物生长趋势变化图像，实现微生物生长趋势的实时监测。

其中，数据处理模块包括动态微生物量计算单元和静置微生物量计算单元；

当饮用水环境中饮用水为动态时，根据当前饮用水温度，采用对应温度范围的微生物量计算公式计算当前微生物量；

当饮用水环境中饮用水为静态时，采用对应的微生物量计算公式计算当前微生物量。

实施例3：

本实施例中提供了通过本发明方法监测到的微生物生长趋势和实验方法测定的微生物生长趋势的对比：

第一步：环境准备，将清渟科技的净水设备“小清渟”视为参考用水环境，内部含有温度、余氯、浊度和流量传感器，并每间隔5秒自动进行一次水样参数采集，并上报至服务器；

第二步：静置水样48小时不使用(也可选择其他时间，满足微生物滋长即可，以便有较为显著的趋势变化)，获取水样按照《GB 5750-2006生活饮用水卫生检验规范》进行测定并记录当前实时趋势计算结果值(无量纲)；

第三步：接取水样，对应饮水行为产生的流动状态。再次获取流动后的水样按照《GB 5750-2006生活饮用水卫生检验规范》进行测定并记录当前实时趋势计算结果值(无量纲)；

第四步：重复上述第二步和第三步，并记录；

第五步：对比上述两种情况对应的测定值和计算值，测定值与计算值均呈现正相关趋势，计算值的变化趋势符合测定值变化情况；

第六步：以时间为横轴，结果值为纵轴即可绘制微生物实时趋势变化图像。

Claims (4)

1.一种饮用水中微生物生长趋势实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过饮用水环境中内置的传感器采集当前饮用水环境中的水样参数；

S2、判断当前饮用水的流量是否为零；

若是，则进入步骤S4；

若否，则进入步骤S3；

S3、基于采集的水样参数，计算流动状态下的微生物量，进入步骤S5；

S4、基于采集的水样参数及当前饮用水温度范围，计算静置状态下的微生物量，进入步骤S5；

S5、在设定的监测时间范围内，重复步骤S1～S4，根据计算出的微生物量绘制当前监测时间范围内的微生物生长趋势变化图像，实现微生物生长趋势的实时监测；

所述步骤S3中的微生物量用于表征当前状态下微生物菌落总数：

所述流动状态下的微生物量Y为：

式中，B为上一次计算获得的微生物量的值，E为在确定实验过程中通过科学计算法对描点数据进行表示时获得公式指数，v为当前状态下的流动速率；

当当前饮用水温度范围为5度以下时，对应的静置状态下的微生物量X₁为：

X₁＝-1E-17x⁴*T+2E-13x³*C+8E-08x²-0.0031x+A

当当前饮用水温度范围为5～10度时，对应的静置状态下的微生物量X₂为：

X₂＝-6.1775x³T+105.09x²*C-210.89x+168.97+A

当当前饮用水温度范围为10～15度时，对应的静置状态下的微生物量X₃为：

X₃＝-4E-21x⁴*T+1E-14x³*C-8E-09x²+0.0041x+86.857+A

当当前饮用水温度范围为15～20度时，对应的静置状态下的微生物量X₄为：

X₄＝-3E-20x⁴*T+4E-14x³*C-2E-08x²+0.009x-63.415+A

当当前饮用水温度范围为20～25度时，对应的静置状态下的微生物量X₅为：

X₅＝-4E-24x⁵*T+4E-18x⁴*C-2E-12x³+2E-07x²+0.0041x+27.827+A

当当前饮用水温度范围为25～30度时，对应的静置状态下的微生物量X₆为：

X₆＝3E-14x³*T-3E-08x²*C+0.0157x-121.08+A

当当前饮用水温度范围为30～35度时，对应的静置状态下的微生物量X₇为：

X₇＝-5E-09x²*T+0.0102x*C+450.28+A

式中，E为在确定实验过程中通过科学计算法对描点数据进行表示时获得公式指数，x为静置时长，T为浊度传感器采集的水样浊度数据，C为余氯传感器采集的水样余氯数据，A为计算系数，用于表征上一次流动状态转换为静置状态时对应的微生物量。

2.根据权利要求1所述的饮用水中微生物生长趋势实时监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，饮用水环境中内置的传感器包括温度传感器、余氯传感器、浊度传感器及流量传感器。

3.一种基于权利要求1～2任意一条权利要求所述的饮用水中微生物生长趋势实时监测方法的饮用水中微生物生长趋势实时监测系统，其特征在于，包括：

水样参数采集模块，用于采集待监测饮用水环境中包括温度、流量、余氯和流量数据在内的水样参数，并将其上传至数据处理模块；

数据通信模块，用于作为水样参数采集模块和数据处理模块之间的数据传输媒介；

数据处理模块，用于根据当前采集的水样参数计算当前饮用水中的微生物量，并在设定监测时间范围内根据计算得到微生物量生成微生物生长趋势变化图像，并将其上传至用户监测终端；

用户监测终端，用于显示数据处理模块生成的微生物生长趋势变化图像，实现微生物生长趋势的实时监测。

4.根据权利要求3所述的饮用水中微生物生长趋势实时监测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括动态微生物量计算单元和静置微生物量计算单元；

当饮用水环境中饮用水为动态时，根据当前饮用水温度，采用对应温度范围的微生物量计算公式计算当前微生物量；

当饮用水环境中饮用水为静态时，采用对应的微生物量计算公式计算当前微生物量。

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