專利名稱：絮體污泥介觀動力學(xué)的測試方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具體地是涉及一種絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置及測試方法。
背景技術(shù)：
水處理過程中，絮體污泥的動力行為直接影響著后續(xù)處理工藝單元的效果。以往對于絮體污泥的研究主要分為兩大類，一是在宏觀尺度上對其水動力學(xué)行為研究及參數(shù)測定，具體包括絮體污泥的流速、懸浮濃度、污泥體積指數(shù)、污泥沉降比等；二是在微觀尺度上，借助電鏡掃描、高分辨率顯微鏡等手段對其形貌結(jié)構(gòu)的變化行為進(jìn)行研究，測定參數(shù)主要包括分形數(shù)、微觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)等。但是從宏觀到微觀這兩個尺度間的跨越大約為四到五個數(shù)量級，這兩者間所存在的較大空間導(dǎo)致了兩種研究方法及其評價結(jié)果的相關(guān)性差，難以在絮體污泥微觀表征參數(shù)與宏觀指標(biāo)之間構(gòu)建聯(lián)系，以提高對絮體污泥行為與性狀變化的估計和機(jī)理認(rèn)識。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而建立一套在介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對絮體污泥動力行為的測試技術(shù)及裝置，目的是填補(bǔ)現(xiàn)有水處理領(lǐng)域中絮體污泥在介觀尺度上測試技術(shù)和裝置的空白。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是
本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信號同步控制系統(tǒng)和絮體污泥測試平臺，軟件系統(tǒng)包括圖像處理模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊又包括介觀參數(shù)測量模塊；光路系統(tǒng)由激光器和透鏡組組成，通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)和信號同步控制系統(tǒng)的同步控制器連接；絮體污泥測試平臺包括樣品混合與投加池、多維調(diào)節(jié)臺、樣品測試器和出水儲存罐，絮體污泥測試平臺上還設(shè)置有圖像采集系統(tǒng)。所述的圖像采集系統(tǒng)包括由第一 CXD相機(jī)圖像采集器和第二 CXD相機(jī)圖像采集器，標(biāo)定板置于第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器的片光照射中。同步控制器上游通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)相連接收計算機(jī)指令，下游通過并行分支結(jié)構(gòu)分別與激光器及第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器連接，以控制激光器與CCD相機(jī)圖像采集器拍攝幀頻同步，實現(xiàn)圖像與光照的同步采集。激光器為YAG激光器，功率為175mW，波長532nm。本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試方法，包括如下步驟
第一，絮體污泥的制備與前處理
I透明或半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
透明的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物可直接進(jìn)入主體測試平臺；半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物根據(jù)具體情況可直接或參考非透明類絮體污泥或絮體團(tuán)聚物進(jìn)行前處理； 具體步驟如下
(1)蒸餾水清洗雜質(zhì)；
(2)按測試要求，配置濃度，并與待測流體均勻混合；1:非透明類的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
根據(jù)絮體污泥或絮體團(tuán)聚物自身化學(xué)和物理特性，在不影響和改變其自身性狀和結(jié)構(gòu)的前提，選取細(xì)胞熒光素CY3、TRITC和Propidium Iodide之一，按使用要求進(jìn)行前處理；具體步驟如下
(I)將污泥放置在染色容器內(nèi)；(2 )蒸餾水清洗雜質(zhì)；
(3)選取細(xì)胞熒光素染I分鐘；(4)自來水沖洗；
(5)加碘液覆蓋涂面染I分鐘；(6)水洗，用吸水紙吸去水分；
(7)加95%酒精數(shù)滴，并輕輕搖動進(jìn)行脫色,30秒后水洗，吸去水分；
(8)蕃紅梁色液(稀)染10秒鐘后，自來水沖洗；(9)染色完畢后，按測試要求，配置濃度，并與待測流體均勻混合；
第二，測試系統(tǒng)的布設(shè)
在系統(tǒng)正式開始測試之前，各組成裝置布局要求如下
①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入樣品測試器中的液面；
%第一 CCD相機(jī)與第二 CCD相機(jī)的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個面平行,且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時刻的測試對象；
S將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度分別照在標(biāo)定板兩面。標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，其中標(biāo)定板正反兩面具有不同間距與刻度標(biāo)定點，分別用于介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定；
第三，測試裝置的啟動與樣本的加載
①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定
通過對照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點能清晰成現(xiàn)于計算機(jī)圖像上，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，對標(biāo)定板上的標(biāo)定點進(jìn)行拍照后，系統(tǒng)通過將圖像上標(biāo)定點之間所占像素與實際標(biāo)定點上距離的對比，自動計算出圖像上的實際像素所代表實際物理空間的距離，確定像距與物距之比；根據(jù)具體試驗需要，設(shè)定相機(jī)快門參數(shù)，以捕捉更多信息；
I'激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定
按具體研究目的和要求，根據(jù)實際流場分布情況，設(shè)置激光脈沖頻率與CCD的拍攝幀頻，并開啟同步控制器，對兩部相機(jī)及激光器進(jìn)行控制；
I絮體污泥投加
按具體研究目的和要求，將所制備的絮體污泥投加至主體測試平臺內(nèi)的樣品混合器中，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合。為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測試器，并根據(jù)測試研究控制進(jìn)水流速(0 1. 5m/s)和流量(0 20L/h)；
第四，絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測量 絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測定依靠系統(tǒng)軟件中的介觀參數(shù)測量模塊完成，其過程主要包括
①介觀成像、圖像采集與存儲
I觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化；
I根據(jù)測試要求，對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲；
I圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時，流場絮體污泥變化過程中的反光性并不是一致，因此在實測采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測量精度，故需對原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；
S介觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
經(jīng)過圖像預(yù)處理后，對同一間隔時間所拍連續(xù)單幀照片進(jìn)行絮體形貌信息提取，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子圖像的相關(guān)測速方法，采用絮團(tuán)分形維數(shù)最大相關(guān)法；通過圖像中絮團(tuán)分形維數(shù)匹配算法獲得絮體微團(tuán)在像平面上的位移，計算出絮體團(tuán)動態(tài)結(jié)構(gòu)變化、亞結(jié)構(gòu)分形數(shù)、運(yùn)動速度、變形速率以及剪切力等；
I動力學(xué)參數(shù)的計算
將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際介尺度動力學(xué)參數(shù)；
I數(shù)據(jù)輸出
輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場； 第五，絮體污泥宏尺度動力學(xué)參數(shù)測量
S宏觀成像、圖像采集與存儲
觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化；
根據(jù)測試要求，對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲；
I圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時，流場絮體污泥變化過程中的反光性并不是一致，因此在實測采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測量精度，故需對原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；
S宏觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
對經(jīng)過前處理后的照片，進(jìn)行流場與絮體污泥兩相流場的圖像分割；即將原始圖像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素為污泥絮體，背景像素為流體； 點擊流體計算模塊，對流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計算；點擊絮狀污泥計算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計算；
由上計算出絮體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)；
I動力學(xué)參數(shù)的計算
將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際宏觀尺度動力學(xué)參數(shù)；
I數(shù)據(jù)輸出
對所采集到的絮體污泥宏觀動態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等;
第六，數(shù)據(jù)處理與分析
實時采集連續(xù)單幀圖像，重復(fù)上述第四步驟和第五步驟，可實現(xiàn)對絮體污泥介觀動力學(xué)參數(shù)、宏觀力學(xué)參數(shù)及周圍流場的動態(tài)分析；數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過計算機(jī)實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報告。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為
本發(fā)明是一種在介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對絮體污泥動力行為的測試裝置及測試方法，該裝置可在介尺度上觀察和測試絮體污泥的亞結(jié)構(gòu)、動態(tài)形變、聚合、斷裂、運(yùn)動等過程，以及在宏觀尺度上其在流體介質(zhì)運(yùn)動時對應(yīng)每一時刻的流速、壓力等水動力學(xué)參數(shù)。利用本發(fā)明可實現(xiàn)對絮體污泥在介觀尺度下水動力學(xué)和形貌演變機(jī)制的研究，提高不同尺度上絮體污泥評價結(jié)果的相關(guān)性，加深對絮體污泥行為與性狀變化的估計和機(jī)理認(rèn)識，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。本發(fā)明適用于處理各類水處理反應(yīng)器中的絮體污泥的介觀尺度動力學(xué)行為和宏觀尺度流體力學(xué)行為的測試，不受污泥種類的限制。


圖1為本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)測量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)測量裝置的系統(tǒng)連接 圖3是本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)測量裝置的結(jié)構(gòu)框 圖4是本發(fā)明的絮體污泥測試平臺的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明的標(biāo)定板的結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明的介尺度圖像信息提取與分析流程 圖7是本發(fā)明的宏尺度圖像信息提取與分析流程 圖8是CCD相機(jī)對標(biāo)定板上的標(biāo)定點進(jìn)行拍照后的圖像；
圖9是絮體污泥介觀二維形貌 圖10是流場與絮體污泥兩相流場的圖像分割 圖11是宏觀尺度下反應(yīng)器流場分布運(yùn)動變化圖； 圖12是絮體污泥宏觀形貌 圖13是介觀尺度下動力學(xué)參數(shù)的實時變化曲線；
圖14是宏觀尺度下動力學(xué)參數(shù)的實時變化曲線；
其中1.計算機(jī)2.同步控制器
3.激光器 4.透鏡組 5.第一 CO)相機(jī) 6.第二 CO)相機(jī)
7.樣品混合與投加池8.樣品測試器 9.數(shù)據(jù)線 10.多維調(diào)節(jié)臺；11.標(biāo)定板。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)測量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)測量裝置的系統(tǒng)連接圖；圖3是本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1至圖3所示，本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信號同步控制系統(tǒng)和絮體污泥測試平臺，軟件系統(tǒng)包括圖像處理模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊又包括介觀參數(shù)測量模塊；光路系統(tǒng)由激光器3和透鏡組4組成，通過數(shù)據(jù)線9與計算機(jī)I和信號同步控制系統(tǒng)的同步控制器2連接；絮體污泥測試平臺包括樣品混合與投加池7、多維調(diào)節(jié)臺10、樣品測試器8和出水儲存罐(未圖示)，絮體污泥測試平臺上還設(shè)置有圖像采集系統(tǒng)。所述的圖像采集系統(tǒng)包括由第一 CXD相機(jī)5和第二 CXD相機(jī)6 ;標(biāo)定板11置于第一 (XD相機(jī)5和第二 (XD相機(jī)6的片光照射中。計算機(jī)通過信號輸出端與自動化同步控制器相連，實驗者可通過計算機(jī)發(fā)出指令，進(jìn)而控制激光器等設(shè)備的開啟與關(guān)閉等。此外，計算機(jī)可通過輸入端接收CCD相機(jī)采集到的絮體污泥圖像，經(jīng)圖像處理采集計算程序?qū)D片進(jìn)行預(yù)處理后輸出絮體污泥的介觀及宏觀特征。同步控制器上游通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)相連接收計算機(jī)指令，下游通過并行分支結(jié)構(gòu)分別與激光器及第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器連接，以控制激光器與CCD相機(jī)圖像采集器拍攝幀頻同步，實現(xiàn)圖像與光照的同步采集。絮體污泥測試平臺是開展絮體污泥介觀動力學(xué)實驗的主要裝置，包括樣品混合與投加池7、多維調(diào)節(jié)臺10、樣品測試器8和出水儲存罐(未圖示)。樣品混合與投加池在正式進(jìn)入測試之前，需對絮體污泥及流體介質(zhì)(一般為水)進(jìn)行混合，池中設(shè)有折板，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合。為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測試器。樣品測試器主要為長方體的透明亞克力反應(yīng)器，長X寬X高60X12X15cm。前端進(jìn)水處設(shè)置布水堰，起到均勻布水，穩(wěn)定進(jìn)水流場的作用。中段底部安裝磁力攪拌轉(zhuǎn)子，用來防止絮體污泥的沉積。后端設(shè)置污泥沉積槽，用來收集沉積的絮體污泥。進(jìn)出水管設(shè)有玻璃轉(zhuǎn)子流量計，用來調(diào)節(jié)進(jìn)出水量。在反應(yīng)器中段的兩端側(cè)壁面處，設(shè)置標(biāo)尺刻度，用來調(diào)節(jié)樣品測試器的位置以及為后續(xù)處理圖象時標(biāo)定尺寸。多維調(diào)節(jié)臺用來調(diào)節(jié)樣品測試器與電荷耦合型圖像傳感器(CCD)、激光照射后的測試采集區(qū)的相對位置。臺面設(shè)有樣品測試器、介尺度光學(xué)圖象采集器、宏觀尺度光學(xué)圖象采集器三個安裝槽位底座。每個底座均可實現(xiàn)六維移動與調(diào)節(jié)(即以X、Y、Z軸三個方向移動；以X、Y、Z為三個轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動)。調(diào)節(jié)臺面具有刻度(精度0. 01毫米)，螺桿調(diào)節(jié)，可準(zhǔn)確布設(shè)各組件的相對距離。出水儲存罐用來收集實驗過程中出水。光路系統(tǒng)由激光器、透鏡組及搖臂組成，激光通過組合透鏡，由點光源成為線光源，射入水中形成照射平面，絮體污泥運(yùn)動至光平面內(nèi)，其運(yùn)動速度、形態(tài)變化都將固定在此光學(xué)平面中，被圖像采集后進(jìn)行后續(xù)處理和分析。激光器為YAG激光器，功率為175mW，波長 532nm。信號同步控制系統(tǒng)主要是通過同步控制器對介觀圖像采集器、宏觀圖像采集器和激光器三臺設(shè)備進(jìn)行同時控制，使圖像拍攝幀頻與激光脈沖的頻率同步，實現(xiàn)圖像與光照的同步采集。圖像采集主要是通過圖像傳感器將絮體污泥的介觀觀察圖像、宏觀運(yùn)動圖像進(jìn)行實時采集和存貯。用于圖像采集的電荷耦合型圖像傳感器(CCD)主要有介觀圖像采集和宏觀圖像采集兩個。其中用于介觀圖像采集的電荷耦合型圖像傳感器(CCD)型號為MVC1000型，采用高倍鏡頭，隔行傳輸，100萬像素，最高采集速度可達(dá)15幀/秒。主要用于絮體污泥介尺度圖像的采集，分析絮體污泥的亞結(jié)構(gòu)、動態(tài)形變、聚合、斷裂等過程。用于宏觀圖像采集的電荷耦合型圖像傳感器(CCD)型號為美國Redlake高速攝像機(jī)HG-100K Motionxtra(Redlake MASD, Inc)和鏡頭(Nikon FAFD, zoom-Nikkor24_85mmf/2. 8_f/4D),最高米集速度可達(dá)1000幀/秒。主要用于絮體污泥宏觀尺度圖像的采集，分析絮體污泥運(yùn)動及液相流場。圖像采集系統(tǒng)上置調(diào)焦旋鈕(放大、縮小)，調(diào)節(jié)可使成像放大倍數(shù)為25-2000倍。圖像數(shù)據(jù)由IOOO-Mbps以太網(wǎng)傳輸和遙控，可快速下載到計算機(jī)上，與硬件系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)調(diào)用圖片處理軟件將絮體污泥樣品的信息以數(shù)字圖片的形式保存。標(biāo)定板厚度為5mm，帶有底座，板面正反雙面分別均勻布設(shè)等間距標(biāo)定點，其中一面用于CCD相機(jī)參數(shù)的宏觀成標(biāo)定,每個標(biāo)定點間隔8_ ;另一面用于CCD相機(jī)參數(shù)的介觀距成像標(biāo)定，每個標(biāo)定間隔10nm。軟件系統(tǒng)采用VC++開發(fā)出圖像處理采集的計算程序，圖像分析系統(tǒng)的主要功能是對所采集到的連續(xù)圖片中的圖像信息進(jìn)行提取和分析，首先對圖片進(jìn)行預(yù)處理，然后對宏觀與介觀圖像分別采用不同圖像計算模型與軟件模塊。對所采集到的絮體污泥介觀動態(tài)行為的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析，輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場等，對所采集到的絮體污泥宏觀動態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等。數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過計算機(jī)實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求統(tǒng)計和編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報告。本發(fā)明主要是建立一套介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對絮體污泥動力行為的測試方法與裝置。其中絮體污泥介觀動力學(xué)是在一種新尺度下描述絮狀污泥動力行為變化的研究手段，主要研究絮體污泥在介于宏觀尺度下的流動特性和微觀尺度下微生物聚集體結(jié)構(gòu)變化之間的動力行為(IOnm lOOnm)。絮體污泥介觀動力學(xué)的研究對象為污泥介觀團(tuán)塊，在不同的流動介質(zhì)中與水力條件下，介觀亞結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律以及聚合、斷裂行為。絮體污泥介觀動力學(xué)測試裝置是一種用來研究和表征絮體污泥特性的新的測試手段。本發(fā)明主要目的是填補(bǔ)現(xiàn)有水處理領(lǐng)域中絮體污泥在介觀尺度上測試技術(shù)和裝置的空白，是建立一套在介于宏觀與微觀之間的介尺度條件下，對絮體污泥動力行為的測試技術(shù)及裝置，開發(fā)出可用于分析“軟物質(zhì)”水力學(xué)測試和組織結(jié)構(gòu)變化的圖像信息提取與計算算法的程序模塊，可在介尺度上觀察和測試絮體污泥的亞結(jié)構(gòu)、動態(tài)形變、聚合、斷裂、運(yùn)動等過程，以及在宏觀尺度上其在流體介質(zhì)運(yùn)動時對應(yīng)每一時刻的流速、壓力等水動力學(xué)參數(shù)。利用本發(fā)明可實現(xiàn)對絮體污泥在介觀尺度下水動力學(xué)和形貌演變機(jī)制的研究，提高不同尺度上絮體污泥評價結(jié)果的相關(guān)性，加深對絮體污泥行為與性狀變化的估計和機(jī)理認(rèn)識，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明基于耦合光學(xué)、電學(xué)及計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)機(jī)理，在不干擾流場和絮體結(jié)構(gòu)變化的情況下，通過同步控制電荷耦合型圖像傳感器(CCD)采集幀頻和激光器脈沖光波，實現(xiàn)對宏觀與介觀雙尺度圖像信息的采集，將圖像實時傳輸并存儲于計算機(jī)中，運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)提取和信息，分別采用介觀圖像分析模塊與宏觀圖像分析模塊將圖像信息轉(zhuǎn)化為實際測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對絮體污泥本體和流場的實時分析，并完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理和不同尺度上的信息關(guān)聯(lián)及表達(dá)。為實現(xiàn)上述發(fā)明原理，本發(fā)明的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試方法，包括如下步驟
第一，絮體污泥的制備與前處理
根據(jù)不同的研究需要，制備不同絮體污泥(包括化學(xué)絮體污泥及生物活性污泥)，在正式進(jìn)入主體測試平臺之前，選擇如下處理方法之一
-X透明或半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
透明的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物可直接進(jìn)入主體測試平臺；半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物根據(jù)具體情況可直接或參考非透明類絮體污泥或絮體團(tuán)聚物進(jìn)行前處理；
%非透明類的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物
根據(jù)絮體污泥或絮體團(tuán)聚物自身化學(xué)和物理特性，在不影響和改變其自身性狀和結(jié)構(gòu)的前提，選取細(xì)胞熒光素CY3、TRITC和Propidium Iodide之一，按使用要求進(jìn)行前處理；經(jīng)處理后，絮體污泥或絮體團(tuán)聚物吸附熒光物質(zhì)，在激光照射下被激發(fā)而發(fā)光，提高圖象采集的效果，降低信噪比。第二，測試系統(tǒng)的布設(shè)
在系統(tǒng)正式開始測試之前，各組成裝置布局要求如下
①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入樣品測試器中的液面；
.2第一 CCD相機(jī)與第二 CCD相機(jī)的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個面平行,且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時刻的測試對象；
I'將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度(2-3mm)分別照在標(biāo)定板兩面。標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，其中標(biāo)定板正反兩面具有不同間距與刻度標(biāo)定點，分別用于介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定；
第三，測試裝置的啟動與樣本的加載
①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定
通過對照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點能清晰成現(xiàn)于計算機(jī)圖像上，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，對標(biāo)定板上的標(biāo)定點進(jìn)行拍照后，系統(tǒng)通過將圖像上標(biāo)定點之間所占像素與實際標(biāo)定點上距離的對比，自動計算出圖像上的實際像素所代表實際物理空間的距離，確定像距與物距之比；根據(jù)具體試驗需要，設(shè)定相機(jī)快門參數(shù)，以捕捉更多信息；
%激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定
按具體研究目的和要求，根據(jù)實際流場分布情況，設(shè)置激光脈沖頻率與CCD的拍攝幀頻，并開啟同步控制器，對兩部相機(jī)及激光器進(jìn)行控制；
5絮體污泥投加
按具體研究目的和要求，將所制備的絮體污泥投加至主體測試平臺內(nèi)的樣品混合器中，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合。為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測試器，并根據(jù)測試研究控制進(jìn)水流速和流量；
第四，絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測量
絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測定依靠系統(tǒng)軟件中的介觀參數(shù)測量模塊完成，其過程主要包括絮體污泥介觀成像、圖像采集與存儲、圖像預(yù)處理、圖像信息提取與分析計算等。①介觀成像、圖像采集與存儲
I觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化；
I根據(jù)測試要求，對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲；
%圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時，流場絮體污泥變化過程中的反光性并不是一致，因此在實測采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測量精度，故需對原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；
I介觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
經(jīng)過圖像預(yù)處理后，對同一間隔時間所拍連續(xù)單幀照片進(jìn)行絮體形貌信息提取，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子圖像的相關(guān)測速方法，采用絮團(tuán)分形維數(shù)最大相關(guān)法；通過圖像中絮團(tuán)分形維數(shù)匹配算法獲得絮體微團(tuán)在像平面上的位移，計算出絮體團(tuán)動態(tài)結(jié)構(gòu)變化、亞結(jié)構(gòu)分形數(shù)、運(yùn)動速度、變形速率以及剪切力等；
I動力學(xué)參數(shù)的計算
將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際介尺度動力學(xué)參數(shù)； I數(shù)據(jù)輸出
輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場； 第五，絮體污泥宏尺度動力學(xué)參數(shù)測量
絮體污泥宏尺度動力學(xué)參數(shù)測定過程主要包括絮體污泥宏觀成像、圖像采集與存儲、圖像預(yù)處理、圖像信息提取與分析計算等。X宏觀成像、圖像采集與存儲
觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化；
根據(jù)測試要求，對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲；
%圖像前處理
由于在用CCD抓拍圖像時，流場絮體污泥變化過程中的反光性并不是一致，因此在實測采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測量精度，故需對原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；e宏觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出I信息提取
對經(jīng)過前處理后的照片，進(jìn)行流場與絮體污泥兩相流場的圖像分割；即將原始圖像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素為污泥絮體，背景像素為流體；
點擊流體計算模塊，對流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計算；
點擊絮狀污泥計算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計算；由上計算出絮體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)；
I動力學(xué)參數(shù)的計算
將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際宏觀尺度動力學(xué)參數(shù)；
I數(shù)據(jù)輸出
對所采集到的絮體污泥宏觀動態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等;
上述第四和第五步驟圖像采集、存儲處理為同步進(jìn)行，保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時刻的測試對象。圖像信息提取與計算可選擇自動處理模式，進(jìn)行同步處理或人工處理模式分步處理。第六，數(shù)據(jù)處理與分析
實時采集連續(xù)單幀圖像，重復(fù)上述第四步驟和第五步驟，可實現(xiàn)對絮體污泥介觀動力學(xué)參數(shù)、宏觀力學(xué)參數(shù)及周圍流場的動態(tài)分析；數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過計算機(jī)實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報告。本發(fā)明適用于處理各類水處理反應(yīng)器中的絮體污泥的介觀尺度動力學(xué)行為和宏觀尺度流體力學(xué)行為的測試，不受污泥種類的限制。本發(fā)明的技術(shù)特點與效果為
(I)絮體污泥介觀動力學(xué)是從一種新的視角和尺度研究水處理領(lǐng)域中對污泥動力行為，本發(fā)明可實現(xiàn)對介尺度范圍內(nèi)，絮體污泥絮團(tuán)的亞結(jié)構(gòu)、動態(tài)形變、聚合、斷裂、運(yùn)動等過程及參數(shù)的動態(tài)觀察和測試。(2)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)僅局限于單一尺度的測試方法和手段，可同時檢測到宏觀和介觀雙尺度條件下絮體污泥的動力學(xué)行為及參數(shù)，提高不同尺度上絮體污泥評價結(jié)果的相關(guān)性，加深對絮體污泥行為與性狀變化的估計和機(jī)理認(rèn)識。(3)采用光學(xué)與計算機(jī)圖像法進(jìn)行測試，不會對絮體污泥的組織結(jié)構(gòu)及周圍流場產(chǎn)生干擾和破壞，測試結(jié)果精度高。(4)所開發(fā)的絮體污泥介觀尺度與宏觀尺度的圖像信息提取與計算算法，突破了傳統(tǒng)圖像測速法中流體介質(zhì)中示蹤劑或固相僅能為“硬質(zhì)”粒子的局限，可同時獲得大量顆?；蝾w粒聚團(tuán)的動態(tài)變化及其周圍流體的詳細(xì)運(yùn)動信息。(5)自行開發(fā)了圖像采集與后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件，軟件用戶界面友好，可實時觀測整個實驗過程，自動化程度高。所開發(fā)的數(shù)據(jù)接口程序可與多種數(shù)據(jù)處理與繪圖軟件對接，完善了后續(xù)結(jié)果處理的功能，方便使用，使實驗結(jié)果和評估果直觀明了。以下是一個具體的實施實例污水廠曝氣池中活性污泥絮體的介觀動力學(xué)研究實驗；實驗?zāi)康氖茄芯炕钚晕勰嘈躞w均勻流場條下的介觀形貌變化以及宏觀運(yùn)動變化規(guī)律。實驗內(nèi)容包括
(I)介觀尺度下活性污泥絮體的亞結(jié)構(gòu)變化、動態(tài)形變及形貌變化。(2)宏觀尺度下反應(yīng)器內(nèi)活性污泥絮體結(jié)構(gòu)以及周圍流場變化。實驗步驟
(I)活性污泥絮體(取自某污水廠曝氣池)，采用細(xì)胞熒光素TRITC進(jìn)行前處理，使其充分被吸附在活性污泥絮體上。(2)布設(shè)測試系統(tǒng)
①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入主體測試反應(yīng)器中的液面。；| CXD相機(jī)I (介尺度)與CXD相機(jī)2的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個面平行，且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時刻的測試對象。I將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度(2-3_)分別照在標(biāo)定板兩面。標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，分別調(diào)節(jié)兩個不同相機(jī)鏡頭，進(jìn)行介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定。(3)測試裝置的啟動與樣本加載 ①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定
開啟計算機(jī)，啟動圖像采集程序界面，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，通過對照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點能清晰成現(xiàn)于計算機(jī)圖像上，對標(biāo)定板上的標(biāo)定點進(jìn)行拍照后的圖像如圖8所示。I激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定
開啟激光器、同步控制器，設(shè)定激光器脈沖頻率100赫茲，兩部CCD相機(jī)幀頻同時設(shè)定為15幀/秒，連續(xù)采集模式。S絮體污泥投加
將所制備的絮體污泥通過高位水箱投加至主體測試平臺內(nèi)的樣品混合器中，調(diào)節(jié)流量計至0.2L/min，使混合液進(jìn)入樣品測試器。(4)絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測量 ①介觀成像、圖像采集與存儲
I觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化。I對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲。%圖像前處理
啟動圖像前處理程序，對圖像進(jìn)行去噪和增加處理。
·
I"介觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取
采集連續(xù)4幀圖像，進(jìn)行信息提取與分析。I動力學(xué)參數(shù)的計算
將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際介尺度動力學(xué)參數(shù)。應(yīng)用圖像分析軟件，對連續(xù)介觀圖片所表示的部位進(jìn)行X、Y方向形變速率和形變旋轉(zhuǎn)量場“Omiga”旋轉(zhuǎn)量值、“Alpha”旋轉(zhuǎn)量場旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行分析。I數(shù)據(jù)輸出
輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場。(5)絮體污泥宏尺度動力學(xué)參數(shù)測量 ①介觀成像、圖像采集與存儲
I觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化。I對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲。I:圖像前處理
啟動圖像前處理程序，對圖像進(jìn)行去噪和增加處理。I宏觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 I信息提取1.對經(jīng)過前處理后的照片，連續(xù)采集4幀圖像，進(jìn)行流場與絮體污泥兩相流場的圖像分割(如圖10所不)。2.點擊流體計算模塊，對流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計算。流場分布如下圖:
3.點擊絮狀污泥計算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計
笪
o4.由上計算出體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)。I動力學(xué)參數(shù)的計算
將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際宏觀尺度動力學(xué)參數(shù)。I數(shù)據(jù)輸出
對所采集到的絮體污泥宏觀動態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)。(6)數(shù)據(jù)后處理
重復(fù)上述步驟(I) — (5)，可實現(xiàn)對絮體污泥介觀和宏觀尺度下動力學(xué)參數(shù)的實時測定。輸出數(shù)據(jù)表(如下表I和表2)，以及所得的實時變化數(shù)據(jù)曲線。表I介尺度測試數(shù)據(jù)輸出表表I介尺度測試數(shù)據(jù)輸出表
權(quán)利要求
1.一種絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置，其特征在于:該裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、信號同步控制系統(tǒng)和絮體污泥測試平臺，軟件系統(tǒng)包括圖像處理模塊與數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊又包括介觀參數(shù)測量模塊；光路系統(tǒng)由激光器和透鏡組組成，通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)和信號同步控制系統(tǒng)的同步控制器連接；絮體污泥測試平臺包括樣品混合與投加池、多維調(diào)節(jié)臺、樣品測試器和出水儲存罐，絮體污泥測試平臺上還設(shè)置有圖像采集系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置，其特征在于:所述的圖像采集系統(tǒng)包括由第一 CXD相機(jī)圖像采集器和第二 CXD相機(jī)圖像采集器，標(biāo)定板置于第一 CXD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器的片光照射中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置，其特征在于:同步控制器上游通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)相連接收計算機(jī)指令，下游通過并行分支結(jié)構(gòu)分別與激光器及第一 CCD相機(jī)圖像采集器和第二 CCD相機(jī)圖像采集器連接，以控制激光器與CCD相機(jī)圖像采集器拍攝幀頻同步，實現(xiàn)圖像與光照的同步采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絮體污泥介觀動力學(xué)的測試裝置，其特征在于:激光器為YAG激光器，功率為175mW，波長532nm。
5.一種絮體污泥介觀動力學(xué)的測試方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 第一，絮體污泥的制備與前處理: 根據(jù)不同的研究需要，制備不同絮體污泥，在正式進(jìn)入主體測試平臺之前，選擇如下處理方法之一:1:透明或半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物 透明的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物可直接進(jìn)入主體測試平臺；半透明狀絮體污泥或絮體團(tuán)聚物根據(jù)具體情況可直接 或參考非透明類絮體污泥或絮體團(tuán)聚物進(jìn)行前處理；:宜:非透明類的絮體污泥或絮體團(tuán)聚物 根據(jù)絮體污泥或絮體團(tuán)聚物自身化學(xué)和物理特性，在不影響和改變其自身性狀和結(jié)構(gòu)的前提，選取細(xì)胞熒光素CY3、TRITC和Propidium 1dide之一，按使用要求進(jìn)行前處理；第二，測試系統(tǒng)的布設(shè): 在系統(tǒng)正式開始測試之前，各組成裝置布局要求如下: ①調(diào)節(jié)透鏡組支架，使激光器發(fā)射的激光經(jīng)透鏡組所生成的片光垂直進(jìn)入樣品測試器中的液面； ②第一CCD相機(jī)與第二 CCD相機(jī)的鏡頭面、感光面與激光片光面的三個面平行,且兩部相機(jī)鏡頭中心軸線垂直于片光，以保證不同相機(jī)采集到的不同尺度的圖象為同一物理空間中同一時刻的測試對象； ‘t將標(biāo)定板至于片光照射中，使片光的厚度分別照在標(biāo)定板兩面； 標(biāo)定板面方向與CCD鏡頭面平行，其中標(biāo)定板正反兩面具有不同間距與刻度標(biāo)定點，分別用于介尺度和宏觀尺度成像的標(biāo)定； 第三，測試裝置的啟動與樣本的加載: ①CCD相機(jī)參數(shù)的初始成像標(biāo)定 通過對照標(biāo)定調(diào)焦，使標(biāo)定點能清晰成現(xiàn)于計算機(jī)圖像上，分別進(jìn)行介尺度和宏觀尺度CCD相機(jī)的標(biāo)定，對標(biāo)定板上的標(biāo)定點進(jìn)行拍照后，系統(tǒng)通過將圖像上標(biāo)定點之間所占像素與實際標(biāo)定點上距離的對比，自動計算出圖像上的實際像素所代表實際物理空間的距離，確定像距與物距之比；根據(jù)具體試驗需要，設(shè)定相機(jī)快門參數(shù)，以捕捉更多信息； S:激光脈沖頻率與相機(jī)幀頻的設(shè)定 按具體研究目的和要求，根據(jù)實際流場分布情況，設(shè)置激光脈沖頻率與CCD的拍攝幀頻，并開啟同步控制器，對兩部相機(jī)及激光器進(jìn)行控制；:f.絮體污泥投加 按具體研究目的和要求，將所制備的絮體污泥投加至主體測試平臺內(nèi)的樣品混合器中，促進(jìn)絮體污泥與水的均勻混合； 為了保持污泥絮體的完整，不破壞絮體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，采用高位靜壓均勻布水方式，使混合液進(jìn)入樣品測試器，并根據(jù)測試研究控制進(jìn)水流速和流量； 第四，絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測量 絮體污泥介尺度動力學(xué)參數(shù)測定依靠系統(tǒng)軟件中的介觀參數(shù)測量模塊完成，其過程主要包括: ①介觀成像、圖像采集與存儲 觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化； 根據(jù)測試要求，對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲； @圖像前處理 由于在用CCD抓拍圖像時，流場絮體污泥變化過程中的反光性并不是一致，因此在實測采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測量精度，故需對原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括:加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；介觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 信息提取 經(jīng)過圖像預(yù)處理后，對同一間隔時間所拍連續(xù)單幀照片進(jìn)行絮體形貌信息提取，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子圖像的相關(guān)測速方法，采用絮團(tuán)分形維數(shù)最大相關(guān)法；通過圖像中絮團(tuán)分形維數(shù)匹配算法獲得絮體微團(tuán)在像平面上的位移，計算出絮體團(tuán)動態(tài)結(jié)構(gòu)變化、亞結(jié)構(gòu)分形數(shù)、運(yùn)動速度、變形速率以及剪切力等； 動力學(xué)參數(shù)的計算將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定介觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際介尺度動力學(xué)參數(shù)； 數(shù)據(jù)輸出 輸出絮體污泥的二維介觀形貌、亞結(jié)構(gòu)分形維數(shù)、XY方向上的形變速率、形變旋量場； 第五，絮體污泥宏尺度動力學(xué)參數(shù)測量:::1:宏觀成像、圖像采集與存儲 觀測主體測試平臺內(nèi)，絮體污泥介尺度的形貌動態(tài)變化； 根據(jù)測試要求，對絮體污泥進(jìn)行連續(xù)采集與存儲；:+f.圖像前處理 由于在用CCD抓拍圖像時，流場絮體污泥變化過程中的反光性并不是一致，因此在實測采集的圖像中含有不同程度的噪聲，不僅影響圖片質(zhì)量，而且降低測量精度，故需對原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)；目前圖像去噪算法主要包括:加權(quán)平均法、中值濾波法、模板平滑法；增強(qiáng)方法分為基于空間域和變換域兩大類，前者直接對像素進(jìn)行操作，包括灰度圖像的線性變換和直方圖法，后者在圖像變換域中處理，再反變換到空間域獲得增強(qiáng)的圖像；宏觀圖像信息提取、動力學(xué)參數(shù)的計算、數(shù)據(jù)輸出 信息提取 對經(jīng)過前處理后的照片，進(jìn)行流場與絮體污泥兩相流場的圖像分割；即:將原始圖像中的像素按照灰度值不同分割成前景像素和背景像素，前景像素為污泥絮體，背景像素為流體； 點擊流體計算模塊，對流體采用粒子互相關(guān)法進(jìn)行計算； 點擊絮狀污泥計算模塊，充分考慮絮體污泥的脈動變化與“軟物質(zhì)”特性，改進(jìn)傳統(tǒng)基于“硬質(zhì)”粒子跟蹤的測速方法，采用絮團(tuán)“最小分形維數(shù)變化率”作為判定條件進(jìn)行計算；由上計算出絮體污泥在圖形中的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形 數(shù)； 動力學(xué)參數(shù)的計算 將圖象中的計算結(jié)果，通過初始標(biāo)定宏觀CCD相機(jī)時確定比例參數(shù)，進(jìn)而計算獲得實際宏觀尺度動力學(xué)參數(shù)； 數(shù)據(jù)輸出 對所采集到的絮體污泥宏觀動態(tài)行為的圖像進(jìn)行絮體一流體兩相流場分析，輸出絮體污泥的XY方向上的流速、周邊液相XY方向上流速、絮體污泥宏觀形貌、宏觀結(jié)構(gòu)分形數(shù)等; 第六，數(shù)據(jù)處理與分析 實時采集連續(xù)單幀圖像，重復(fù)上述第四步驟和第五步驟，可實現(xiàn)對絮體污泥介觀動力學(xué)參數(shù)、宏觀力學(xué)參數(shù)及周圍流場的動態(tài)分析；數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互系統(tǒng)主要是通過計算機(jī)實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交流，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編輯、分析和操作，按用戶要求編輯數(shù)據(jù)結(jié)果、繪制相關(guān)曲線，實現(xiàn)分析結(jié)果可視化輸出，并導(dǎo)出Execl格式的數(shù)據(jù)報告。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絮體污泥介觀動力學(xué)的測試方法與裝置，主要研究絮體污泥在介于宏觀尺度下的流動特性和微觀尺度下微生物聚集體結(jié)構(gòu)變化之間的動力行為(10nm～100nm)。絮體污泥介觀動力學(xué)的研究對象為污泥介觀團(tuán)塊，在不同的流動介質(zhì)中與水力條件下，介觀亞結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律以及聚合、斷裂行為。絮體污泥介觀動力學(xué)測試裝置和測試方法是一種用來研究和表征絮體污泥特性的新的測試手段。利用本發(fā)明可實現(xiàn)對絮體污泥在介觀尺度下水動力學(xué)和形貌演變機(jī)制的研究，提高不同尺度上絮體污泥評價結(jié)果的相關(guān)性，加深對絮體污泥行為與性狀變化的估計和機(jī)理認(rèn)識，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。
文檔編號G01N21/85GK103076335SQ201310010159
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者許丹宇, 鄭先強(qiáng), 楊昂, 游洋洋, 余海晨, 段云霞, 李麗春, 馬超華 申請人:天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院