CN103471991B - 一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，属于污水处理技术领域。本发明的具体步骤为：1）活性污泥菌胶团图像信息采集；2）菌胶团图像分析，包括测量活性污泥样本中菌胶团的直径；将活性污泥中菌胶团分为微型结构、中型结构、大型结构3种类型；对3种类型的菌胶团分别进行计数；计算菌胶团体积；最后计算菌胶团结构特征值Z；3）菌胶团与活性污泥特性的相关性分析，建立菌胶团结构特征值Z与SV、SVI、MLSS、MLVSS的关系函数；4）计算待分析活性污泥样本的特性参数。本发明提高了活性污泥分析监测的准确性和即时性，为污水处理运行过程实现有效的工艺参数调节管理提供了强有力的技术支撑。

Description

一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法。

背景技术

污水处理中的活性污泥是由微生物及无机物、有机物质组成的一个松散的絮状、不规则复合体，它是污水中有机污染物吸附与降解的载体。当活性污泥培养成熟或状态良好时，会形成具有一定形态结构，且结构比较紧密、均匀的生物絮凝体----菌胶团。菌胶团不仅可以保护对污染物起分解作用的微生物，而且密度较大，有利于在二沉池中完成泥水分离，保证出水的透明度。

菌胶团的不同密度、不同大小直接反映活性污泥的结构，进而直接影响到污水处理效果。然而，在实际污水处理运行与控制过程中，由于对活性污泥的微观结构菌胶团鉴别分析技术高要求的限制，生产管理人员不能对活性污泥中菌胶团结构进行直接分析，只能通过测定活性污泥的常规特性指标如SV（污泥沉降比）、SVI（污泥体积指数）、MLSS（混合液悬浮固体浓度）和MLVSS（混合液挥发性悬浮固体浓度），来实现对活性污泥状况的间接分析判断，进而对污水处理进行运行控制管理。如中国专利公开号为CN1461733，申请日为2002年5月31日，发明创造名称为：活性污泥程序的动态控制方法，该申请案即是通过混合液体悬浮固形物感测器控制活性污泥系统中的混合液体悬浮固形物，使反应槽中的混合液体悬浮固形物浓度维持在适当的操作范围，来控制污水处理操作。

而上述活性污泥的常规指标只能间接地反映活性污泥的物理性质，不能真正反映活性污泥内部的、本质的结构。根据这些间接指标所采用的运行控制是经验性的、模糊的、滞后的。当发现活性污泥间接指标出现异常时，活性污泥菌胶团结构已遭破坏，这严重地影响了生产的正常运行。同时，分析上述常规指标还存在费时费工、时间长的问题。因此，建立一种新的活性污泥特性分析方法很有必要性。

显微图像分析方法是一种先进的物质细微结构分析方法，可以弥补活性污泥形态分析困难的不足。目前，应用图像分析方法进行活性污泥结构分析的文献与专利未见报道。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明针对现有污水处理运行管理中，无法直接对菌胶团结构进行快速、准确鉴别，而分析活性污泥常规指标又存在模糊性与滞后性的问题，提供了一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，本发明的技术方案提高了活性污泥分析监测的准确性和即时性，为污水处理运行过程实现有效的工艺参数调节管理提供了强有力的技术支撑。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其步骤为：

1）活性污泥菌胶团图像信息采集：

调研污水处理厂，对处于不同运行阶段、不同污泥状态及不同工艺条件下的生化池活性污泥进行取样，采用数码生物显微镜对采集到的活性污泥样本中菌胶团进行拍摄；

2）菌胶团图像分析：

a、在数码生物显微镜自带的图形分析软件环境中，测量步骤1）采集的活性污泥样本中菌胶团的直径；

b、根据菌胶团直径大小将活性污泥中菌胶团分为微型结构、中型结构、大型结构3种类型；

c、对步骤b中所述的3种类型的菌胶团分别进行计数；

d、计算菌胶团体积；

e、采用菌胶团结构特征参数计算菌胶团结构特征值Z；

3）菌胶团与活性污泥特性的相关性分析：

对步骤1）中采集的活性污泥样本，同时测定其特性参数SV、SVI、MLSS、MLVSS，采用曲线拟合方式得出步骤2）获得的菌胶团结构特征值Z与SV、SVI、MLSS、MLVSS的关系函数；

4）计算待分析活性污泥样本的特性参数：

采集待分析活性污泥样本，采用数码生物显微镜对待分析活性污泥样本中菌胶团进行拍摄，并对该待分析活性污泥样本重复步骤2）的操作，计算得到待分析活性污泥样本的菌胶团结构特征值Z，将该菌胶团结构特征值Z带入步骤3）获得的关系函数中，计算得到待分析活性污泥样本的特性参数。

更进一步地，步骤2）中所述的菌胶团的3种类型具体分类标准为：菌胶团直径小于100μm为微型结构；菌胶团直径介于100～300μm为中型结构；菌胶团直径大于300μm为大型结构。研究表明微型结构的菌胶团容易被水力剪切力所破坏，主要存在于活性污泥培养初期。中型结构的菌胶团大小适中、形态规则、质地均匀、表面光滑平整，既有很好的沉降性，又不影响传质，为理想的菌胶团。且中型结构的菌胶团由丝状菌连接，菌胶团结构比较紧密，不容易被破坏。大型结构菌胶团形态不规则、比较松散，虽然容易沉降，但由于颗粒太大，不利于氧气与有机物的传质。将菌胶团大小按照其功能进行分类，可以更好地为通过菌胶团大小判断活性污泥特性提供依据。

更进一步地，步骤2）中计算菌胶团体积时以菌胶团在数码生物显微镜观察面上的投影面积代替菌胶团体积进行计算。

更进一步地，步骤2）中菌胶团的结构特征参数包括3种类型菌胶团的计数、菌胶团的体积；菌胶团结构特征值Z的计算公式为：

Z=m₁M_z2/M_z+m₂（∑S_z2/∑S_z）+m₃（∑S_z/∑S_s）

式中，Mz2/Mz为中型结构菌胶团占总菌胶团的数量比，Mz2为中型结构菌胶团颗粒密度（个/mm²），M_Z为活性污泥中所有菌胶团的颗粒密度（个/mm²）；

∑Sz2/∑Sz为中型结构菌胶团体积占所有菌胶团的体积比，反映菌胶团里中型结构菌胶团的优势程度；

∑S_z/∑S_s为所有菌胶团体积占所有活性污泥颗粒的体积比，反映活性污泥中菌胶团的优势程度；

m₁、m₂、m₃分别为中型结构菌胶团颗粒密度、中型结构菌胶团体积、活性污泥中菌胶团的作用权重，m₁、m₂、m₃的具体值由其与活性污泥特性参数SV、SVI、MLSS、MLVSS的相关性大小确定。即根据实验观察的数据，分别作出中型结构菌胶团颗粒密度与SV、SVI、MLSS、MLVSS的相关性分析得到4个相关性系数R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄；同理，可得中型结构菌胶团体积与SV、SVI、MLSS、MLVSS的4个相关性系数R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄；活性污泥中所有菌胶团体积与SV、SVI、MLSS、MLVSS的4个相关性系数R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄；再根据下列公式分别计算m₁、m₂、m₃：

m₁=R_1max/(R_1max+R_2max+R_3max)

m₂=R_2max/(R_1max+R_2max+R_3max)

m₃=R_3max/(R_1max+R_2max+R_3max)

式中，R_1max、R_2max、R_3max分别为R₁₁～R₁₄，R₂₁～R₂₄，R₃₁～R₃₄中最大值，m₁+m₂+m₃=1。

更进一步地，步骤3）中获得的关系函数为：

SV=a₁Z+b₁

SVI=a₂Z+b₂

MLSS=a₃Z+b₃

MLVSS=a₄Z+b₄。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其直接对菌胶团结构进行鉴别，对活性污泥特性的分析快速、准确，避免了分析活性污泥常规指标存在的模糊性与滞后性的问题，可更好地调节运行参数，培养出更有活性的污泥，对于提高活性污泥法污水处理过程的运行管理效率，具有非常重要的现实意义；

（2）本发明的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，使用范围广泛，主要的污水生物处理工艺（如活性污泥法、接触氧化法等）中，都存在着活性污泥菌胶团，都可利用本发明的方法进行活性污泥特性分析，在污水生物法处理领域具有广泛的应用前景；

（3）本发明的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，以菌胶团在数码生物显微镜观察面上的投影面积代替菌胶团体积进行计算，且对菌胶团的直径测量、计数和体积的计算均在数码生物显微镜自带的软件中自动完成，方法简单、高效。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

本实施例的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其步骤为：

1）活性污泥菌胶团图像信息采集：

调研6个不同市政污水处理厂，对处于不同运行阶段（污泥的驯化培养初期、成熟期、衰退期）、不同污泥状态（良好的絮凝体结构状态、污泥膨胀状态、污泥解体等污泥异常状态）及不同工艺条件下的生化池活性污泥进行取样，采集活性污泥样本120个。用微量移液管从每个活性污泥样本中吸取0.05mL污泥到载玻片上，放到凤凰牌Phenix mE200系列数码生物显微镜上进行观察并拍摄活性污泥中菌胶团图像。本实施例中数码生物显微镜使用的放大倍数为40-640倍。

2）菌胶团图像分析：

a、在数码生物显微镜自带的图形分析软件环境中，用鼠标记号笔圈出菌胶团外轮廓后，点击软件界面中大小测定命令，直接测量步骤1）采集的活性污泥样本中菌胶团的直径。

b、根据菌胶团直径大小与其功能关系，将活性污泥中菌胶团分为微型结构(直径小于100μm)、中型结构(直径100～300μm)、大型结构(直径大于300μm)3种类型。此处值得说明的是，本实施例对菌胶团的结构划分为长期研究所得。研究表明微型结构的菌胶团容易被水力剪切力所破坏，主要存在于活性污泥培养初期。中型结构的菌胶团大小适中、形态规则、质地均匀、表面光滑平整，既有很好的沉降性，又不影响传质，为理想的菌胶团。且中型结构的菌胶团由丝状菌连接，菌胶团结构比较紧密，不容易被破坏。大型结构菌胶团形态不规则、比较松散，虽然容易沉降，但由于颗粒太大，不利于氧气与有机物的传质。本实施例将菌胶团大小按照其功能进行分类，可以更好地为通过菌胶团大小判断活性污泥特性提供依据。

c、利用数码生物显微镜自带的图形分析软件自动完成对步骤b中所述的3种类型的菌胶团的计数。

d、计算菌胶团体积，由于菌胶团在数码生物显微镜观察面上的投影面积大小与其体积大小成正比，为了降低计算的复杂度，此处，以菌胶团在数码生物显微镜观察面上的投影面积代替菌胶团体积进行计算。本实施例中对菌胶团在数码生物显微镜观察面上的投影面积的计算也是通过数码生物显微镜自带的软件自动完成的。

e、采用菌胶团结构特征参数计算菌胶团结构特征值Z，菌胶团的结构特征参数包括3种类型菌胶团的计数、菌胶团的体积；菌胶团结构特征值Z的计算公式为：

Z=m₁M_z2/M_z+m₂（∑S_z2/∑S_z）+m₃（∑S_z/∑S_s）

式中，Mz2/Mz为中型结构菌胶团占总菌胶团的数量比，Mz2为中型结构菌胶团颗粒密度（个/mm²），M_Z为活性污泥中所有菌胶团的颗粒密度（个/mm²）；

∑Sz2/∑Sz为中型结构菌胶团体积占所有菌胶团的体积比，实际计算中，以面积代替体积，即菌胶团在显微镜观察面上的投影面积与所有菌胶团的投影面积比，反映菌胶团里中型结构菌胶团的优势程度；

∑S_z/∑S_s为所有菌胶团体积占所有活性污泥颗粒的体积比，也即所有菌胶团在显微镜观察面上的投影面积（∑S_z）与所有活性污泥颗粒投影面积（∑S_s）之比，反映活性污泥中菌胶团的优势程度；

m₁、m₂、m₃分别为中型结构菌胶团颗粒密度、中型结构菌胶团体积、活性污泥中菌胶团的作用权重，m₁、m₂、m₃的具体值由其与活性污泥特性参数SV、SVI、MLSS、MLVSS的相关性大小确定。即根据实验观察的数据，分别作出中型结构菌胶团颗粒密度与SV、SVI、MLSS、MLVSS的相关性分析得到4个相关性系数R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄；同理，可得中型结构菌胶团体积与SV、SVI、MLSS、MLVSS的4个相关性系数R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄；活性污泥中所有菌胶团体积与SV、SVI、MLSS、MLVSS的4个相关性系数R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄；再根据下列公式分别计算m₁、m₂、m₃：

m₁=R_1max/(R_1max+R_2max+R_3max)

m₂=R_2max/(R_1max+R_2max+R_3max)

m₃=R_3max/(R_1max+R_2max+R_3max)

式中，R_1max、R_2max、R_3max分别为R₁₁～R₁₄，R₂₁～R₂₄，R₃₁～R₃₄中最大值，m₁+m₂+m₃=1。

Z值越大，活性污泥中菌胶团结构越好，则污泥的沉降性与污染物去除效果越好。本实施例中对采集的120个活性污泥样本进行处理最后得到的菌胶团结构特征值Z的公式为：

Z=0.10M_z2/M_z+0.58（∑S_z/∑S_s）+0.32（∑S_z2/∑S_z）。

3）菌胶团与活性污泥特性的相关性分析：

对步骤1）中采集的活性污泥样本，同时测定其特性参数SV、SVI、MLSS、MLVSS，采用不同的函数进行曲线拟合得出步骤2）获得的菌胶团结构特征值Z与SV、SVI、MLSS、MLVSS的关系函数，结果表明，菌胶团结构特征值Z与SV、SVI、MLSS、MLVSS存在良好的线性关系。本实施例中以菌胶团结构特征值Z为自变量，建立的关系函数为：

SV=77.73Z-41.09（R²=0.9871）

SVI=697.24Z-501.24（R²=0.9514）

MLSS=4786.91Z+699.29（R²=0.8663）

MLVSS=4428.53Z-468.58（R²=0.9782）其中，R为相关系数。

4）计算待分析活性污泥样本的特性参数：

采集污水处理厂的活性污泥作为待分析活性污泥样本，采用数码生物显微镜对待分析活性污泥样本中菌胶团进行拍摄，并对该待分析活性污泥样本重复步骤2）的操作，计算得到待分析活性污泥样本的菌胶团结构特征值Z，将该菌胶团结构特征值Z带入步骤3）获得的关系函数中，计算得到待分析活性污泥样本的特性参数。得到待分析活性污泥样本的特性参数后，便可根据该特性参数分析活性污泥特性，进而调节污水处理过程的运行参数，达到更好地污水处理效果，方法简单、快速高效。

分别采集20个污水处理厂的活性污泥作为待分析活性污泥样本，使用本实施例的方法计算得到的待分析活性污泥样本的特性参数与待分析活性污泥样本特性参数的直接测量值相比，误差均小于5.8%，具有很高的准确性。此外，采用本实施例的方法得到活性污泥样本的SV、SVI、MLSS、MLVSS四个特性参数只需要20-30min，比常规分析方法节约时间100-180min，分析快速高效。

上述实施例的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，直接对菌胶团结构进行鉴别，对活性污泥特性的分析快速、准确，不需要进行繁琐的实验分析，避免了分析活性污泥常规指标存在的模糊性与滞后性的问题，可更好地调节运行参数，培养出更有活性的污泥，对于提高活性污泥法污水处理过程的运行管理效率，具有非常重要的现实意义。且上述实施例的活性污泥特性确定方法，使用范围广泛，主要的污水生物处理工艺（如活性污泥法、接触氧化法等）中，都存在着活性污泥菌胶团，都可利用本发明的方法进行活性污泥特性分析，在污水生物法处理领域具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其步骤为：

1)活性污泥菌胶团图像信息采集：

调研污水处理厂，对处于不同运行阶段、不同污泥状态及不同工艺条件下的生化池活性污泥进行取样，采用数码生物显微镜对采集到的活性污泥样本中菌胶团进行拍摄；

2)菌胶团图像分析：

a、在数码生物显微镜自带的图形分析软件环境中，测量步骤1)采集的活性污泥样本中菌胶团的直径；

b、根据菌胶团直径大小将活性污泥中菌胶团分为微型结构、中型结构、大型结构3种类型；

c、对步骤b中所述的3种类型的菌胶团分别进行计数；

d、计算菌胶团体积；

e、采用菌胶团结构特征参数计算菌胶团结构特征值Z：

所述的菌胶团的结构特征参数包括3种类型菌胶团的计数、菌胶团的体积；菌胶团结构特征值Z的计算公式为：

Z＝m₁M_z2/M_z+m₂(∑S_z2/∑S_z)+m₃(∑S_z/∑S_s)

式中，M_z2/M_z为中型结构菌胶团占总菌胶团的数量比；M_z2为中型结构菌胶团的颗粒密度，单位为：个/mm²；M_z为活性污泥中所有菌胶团的颗粒密度，单位为：个/mm²；

∑S_z2/∑S_z为中型结构菌胶团体积占所有菌胶团的体积比，反映菌胶团里中型结构菌胶团的优势程度；

∑S_z/∑S_s为所有菌胶团体积占所有活性污泥颗粒的体积比，反映活性污泥中菌胶团的优势程度；

m₁、m₂、m₃分别为中型结构菌胶团颗粒密度、中型结构菌胶团体积、活性污泥中菌胶团的作用权重，m₁、m₂、m₃的具体值由其与活性污泥特性参数SV、SVI、MLSS、MLVSS的相关性大小确定，m₁+m₂+m₃＝1；

3)菌胶团与活性污泥特性的相关性分析：

对步骤1)中采集的活性污泥样本，同时测定其特性参数SV、SVI、MLSS、MLVSS，采用曲线拟合方式得出步骤2)获得的菌胶团结构特征值Z与SV、SVI、MLSS、MLVSS的关系函数；

4)计算待分析活性污泥样本的特性参数：

采集待分析活性污泥样本，采用数码生物显微镜对待分析活性污泥样本中菌胶团进行拍摄，并对该待分析活性污泥样本重复步骤2)的操作，计算得到待分析活性污泥样本的菌胶团结构特征值Z，将该菌胶团结构特征值Z带入步骤3)获得的关系函数中，计算得到待分析活性污泥样本的特性参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其特征在于：步骤2)中所述的菌胶团的3种类型具体分类标准为：菌胶团直径小于100μm为微型结构；菌胶团直径介于100～300μm为中型结构；菌胶团直径大于300μm为大型结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其特征在于：步骤2)中计算菌胶团体积时以菌胶团在数码生物显微镜观察面上的投影面积代替菌胶团体积进行计算。

4.根据权利要求3所述的一种基于菌胶团显微图像分析的活性污泥特性确定方法，其特征在于：步骤3)中获得的关系函数为：

SV＝a₁Z+b₁；

SVI＝a₂Z+b₂；

MLSS＝a₃Z+b₃；

MLVSS＝a₄Z+b₄。