水中絮体形态原位识别技术研究

论文摘要

絮凝是水处理的重要操作单元之一,它反映脱稳后的胶体颗粒互相碰撞后,粘在一起形成永久性凝聚体的过程。絮凝过程进展的好坏将直接影响到水处理后续流程的工况,因而成为环境工程中重要的科技研究开发领域。关于絮凝的理论基础国外研究比较多,在以往的研究中,大多是把絮凝体系当作一个“黑箱”,只管混絮凝剂的投入和所产生絮凝效果的输出,即使考虑微观过程,也只是将所有的胶粒抽象为球形,这与实际所观察到的胶体和絮凝体的现象有较大的差别。尽管有的学者在理论推导和形成最终的数学表达式时引用了颗粒系数加以修正,但理论与试验结果仍难以一致。本课题应用硫酸铝絮凝剂和全铁微生物絮凝剂,以水中高岭土颗粒为去除对象,采用在线光学影像设备,在确定试验的最佳水力条件基础上对铝盐絮体和全铁絮体的动态絮凝形态变化过程进行了原位在线检测和分析。并设计了试验,分别对硫酸铝和全铁微生物絮凝剂,在变化投药量的基础上,通过对絮凝过程中的絮体进行大量在线图像拍摄,分析了絮凝过程中絮体分形维数值的变化规律。试验结果表明:在本试验的条件下,絮体的分形维数都在1.1~1.7之间,且数据点的相关性很好,说明絮体的形成具有“分形”特征。与沉后水浊度、沉后水颗粒总数联合分析表明:沉后水浊度会受到干扰颗粒的影响;而沉后水颗粒数则能很好的评价絮凝效果,原位在线检测出的絮体分形维数与沉后水颗粒数保持了较高的相关性。因而,该种原位检测结果可以较准确的反应水中絮体的形态特征,并作为反映絮凝效果的好坏的有效评价指标。同时对比分析静态影像法和原位动态检测试验法:静态法所采集的絮体代表性差,絮体破碎、重叠严重,导致获得的絮体形态特征与真实值相差甚远;而原位动态检测试验对于絮凝过程的再现性强,能真实地反映絮体絮凝形态的变化规律。首次提出利用最优絮体影像阀值进行絮体形态原位识别,并通过试验证明最优絮体影像阀值的存在。研究表明:对于每一张拍摄的絮体图像,总存在着这样一个阀值,由它计算出的絮体的面积和周长,并最终得出的分形维数值能够最准确地反映絮凝形态的变化规律,我们定义这个阀值为最优絮体影像阀值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 絮凝形态学
• 1.3 国内外絮凝形态学研究现状与发展趋势
• 1.4 研究内容及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究目的及意义
• 1.4.3 课题来源
• 第2章 水中絮体形态原位检测方法
• 2.1 试验介绍
• 2.1.1 试验设备及仪器
• 2.1.2 主要仪器参数
• 2.2 试验中采用的絮凝效果评价方法
• 2.2.1 颗粒计数器法介绍
• 2.2.2 颗粒计数器在水处理中的应用研究
• 2.3 絮体形态原位检测流程
• 2.3.1 试验流程简介
• 2.3.2 最佳投药量的确定
• 2.3.3 最佳水力条件的确定
• 2.4 分形维数的计算方法
• 2.4.1 絮体分形维数的计算方法
• 2.4.2 絮体分形维数计算方法的选择
• 2.5 原位动态检测与静态影像法对比分析
• 2.5.1 相同浊度原水相同投药量下原位动态检测与静态影像法比较
• 2.5.2 相同浊度原水不同投药量下原位动态检测与静态影像法比较
• 2.5.3 原位动态检测与静态影像法拍摄絮体的图像对比分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 硫酸铝絮体形态特征变化研究
• 3.1 试验过程
• 3.2 不同浊度原水下投药量的变化对絮体形态特征的影响
• 3.3 絮体形态特征与絮凝效果之间的相关性分析
• 3.3.1 沉后水浊度与沉后水颗粒数量的相关性
• 3.3.2 沉后水颗粒数量与分形维数之间的相关性
• 3.3.3 沉后水浊度与分形维数之间的相关性
• 3.4 不同投药量下絮体图像对比分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 全铁絮体形态特征变化研究
• 4.1 试验过程
• 4.2 不同浊度原水下投药量的变化对絮体形态特征的影响
• 4.3 絮体形态特征与絮凝效果之间的相关性分析
• 4.3.1 沉后水浊度与颗粒数量之间的相关性
• 4.3.2 沉后水颗粒数量与分形维数之间的相关性
• 4.3.3 沉后水浊度与分形维数之间的相关性
• 4.4 不同投药量下絮体图像对比分析
• 4.5 本章小节
• 第5章 水中絮体形态辨识方法研究
• 5.1 絮体图像的预处理
• 5.1.1 絮体原始图像分析
• 5.1.2 絮体图像滤波
• 5.1.3 絮体图像的增强方法
• 5.2 絮体图像边缘检测与图像分割
• 5.2.1 絮体图像的边缘检测
• 5.2.2 本试验絮体图像的边缘检测方法
• 5.2.3 图像分割
• 5.2.4 本试验采用的基于梯度图像的动态灰度值分割
• 5.3 不同投药量下改变阀值对絮体分形维数值的影响
• 5.3.1 改变阀值对硫酸铝絮体分形维数值的影响
• 5.3.2 改变阀值对全铁絮体分形维数值的影响
• 5.4 最优絮体影像阀值适应性研究
• 5.4.1 硫酸铝絮体最优影像阀值存在性分析
• 5.4.2 全铁絮体最优影像阀值存在性分析
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢