洪 雷 王德凱

（1.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣西 南寧 530000；2.廣西環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，廣西 南寧 530000）

0 概述

從蒸汽機(jī)時(shí)代、電氣化時(shí)代、信息化時(shí)代到數(shù)字化時(shí)代，每次工業(yè)革命的出現(xiàn)都給社會(huì)各領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。在環(huán)保領(lǐng)域中，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能為技術(shù)驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)的水處理行業(yè)將開啟人工智能新時(shí)代。環(huán)保水務(wù)行業(yè)作為國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，發(fā)展信息技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能與環(huán)保水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用具有重要的戰(zhàn)略意義。

環(huán)保水務(wù)行業(yè)涉及面廣、應(yīng)用靈活，其行業(yè)技術(shù)的發(fā)展歷程可認(rèn)為是與其他各類專業(yè)領(lǐng)域不斷進(jìn)行技術(shù)融合應(yīng)用的過程；而在與計(jì)算機(jī)/大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的融合上，同樣也能產(chǎn)生許多融合的切入點(diǎn)。該文將以污廢水處理技術(shù)活性污泥法處理工藝的活性污泥沉降比試驗(yàn)過程智能檢測(cè)作為切入點(diǎn)，展示圖像識(shí)別技術(shù)與活性污泥法污泥沉降比試驗(yàn)過程觀測(cè)的融合應(yīng)用的方法。

1 污泥沉降比

污泥沉降比（SludgeSettlingVelocity）簡(jiǎn)稱SV，是指在采用活性污泥法進(jìn)行污廢水處理的好氧生物處理中，取曝氣池末端混合液1000mL 于1000mL 的量筒中，靜止30min后，沉淀的活性污泥體積占整個(gè)混合液的體積比例即為活性污泥的沉降比，單位用百分?jǐn)?shù)%表示[1]。在實(shí)際運(yùn)用中，沉降比不僅是指30min 內(nèi)的沉降過程，還包括SV5、SV30和SV120 等一系列不同時(shí)間的沉淀比測(cè)試，而不同時(shí)間的沉降比測(cè)試觀察的結(jié)果和意義又有所不同，一方面能反映曝氣池正常運(yùn)行時(shí)的污泥量和污泥的凝聚、沉降性能，另一方面通過SV 值變化可以判斷和發(fā)現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象。通過沉降比在生產(chǎn)中的指導(dǎo)作用，可以認(rèn)識(shí)到污泥沉降比不僅是一個(gè)數(shù)值。污泥的一些異?，F(xiàn)象也可通過沉降試驗(yàn)反映出來，例如通過外觀、沉降速率、泥水界面清晰程度和上層液的混濁情況，是否有懸浮物等情況可以了解污泥的結(jié)構(gòu)和沉降性能，并在無其他異常的情況下，作為剩余污泥排放的參考依據(jù)。

由此可見，SV 值測(cè)定簡(jiǎn)單便捷、表征明確，常用于活性污泥濃度及污泥性能的評(píng)測(cè)。污泥沉降比測(cè)試應(yīng)該包括3 個(gè)部分。1）獲取測(cè)試數(shù)據(jù)。2）對(duì)沉降過程的觀察和記錄。3）對(duì)結(jié)果和記錄進(jìn)行綜合分析。

由于沉降比試驗(yàn)過程可以傳遞大量信息，因此沉降比試驗(yàn)的采樣和過程觀測(cè)時(shí)間往往需要30 min 以上；在污水處理廠實(shí)際運(yùn)行的過程中，傳統(tǒng)的沉降比試驗(yàn)過程觀測(cè)操作，一方面占用工藝技術(shù)工程師比較多的工作時(shí)間，某些污水處理廠傾向于減少甚至不進(jìn)行污泥沉降比試驗(yàn)觀測(cè)，或者因?yàn)椴僮魅藛T的工作責(zé)任心不夠強(qiáng)，對(duì)沉降比作用認(rèn)識(shí)不到位，往往只是例行公事，只讀取30 min 的沉降比數(shù)值，而并沒有認(rèn)真觀察和掌握實(shí)際的沉降過程。另一方面，沉降比試驗(yàn)過程的特征分析暫時(shí)沒有很明確的量化標(biāo)準(zhǔn)，這些特征變化影響往往通過工藝技術(shù)工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性以及從沉降比試驗(yàn)中獲取信息量的多少受運(yùn)營技術(shù)工程師的經(jīng)驗(yàn)值是否足夠的影響，因此傳統(tǒng)沉降比試驗(yàn)過程傳達(dá)出來的信息往往難以被及時(shí)和全量獲取，從而不能給污水處理系統(tǒng)的良好運(yùn)行提供其應(yīng)有的決策價(jià)值。

綜上所述，這個(gè)由“人力”的不可控和成本高造成的問題矛盾，在當(dāng)前的數(shù)字化時(shí)代，可以嘗試通過使用計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)進(jìn)行替代。

2 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象的技術(shù)。采用工業(yè)相機(jī)拍攝圖片，然后再利用軟件根據(jù)圖片灰階差做進(jìn)一步識(shí)別處理，另外，在地理學(xué)中指將遙感圖像進(jìn)行分類的技術(shù)。

圖形刺激作用于感覺器官，人們辨認(rèn)出它是經(jīng)驗(yàn)過的某一圖形的過程，也叫圖像再認(rèn)。在圖像識(shí)別中，既要有當(dāng)時(shí)進(jìn)入感官的信息，也要有記憶中存儲(chǔ)的信息。只有通過存儲(chǔ)的信息與當(dāng)前的信息進(jìn)行比較的加工過程，才能對(duì)圖像再認(rèn)[2]。

圖像識(shí)別是人工智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。為了編制模擬人類圖像識(shí)別活動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序，人們提出不同的圖像識(shí)別模型。例如模板匹配模型、原型匹配模型。

圖像識(shí)別過程分為圖像處理和圖像識(shí)別2 個(gè)部分。

圖像處理（image Processing）利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析，以達(dá)到所需的結(jié)果。圖像處理可分為模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理，而圖像處理一般指數(shù)字圖像處理。這種處理大多數(shù)是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。其目的是去除干擾、噪聲，將原始圖像編程適于計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征提取的形式，主要包括圖像采樣、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼與壓縮和圖像分割。

圖像識(shí)別將圖像處理得到的圖像進(jìn)行特征提取和分類。識(shí)別方法中基本的也是常用的方法有統(tǒng)計(jì)法（StatisticMethod，或決策理論法）、句法（或結(jié)構(gòu)）識(shí)別法（Syntactic Recognition）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（NeuralNetwork）、模板匹配法（TemplateMatching）和幾何變換法（Hough Transform）[3]。

污泥沉降比試驗(yàn)過程中有各種不同的特征，包括沉降比試驗(yàn)的量筒沉降污泥刻度、污泥顏色和形態(tài)、泥水分界面、量筒筒壁、沉降速度、上清液顏色和形態(tài)以及液面形態(tài)等，圖像識(shí)別技術(shù)的豐富性可以很好地滿足自動(dòng)觀測(cè)的技術(shù)融合應(yīng)用要求。例如在讀取量筒沉降污泥刻度的過程中，采用模板匹配法對(duì)刻度進(jìn)行標(biāo)定，即可比較容易獲得自動(dòng)獲取沉降刻度的能力。

3 技術(shù)融合應(yīng)用

3.1 融合方案及裝置

在進(jìn)行了污泥沉降比試驗(yàn)過程呈現(xiàn)的不同特征提取和識(shí)別嘗試后，針對(duì)該文所要解決的問題，制作一套自動(dòng)采集、觀測(cè)及識(shí)別活性污泥沉降比試驗(yàn)過程的裝置，該裝置能自動(dòng)采集和觀測(cè)識(shí)別沉降比試驗(yàn)過程，較為準(zhǔn)確地描述污泥特征和性狀，對(duì)生化池的污泥性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，給污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行提供參考。

如圖1 所示，自動(dòng)采集、觀測(cè)及識(shí)別活性污泥沉降比試驗(yàn)過程的裝置，由自動(dòng)采樣模塊A、比對(duì)模塊B、攝像模塊C、數(shù)據(jù)處理模塊D 和殼體模塊E 組成。1）自動(dòng)采樣模塊A 包括錐形透明量筒1，其底部設(shè)置廢液流出管7，上部設(shè)置溢出口6（該溢出口經(jīng)“U”形管道與廢液流出管相連通），頂部設(shè)置布水管5，與進(jìn)液管3、清水管4 相連通；廢液流出管、進(jìn)液管和清水管上設(shè)置電磁閥，進(jìn)液管上安裝有蠕動(dòng)泵2。2） 攝像模塊C 包括帶數(shù)據(jù)傳輸裝置的攝像頭c。3）比對(duì)模塊B 包括比對(duì)背板8，比對(duì)背板與攝像頭分別安裝在錐形透明量筒的兩側(cè)，且攝像頭位于透明量筒側(cè)邊的中間位置；比對(duì)背板上設(shè)置刻度標(biāo)識(shí)9 以及比對(duì)色域，當(dāng)以攝像頭的位置作為視線起點(diǎn)時(shí)，透明量筒內(nèi)沉降污泥界面的刻度范圍（即最大持水量的刻度范圍）與比對(duì)背板的刻度范圍形成角度成像對(duì)應(yīng)關(guān)系，攝像頭拍攝到的量筒疊加比對(duì)背板的圖像，能顯示沉淀過程中透明量筒內(nèi)廢水和沉降污泥界面的位移情況，同時(shí)比對(duì)背板的色域能提升透明量筒內(nèi)的沉降污泥觀測(cè)性狀的視覺特征。4）攝像模塊與數(shù)據(jù)處理模塊D 相連接，攝像模塊將拍攝到的圖像傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行人工智能視覺識(shí)別和分析，獲取沉降比試驗(yàn)的量筒沉降污泥刻度、污泥顏色和形態(tài)、泥水分界面、量筒筒壁黏附物、沉降速度、上清液顏色和形態(tài)以及液面形態(tài)信息，以預(yù)測(cè)評(píng)估判定污泥性狀。另外，數(shù)據(jù)處理模塊儲(chǔ)存于服務(wù)器或云端服務(wù)器，且能自動(dòng)輸出技術(shù)報(bào)告信息。

圖1 SV30 測(cè)定試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 2 個(gè)案例的污泥沉降比沉降情況對(duì)比

特別補(bǔ)充說明如下：1）透明量筒采用帶溢流口的英霍夫管，以利于觀測(cè)，且設(shè)定最大持水量控制在1000 mL。2）進(jìn)液采用蠕動(dòng)泵，可保證污泥性狀完好，污泥性狀還原度高。3） 比對(duì)背板設(shè)置能顯示透明量筒內(nèi)混合液沉淀位移的對(duì)比度較高的底色。4）蠕動(dòng)泵、攝像頭以及所有電磁閥均與PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)相連接，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

裝置的使用過程如下：1）啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，開啟進(jìn)水管和廢液流走管道的電磁閥，使前60 s 抽取的混合液從廢液流走管道排走。2）蠕動(dòng)泵啟動(dòng)后60 s，關(guān)閉廢液流走管道的電磁閥，混合液從布水管進(jìn)入錐形透明量筒內(nèi)，30 s后，錐形透明量筒內(nèi)的水量滿至1000 mL 刻度線，抽取的過量的混合液通過溢出口流出，并經(jīng)液流管道排走，蠕動(dòng)泵自動(dòng)關(guān)停。3）蠕動(dòng)泵關(guān)停后開始觸發(fā)攝像頭c 計(jì)時(shí)，第5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min 分別進(jìn)行攝像，攝像頭將采集到的圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至網(wǎng)絡(luò)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。4）攝像頭完成30 min 攝像后，網(wǎng)絡(luò)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集到的沉降比試驗(yàn)過程圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取，進(jìn)而進(jìn)行比對(duì)識(shí)別和分析，獲取信息包括但不限于沉降比試驗(yàn)的量筒沉降污泥刻度、污泥顏色和形態(tài)、泥水分界面、量筒筒壁、沉降速度、上清液顏色和形態(tài)以及液面形態(tài)等，預(yù)測(cè)評(píng)估判定污泥性狀包括但不限于污泥濃度、污泥負(fù)荷、污泥老化或膨脹情況、污泥反硝化情況以及曝氣情況等。5）綜合污泥沉降過程特征，根據(jù)讀取到的特征信息，自動(dòng)生成活性污泥性狀評(píng)估報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括但不限于污泥濃度、污泥負(fù)荷、污泥老化或膨脹情況、污泥反硝化情況、曝氣情況等。

4.2 試驗(yàn)案例

4.2.1 試驗(yàn)案例1

應(yīng)用該文的裝置對(duì)廣西南寧市某市政生活污水處理廠好氧池進(jìn)行SV 沉降試驗(yàn)過程的自動(dòng)檢測(cè)。首先，讀取沉降泥水分界刻度，讀取的數(shù)據(jù)分別為5min 刻度——380mL、10min 刻度——300mL、15min 刻度——250mL、20min 刻度——200mL、25min 刻度——190mL、30min 刻度——190mL。其次，在提取其他沉降比試驗(yàn)過程特征點(diǎn)并進(jìn)行比對(duì)后，提取到的其他異常信息如下：清液的感官清澈度比系統(tǒng)預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)低（顆粒更多）、液面有明顯的浮渣和氣泡混合。

采用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析后，以30 min 刻度線作為最終沉降污泥計(jì)算的沉降比為19%；將6 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的沉降比和0 刻度、滿刻度連成的曲線，與標(biāo)準(zhǔn)沉降曲線比對(duì)符合程度較高，結(jié)合清液的感官清澈度和液面特征點(diǎn)的比對(duì)結(jié)果，最后數(shù)據(jù)處理平臺(tái)給出的結(jié)論為活性污泥沉降性能良好，SV30 數(shù)值正常，污泥出現(xiàn)老齡化傾向?；痉犀F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工藝技術(shù)工程師的判斷。

4.2.2 試驗(yàn)案例2

應(yīng)用該文的裝置對(duì)廣西某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理廠好氧池進(jìn)行SV 沉降試驗(yàn)過程的自動(dòng)檢測(cè)。首先，當(dāng)讀取沉降泥水分界刻度時(shí)，讀取的數(shù)據(jù)分別為5 min 刻度——960 mL、10 min 刻度——900 mL、15 min 刻度——830 mL、20 min 刻度——800 mL、25 min 刻度——780 mL、30 min 刻度——770 mL。其次，在提取其他沉降比試驗(yàn)過程特征點(diǎn)并進(jìn)行比對(duì)后，提取到的其他異常信息有，整個(gè)量筒分布大量氣泡，沉淀污泥顏色淺且松散。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析后，以30 min 刻度線作為最終沉降污泥計(jì)算出沉降比為77%；將6 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的沉降比和0 刻度、滿刻度連成的曲線，與標(biāo)準(zhǔn)沉降曲線比對(duì)符合程度偏差較遠(yuǎn)，結(jié)合沉淀污泥顏色性狀特征點(diǎn)的比對(duì)結(jié)果，最后數(shù)據(jù)處理平臺(tái)給出的結(jié)論為活性污泥沉降性能不良，SV30 數(shù)值過高，污泥有處于污泥膨脹的可能。也基本符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工藝技術(shù)工程師的判斷。

5 結(jié)論

綜上所述，通過上述的試驗(yàn)證實(shí)采用該文的方法和裝置提升了自動(dòng)觀測(cè)沉降試驗(yàn)過程的深度和廣度，如每5min沉降比數(shù)值連線的觀測(cè)理念比僅讀取30min 沉降比單次數(shù)值的理念具有更強(qiáng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。另外，能對(duì)過程圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取，進(jìn)而進(jìn)行人工智能視覺識(shí)別和分析，獲取信息包括但是不限于沉降比試驗(yàn)的量筒沉降污泥刻度、污泥顏色和形態(tài)、泥水分界面、量筒筒壁黏附物、沉降速度、上清液顏色和形態(tài)以及液面形態(tài)等信息，預(yù)測(cè)評(píng)估判定污泥性狀包括但不限于污泥濃度、污泥負(fù)荷、污泥老化或膨脹情況、污泥反硝化情況以及曝氣情況等，能較為準(zhǔn)確地理解和描述污泥特征和性狀，對(duì)生化池的污泥性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，給污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行提供參考。