一种污水多级处理系统的制作方法

1.本发明涉及污水的处理领域，具体涉及一种污水多级处理系统。


背景技术：

2.通常污水处理分为三个级别，分别为对污水中漂浮物和悬浮物净化的一级处理；对污水进行一级处理的基础上，利用生物处理方法继续除去污水中胶体和溶解性有机物的二级处理；污水经过二级处理后，仍含有极细微的悬浮物、磷、氮和难以生物降解的有机物、矿物质、病原体等需进一步净化处理。
3.大量的含氮污染物进入自然水体中，从而导致水体中的氨氮含量过高。目前，氨氮已成为水体污染的重要污染物之一，过量的氨氮会引起水体的富营养化，从而严重影响了工业生产与居民的日常生活。因此，为了防治和控制水体的富营养化，必须采用有效手段对废水中的含氮污染物进行处理。
4.电磁分离术处理废水速度快、处理能力大，且不受自然温度的影响，对其他分离方法难以除去的极细悬浮物及低浓度的废水具有很强的分离能力。特别是高梯度磁滤分离器的过滤速度是一般处理用的高速过滤机的10～30倍，相当于沉淀池的100倍。磁分离设备体积小、维护容易，且可去除那些耐药性和毒性很强的病原微生物、细菌以及一些难降解的有机物，与用氯或氯制剂消毒相比，磁分离技术不会产生废水有机物与氯反应生成的有害化合物。
5.电磁分离过程中需要对电磁场强度进行调节，对电磁场强度控制的好坏直接影响了对污水处理的速度和效果。


技术实现要素：

6.为了解决现有污水处理方法在电磁分离过程中不能精确控制电池强度的问题，本发明提供了一种污水多级处理系统的技术方案，处理系统包括图像采集器和控制器，所述图像采集器用于实时采集水下图像，所述控制器用于：
7.实时获取所述水下图像，将所述水下图像转换为水下灰度图像；
8.计算各水下灰度图像的水体浑浊度，将水体浑浊度首次大于第一设定浑浊度阈值的时刻作为电磁场强度调节起始时刻；
9.自电磁场强度调节起始时刻以后，不断增加电磁场强度，直至增加后的电磁场强度对应的最佳聚沉程度大于设定聚沉程度阈值，将最后一次增加后的电磁场强度作为最佳电磁场强度；
10.按照最佳电磁上强度对水体进行净化，直至净化后的水体浑浊度低于第二浑浊度阈值。
11.有益效果：本发明通过对水体图像进行分析可以精准判断出电磁场强度调节起始时刻和最佳电磁场强度，能够实现对电磁场强度的精准控制，保证污水处理的速度和效果；本发明的污水多级处理系统可用于水污染等环境保护专用设备制造。
12.进一步地，所述水下图像为图像采集器拍摄的水体中的目标白色标识板的图像。
13.所述计算各水下灰度图像的水体浑浊度，将水体浑浊度首次大于第一设定浑浊度阈值的时刻作为电磁场强度调节起始时刻，包括：
14.对于任一水下灰度图像：根据该水下灰度图像中各列的灰度值之和计算污水的纵向浑浊程度；根据该水下灰度图像中各行的灰度值之和计算污水的横向浑浊程度；判定污水的纵向浑浊程度和横向浑浊程度是否均大于第一设定浑浊度阈值；
15.将首次均大于的时刻作为电磁场强度调节起始时刻。
16.进一步地，计算污水的纵向浑浊程度的公式为：
[0017][0018]
其中，g1表示污水的纵向浑浊程度，l
x
表示第x列像素点的灰度值之和，l1为所有列的灰度值之和的均值，n为总列数，ψ为超参数，tanh表示双曲线正切函数；
[0019]
计算污水的横向浑浊程度：
[0020][0021]
g2表示污水的横向浑浊程度，ly表示第y行像素点的灰度值之和，l2为所有行的灰度值之和的均值，m为总行数。
[0022]
进一步地，所述电磁场强度对应的最佳聚沉程度是根据各颗粒对应的运动方向、移动距离和颗粒的聚集程度计算得到的。
[0023]
进一步地，利用均值漂移聚类算法对颗粒运动方向的交点进行聚类，根据聚类结果得到所述颗粒的聚集程度。
[0024]
进一步地，电磁场强度对应的最佳聚沉程度的计算公式为：
[0025][0026]
其中，dj表示第j时刻电磁场强度的最佳聚沉程度，mg表示第g个聚类窗口中的交点个数，mg表示第g个聚类窗口对应的局部区域中的交点个数，gj为第j时刻对应的水下灰度图像对应的聚类窗口的个数，sj表示第j时刻对应的水下灰度图像对应的颗粒个数，v
j-2,s
表示j-2时刻第s个颗粒的运动方向，v
j-1,s
表示j-1时刻第s个颗粒的运动方向，vj,s为表示j时刻第s个颗粒的运动方向，t
j-2,s
表示第j-2和j-1时刻之间第s个颗粒的位移距离，t
j-1,s
表示第j-1和j时刻之间第s个颗粒的位移距离。
附图说明
[0027]
图1是本发明的污水多级处理系统的处理器的处理过程示意图；
具体实施方式
[0028]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行介绍。
[0029]
氮氨污水，即为经过一级对污水中漂浮物和悬浮物净化和二级利用生物处理方法
继续除去污水中胶体和溶解性有机物的处理之后，污水中含有极细微的悬浮物、磷、氮和难以生物降解的有机物、矿物质、病原体等，此时的污水相对清澈，但还是无法达到排放标准。过量的氨氮会引起水体的富营养化，从而严重影响了工业生产与居民的日常生活。因此，为了防治和控制水体的富营养化，必须采用有效手段对废水中的含氮污染物进行处理。
[0030]
电磁分离过程中需要对电磁场强度进行调节，对于电磁场强度的控制分为几个阶段，分别为通电阶段，此阶段的目的是析出晶体颗粒；增强阶段，此阶段的目的是为了寻找最佳电磁场强度；稳定阶段，此阶段为颗粒聚沉阶段，目的是为了将颗粒聚集为大颗粒，直至其重力大于水体的浮力，达到聚沉的目的；停止阶段，此阶段为水体达到排放标准，此时停止通电。
[0031]
对电磁场强度控制的好坏直接影响了对污水处理的速度和效果，本实施例的目的在于提供一种污水多级处理系统，以解决现有污水处理方法在电磁分离过程中不能精确控制电池强度，导致污水处理的速度和效果不佳的问题；本实施例的污水多级处理系统包括图像采集器和控制器，所述图像采集器用于实时采集水下图像，所述控制器用于获取图像采集器采集的水下图像，并根据对水下图像的分析结果对电磁分离过程中电磁场强度进行调节。
[0032]
具体的，本实施例中图像采集器为水下相机，布置相机处于污水池中，相机外带有透明玻璃防护罩，相机正对一白色标识板。相机的采样频率选择较高的采样频率，使得图像采集能尽可能的呈现连续的效果，即从给水体通电开始，相机开始对水体进行实时采样，可得到各采集时刻对应的水下图像，该水体图像即为相机拍摄的水体中的目标白色标识板的图像。
[0033]
如图1所示，本实施例的控制器根据获取的各采集时刻的水下图像对电磁分离过程中电磁场强度进行控制的具体过程如下：
[0034]
(1)实时获取所述水下图像，将所述水下图像转换为水下灰度图像；
[0035]
本实施例中获取的水下图像为rgb图像，对获取的rgb图像进行灰度化处理，得到水下灰度图像。灰度化处理为现有技术，此处不再赘述。
[0036]
(2)计算各水下灰度图像的水体浑浊度，将水体浑浊度首次大于设定第一浑浊度阈值的时刻作为电磁场强度调节起始时刻；
[0037]
经过一级与二级处理之后的污水与没有经过处理的污水不同，经过处理之后的污水水体中明显的颗粒杂质通过聚沉后去除率高，故水体相对清澈，但此时污水中含有极细微的悬浮物、磷、氮和难以生物降解的有机物、矿物质、病原体等，无法达到排放标准。通过对此类污水进行通电增加磁场后，磁场效应可以促进污水中的化学反应与物质的活性，改善混凝效果，使水体中的悬浮物在电磁场的作用下接触机会增多，提高凝结速度，增加了絮凝率。
[0038]
对于经过一级与二级处理之后的污水，水体相对清澈，故此时采集到的图像为白色标识板的固有色，即图像中的像素点的灰度值与白色标识板的灰度值十分相近。随着通电时间的增加，水体中的悬浮物在电磁场的作用下接触机会增多，最终形成相机可以采集到的结晶颗粒，此时采集的图像中包含了杂质颗粒的颜色，即白色标识板上出现灰度级异于白色标识板的灰度值的像素点，即污水水体由清澈变为浑浊。
[0039]
本实施例通过计算各水下灰度图像的水体浑浊度来判断电磁场强度调节起始时
刻，具体过程为：
[0040]
建立平面直角坐标系，计算白色标识板上像素点的灰度值，构建灰度曲线图。设白色标识板的大小为m
×
n，以白色标识板灰度图像左上角为坐标原点，因此图像左上角的第一个像素点坐标为(0，0)，像素点的坐标为(x，y)，灰度值为f(x，y)，其中，则纵向上第x列的像素点灰度值之和为：
[0041][0042]
根据各列的灰度值之和构建纵向的灰度曲线，根据纵向的灰度曲线计算此时刻污水的纵向浑浊程度：
[0043][0044]
其中，g1表示污水的纵向浑浊程度，l
x
表示第x列像素点的灰度值之和，l1为所有列的灰度值之和的均值，n为总列数，ψ为超参数，本实施例中ψ＝0.02，tanh表示双曲线正切函数，起归一化作用。
[0045]
同理，横向上第y行像素点灰度值之和为：
[0046][0047]
根据各行的灰度值之和构建横向灰度曲线，根据横向的灰度曲线计算此时刻污水的横向浑浊程度：
[0048][0049]
g2表示污水的横向浑浊程度，ly表示第y行像素点的灰度值之和，l2为所有行的灰度值之和的均值，m为总行数，ψ为超参数，本实施例中ψ＝0.02，tanh表示双曲线正切函数，起归一化作用。
[0050]
判定g1和g2的值是否均大于第一设定浑浊度阈值，若均大于，说明此时水体中开始出现相机可以采集到的结晶颗粒，将此时刻作为电磁场强度调节起始时刻，从此开始增大电磁场强度。本实施例中第一浑浊度阈值为0.6，在实际应用中可以根据实际需求进行修改。
[0051]
(3)自电磁场强度调节起始时刻以后，不断增加电磁场强度，直至增加后的电磁场强度对应的颗粒聚沉度大于设定聚沉度阈值，将最后一次增加后的电磁场强度作为最佳电磁场强度；
[0052]
污水水体中的颗粒会在电磁场的作用下进行汇聚，由多个小颗粒汇聚形成大颗粒后，其重力大于水的浮力，发生聚沉作用，从而达到净化作用。在小颗粒汇聚过程中，存在汇聚方向与汇聚速度，当颗粒的运行趋势呈汇聚型且汇聚速度达到最大时，此时的电磁强度为最佳电磁强度。
[0053]
自电磁场强度调节起始时刻以后，开始不断增加电磁强度，由于小颗粒在电磁场的作用下会发生相对运动，故获取上一时刻和下一时刻颗粒的坐标位置，由此可获取上一
时刻与下一时刻颗粒的运动向量，上一时刻与下一时刻颗粒连线方向即为颗粒的运动方向，位移距离即为向量的大小。对于同一小颗粒，其在水体中的运动通常为布朗运动，但随着电磁场强度的增加，其运动会遵循一定的规律，即第一时刻与第二时刻的运动方向和第二时刻与第三时刻运动方向相似。本实施例中可通过阈值分割法分割出各时刻图像中颗粒并得到颗粒的坐标位置，阈值分割法为现有技术，此处不再赘述。
[0054]
当同一颗粒第一时刻与第二时刻的运动方向和第二时刻与第三时刻运动方向相似、位移距离相似且颗粒的聚集程度大时，达到最佳电磁场强度。本实施例获两个时刻间颗粒运动方向的交点，采用均值漂移聚类算法对其进行聚类，聚类窗口中的交点越多、同一颗粒第一时刻与第二时刻的运动方向和第二时刻与第三时刻运动方向相似、位移距离相似时，此时的电磁场强度达到最佳。
[0055]
本实施例各颗粒对应的运动方向和移动距离，以及颗粒的聚集程度计算最佳聚沉程度的计算公式为：
[0056][0057]
式中dj表示第j时刻电磁场强度对应的最佳聚沉程度，mg表示第g个聚类窗口中的交点个数，mg表示第g个聚类窗口对应的局部区域中的交点个数，gj为第j时刻对应的水下灰度图像对应的聚类窗口的个数，为颗粒的聚集程度，sj表示第j时刻对应的水下灰度图像对应的颗粒个数，v
j-2,s
表示j-2时刻第s个颗粒的运动方向，v
j-1,s
表示j-1时刻第s个颗粒的运动方向，vj,s为表示j时刻第s个颗粒的运动方向，t
j-2,s
表示第j-2和j-1时刻之间第s个颗粒的位移距离，t
j-1,s
表示第j-1和j时刻之间第s个颗粒的位移距离。本实施例中局部区域指包括聚类窗口在内且比聚类窗口大固定面积的区域，比如聚类窗口对应的聚类圆的半径为r，那么局部区域就是以该聚类圆的圆心为圆心的半径比r大的圆，或者是以该聚类圆的圆心为中心的边长为2r的正方形。
[0058]
当dj≥0.8时，此时所对应的电磁强度即为最佳电磁强度，此时电磁场强度记为v。本实施例中聚沉程度阈值为0.8，实际应用中可以根据实际需要进行调整。
[0059]
(4)按照最佳电磁上强度对水体进行净化，直至净化后的水体浑浊度低于第二浑浊度阈值；
[0060]
当电磁场强度达到最佳电磁场强度v时，颗粒的聚沉效果达到最佳，由于聚沉过程需要聚沉时间，故以最佳电磁场强度v保持聚沉状态，在聚沉过程中，颗粒聚集为大颗粒，直至其重力大于水体的浮力，此时大颗粒开始下沉，即此时的水体逐渐由浑浊向清澈转换，当水体的浑浊程度下降至第二浑浊度阈值时，此时聚沉完成，水体达到排放标准；本实施例中第二浑浊度阈值为0.2，实际应用中也可以根据实际需求进行修改。水体的浑浊程度的计算方式与上述水体的浑浊度计算方式相同，此处不再赘述。
[0061]
通过控制电磁场的强度对污水进行处理，不仅处理废水速度快、处理能力大，且不受自然温度的影响，对其他分离方法难以除去的极细悬浮物及低浓度的废水具有很强的分离能力，同时节约成本，减少资源的浪费。通过采用电磁场对污水进行三级处理，不仅可以有效抑制水体富营养化，同时与用氯或氯制剂消毒相比，磁分离技术不会产生废水有机物
与氯反应生成的三卤甲烷和其他卤代烃化合物，有效防止水体的二次污染。通过不同阶段采用不同的电磁场强度，大大节约能源消耗，减少碳排放。
[0062]
本实施例通过对水体图像进行分析可以精准判断出电磁场强度调节起始时刻和最佳电磁场强度，能够实现对电磁场强度的精准控制，保证污水处理的速度和效果；本实施例的污水多级处理系统可用于水污染等环境保护专用设备制造。
[0063]
需要说明的是，尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。