一种微气泡和絮体综合检测系统及方法与流程

本发明涉及净水技术领域，具体涉及一种微气泡和絮体综合检测系统及方法。

背景技术：

目前水库水源污染问题日益突出，饮用水水源受污染的程度和污染物的种类不断增加，其中藻污染尤为严重。水库水易呈现夏季多藻，冬季低温低浊的特性。随着水源富营养化程度逐年加剧，藻类繁殖日益严峻，尤其在温度变化较大的春秋两季，藻类爆发现象时有发生，给传统的水处理工艺带来巨大的压力，如何保障供水安全成为大家不断追求的目标。

气浮工艺的工作原理是在一定的压力（0.35~0.45mpa）下使适量空气与部分回流水在溶气罐内形成饱和溶气载体，经释放器骤然减压而获得大量微细气泡，迅速粘附于水中流动颗粒、乳化油、澡类和经混凝反应的絮体上，造成絮体比重小于水的状态，被强制迅浮于水面，从而获得固液分离。该工艺作为一种高效、快速的固液分离技术在水处理领域得到较高的推广，目前在给水处理中，特别是针对低温低浊水及高藻水的处理上，气浮工艺的应用较为广泛。近年来，posidaf等新的气浮技术受到了国内外学者的广泛关注，气浮过程中气泡与絮体的碰撞及粘附效果对工艺的调控起着至关重要的作用，同时，气泡尺寸、表面电荷等也是影响气浮工艺处理效果的重要因素，因此测量气泡及絮体尺寸、探究泡絮体粘附机理，对气浮工艺的改进及应用有着十分重要的意义。

气浮技术利用了微气泡体积小、比表面积大、具有良好的粘附性能等特性，对水中絮体及疏水性颗粒物质具有较好的分离效果。在深入研究混凝-气浮净水技术的机理，优化工艺参数的过程中，发现传统静态观测技术存在误差大、操作难等问题，导致数据精确度较低，且功能单一，不能满足相关理论研究的需求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明公开一种微气泡和絮体综合检测系统及方法，可测量反应器内不同高度位置的微气泡直径、上升速度、表面电荷，而且能够观察气泡和絮体的粘附过程，具有过程可视化、结构简单、数据精确等特点。

一种微气泡和絮体综合检测系统，包括混凝-气浮系统、原位观测系统、电位检测系统、摄像系统和图像分析系统；

所述混凝-气浮系统包括依次连接的气泵、进气阀、溶气罐、出水阀、气浮控制器、释气针、气浮池，所述气浮池的左侧壁自上至下设置有多个观测窗，所述气浮池内设置有程控式搅拌器；

所述原位观测系统包括位于气浮池内的多个灯箱，每个灯箱的位置均与观测窗对应，所述灯箱侧壁设置有磨砂玻璃，在磨砂玻璃外侧安装有第一目镜测微尺，所述第一目镜测微尺外侧设置有透明玻璃，所述透明玻璃粘接在观测窗右侧，所述磨砂玻璃通过固定螺栓与透明玻璃连接，通过调整固定螺栓，第一目镜测微尺与透明玻璃之间的距离可调；

所述电位检测系统包括沿气浮池右侧池壁自上至下设置的多个进液管，每个进液管均连接一个观测室，所述观测室竖直设置，所述观测室内设置有电极，所述电极中间设置有第二目镜测微尺，所述观测室的左右侧面分别设置有玻璃窗；

所述摄像系统包括设置在气浮池左右两侧的摄像机，所述摄像机装有显微镜头，位于左侧的摄像机的镜头对应观测窗，位于右侧的摄像机的镜头对应玻璃窗；

所述摄像机电连至图像分析系统，所述图像分析系统包括带有图像分析软件的计算机。

优选的，所述气浮池外侧设置有支架，程控式搅拌器的执行端位于气浮池内，控制端固定于支架上；

优选的，所述进液管与气浮池之间设置有固定环，通过固定环可调节气浮池内的进液管部分的长度；

优选的，所述观测室均通过出水管连接至连通管，所述连通管固定在支架右侧；

优选的，所述电极连接有电极电源控制器，所述电极电源控制器固定在支架右侧；

优选的，所述灯箱为喇叭口形，在灯箱的小径端内部设置有光源，所述光源包括led灯板和电池；

优选的，所述支架的左右侧面分别设置有相机云台，所述相机云台与支架之间通过高度可调的支架滑轨实现活动连接，位于支架右侧的相机云台上安装led灯，所述led灯电连至led功率调节器；

优选的，本发明还公开一种利用上述系统观察气泡粒径和泡絮碰撞粘附过程的方法，步骤如下：

（1）向溶气罐加水至半桶，封闭溶气罐，开启气泵，使空气充分溶于水中；

（2）向气浮池内加原水至最上侧的观测窗，水位达最高点；

（3）将摄像机放置到左侧的相机云台上，调节支架滑轨的位置，将相机云台调节至需要观察的观测窗的高度，使光源、观测窗、镜头处于同一水平线上；

（4）开启摄像机、led灯板以及计算机软件，使画面对焦于第二目镜测微尺的刻度前；

（5）编辑搅拌程序，加入絮凝剂后开启程控式搅拌器，使之按照预定程序进行混凝操作；

（6）混凝结束后，调节气浮控制器开始释放溶气水；

（7）迅速调节led灯板的亮度，使画面内气泡及絮体清晰可见；

（8）点击软件内的记录按钮，记录气泡运动图像，使用image-propremier软件对记录图像进行分析计算；

（9）重复步骤（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8），经多次试验，利用计算机图像处理软件分析气泡运动图像，得到气浮池内不同高度位置的气泡参数、泡絮体尺寸、泡絮粘附状态等特征；

（10）实验结束后关闭led灯板、摄像机、计算机、气泵，清洗气浮池，排空溶气罐和气泵内的空气，并将溶气罐内剩余的水排净。

优选的，本发明还公开一种利用上述系统检测微气泡表面电位的方法，步骤如下：

（1）取下气浮池内的程控式搅拌器；

（2）向溶气罐加水至半桶，封闭溶气罐，开启气泵，使空气充分溶于水中；

（3）向气浮池内加水至最上侧的观测窗，水位达最高点；

（4）将摄像机放置到右侧的相机云台上，调节支架滑轨的位置，将led灯和摄像机调节至需要观察的玻璃窗的高度，并使led灯、玻璃窗、镜头处于同一水平线上；

（5）开启摄像机、led灯和计算机，使画面对焦于第一目镜测微尺的刻度前；

（6）调节电极电源控制器，使观测池内电场强度达到预定值；

（7）调节气浮控制器，开始释放溶气水；

（8）调节led功率调节器，使画面内气泡清晰可见；

（9）点击软件内的记录按钮，记录气泡运动图像，使用image-propremier软件对记录图像进行分析计算；

（10）重复步骤（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9），经多次试验，利用计算机图像处理软件分析气泡运动图像，结合计算公式得到气浮池内不同高度位置的气泡电位。

（11）试验结束后关闭电极电源控制器、led灯、摄像机、气泵，清洗气浮池，排空溶气罐和气泵内的空气，并将溶气罐内剩余的水排净。

本发明的有益效果：

（1）左侧观测窗置于气浮池内，实现了微气泡和絮体特性的原位检测，实验数据更加真实可靠；观测窗左侧使用透明玻璃并同池壁紧密黏贴，故观测和拍摄更加清晰直观；观测窗附有目镜测微尺，尺寸读数简单方便。

（2）右侧观测室竖直放置，与气浮池联通，既实现了微气泡环境条件与气浮池内相同，又避免了池内紊流对检测结果造成的影响，实现了气泡尺寸分布、运动特征及表面电位检测一体化；采用ccd高速工业相机，可对实验过程进行高帧率拍摄，全面记录实验过程；采用可调节led光源，保证在不同的气泡、絮体密度下均能获得清晰画面；既能记录微气泡特性，也能记录泡絮粘附过程，为气浮粘附机理提供可靠论据；最后利用计算机图像处理软件分析气泡数据，提高了数据的准确度和工作效率。

（3）本发明有效解决了浮选气泡运动特征难以准确测量以及泡絮粘附过程难以追踪的问题，具有处理过程可视化、设备结构简单、检测操作简便、数据分析高效等优点，可广泛应用于气浮工艺实验室试验，对工艺的改进及应用有着十分重要的意义。也可用于气浮工艺课堂教学，对强化浮选理论知识理解和优化浮选分选效果具有重要的价值和意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为a的局部放大图；

图3为图2的左视图；

图4为b的局部放大图；

图5为图4的左视图；

图6目镜测微尺显微摄像图片；

图7为气泡及絮体显微摄像照片；

图8为气泡与絮体粘附过程示意图；

图中：1为气泵、2为进气阀、3为溶气罐、4为出水阀、5为气浮控制器、6为气浮池、7为释气针、8为程控式搅拌器、9为取液管、10为观测室、11为透明玻璃窗、12为第一目镜测微尺、13为电极、14为电极电源控制器、15为出水管、16为连通管、17为支架、18为灯箱、19为纽扣电池、20为led灯板、21为磨砂玻璃、22为透明玻璃、23为固定螺栓、24为摄像机、25为镜头、26为相机云台、27为相机支架、28为led灯、29为led功率调节器、30为计算机、31为第二目镜测微尺。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-8所示的一种微气泡和絮体综合检测系统，该系统包括混凝-气浮系统、原位观测系统、电位检测系统、摄像系统和图像分析系统。

所述混凝-气浮系统包括依次连接的气泵1、进气阀2、溶气罐3、出水阀4、气浮控制器5、释气针7和气浮池6，气泵1产生高压气体经进气阀2进入溶气罐3形成溶气水。溶气水经出水阀4由气浮控制器5控制进入释气针7内的溶气水水量。气浮池6的左侧壁自上至下粘有多个观测窗，所述气浮池6内设置有程控式搅拌器8。气浮池6外侧设置有支架17，程控式搅拌器8的执行端位于气浮池6内，控制端固定于支架17上。溶气罐3内部设置有用于将气体与液体充分混合均匀的搅拌器。

所述原位观测系统包括位于气浮池6内的多个灯箱18，每个灯箱18的位置均与观测窗相对，所述灯箱18为喇叭口形，在灯箱18的小径端内设置有光源，所述光源包括led灯板20和电池19，此处的电池优选为纽扣电池。所述灯箱大径端设置有磨砂玻璃21，在磨砂玻璃21外侧安装有第一目镜测微尺31，所述磨砂玻璃21通过固定螺栓23连接有透明玻璃22，通过调整固定螺栓23，第一目镜测微尺31与透明玻璃22之间的距离可调，中间留有3—6mm的缝隙以供气泡和絮体通过。

所述电位检测系统包括沿气浮池6右侧池壁自上至下设置的多个进液管9，所述进液管9一端切角处理后插入固定在气浮池6上的固定环，通过固定环可调节气浮池6内的进液管9部分的长度，以防止阻碍程控式搅拌器8工作。

每个进液管9均连接一个观测室10，所述观测室10均通过出水管15连接至连通管16，所述连通管16固定在支架17右侧；所述观测室10内设置有电极13，形成微型电泳仪以测量气泡的表面电位，此处电极优选为pt电极。电极13连接有电极电源控制器14，连通管16、程控式搅拌器8、电极电源控制器14通过卡扣和螺栓固定于支架17上。所述电极13两侧设置有第二目镜测微尺12，所述观测室的左右侧面分别设置有玻璃窗11。

所述摄像系统包括设置在气浮池6左右两侧的摄像机24，此处摄像机优选为ccd高速工业相机。位于左侧的摄像机的镜头25对应透明玻璃22，位于右侧的摄像机的镜头25对应玻璃窗11；所述观测室10外与摄像机24相对的一侧设置有led灯28，所述led灯28电连至led功率调节器29。

所述支架17的左右侧面分别设置有相机云台26，所述相机云台26与支架17之间通过高度可调的支架滑轨27实现活动连接，位于支架17右侧的相机云台26上安装led灯28。

所述摄像机通过高速网线连接到带有图像分析软件的计算机30上。

本发明还公开一种利用上述系统观察气泡粒径和泡絮碰撞粘附过程的方法，步骤如下：

（1）向溶气罐3加水至半桶，封闭溶气罐3，开启气泵1，使空气充分溶于水中；

（2）向气浮池6内加原水至最上侧的观测窗，水位达最高点；

（3）将摄像机24放置到左侧的相机云台26上，调节支架滑轨27的位置，将相机云台26调节至需要观察的观测窗的高度，使光源、观测窗、镜头25处于同一水平线上；

（4）开启摄像机24、led灯板20以及计算机软件，使画面对焦于第二目镜测微尺31的刻度前；

（5）编辑搅拌程序，加入絮凝剂后开启程控式搅拌器8，使之按照预定程序进行混凝操作；

（6）混凝结束后，调节气浮控制器5开始释放溶气水；

（7）迅速调节led灯板20的亮度，使画面内气泡及絮体清晰可见；

（8）点击软件内的记录按钮，记录气泡运动图像，使用image-propremier软件对记录图像进行分析计算；

（9）重复步骤（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8），经多次试验，利用计算机图像处理软件分析气泡运动图像，得到气浮池内不同高度位置的气泡参数、泡絮体尺寸、泡絮粘附状态等特征；

（10）实验结束后关闭led灯板20、摄像机24、计算机30、气泵1，清洗气浮池6，排空溶气罐3和气泵1内的空气，并将溶气罐3内剩余的水排净。

优选的，本发明还公开一种利用上述系统检测微气泡表面电位的方法，步骤如下：

（1）取下气浮池6内的程控式搅拌器8；

（2）向溶气罐3加水至半桶，封闭溶气罐3，开启气泵1，使空气充分溶于水中；

（3）向气浮池6内加水至最上观测窗水位达最高点；

（4）将摄像机24放置到右侧的相机云台26上，调节支架滑轨27的位置，将led灯28和摄像机24调节至需要观察的玻璃窗11的高度，并使led灯28、玻璃窗11、镜头25处于同一水平线上；

（5）开启摄像机24、led灯28和计算机30，使画面对焦于第一目镜测微尺12的刻度前；

（6）调节电极电源控制器14，使观测池内电场强度达到预定值；

（7）调节气浮控制器5，开始释放溶气水；

（8）调节led功率调节器29，使画面内气泡清晰可见；

（9）点击软件内的记录按钮，记录气泡运动图像，使用image-propremier软件对记录图像进行分析计算；

（10）重复步骤（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9），经多次试验，利用计算机图像处理软件分析气泡运动图像，结合计算公式得到气浮池内不同高度位置的气泡电位。

（11）试验结束后关闭电极电源控制器14、led灯28、摄像机24、气泵1，清洗气浮池6，排空溶气罐3和气泵1内的空气，并将溶气罐3内剩余的水排净。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。