用于优化水处理过程中的凝聚和/或絮凝的方法和系统与流程
本发明涉及水处理。更明确而言，本发明涉及用于监控和/或优化水处理过程中的凝聚和/或絮凝的方法和系统。
背景技术
有效的水处理需要从水中去除溶解化合物以及分散和悬浮的固体。该处理典型地通过化学品，如凝聚剂和絮凝剂而增强。将化学品在分离单元，如浮选和沉降之前添加至水料流。通常将基于二次参数，如沉降速率或经处理的水的浊度的常规测量用于监控净化结果。
在线控制凝聚剂和絮凝剂剂量在经济和生态上都是有益的。在线控制的目的在于优化化学品剂量，同时维持经处理的水的高品质。当前可用的解决方案未提供用于优化水处理过程中的凝聚和/或絮凝的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供用于监控和/或优化水处理过程中的凝聚和/或絮凝的改进的方法和系统。根据本发明的第一方面，本发明的方法涉及以下步骤：
-从含水液体中提取样品；
-用成像设备监控样品，以捕获分散或悬浮于所述液体中的颗粒的视觉数据；
-基于所述视觉数据对颗粒类型进行分类；
-计算至少一种经分类的颗粒类型的粒度分布指标；
-将所述粒度分布指标与预定粒度分布值进行比较；
-至少部分地响应于在比较步骤中检测到的差异，调整水处理过程中的至少一种凝聚和/或絮凝试剂的剂量。
在一些实施方案中，颗粒的分类可以基于形状因子。在一些实施方案中，分类可以基于颗粒的尺寸。在另外的实施方案中，分类可以基于颗粒的颜色因子，或颗粒的前述物理性质的任意组合。颗粒类型可以包括以下的一种或更多种：絮凝物，纤维，绒毛，微颗粒，微塑料和任意其它用户定义的颗粒类型。
另外，一种或更多种化学品剂量的调整可以另外基于来自所捕获的视觉数据的测量，所述测量可以为以下的一种或更多种：水颜色，颗粒颜色，浊度，颗粒浓度，微颗粒尺寸和浓度，絮凝期间的絮凝物生长速率和所述液体流的絮凝物沉降。
分类和剂量调整均可以利用本发明的方法和系统进行，其利用或包括适于捕获分散或悬浮于液体中的颗粒的视觉数据的成像设备。
待监控的含水液体可以为例如地表水、地下水、微咸水、盐水、任意原水、废水或工业生产用水。可以使含水液体流动至分离单元，如浮选、沉降、反渗透、纳滤、超滤或微滤过程。
至少一种化学品选自凝聚剂和絮凝剂，优选选自单价或多价阳离子如钠、钙、镁、铁、铝的水溶性盐或阴离子、非离子和阳离子聚电解质，天然产物如淀粉，半合成聚合物如阳离子淀粉，以及合成聚合物如丙烯酸系聚合物、多胺、聚氧化乙烯和烯丙基系聚合物，或其混合物。
根据本发明的第二方面，本发明的系统用于监控和/或优化水处理过程中的凝聚和/或絮凝，所述系统包括数据处理单元，和功能性连接至所述数据处理单元的：
-用于从含水液体中提取样品的机构；
-适于捕获分散或悬浮于所述液体中的颗粒的视觉数据的成像设备，
-用于控制至少一种凝聚和/或絮凝试剂至水处理过程的剂量的机构，其中
所述数据处理单元包括非暂时性计算机可读介质，所述介质具有存储于其上的一组计算机可执行指令，所述指令用于使数据处理单元实施以下步骤：
-基于所述视觉数据对颗粒类型进行分类；
-计算至少一种分类的颗粒类型的粒度分布指标；
-将所述粒度分布指标与预定粒度分布值进行比较；
-响应于所述计算的粒度分布指标与所述预定粒度分布值之间的检测到的差异，调整用于所述颗粒的至少一种絮凝和/或凝聚试剂至所述含水液体流的剂量。
本发明提供多种有利之处，包括检测水处理过程中的颗粒性质或各个过滤和膜过程的预处理阶段中的颗粒性质，如絮凝物性质。利用本发明，可能优化凝聚剂和/或絮凝剂剂量，同时维持经处理的水的高品质。
本发明的各个有利实施方案的特征在于随附权利要求书中的所述内容。
附图说明
通过参考附图在下文进一步详细描述本发明的示例性实施方案，其中：
图1示出配备有根据本发明的粒度和化学品计量添加系统的装置的示意图；
图2示出根据本发明的实施方案的用于监控单元的数据处理单元的示意性概略图；
图3示出根据本发明的实施方案的用于控制处理单元的模块软件概念；
图4示出根据本发明的实施方案的监控系统的示意图；
图5示出絮凝剂化学品对原始生产用水中颗粒的影响；
图6a-6d示出图5中的影响的视觉证据；
图7a和7b示出在根据本发明进行的水处理过程中作为时间的函数的絮凝物尺寸和计数的发展；
图8、9、10、11和12描绘根据实施方案利用粒度分布以调整化学品的计量添加。
具体实施方式
图1示出配备有根据本发明的实施方案的图像分析和化学品计量添加系统的水处理装置的示意图。如所示，装置由具有入口和出口流的主过程料流10组成。装置的主要组件是分离单元12，其中应用浮选、沉降、过滤和/或膜过程以从水流中分离颗粒。控制单元11和图像分析单元13响应于基于图像分析的测量，负责涉及化学品c1和c2的正确剂量的水处理过程，如将在下文所详细描述。
在16、17、18和19处的测量点具有机构如阀(未示出)以沿着过程料流10从不同点提取样品用于图像分析单元13，所述图像分析单元可以包含一个或若干个图4中所示类型的单元。如果适用，则在剂量点14和15处添加粒度控制化学品c1和c2以及其它化学品，所述剂量点包括可由控制单元11远程控制的用于控制剂量的机构如阀(未示出)。这些点优选插入测量点16-18之间，以便能够对指示化学品剂量调整必要性的任意测量结果作出反应。在控制单元11中决定剂量调整，这基于存储器(未示出)中存储的预限定的数据p1并且所述数据可以包含关于粒度分布、颗粒浓度、水的浊度和/或颜色的一个或多个目标值，和/或标准样品中的粒度分布、颗粒浓度、水的浊度和/或颜色的参比值的信息。在控制单元11中将数据p1与来自图像分析单元13的测量的反馈数据p2进行比较。
分别由线路(或无线通道)d1发送在点14处的阀的控制信号和通过通道d2发送在点15处的阀的控制信号。
在一些实施方案中，在剂量点14添加一种化学品c1，并且在测量点17测量粒度分布。将测量的粒度分布p2与预限定的粒度分布值p1进行比较。如果需要，则计算比较结果并且作为反馈提供至控制单元11中的算法以计算化学品c1的校正的剂量。
在一些实施方案中，图像分析单元13可以测量生产用水中所有类型的检测到的颗粒的颗粒浓度和粒度分布，以及水的浊度和颜色。可以将颗粒浓度用作作为对粒度分布的补充的化学品c1和c2的剂量标准，并且浊度还与颗粒计数相关，尤其对于小颗粒而言。颜色可以与溶解的有机物质如腐殖质和富里酸的浓度相关。在一些实施方案中，脱色是水净化过程的一个首要目标，因此化学品的最优剂量可依赖于颜色分析结果和粒度分布分析的结果二者。例如，凝聚剂化学品可以基于水的颜色计量添加，并且絮凝剂化学品可以基于粒度分布计量添加。
因此，在一些实施方案中，在剂量点14添加一种化学品c1，和测量在测量点17收集的样品的粒度分布，和测量在测量点19收集的样品的颜色或浊度或颗粒浓度。如果需要，则将测量值与预限定的对应值进行比较，计算比较结果并且作为反馈提供至控制单元11中的算法以计算化学品c1的校正的剂量。
在一些示例性实施方案中，在剂量点14处添加至过程料流的化学品c1可以为凝聚剂，然后c1的剂量可以基于在19和/或16处取样的水的颜色。在剂量点15处添加至过程料流的化学品c2可以为絮凝剂，然后化学品c2的剂量可以基于在18处取样的粒度分布。
在一些示例性实施方案中，在14处添加至过程料流的化学品c1可以为凝聚剂，然后c1的剂量可以基于在17处取样的小颗粒的尺寸分布。在15处添加至过程料流的化学品c2可以为絮凝剂，然后化学品c2的剂量可以基于在18处取样的絮凝物的粒度分布。然后在取样点19处测量的粒度分布给出化学品c1和c2二者的有效性的全貌，并且可以用于细调化学品c1和c2的计量添加控制。
在另一示例性实施方案中，在14处添加至过程料流的化学品c1可以为凝聚剂，然后c1的剂量可以基于在16处取样的小颗粒的尺寸分布。在15处添加至过程料流的化学品c2可以为絮凝剂，然后化学品c2的剂量可以基于在17处取样的絮凝物的粒度分布。然后在取样点18处测量的粒度分布可以给出化学品c1和c2二者的有效性的全貌，并且可以用于细调化学品计量添加。
在其它实施方案中，化学品c1和c2可以完全或部分地为相同的化学品。然后将取样点17和18用于进一步细调化学品c1和c2的剂量。
在许多情况下，与一年的时间有关的大幅温度变化或其它自然现象或异常环境可能导致不能仅基于来自一个取样点的测量结果优化剂量。
分别在取样点18和19测量在分离单元12之前和之后的粒度分布无疑产生了另外和重要的测量数据，这允许应用于控制单元11中的凝聚剂和絮凝剂剂量控制算法的改进。
化学品c1和c2可以选自凝聚剂和絮凝剂，优选选自单价或多价阳离子如钠、钙、镁、铁、铝的水溶性盐或阴离子、非离子和阳离子聚电解质，天然产物如淀粉，半合成聚合物如阳离子淀粉，和合成聚合物如丙烯酸系聚合物、多胺、聚氧化乙烯和烯丙基系聚合物，或其混合物。
图2示出根据本发明的实施方案的用于监控单元的数据处理单元的示意性概略图。将可编程逻辑控制器(plc)21，例如siemenss7-1200plc用于控制分析设备的硬件。工业或通用计算机24运行视觉数据处理和图像渲染所需的分析软件。另外的主要组件是触摸屏接口22如siemenssimatic人机接口面板，例如通信软件库23和互联网25。
通信库23可以为开放数据通信数据存取(opcda)客户端，其利用对plc21存储器的同步读写存取来提供在计算机24上运行的分析软件。分析软件请求来自通信库的连接，然后通信库尝试建立与plc21的连接。然后连接是有效的直至关闭分析软件，并且经由多种功能提供对用于分析软件的各种plc存储器变量的存取。
将plc程序用于控制分析器的硬件。它具有用于经由路由器在线数据采集的数据块26，所述路由器将数据块中的数据发送至互联网25上的服务器。硬件控制器27控制例如控制阀、摄像机和用于照明的led灯。
plc21还具有数据块28，其可以被符号化地存取并且包含针对摄像机和照明控制设计的软件模块。
在该实施方案中，将触摸屏用户接口22用于控制本发明的系统，以配置连接设定、设定分析参数和使分析器的当前状态可见。
在图3中示出用于控制图2的数据处理单元的模块软件概念的实施方案。在该实施方案中，触摸屏22、plc21和计算机24具有它们自身的模块。对于计算机而言，包括的模块可以为用于控制摄像机和照明的模块31，用于图像分析和分类的模块32，以及用于存储测量数据的模块33。plc21可以具有用于取样、样品稀释、洗涤、参数设定和化学品的计量添加控制的多个自动化模块34。plc还需要具有数据传输模块35，以操纵硬件与自身之间的数据通讯和所有三个单元21、22与24之间的数据交换。在实施方案中，pcl的操作可被包括在工业pc(ipc)中。
触摸屏22需要用于系统控制36、计时37以及结果渲染和观察38的软件模块。
图像捕获
本发明的一个方面在于分析水或悬浮液的样品中的水质和固体含量。利用开发的数字成像技术，可以测量颗粒的特性，如颗粒浓度、尺寸分布和颗粒形状因子，如圆度和粗度。由物体的轮廓计算形状性质。
在图4中示出根据本发明的实施方案的监控系统的示意图。摄像机41收集关于引导至和/或经过配备有监控窗口42的样品池40的水的视觉信息。样品池40可以为流通式样品池并且配备有流输入43和输出44。利用泵(未示出)或过程管线中的原始压力将水样品泵送至流通式样品池。从图1的任意取样点至成像系统的短入口管43提供测量结果与絮凝的实际状态之间的短时间延迟。因此，在本发明的该实施方案中，具有其输入进料流的样品池构成用于从含水过程液体中提取样品的机构。
摄像机41收集来自水42的颗粒信息。照明由在该示例性实施方案中布置在样品池40的与摄像机41同一侧的灯47提供。照明器材47可例如由led灯或阵列、激光、氙灯或卤素灯组成。光可以为持续或间歇闪动的(频闪光)。所使用的光还可以具有任意期望的颜色，以便最好地使形式和特征对摄像机可见。在其它实施方案中，可以提供背光，即在样品池的与摄像机相对一侧提供照明。在一些实施方案中，可从多于一个方向对样品池照明。
数据处理单元46被理解为包括图2的计算机24和plc21的功能性，分析由水42收集的视觉数据，并且基于从视觉数据获得的信息对颗粒分类，并且将其与数字库43中的存储信息进行比较。特别是将粒度分布与预定最优粒度分布值进行比较。
最后，它可以计算粒度和量特性，所述特性被存储并且显示在对应于图2的触摸屏22的显示器45上，和/或作为控制信号发送至可以增加或减少絮凝控制化学品的量的化学品计量添加装置48。
根据实施方案，可以由流经样品池40的水进行在线分析。更详细而言，例如可以用配备有高倍放大物镜以实现微米分辨率的彩色ccd摄像机监控水流。优选利用脉冲高功率led灯照射水流中的研究物体。然后，以每秒若干帧的速度分析该流的图像。这样的测量提供关于水浊度和颜色、颗粒浓度、颗粒尺寸、颗粒颜色、颗粒形状和颗粒速度的统计学时间依赖性信息。
水可以例如在具有3mm高度和20mm宽度的通道中在样品池内流动。在一些实施方案中，可以将样品池在基本上垂直的方向上定位，以允许基本上垂直的流动方向。在一些实施方案中，流动方向优选从底部到顶部，以避免气穴和水的沟流。通道高度优选是可调整的。当从管进入样品池时水流速率将典型地明显减缓。在60cm3/s流速率下，流速为约1m/s。在脆性絮凝物的情况下，流速可以保持更低，因为否则的话多孔絮凝物可能在取样期间分解。合适的流速是0.1m/s或更低，这对应于6cm3/s的流速率。
在本发明中成像设备的任务是捕获水料流的图片并且将数据发送至运行分析软件的计算机。可以用于本发明中的成像设备可以例如由配备有高倍放大透镜的彩色ccd摄像机组成。可以从40mm工作距离处用摄像机观察样品池。
这样的成像设备的一个实例是具有以太网连接和
不同的颗粒可能需要不同的摄像机传感器。在任意图像捕获中，本领域技术人员清楚的是应用具有例如适当的像素分辨率、信噪比和对各种光的波长灵敏度的摄像机传感器来获得最好的结果。
成像系统利用脉冲高功率led灯来照射水样品中的研究物体。例如，已证实
照明源的色谱无疑影响物体反射的颜色，优选led灯的原因是可以针对最优反射和摄像机检测容易地改变。例如，照明光谱可以将白色led灯用于一般测量条件。白色led灯在蓝色波长(460nm)具有尖锐的峰并且在蓝色与绿色波长之间大约500nm处具有局部极小。可以将紫外光(uv)用于微颗粒的更好的图像分辨率。
利用以流通式成像样品池或类似设备捕获的视觉数据的本发明的系统和方法可以用来提供不同种类的测量。测量包括分散或悬浮固体的表征，例如流动水样品中的絮凝物(例如使用背光照明的多孔絮凝物)，水浊度测量，水颜色测量，微颗粒尺寸和浓度的测量，絮凝期间絮凝物生长速率的测量(通过使絮凝物循环经过样品池)和死水中的絮凝物沉降速度，以及水和颗粒颜色测量。
如果待分析的水具有过高的颗粒浓度，则可以稀释样品。稀释可以例如自动通过对plc21编程来进行以执行这样的例行程序。稀释系数例如可以为恒定的或可以根据测量的图像亮度而变化。
图像分析
本发明的成像系统将产生分散或悬浮于含水流中的微尺度物体的高倍放大的数字图像。这样的图像的人工分析将是耗费和费时的。因此，需要自动和稳固的图像分析方法来检测和分析图像中的各种物体，以便获得揭示分散或悬浮于水样品中的颗粒的主要特性的可接受和可比的结果。将在下文的章节中详细地呈现每个所需步骤。分析主要在图4的处理单元46中进行。
滤波和灰度校正
利用图像滤波来去除噪声，整平背景中的差异，突出聚焦的物体的区域，以及计算图像灰度的高阶矩如局部灰度梯度值和它们的方向。可首先通过扣除并且然后分割用高斯多分辨率金字塔生成的低通滤波图像来均衡图像。这种方法有效地整平图像背景并且从图像中去除大的模糊物体。
从已均衡的图像计算图像灰度的二阶导数拉普拉斯图像，并且计算绝对拉普拉斯变换值。拉普拉斯图像突出了最大灰度变化的区域，例如具有鲜明纹理的物体、小的物体和鲜明的轮廓。可利用用户定义的聚焦阈值在拉普拉斯图像上实现聚焦辨别。例如，仅将投影面积相对于总面积计比用户指定聚焦比率多7％的聚焦像素的物体识别为有效。
从已均衡的图像计算灰度梯度图像和梯度方向角图像。该信息是重要的并且可以用于多种计算中。基本上，灰度决定物体轮廓。然后，可将x和y方向上灰度梯度的斜边的梯度图像在叠加于高通滤波图像上之前乘以用户定义的梯度乘数值。
图像分割法设法自动识别图像中的聚焦的物体，并且计算它们的投影面积和暗色轮廓，即它们的轮廓。图像分割通常逐步进行，以便能够识别不同类型的物体。可以通过使用灰度百分位数阈值从已均衡图像中识别暗区。这样的灰度百分位数可以为用户指定的值，由已均衡图像的累积灰度直方图决定。灰度百分位数阈值决定适用于从清洁水的图像中废弃假颗粒检测的对比度阈值。因此，可以通过采用用户指定的对比度阈值分割图像并且将其叠加于暗区上来获得物体的二值图像。
样品室或样品池背景图像可以计算为先前10个图像的平均图像。使用上述灰度百分位数阈值从背景图像中分割出停滞物体。按照总图像面积，背景物体的总面积表示当前污垢值。然后可以将检测到的停滞物体与当前图像的进一步分析数字掩蔽开来。
颗粒表征
可以用形态运算处理物体的二值图像以确定例如其实际边界和物体的形状。长径比、圆度和粗度通常是用于对物体进一步分析和物体分类的感兴趣的输入参数。首先，通过摄像机成像每个物体的投影面积。物体的直径d可以基于物体的投影面积a定义为：
通过使用主要组分分析(pca)算法从颗粒图像计算主轴和长径比。算法返回颗粒的长轴和短轴和它们的取向角。长径比是长轴与短轴之间的比率。因此圆的长径比＝1。
物体的圆度决定颗粒有多圆。圆形物体具有100％圆度，并且因为圆度百分率随着颗粒形状的复杂性提高而降低，它显示出颗粒轮廓形状偏离圆的程度。圆度r可计算为：
其中r是物体半径，并且
将物体的粗度计算为沿着周长的离散曲率之和除以轮廓的长度。将离散曲率值计算为邻近轮廓像素的灰度梯度方向角之间的差异。仅尖峰(即，尖锐的转弯)的离散曲率在粗度计算中是相关的。例如，当方向角改变在正向上多于0.9弧度或在负向上少于0.5弧度时可确定存在尖峰。通过从-π至π的方向角研究轮廓。粗度值可以用系数π×dmax(颗粒的最大尺寸)归一化，该系数是圆形颗粒的轮廓长度。那么，气泡、液滴和其它斑点获得低粗度值，而纤维和絮凝物具有较高粗度值。
颗粒图像的纹理对于感知识别是重要的。可以通过研究颗粒中心点至覆盖全部颗粒面积的颗粒轮廓的亮度(即，灰度)分布来模拟颗粒纹理。还可以计算颗粒亮度值的标准差。使用平均亮度值将颗粒区分为亮和暗的颗粒类别。因此，例如可以将亮和薄的纤维状物体分类为绒毛。
颗粒分类
一般而言，颗粒分类可以依赖超立方体途径，这意指当颗粒的每种性质保持介于对类别指定的离散最小与最大限值之间时，将颗粒或物体分类为颗粒类别。显然，可以在运行一种或多种分类算法的计算机的配置文件中修改分类限值。
力求将每个检测到的颗粒分类为一种特定的颗粒类型或类别。这样的颗粒类型或类别可以为絮凝物、纤维、绒毛(即，小的、亮的纤维状颗粒)、微颗粒、微塑料和其它颗粒。
例如，微颗粒是直径小于20μm的颗粒。如果感兴趣，可以记录颗粒图像的各种参数值。当物体不是微颗粒时，如下文描述计算其形状性质等。
还可以获得颗粒长度和宽度。计算是基于由每个轮廓像素的x,y坐标组成的排布的轮廓向量和每个轮廓像素处灰度梯度方向值[-π，π]。颗粒图像的相对侧处的匹配点是具有相对灰度梯度方向值的最接近的像素。还可以比较相对轮廓像素之间的方向值。相对像素之间的距离对应于颗粒的局部宽度。总体颗粒宽度计算为局部宽度的平均值。总体颗粒长度计算为颗粒轮廓的长度除以二。
例如，纤维具有低圆度值(<38)和低粗度值(<60)。如果颗粒的长径比大于5，则将颗粒分类为纤维。
例如，如果其圆度和粗度值符合针对纤维的预定分类限值，则可以将颗粒分类为木纤维。然后，可以进行特定分析以计算纤维长度和宽度和长径比。如果长径比是更大的针对纤维的预定比率限值，则证实作为纤维的分类。
如果没有将颗粒分类为纤维，则可以进行主要组分分析以得到颗粒图像的长轴和短轴和它们的长径比。如果其圆度和粗度值符合针对絮凝物的预定分类限值，则将颗粒分类为絮凝物。例如絮凝物基于其高粗度值来辨别，该值可设定成超过33。当以多孔絮凝物分析样品时必须特别注意。一般而言，流速不应超过0.1m/s，以便避免絮凝物断裂。多孔絮凝物由脆性结构组成，其可以在尝试将它们从一个容器转移至另一个容器而引发的最微小剪切力下断裂。因此，对于取样流动速率不存在最优值，但所述值取决于絮凝物重量和孔隙度。
如果颗粒比亮度阈值更亮并且满足针对绒毛的其它预定尺寸标准，则可以其将分类为绒毛。
可以将其它颗粒分类为“其它”。替代地，以与上述基本颗粒类别相似的方式对期望颗粒设定一组限值和规则，以能够单独监控这类颗粒的存在。
图5示出絮凝剂化学品对原始生产用水中颗粒的影响。在图中清楚地显示出凝聚剂化学品对粒度(x轴)和颗粒计数(y轴)的影响。曲线“a”表示不具有任意凝聚剂化学品的水料流的粒度分布。曲线b-d分别表示含有5、10和15ppm的凝聚剂化学品的水料流的粒度分布。
包括粒度和对应颗粒计数的数据集是获得粒度分布的一种方式。粒度分布值还可以基于由包括粒度和对应颗粒计数的这样的数据集导出的任意数学模型。可以将粒度分布或从粒度分布计算的任意统计值用作粒度分布值。表征粒度分布的统计值可以为例如偏度、峰度、四分位数、中值和众数。
图6a-6d示出利用如图5中对应量的凝聚剂化学品的来自造纸厂的原始废水的图像。图6a中示出未处理的水，而图6b-6d分别示出5、10和15ppm浓度的凝聚剂化学品的影响。
如从图5和6a-6d中可见，未处理的水含有大量小颗粒。伴随凝聚剂化学品的量增加，粒度分布改变，并且形成更容易在分离单元中去除的所谓絮凝物。通过将粒度分布指标与预定最优粒度分布值进行比较，可以优化化学品剂量以便将小颗粒的量减至最小值。小颗粒是最难用沉降或浮选技术去除的颗粒。在图6c中以举例方式示出典型的絮凝物颗粒60和一些微颗粒61。
水质评价
可以将本发明的实施方案用于多种不同类型的测量中，例如：
·测量和表征流动水样品中的分散或悬浮的固体，如尺寸、形状、计数、颜色和类型，
·水浊度测量，颗粒浓度测量，
·测量微颗粒尺寸和浓度，
·测量在絮凝期间、絮凝物循环经过样品池的絮凝物生长速率，
·死水中的絮凝物沉降速度测量，
·用远心背光照明测量多孔絮凝物，
·水颜色测量
可由颗粒的投影区域直径估计其体积。假定颗粒是具有等于投影区域直径的直径的球体来近似求体积。例如将所有有效颗粒的体积加和，并且将总和除以测量体积，即摄像机视野乘以视野的深度，该深度可以为0.15mm。为了得到以ppm计的固体浓度，将浓度乘以106。
使用梯度图像的平均值和平均灰度值计算水浊度。用摄像机灵敏度值和稀释系数标定水浊度以得到生产用水的真实浊度估计。
颗粒颜色和水颜色二者可以采用彩色摄像机测量。例如可以将结果存储为rgb值。
絮凝控制
根据本发明的重要方面，响应于计算的粒度分布值与预定最优粒度分布值之间的检测到的差异，调整监控的含水液体流中絮凝和/或凝聚试剂的剂量。
本发明的絮凝物监控系统已采用不同剂量和类型的凝聚剂进行测试，尤其使用铁和铝盐凝聚剂对经处理的废水(tww)和低盐(微咸)海水(br)进行测试。对于这两种水类型和凝聚剂的作为时间的函数在10分钟内，图7a示出絮凝物尺寸的发展并且图7b示出絮凝物计数的发展。
在图中，在添加铁或铝盐之后60秒启动在线成像。铁凝聚剂(twwi和bri)的絮凝物生长比铝凝聚剂(twwa和bra)更快。结果表明在微滤(mf)和超滤(uf)预处理单元中铁凝聚剂可能比铝凝聚剂更合适。通常，10分钟(600秒)的接触时间对于使絮凝物计数和尺寸稳定化是足够的。
图像分析的结果清楚地显示出铁基凝聚剂形成更大的絮凝物，而铝基凝聚剂形成更小但更多的絮凝物。在1分钟絮凝期间，铁处理的絮凝物的平均尺寸达到80μm的值，但对于铝处理的絮凝物，所述尺寸为约50μm。
在实践中，借助于本发明的系统和方法，可在絮凝期间在线监控絮凝物生长。本发明的系统给出对于水处理装置预处理阶段的絮凝物性质和反应时间最优的控制的有价值信息。
图8、9、10、11和12图示了根据示例性实施方案利用粒度分布来调整化学品的计量添加。
图8图示了调整一种化学品的计量添加并且具有一个取样和/或测量点。控制器可以为例如pi型控制器。控制算法可以为根据测量的粒度分布与预定尺寸分布之间的差异输出化学品剂量的任意数学方程。控制器中用于调整的粒度分布可以为所有颗粒(所有检测到的颗粒)、絮凝物、小颗粒(微颗粒)和/或任意其它颗粒类型的粒度分布。可以将一种以上的粒度分布用于调整化学品剂量。取决于粒度分布，可以选择化学品的类型。例如，如果水含有许多小颗粒(微颗粒)，则可以使用具有高电荷密度的短链聚合物。如果水含有许多大颗粒，则可以使用具有长聚合物链的聚合物。基于絮凝物的粒度分布和/或微颗粒计数，可以决定待使用的化学品的类型，例如短或长链聚合物和/或聚合物电荷。
在实施方案中，可以由视觉数据分类以下颗粒类型：絮凝物，小颗粒(微颗粒)。对于絮凝物计算粒度分布，并且对于微颗粒计算颗粒计数。将这些值与预限定的目标值进行比较。根据计算值与目标值之间的差异，调整一个或多个化学品剂量。任选地，从视觉数据计算水颜色，并且将计算的水颜色与预限定的值进行比较。水颜色取决于溶于水中的化合物。因此，特定颜色的强度是溶解的化合物的浓度的指标(颜色优选带褐色)，并且根据计算的颜色强度与颜色强度的目标值之间的差异调整化学品剂量。
在图8中，取样点可以在化学品添加之后但在分离单元之前。在图8中，取样点还可以在分离单元之后或在化学品添加之前。
图9图示了调整一种化学品的计量添加并且具有至少两个取样点s1、s2、s3。
在图9中，至少两个取样点s1-s3可以在化学品添加之前s1以及来自絮凝的样品s2，其中可以将来自入口流的粒度分布(和任选微颗粒的颗粒计数)用于调整化学品剂量的水平(尤其在流入水的品质改变很多时)，其中可以通过使用从絮凝的样品s2获得的粒度分布进行化学品添加的细调。
可以在s1处测量水颜色，其中可以检测可以用于调整化学品剂量水平的溶解的化合物的量，其中可以通过使用从絮凝的样品s2获得的粒度分布(和任选微颗粒的颗粒计数)进行化学品添加的细调。
替代地，在图9中，至少两个取样点s1-s3可以来自絮凝的样品s2并且在预处理之后s3，其中可以将两种分布(和任选微颗粒的颗粒计数)用于根据控制算法调整化学品剂量。
可以在s2处测量粒度分布，其中可以通过使用从絮凝的样品s2获得的粒度分布(和任选微颗粒的颗粒计数)和在s3处测量的水颜色来调整化学品添加。
在另一替代方案中，至少两个取样点s1-s3可以在化学品添加之前s1和在分离单元之后s3，其中两个取样点具有它们自身的预定粒度分布，其中还可以比较来自入口和出口的测量的粒度分布(对于每种尺寸的颗粒减少)。该信息可以为控制算法的输入值。
可以测量三个流s1、s2、s3，其中从s1和s3测量颜色，并且从s2测量粒度分布(和任选微颗粒的颗粒计数)。可以将颜色和粒度分布和任选微颗粒的颗粒计数用于调整絮凝剂或凝聚剂剂量。
图10图示了调整两种或更多种化学品的计量添加，并且具有至少一个取样点s1-s4。在图10中，化学品1可以为凝聚剂，其中例如可以将小颗粒的粒度分布用于调整凝聚剂剂量。化学品2可以为絮凝剂，其中例如可以将絮凝物的粒度分布用于调整絮凝剂剂量。
例如，可以从s3测量絮凝物分布和微颗粒计数，并且将其与预限定的值进行比较，其中可以基于比较来调整化学品2(例如絮凝剂)的计量添加。此外，可以从s1测量粒度分布，并且将其与预定粒度分布进行比较，其中可以基于比较来调整化学品1的计量添加。
图11图示了调整两种或更多种化学品的计量添加，并且具有至少一个取样点s1-s4。在图11中，在图像分析器中测量颗粒浓度(对于所有检测到的颗粒和/或每种颗粒类型)。关于颗粒浓度的信息可以与或不与粒度分布一起用于调整化学品剂量。还可以将图像分析器配置成测量水的浊度和/或水的颜色。水颜色可以与溶解的有机物质如腐殖质和富里酸的浓度相关。脱色可以为水净化中的一个主要标准，其中可以将颜色不与或与粒度分布一起用于调整化学品剂量。还可测量入口s1与出口s4之间颜色的降低并且用于调整化学品计量添加。浊度与颗粒计数，尤其是小颗粒的数量相关。可以将关于浊度的信息与或不与粒度分布一起用于调整化学品剂量。
例如，可从s3和s4，即在分离单元之前和之后测量粒度分布，其中可以将测量的分布与预定尺寸分布进行比较，并且因此可以调整絮凝剂剂量。可以至少从出口流s4测量水颜色，并且可以根据测量的水颜色调整凝聚剂剂量。
可以例如从s3测量絮凝物的粒度分布和微颗粒的计数，其中可以将测量的分布和颗粒计数与预定粒度分布和颗粒计数进行比较，并且因此可以调整絮凝剂剂量。可以从入口流s1测量水颜色，并且可以根据测量的水颜色调整凝聚剂剂量。
图12图示了调整两种或更多种化学品的计量添加，并且具有至少两个取样点s1-s4。在图12中，将图像分析器配置成测量颗粒浓度(对于所有检测到的颗粒和/或每种颗粒类型)。测量的浓度信息还可以与或不与粒度分布一起用于调整化学品剂量。还可以将图像分析器配置成测量水的浊度和颜色。水颜色可以与溶解的有机物质如腐殖质和富里酸的浓度相关。脱色可以为水净化中的一个主要标准，其中颜色可以不与和与粒度分布一起用于调整化学品剂量。还可以测量入口与出口之间颜色的降低并且用于调整化学品计量添加。浊度与颗粒计数，尤其是小颗粒的数量相关。浊度可以用于控制目的，其中浊度可以与或不与粒度分布一起用于调整化学品剂量。还可以测量粒度分布、颜色、浊度、颗粒浓度、特定颗粒类型、特定粒度(尺寸范围)的减少并且用于调整一个或多个化学品剂量。
实施方案包括计算絮凝物的粒度分布指标，并且将絮凝物的粒度分布指标与预定粒度分布值进行比较。
实施方案包括计算微颗粒的颗粒计数，并且将微颗粒的所述颗粒计数与预定颗粒计数值进行比较。
在实施方案中，微颗粒(小颗粒)的颗粒计数的计算包括计算具有0.1至500μm、优选0.1至100μm、更优选0.1至20μm、最优选1至20μm的粒度的颗粒的颗粒计数。
实施方案包括用成像设备监控样品以捕获溶解于液体中的化合物的视觉数据。
实施方案包括基于由成像设备捕获的视觉数据计算样品的水颜色，并且将计算的水颜色与预定水颜色值进行比较。
实施方案包括计算纤维、绒毛、微颗粒、微塑料和任意其它用户定义的颗粒类型的至少一种的粒度分布指标，并且将所述粒度分布指标与预定粒度分布值进行比较。
要理解的是，所公开的本发明的实施方案不限于本文所公开的特定结构、方法步骤或材料，而是扩展至将由相关领域普通技术人员所认识到的它们的等效物。还应理解本文中采用的术语仅出于描述具体实施方案的目的使用，并且不意图为限制性的。
贯穿本说明书对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意指将关于该实施方案描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书在各个位置中用语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”的出现不一定均指代同一个实施方案。
本文中所使用的多个项目、结构要素、组成要素和/或材料可以为方便起见存在于共用列表中。然而，这些列表应解释为犹如列表的每个成员被单独鉴别为分开和独特的成员。因此，这种列表的单个成员不应仅基于它们在共同组中的呈现而没有相反指示地被解释为同一列表的任意其它成员的实际上存在的等效物。另外，本发明的各种实施方案和实例可以在本文中与其各种组分的替代方案一起提到。应理解这类实施方案、实例和替代方案不应解释为彼此的实际上存在的等效物，而被认为是本发明的分开和自主的表示。
此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案中以任意合适的方式进行组合。在下文的描述中，提供如长度、宽度、形状等的实例的许多特定细节，来提供对本发明的实施方案的全面理解。然而，相关领域的技术人员将意识到，本发明可以不利用特定细节中的一个或多个，或利用其它方法、组分、材料等来实践。在其它情况下，未示出或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊本发明的方面。
尽管前述实例说明了在一种或更多种具体应用中的本发明的原理，但本领域普通技术人员将清楚的是，可以在不运用创造才能以及不脱离本发明的原理和概念的情况下作出实施方法的形式、用法和细节上的许多修改。因此，并不意图本发明是受限的，除非如被下文阐述的权利要求书限制。
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