一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统及方法

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统及方法。


背景技术：

2.随着节能环保理念的深入人心，各行各业都在逐力降低本行业的能耗。在污水处理行业中，由于排放标准中总氮指标的日趋严格，导致缺氧池的容积、搅拌能耗、碳源能耗与日俱增。其中不但有工艺上的原因，同时也有控制策略上的不合理因素。
3.授权公告号为cn104150716b的中国发明专利公开了一种处理寒区低温低碳氮比污水的生物处理装置及处理寒区低温低碳氮比污水的方法，它涉及一种处理污水的生物处理装置及处理污水的方法。本发明的目的是要解决现有寒冷地区冬季污水碳源和氮源比值低，现有污水处理工艺的同步脱氮除磷效率低和处理后的出水氮磷指标不达标的问题。装置包括储水箱、预缺氧池、厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、曝气头、填料、搅拌器、进水泵、回流泵、阀门、出水管、污泥排放管和剩余污泥排放管；方法：一、在填料上培养微生物；二、调节运行参数；三、调节回流比参数；四、污水依次经预缺氧池、厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池进行处理，得到处理后的水。该专利可用于北方地区低温低碳氮比污水处理工艺的新建和改建，主要是通过在好氧池内投加具有微生物的填料的方式，使得好氧池内的硝化细菌得到有效富集。但是该专利存在如下缺陷：
4.1)仅在好氧池内添加了填料，厌氧池内并未投加利于微生物栖息的载体，导致厌氧池对污水的处理效果不佳。
5.2)系统中仅设置一个厌氧池，对污染物的降解能力不足。
6.3)厌氧池内虽然设置有搅拌器，但是搅拌器在进行搅拌过程中会将沉淀态中微生物中间代谢产物搅拌稀释，不利于厌氧池内微生物种间的互营共生。
7.4)好氧池内存在部分物料淤积的情况，当出现此种情况时将会增加曝气能耗。
8.为此，亟需开发一种多模式自适应生化系统以降低不必要的运行能耗并提高对污水的处理效果。


技术实现要素：

9.本发明提供了一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统及方法，以解决背景技术中的问题，以通过投加多功能复合分级颗粒载体作为微生物生长的悬浮栖息载体，大幅提高生化反应器内的微生物总数，作为水力强度指示剂，用以调控搅拌器和缺氧回流泵的通量强度，达到节能降耗的目的。
10.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
11.一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统，包括生化总池以及控制系统，生化总池的内部设置有若干依次串联连通的缺氧池微反应器以及若干依次串联
连通的好氧池微反应器，其中一个或多个缺氧池微反应器能够与好氧池微反应器之间进行连通切换；
12.所述缺氧池微反应器内投加有复配分级颗粒载体，缺氧池微反应器内设置有搅拌器，搅拌器的受控端连接于控制系统的输出端，通过控制搅拌器的搅拌强度以实现缺氧池微反应器内复配分级颗粒载体的粒径分级；
13.所述缺氧池微反应器内设置有计算机视觉系统，计算机视觉系统的输出端连接于控制系统的输入端；所述计算机视觉系统用于拍摄水下不同深度处复配分级颗粒载体的颗粒特征，并将拍摄信息反馈至控制系统；
14.所述好氧池微反应器内设置有曝气结构；位于末端的好氧池微反应器内部设置有填料且连通有沉淀池。
15.进一步优化技术方案，所述复配分级颗粒载体按当量直径划分为若干级颗粒载体，不同级颗粒载体适配不同的专性功能菌栖息。
16.进一步优化技术方案，位于末端的缺氧池微反应器与位于首端的缺氧池微反应器之间设置有载体回流系统。
17.进一步优化技术方案，所述好氧池微反应器沿着串联流向的曝气强度依次递减且有机物及氨氮浓度依次递减。
18.进一步优化技术方案，位于末端的好氧池微反应器内设置有能够将淤积的颗粒污泥和/或无载体菌胶团进行定向精确搅拌的巡航搅拌系统。
19.进一步优化技术方案，所述搅拌器采用正反转间歇式搅拌方式对缺氧池微反应器内的复配分级颗粒载体进行搅拌。
20.本发明还提供上述一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化方法，包括以下步骤：
21.s1、在各缺氧池微反应器、好氧池微反应器内分别培养活性污泥；
22.s2、向首端缺氧池微反应器内投加复配分级颗粒载体，将待处理污水输入缺氧池微反应器；
23.s3、对缺氧池微反应器进行搅拌，粒径小沉降性能差的颗粒载体逐渐溢出至下一缺氧池微反应器并依次扩散到所有缺氧池微反应器，形成粒径分级的缺氧池微反应器；不同粒径的复配分级颗粒载体对富集不同微生物，实现菌种级联互营，对污染物进行降解；
24.s4、通过计算机视觉系统拍摄各缺氧池微反应器内水下图像的颗粒特征，并将拍摄信息反馈至控制系统；
25.当各缺氧池微反应器内水流湍流强度变化时，控制系统根据拍摄信息对搅拌器的搅拌强度进行调控，形成梯级限域搅拌；
26.s5、待处理污水经各缺氧池微反应器处理后，进入好氧池微反应器进行处理，最后经过沉淀池排出。
27.进一步优化技术方案，还包括以下步骤：
28.提高各级缺氧池微反应器的搅拌强度，将缺氧池微反应器内的复配分级颗粒载体溢出到好氧池微反应器，复配分级颗粒载体与活性污泥进行混合，以提高活性污泥的沉降性和后续沉淀池的负荷。
29.进一步优化技术方案，还包括以下步骤：
30.限制好氧段的曝气量，以发生短程硝化反应，产生的亚硝酸盐和水中的氨氮在末端好氧池微反应器形成后置厌氧氨氧化反应。
31.由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下：
32.1、本发明通过投加多功能复合分级颗粒载体作为微生物生长的悬浮栖息载体，可以大幅提高生化反应器内的微生物总数，而且可以作为水力强度指示剂，用以调控搅拌器和缺氧回流泵的通量强度，达到节能降耗的目的。
33.2、本发明缺氧池微反应器内设置的水下摄像机可以通过计算机视觉算法感知水下不同深度处颗粒载体的规格和尺寸，实现精准调控。
34.3、本发明多级微反应器与传统的大容积池体相比，不仅可以减少推动水体流速的动能消耗，而且通过对搅拌器和反应器的组合调控，可以强化或限制生化工艺的互营共生条件，达到微生物快速富集或降解路径短程化的目的。同时，本发明也用于应对季节性的水温、水质、水量波动变化，低能耗自适应调控，以及已建污水厂的原位改造。
附图说明
35.在下文中将基于实施例并参考附图对本发明进行更详细的描述。
36.图1为本发明一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统的结构示意图；
37.图2为本发明一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统中缺氧 h池的结构示意图。
38.其中：1、缺氧a池，2、缺氧b池，3、缺氧c池，4、缺氧d池，5、缺氧e 池，6、缺氧f池，7、缺氧g池，8、缺氧h池，9、下行通道，10、底部连通孔， 12、高位过水孔，13、折流板，14、溢流槽，15、搅拌器，151、搅拌电机，152、搅拌桨，16、水下摄像机，17、好氧a池，18、好氧b池、19、好氧c池、20、好氧 d池，21、巡航搅拌器，22、巡航轨道，23、填料，24、缺氧回流泵，25、缺氧回流管，27、生化总池，28、第一高位闸门，29、第二高位闸门，30、第三高位闸门，31、第四高位闸门，32、第五高位闸门，33、第六高位闸门，34、第七高位闸门。
具体实施方式
39.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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
40.实施例1
41.本发明提供的一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化系统，结合图1至图2所示，包括生化总池27、控制系统、缺氧池微反应器、好氧池微反应器、搅拌器24、计算机视觉系统、曝气结构、沉淀池。
42.生化总池27的内部设置有若干依次串联连通的缺氧池微反应器以及若干依次串联连通的好氧池微反应器，其中一个或多个缺氧池微反应器能够与好氧池微反应器之间进行连通切换。位于末端的好氧池微反应器连通有沉淀池。
43.本实施例中的好氧池微反应器包括好氧a池17、好氧b池18、好氧c池19、好氧d池
20，好氧a池17、好氧b池18、好氧c池19、好氧d池20从下至上设置，好氧a池17、好氧b池18、好氧c池19、好氧d池20之间的水流方向从下至上呈弯折线状流动，曝气强度依次递减。前端的好氧池微反应器为强化曝气区，末端的好氧池微反应器有机物及氨氮浓度较低，为减量曝气区。
44.好氧池微反应器内设置有曝气结构，曝气结构采用的是曝气管和曝气头等常规结构。位于末端的好氧池微反应器内部设置有填料23，填料23上具有微生物。
45.本实施例中的缺氧池微反应器包括缺氧a池1、缺氧b池2、缺氧c池3、缺氧 d池4、缺氧e池5、缺氧f池6、缺氧g池7、缺氧h池8。
46.其中，缺氧a池1为首端缺氧池微反应器，缺氧b池2位于缺氧a池1的左侧，缺氧a池1与缺氧b池2之间通过第一高位过水孔相连通。
47.缺氧c池3位于缺氧b池2的正下方，缺氧b池2与缺氧c池3之间通过第一底部连通孔相连通。
48.缺氧d池4位于缺氧c池3的右侧，缺氧d池4与缺氧c池3之间通过第一高位过水孔相连通，第一高位过水孔处设置有第一高位闸门28。缺氧d池4的右端通过第二高位过水孔与右侧的好氧c池19相连通，第二高位过水孔处设置有第二高位闸门29。
49.缺氧e池5位于缺氧d池4的正下方，缺氧e池5与缺氧d池4之间通过第二底部连通孔相连通。
50.缺氧f池6位于缺氧e池5的左侧，缺氧f池6与缺氧e池5之间通过第三高位过水孔相连通，第三高位过水孔处设置有第三高位闸门30。
51.缺氧g池7位于缺氧f池6的正下方，缺氧g池7与缺氧f池6之间通过第三底部连通孔相连通。
52.缺氧e池5与好氧b池18之间通过第四高位过水孔相连通，第四高位过水孔处设置有第四高位闸门31。
53.缺氧h池8位于缺氧g池7的右侧，缺氧h池8与缺氧g池7之间通过第六高位过水孔相连通。缺氧h池8的右侧底端与好氧a池17相连通，能够使得水流流入好氧a池17内。
54.缺氧f池6位于缺氧c池3的正下方，缺氧f池6与缺氧c池3之间通过第五底部连通孔相连通，第五底部连通孔处设置有第五高位闸门32。
55.缺氧f池6与缺氧g池7之间通过第六底部连通孔相连通，缺氧g池7与缺氧h 池8之间通过第五高位过水孔相连通。
56.缺氧g池7的内部设置有折流板13和溢流槽14，折流板13与缺氧g池7之间形成下行通道9。
57.本发明好氧b池18与好氧c池19之间还设置有第六高位闸门33，通过第六高位闸门33控制好氧b池18与好氧c池19之间的连通与否。
58.好氧c池19与好氧d池20之间还设置有第七高位闸门34，通过第七高位闸门 34控制好氧c池19与好氧d池20之间的连通与否。
59.本发明缺氧d池4和缺氧e池5两侧均设置有高位闸门，且不同时开启，可以实现水池在缺氧功能和好氧功能中的切换。好氧b池为强化曝气区，当第一高位闸门、第三高位闸门关闭，第二高位闸门、第四高位闸门开启时，仍可保持缺氧d池和缺氧 e池的好氧状态，从而实现功能切换。
60.缺氧池微反应器内投加有复配分级颗粒载体，以强化生物处理，载体规格为 10-200um。复配分级颗粒载体按当量直径划分为若干级颗粒载体，具体地，本发明中的复配分级颗粒载体按当量直径大致划分为三级150um级、100um级、50um级。不同级颗粒载体可适配不同的专性功能菌栖息。
61.缺氧池微反应器内设置有搅拌器15，搅拌器15的受控端连接于控制系统的输出端。本发明中的各缺氧池微反应器的池型与所选搅拌器15需匹配，可以为正方形，也可以为长方形。
62.本实施例中缺氧a池1、缺氧b池2、缺氧c池3、缺氧d池4、缺氧e池5、缺氧f池6、缺氧g池7、缺氧h池8内均设置有搅拌器15，搅拌器15包括搅拌电机151和搅拌桨152，搅拌电机151用于控制搅拌桨152的动作。
63.通过控制搅拌器15的搅拌强度以实现缺氧池微反应器内复配分级颗粒载体的粒径分级，沿着串联的流程每格缺氧池微反应器池内的颗粒载体粒径依次递减。
64.位于末端的缺氧池微反应器与位于首端的缺氧池微反应器之间设置有载体回流系统。缺氧池微反应器的最后一格(缺氧h池)的内部设置折流沉淀和搅拌双重功能，载体回流系统包括设置在缺氧h池内部的缺氧池回流泵24以及设置在缺氧h池8与缺氧a池1之间的缺氧回流管25。
65.当存在前端的缺氧池微反应器中载体跑料现象时，缺氧h池8可以利用沉淀截留，并通过缺氧池回流泵24将物料回流。缺氧池回流泵24运行也可保持长时间开启，使缺氧池系统实现大流量循环，从而降低生化池进水污染物毒性对微生物的毒害作用。
66.为了保证沉淀态中微生物产生的中间代谢产物不会被搅拌稀释，本发明中的搅拌器15采用正反转间歇式搅拌方式对缺氧池微反应器内的复配分级颗粒载体进行搅拌，使得沉淀态降解有机物的过程中来回转换，为微生物种间快速互营共生提供了条件，加快了载体生物膜的颗粒化过程。
67.缺氧池微反应器内设置有计算机视觉系统，计算机视觉系统的输出端连接于控制系统的输入端。计算机视觉系统用于拍摄水下不同深度处复配分级颗粒载体的颗粒特征，并将拍摄信息反馈至控制系统。
68.计算机视觉系统包括水下摄像机16、存储系统和图像处理系统。
69.水下摄像机16间隔设置有若干个，且分别竖向间隔设置在缺氧池微反应器的水池内的不同深度处，用于采集不同深度处的复配分级颗粒载体的图像信息。
70.存储系统，用于存储预先设定的各缺氧池微反应器水池内不同深度处的颗粒载体的图像信息。
71.图像处理系统，用于将采集获取的图像信息与存储系统中存储的颗粒载体的图像信息进行比对，进而判定此时的缺氧池微反应器内的颗粒载体是否符合要求。若不符合要求，图像处理系统将信息反馈至控制系统，通过控制系统改变搅拌器15的搅拌强度。
72.本发明中的复配分级颗粒载体同时可作为水力强度指示剂与水下摄像机连用，作为计算机视觉，以感知水流强度和搅拌效果，实现载体的自适应限域膨胀、载流及泥龄调控。
73.位于末端的好氧池微反应器内设置有能够将淤积的颗粒污泥和/或无载体菌胶团进行定向精确搅拌的巡航搅拌系统。当发现末端的好氧池微反应器池底有颗粒污泥和 /或
无载体菌胶团淤积时，可以实现机动定向精准搅拌。搅拌机也可以长时间巡航式运行，辅助池内的氧气传质，从而进一步降低曝气能耗。
74.另外，当末端好氧d池关闭曝气后，可以将该池切换为缺氧池，并利用巡航搅拌系统均质。根据工艺需求可再额外设置固定载体或悬浮载体实现后置式厌氧氨氧化。
75.巡航搅拌系统包括巡航搅拌器21和巡航轨道22，巡航搅拌器21配装设置在巡航轨道22上并能够沿着巡航轨道22移动。巡航搅拌器21包括驱动小车和搅拌装置，巡航搅拌器21的受控端连接于控制系统的输出端。
76.位于末端的好氧池微反应器内侧壁上间隔设置有若干流量传感器，且各流量传感器沿着巡航轨道22间隔布置，流量传感器用于检测该处的水流状况，若该处出现淤积状况时，流量传感器将检测信息反馈至控制系统，进而控制系统控制巡航搅拌器21 对该处进行精确搅拌。
77.本实施例公开了一种基于计算机视觉高效节能的多模式自适应互营生化方法，包括以下步骤：
78.s1、在各缺氧池微反应器、好氧池微反应器内分别培养活性污泥，生化池先按常规方法培养活性污泥。
79.s2、向首端缺氧池微反应器内逐渐投加复配分级颗粒载体，将待处理污水输入缺氧池微反应器。由于该池污染物浓度最高，所以载体上得以很快富集生物膜，提高了生化池的微生物量和污泥浓度。
80.s3、缺氧池梯级限域搅拌，实现分级颗粒化，原位提质增效并应对流量变化。对缺氧池微反应器进行搅拌，由于缺氧池搅拌器的湍流作用，粒径小沉降性能差的颗粒载体逐渐溢出至下一缺氧池微反应器并依次扩散到所有缺氧池微反应器，形成粒径分级的缺氧池微反应器。不同粒径的复配分级颗粒载体对富集不同微生物，实现菌种级联互营，对污染物进行降解。池体的活塞流特性和不同载体富集不同微生物的能力，例如前端的缺氧池微反应器富含各类有机物降解菌种、短程反硝化菌种，末端的缺氧池微反应器富含厌氧氨氧化菌种，导致各缺氧池形成功能不同的微反应器，实现菌种级联互营和污染物的高效降解。
81.s4、通过计算机视觉系统拍摄各缺氧池微反应器内水下图像的颗粒特征，并将拍摄信息反馈至控制系统。基于水下摄像的计算机视觉系统可以根据水下图像的颗粒特征(例如不同深度处的颗粒大小和数量)对搅拌器强度进行实时调节。
82.当进水流量或者回流流量变化导致湍流强度变化时，水下计算机视觉系统可以即时发现载体的溢流并通过调节搅拌器搅拌强度进行相应调控。颗粒大沉淀性能好的颗粒需要的强度大一些，颗粒小沉淀性能差的颗粒需要的搅拌强度小一些，从而在沿着水流方向上，形成了梯级限域搅拌。
83.缺氧池可采用轮流滚动压茬的间歇搅拌方式使微生物在悬浮态吸附有机物，沉淀态降解有机物的过程中来回转换，在沉淀态中微生物产生的中间代谢产物不会被搅拌稀释，为微生物种间快速互营共生提供了条件，加快了载体生物膜的颗粒化过程。
84.在该工况下，载体仅存在于缺氧区，颗粒化仅能在缺氧区实现，好氧区内为传统活性污泥，好氧区内回流和污泥回流可以给系统中带入硝酸盐，为反硝化提供基质。
85.s5、待处理污水经各缺氧池微反应器处理后，进入好氧池微反应器进行处理，最后经过沉淀池排出。
86.实施例2
87.在实施例1的基础上，本实施例强化梯级限域搅拌，实现四相流处理，原位提质增效并应对水温变化。
88.在实施例1的基础上，提高各级搅拌强度，将微颗粒载体溢出到好氧池微反应器。使得微颗粒载体与普通活性污泥完全混合，可大幅提高活性污泥的沉降性和后续沉淀池的负荷。基于该显著优点，可以显著提高沉淀池的回流污泥浓度，从而实现生化池整体的高浓度运行，或者可以取消好氧池内回流泵，利用沉淀池污泥回流泵来同时实现硝酸盐和污泥颗粒的回流。
89.在此工况下，典型的运行工艺为缺氧池微反应器大致保留150um级、100um级载体的颗粒污泥，好氧池微反应器大致保留50um级载体的颗粒污泥，和无载体的菌胶团。从而形成了不同载体相和生物相的四相流工艺。
90.由于污泥浓度的大幅度提升和专性菌种的负载化固定生长，生化反应所需的停留时间可以适当缩短。而且当夏季水温升高，污泥活性升高时，反应器停留时间也可以适当缩短。为此，可以本实施例将部分池体切出系统，或者在功能上进行切换。
91.比如：关闭第一高位闸门、第二高位闸门、第三高位闸门、第四高位闸门，并开启第五高位闸门、第六高位闸门，可以将缺氧d池、缺氧e池切出系统，减少缺氧池的停留时间及相应能耗；再开启高位闸门第二高位闸门、第四高位闸门，关闭第六高位闸门则可以将切出的缺氧池改为好氧池使用。
92.再比如：关闭第七高位闸门34，则可将好氧d池切出，直接从好氧c池末端出水至沉淀池。
93.实施例3
94.在实施例1的基础上，本实施例采用双短程双厌氧氨氧化的方法，应对水质变化。
95.对于低碳氮比的污水，需要强化生化系统的短程反硝化、短程硝化、厌氧氨氧化的作用。
96.在缺氧池内低碳氮比污水很容易实现短程反硝化，产生的亚硝酸盐和原水中的氨氮可以在缺氧池末端的池内产生厌氧氨氧化反应，在好氧区内通过限制好氧段的曝气量可以发生短程硝化反应，产生的亚硝酸盐和原水中的氨氮可以在好氧池最末端好氧 d池形成后置厌氧氨氧化反应。
97.采用该工况时，可关闭好氧d池的曝气管，开启巡航搅拌系统进行均质，池内可配置填料(固定填料或悬浮填料均可)，进一步强化厌氧氨氧化菌的富集。
98.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。任何熟悉此类技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有技术知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。