一种基于机器视觉的Anammox活性智能监测与控制系统

本发明属于污水处理工艺智慧运行与自动化监测领域，具体涉及一种基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统。

背景技术：

1、厌氧氨氧化(anammox)工艺因高效、低耗、降碳、减泥等优势成为废水脱氮领域的前沿技术。厌氧氨氧化污泥是anammox工艺的核心要素，其工作状态直接决定了工艺的运行效果。然而，anammox污泥对基质浓度、盐度、有机质、温度和ph等环境因素变化敏感，且团聚后的污泥种质复杂，微生物代谢多样，使得anammox工艺稳定运行成为应用的瓶颈。然而，迄今为止，针对厌氧氨氧化污泥状态的有效实时监控手段缺乏，亟待研究开发。

2、传统废水处理的监测技术主要聚焦于溶解氧、ph、氨氮、总氮等理化指标。然而，此类指标监测具有间接性，不能直接反映工艺核心—anammox污泥的状态。目前，针对anammox污泥功能、结构和组成等状态的监测仍依赖于异位的活性测定、显微观测和分子生物学分析等，成本高、时间长、智能化低，且易错失工艺及时调控的重要窗口期。

3、anammox污泥的视觉特征例如颜色、粒径、凹凸度、光亮度等特征与脱氮活性、团聚结构、菌群组成等状态指标有较强相关性。视觉特征可作为anammox污泥状态的监测抓手。此外，视觉特征的采集可采用相机拍摄的方式，采集过程快速便捷。因此，从视觉特征与数字图像角度入手开发anammox污泥活性状态监测技术具有科学性和现实性。

4、另一方面，数字图像中的特征提取与识别是机器视觉的主要研究目标。近年来随着机器视觉技术在算法、算力上的全面进步，机器视觉对特征的提取、分析以及识别准确度已达到甚至超越人眼水平。因此，机器视觉可成为实现anammox污泥状态智能识别的有效“利器”。综上，以机器视觉为监测手段，将污泥的数字图像作为信息媒介，对anammox工艺进行活性智能监测与系统调控，不仅可以减少传统监测与控制方法的人力和时间成本，还可以避免工艺监测过程中的滞后情况，并实现对污泥状态的直接监测与反馈，对anammox工艺的推广应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、本发明提供了一种基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，包括依次连接的厌氧氨氧化反应模块、进样及回流模块、监测模块和智能控制模块。

4、厌氧氨氧化反应模块自下而上依次设有进水区、反应区和沉淀区。其中进水区通过进水管与外界相连，沉淀区通过出水管与外界相连。反应区靠近进样及回流模块侧开设有取样口，取样口依次通过进样及回流模块中的进样支管和进样干管与监测模块中的样品池相连。

5、监测模块进行厌氧氨氧化污泥的性状信息采集。监测模块为封闭模块，包括光源、样品池、工业相机、第一支架和第二支架。光源固定于第一支架顶端，通过调节第一支架的伸缩高度改变光源与样品池的距离。工业相机通过球铰与第二支架顶端连接，通过调节第二支架的伸缩高度及球铰位置改变工业相机与样品池的距离以及拍摄角度。工业相机通过第一电性连接件与智能控制模块构成电性连接，用于传递数字图像信息。进水管还通过第二电性连接件与智能控制模块构成电性连接，将进水管中进水水质数据传输至智能控制模块中。

6、监测模块底部设有回流管，回流管一端连通样品池，另一端连通厌氧氨氧化反应模块中的进水区，使拍摄完成后的污泥回至厌氧氨氧化反应模块。

7、智能控制模块中包含内嵌程序。智能控制模块接收来自进水管中的进水水质数据以及来自工业相机的数字图像信息。内嵌程序提取经滤波处理后的污泥的表观特征，并利用拟合模型计算污泥的比活性s，用于判定厌氧氨氧化反应模块的运行情况。

8、作为优选，上述进水管上设有用于控制厌氧氨氧化反应模块启闭的第二控制闸阀和第二止回阀。

9、作为优选，上述回流管上设有第一止回阀和第一控制闸阀。

10、作为优选，上述取样口设置3～6个，每个取样口连接一个进样支管。每个进样支管上均设有控制阀门，并联连接汇合接至进样干管。

11、作为优选，上述进样干管上设有循环泵组。

12、作为优选，上述光源采用白光led灯型。

13、作为优选，上述数字图像信息包括hsv色彩空间信息、粒径大小、颗粒等效圆面积、颗粒圆度、颗粒凹凸度。

14、作为优选，上述拟合模型采用支持向量回归模型svr，且在系统构建前完成模型训练与检验。

15、作为优选，上述判定厌氧氨氧化反应模块的运行情况过程如下：若比活性s高于正常活性阈值s0，则判定厌氧氨氧化反应模块运行正常。若比活性s低于正常活性阈值s0，则判定厌氧氨氧化反应模块运行异常，智能控制模块反馈排查调控指令并显示当前进水水质信息。

16、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

17、(1)本发明提供的anammox活性智能监测与控制系统通过机器视觉装置直接采集图像信息并判断反应系统状态，快速便捷，克服了传统检测手段中检测时间长、指标间接性等问题，提高了对anammox反应系统监测的准确性与及时性。

18、(2)本发明提供的anammox活性智能监测与控制系统的反应区外侧均匀分布取样口，取样及回流系统构成循环体系，取样便捷且不会造成污泥流失。

19、(3)本发明提供的anammox活性智能监测与控制系统能够以颜色、性状、大小等表观特征对anammox反应系统中的污泥进行状态研判，具有预测拟合精度高、鲁棒性强等优势。

技术特征：

1.一种基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，包括依次连接的厌氧氨氧化反应模块(i)、进样及回流模块(ii)、监测模块(iii)和智能控制模块(iv)；

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述进水管(16)上设有用于控制厌氧氨氧化反应模块(i)启闭的第二控制闸阀(14)和第二止回阀(15)。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述回流管(11)上设有第一止回阀(9)和第一控制闸阀(10)。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述取样口(4)设置3～6个，每个取样口连接一个进样支管(6)；每个进样支管(6)上均设有控制阀门(5)，并联连接汇合接至进样干管(7)。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述进样干管(7)上设有循环泵组(8)。

6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述光源(20)采用白光led灯型。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述数字图像信息包括hsv色彩空间信息、粒径大小、颗粒等效圆面积、颗粒圆度、颗粒凹凸度。

8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述拟合模型采用支持向量回归模型svr，且在系统构建前完成模型训练与检验。

9.根据权利要求1所述的基于机器视觉的anammox活性智能监测与控制系统，其特征在于，所述判定厌氧氨氧化反应模块(i)的运行情况过程如下：若比活性s高于正常活性阈值s0，则判定厌氧氨氧化反应模块(i)运行正常；若比活性s低于正常活性阈值s0，则判定厌氧氨氧化反应模块(i)运行异常，所述智能控制模块(iv)反馈排查调控指令并显示当前进水水质信息。

技术总结
本发明公开了一种基于机器视觉的Anammox活性智能监测与控制系统，属于污水处理工艺智慧运行与自动化监测领域。该系统包括厌氧氨氧化反应模块、进样及回流模块、监测模块和智能控制模块。厌氧氨氧化反应模块包括进水区、反应区和沉淀区，其中反应区外侧均匀分布取样口。取样口依次通过进样及回流模块中的进样支管和进样干管与监测模块连接。监测模块设有样品池、光源及工业相机，工业相机拍摄记录污泥的数字图像信息。智能控制模块对数字图像信息进行处理与反馈。该系统工作时，智能控制模块通过拟合模型对污泥活性状态判定并返回系统操作指令，实现对Anammox活性智能监测及高效控制。本系统具有检测迅速、自动化程度高、运行维护简便等优点。

技术研发人员：张萌,余洋,丁爽,阮贇杰,许冬冬,胡一鸣,郑平
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22