文摘

在污水处理厂,复杂物质的降解污染水进行微生物,由一个固定的网络由丝状细菌,创造大的絮体,很容易解决。然而,说细菌的过度增长会导致一系列的缺点如沉降速度的降低,活性污泥与污水泄漏,形成上层清液,这种现象称为膨胀。这个研究工作旨在开发和评估的过程的物理描述絮体来确定参数影响沉降速度,从而检测和控制膨胀。为此,沉降和图像分析测试进行了从阿瓜安托法加斯塔公司污水处理厂(智利)。从一个捕获的图像分析与图像进行光学显微镜在两倍的放大(100和50 x),由单独标记每个絮状物分析和图像处理软件的特征。此外,沉降测试进行列(面积74厘米²)和70 (cm)的高度)。作为一个结果,一个被发现在沉降速度成反比依赖Vesilind方程计算的区域不断下降的速度对絮体连接的数量/集群,使估计的沉降速度取决于絮体连接的数量。这将允许预测沉降速度与图像分析,考虑到膨胀的问题是由丝状细菌导致的类型和沉积过程的影响在很大程度上由当地的因素。它可以通过本研究得出结论,随着絮体连接每个集群的数量增加,沉降速度降低。本研究为污水处理厂提供了一个实用工具来确定沉降时间,从而提高处理过的水的质量,避免与废水絮体泄漏的问题。此外,图像分析本身允许快速检测的膨胀现象及其严重程度。

1。介绍

生物净化的基本原理是基于一个physical-biological过程。一方面,有絮凝的物理过程和生物方面的其他细菌的新陈代谢。絮状物是一种类型的微生物总可能与生物膜和颗粒,否则视为一种特殊类型的生物膜。絮体表现为多云细胞悬浮液漂浮在水中,而不是连接到在一个表面像大多数生物膜生长。絮状物通常是由一个矩阵的胞外聚合物(EPS)的物质,它可能包含变量的多糖、蛋白质、和其他生物聚合物。絮体的形成和性质可能影响的性能等工业水处理生物反应器活性污泥系统。絮状物是由有机物质,丝状,floc-forming细菌,构成,本身的原始净化单元的有机物质。活性污泥过程的有效性密切相关,一个好的固液分离由污泥的特点决定的,反过来又主要取决于絮体的结构特性和微生物种群。关于最后一点,丝状细菌的过度增长构成的一个主要问题的污水处理过程。丝状的絮状物可以在两种不同的方式:(1)开放结构或弥漫性絮体。 (2) Flocs are joined together with the others (cluster) forming links or bridges between the flocs. In other studies, the behavior and relevance of flocs in different processes can be seen [1- - - - - -6)以及凝固的影响和过滤水治疗(7]。

的因素介入的扩散形成丝状细菌是废水的质量,操作条件的设备,设施的设计和气候。提出了图像分析作为一种工具来分析和预测这种现象,这种方法有一个广泛的潜力的控制这种类型的过程(8- - - - - -11]。为了比较,提高图像分析系统,找到最好的方法分类数据,进行各种工作作为引用水治疗(12- - - - - -16),显示使用一个自动控制系统的优点,增加储蓄。采用一个数学模型来预测沉降速度的行为是一个复杂的问题,正如前面提到的,所以它通常采取实验室处理的污泥处理装置用于在工厂获得更精确的速度值。数学模型只提供了一个近似的尝试的价值可以得到实验和在任何情况下应被视为一个速度的精确值,将获得一个可行的方法。

矿物加工,一般来说,把努力放在发展中固液分离设备。这一趋势的一个例子是使用高效增稠剂;这种变化导致了絮凝剂的发展和完善17]。胶体粒子的聚集导致所谓的絮体的形成。这些粒子的特性(形状、大小和密度)改变他们解决。

1.1。其他形式的沉积

免费解决:沉积由于自由沉降发生在低浓度的流体粒子和这些不妨碍对方解决。

受阻沉降:对于高浓度的絮状颗粒(高于500 mg / l),这些都是在这样小的距离,他们彼此坚持,解决大规模创建一个清晰的分离絮体之间的表面和上面的液体中,引起这一现象被称为阻碍或区沉降。

液压力量之间建立桥梁阻力或粒子的吸上的较大的粒子施加较小的和更大的粒子所产生的效应速度超过别人,产生粒子的轨迹的变化(18]另一方面,电化学部队之间的粒子的表面产生静电电荷使颗粒相互排斥。这些力量相关的微粒子,由于表面暴露在电解液中,在这种情况下是液体,是非常重要的大暴露面。最后,渗透力量源于微粒子的布朗运动,往往试图平衡悬架的不同区域之间的浓度。

Vesilind方程(1),它是由Mauden和惠特莫尔,常用的粒度和终端速度之间的关系: 在哪里终端沉降速度,是一个球体的终端速度,在悬浮固体的体积分数,然后呢是一个函数的值的雷诺数。

为液体 , = 4.65;为液体 , = 2.33。

有一个完整的视图的沉降过程,发生在处理厂,方便把这个过程分成阶段或区域的流体通过沉积物,图中可以看到1。

相比之下,膨化可以看到图的影响2。

采用一个数学模型,预测沉降速度的行为是一个复杂的问题,所以它通常采取实验室过程使用的污泥处理厂为了获得更精确的速度。数学模型只提供了一个近似的尝试的价值可以得到实验和在任何情况下应被视为一个速度的精确值,将获得一个可行的方法。

2。材料和方法

2.1。图像分析过程

样品是在阿瓜Antofagasta污水处理厂。这是转移到生物技术实验室的天主教大学del Norte图像分析。MATLAB®软件用于分析,多维数值计算环境和专有MathWorks开发的编程语言。MATLAB矩阵操作,绘图的功能和数据,实现算法、创建用户界面,并与其他语言编写的程序。这个软件还提供了一组全面的参考标准算法和工作流应用图像处理、分析、可视化和算法开发。这样,您可以使用图像分割,图像增强,噪声降低,几何变换,图像配准,和3 d图像处理,导致一个非常有效的工具在这项工作所需的图像分析。之间的时间把样品和图像分析大约是一个小时,试样的体积是4.5 l。污泥是轻轻搅拌得到均匀成分,防止开始沉积物,小心不要破坏其结构。为分析样本,卡尔蔡司Axiostar显微镜和索尼数码相机模型MPEG moviEX数码相机使用3.3像素。50和100倍的放大使用1280像素宽,960像素高的实际大小和图像分辨率为28346(像素/厘米),在随机样本在显微镜下拍照。

2.2。Floc-Marking技术

照片是由像素组成的,;每个像素代表一个不同的颜色或颜色组合的结果的颜色红、绿、蓝(RGB)使用 - - - - - -意味着算法。这些生成的强度水平不同的颜色;例如,在黄色和红色和绿色的组合结果的变化强度这两个将导致改变头发的颜色。如果绿色的,黄色的阴影将亮绿色。然而,如果在混合红色是主要的颜色,黄色会有橙色色调如果正确结合他们可以给棕色色调。由此产生的颜色是通过安排一个向量的三个坐标中,每一个代表一个颜色(红、绿、蓝色)和其强度值;这个范围从255颜色的最大强度为0代表总缺乏这一点。这意味着,对于每个颜色,总共有256度的强度;这将有助于项目确定的每个标记元素(絮体)。测量尺寸和4连接的特点,这些都是用颜色标记从调色板中,重新划定的絮状物原始照片,如图3。

测量尺寸和絮体的连接特点,他们使用不同的颜色标记重新划定的絮状物原始照片。获取几何性质,程序分解图像在三个部分,一个为每个基色组成图像的色调和评估这些通过比较它与数据库的颜色被要求分析;任何颜色组合不在这个数据库将被拒绝。每个像素满足颜色向量和也符合它的所有相邻的像素被认为是一个对象。上面的图中可以看到解释道3。

在图3,可以看出有两个蓝色的元素图像的左上部分,相互连接,没有其他,因为这个原因,他们共享相同的颜色。同样,稍低的绿色絮体与一个或多个絮体的颜色,只有与他们;絮体的分组或集群共享相同的颜色,因为这样的软件可以区分从另一个分组,每个絮状物略分开其他人区别于其他相同的集群,如图4。

一旦获得的软件确定了絮体及其特征(形状、大小和密度),以像素为单位的距离(无因次单位)转化为单位的长度(mm)。这是通过使用一个规模模式,在这种情况下一个球体的直径1毫米,而建立的规模来衡量所有的样品进行了分析。

2.3。过程沉积列

总共9沉积经历进行3周期间,每一个有不同的浓度。每一列中使用的浓度如下:5.25,4.35,4.26,3.13,3.05,2.52,2.17,2.10,1.68 (g / l)。动物性的进行的圆柱形容器,底面积为74厘米²和一个身高70厘米的污泥体积的4.5 l,配备一个缓慢的搅拌器以避免损坏棉絮,电磁搅拌器的使用(4803 - 02)旋转主模型。一旦污泥均质(5(分钟)),磁搅拌停止计时器开始运行。高度测量是由一段35分钟每分钟。的目的是确定在不同浓度污泥的沉降速度。

一旦沉积过程启动,这是观察到有一个延迟系统的稳定。初速度迅速增加(自由沉降),直到系统稳定,然后开始下降。出于这个原因,被认为是计算沉降速度的数据是该区域后,发现那里已经线性斜率。速度是由方程的斜率(2)行形成的数据的速度是线性的: 在哪里是米(m)的高度,是时间在小时(h),斜率原来是带速度(m / h)。

确定参数的沉降速度,Vesilind模型使用,代表絮状颗粒的沉降。提供的数据来获得它将沉降实验通过测量不同浓度的区域沉降速度。公式定义了Vesilind模型 在哪里是区沉降速度(m / h),最大沉降速度,是Vesilind参数(m³/公斤),的浓度(公斤/米³)[19]。

获得Vesilind参数线性化方程(4必须使用):

的值的和通过绘制的数据吗与浓度。一次值曲线的斜率和截距都是已知的,可以确定的变量和 ,所有小数学调整。

图5展示了大规模的实验过程按时间顺序沉积。可以看到沉降速度下降随着时间的推移,被大大快相比前10分钟间隔20至40分钟,达到稳定状态。速度,试图通过图像分析计算是最稳定的地区,一个可以感知到更多的线性沉降速度(10至40分钟)。

2.4。计算污泥体积指数(SVI)

污泥体积指数从解决污泥的体积的比值获得30分钟的1000毫升样品和污泥浓度(毫克/升)乘以1000。

这是在一个量筒(1000:10)为了描述沉积从结构的角度以及絮体的分散和获得沉降速度的估计。执行这个分析的步骤如下:(1)同质化的污泥。均质后,一个已知的体积是之前删除并放置在一个重容器,让它干燥24小时的105°C。一旦样品干了以后,它被删除从烤箱取出并且称重。固体的重量是由容器的重量之间的区别,干燥后试样的重量。商之间的固体的重量和体积的样品提供了它的浓度(2)同质化的样本,以1升,把它放在一个量筒,允许30分钟。在这之后,测量体积(ml)的解决材料。SVI表示根据 在哪里是污泥体积指数,30分钟后解决污泥的体积(毫升/ l),然后呢是悬浮体的初始浓度的污泥(g / l)。

2.5。计算污泥羊皮纸书卷指数(SVI)

总固体量的计算是由干燥的24小时在105°C的已知样本体积(大约10毫升),放在一个容器的重量。干燥后的样品炉(粘结剂模型恰当的线),这是重(Boeco模型桶规模)。容器重量差异有或没有示例给出了固体的重量。固体的重量的比值和样品的体积在干之前提供污泥的浓度(克/毫克)。

3所示。结果和讨论

总共9个不同的沉降进行了经验,每一个都有不同的浓度。这些不同的经历进行分类根据他们的速度在以下方式:sed。5.4 (m / h), sed。8.7 (m / h), 41.8 (m / h)。这些团体将被称为第一,第二,第三的经历。结果表明沉降速度与他们的经验和分类数据所示6- - - - - -8。

从这些数据看来,最高的沉降速度发生在第三个经验之后,在降序排列,第二和第一个经验。

高度和时间,可以确定点的速度床泥沙而高度和SVI点浓度为每个记录高度确定。图9比较了速度与浓度相似。

如图9,有明显区别的沉降速度不同的经历进行尽管浓度是相似的;这是由于絮状物的大小。

速度与实验获得的数据,Vesilind的不同的参数方程可以确定找到理论速度。从这些参数,方程(6)- (8)获得,它代表了Vesilind每个经验方程。

方程(6)- (8)给理论速度值( )在不同浓度的污泥( )对于每一个经验,是有效的,图的斜率浓度和速度是线性的。是考虑沉降是一个过程,受到多个地方因素的污泥(细菌,使其,污泥的年龄)和周围的环境(温度、振动),这样获得的理论速度将与准确性并不总是代表实验获得的值。举个例子,图10比较实际的速度与理论速度。

共有44与显微镜照片供以后分析的软件。图像分析经验的数量如表所示1。

有一个公共点的比较,理论沉降速度根据Vesilind(方程(6)- (8))2.5 (g / l)的浓度将并与物理性质得到图像分析使用数据的中位数。比较了使用价值从絮体的面积和周长,获得测量的图像分析软件。速度与面积的比较如图11。

图12显示速度的比较与絮体的周边。

图像分析的面积和周长的絮体显示,并可以建立不依赖,可以看到数据11和12。虽然在某些情况下似乎有一种模式,这并不总是真的。这nondependence可以解释,因为在2 d分析执行;3 d技术应该被应用在未来的工作与沉降速度与絮状物体积。

表2显示了实验室分析结果对于污泥体积指数:

以证实膨胀现象和沉降速度之间的关系,利用图像分析中获得的数据,使用数据的中值和比较它与速度为2.5 (g / l)根据Vesilind方程获得。结果如图所示13。

从图中可以看到什么13,有一个明确的每个集群絮体的数量之间的关系。在第一次的经验,速度为1.34 (m / h)和8每个集群棉絮被记录,这是最低的速度记录。第二个经验显示速度为1.64 (m / h)和4絮体连接每个集群,而在第三个经验,最高速度的所有记录,2.64 (m / h),每个集群和絮体的数量3是最低的图像放大100倍的实际大小,而对于图像放大50倍,同样的发生。从上面的,由此可见,絮体连接每个集群的数量的增加会导致沉降速度下降。

4所示。结论的话和未来的工作

絮状物表征技术是由图像分析,沉降速度的方法可以确定每个集群根据絮体的数量。

可以欣赏,Sed的经验。5.4 (m / h),沉降速度最低的是获得1.34 (m / h)(根据Vesilind方程获得的速度为每个在浓度为2.5的经历(g / l)),每个集群的8絮体数量增加50和19实际大小的100倍的放大,这是最高的每个集群的絮体数量记录。Sed的经验。8.7 (m / h),中间值的沉降速度和絮体连接每个集群都是记录,1.64 (m / h)速度和4和5絮体100和50倍的放大,分别。最后,Sed的经验。41.8记录的最高速度,2.46,和连接的絮体的最低数量,3和4.5 100和50倍放大,分别。因此,它可以通过本研究得出结论,随着絮体连接每个集群的数量增加,沉降速度降低。

结果,可以预测沉降速度取决于絮体连接的数量,考虑到膨胀的问题是由丝状细菌导致的类型和沉积过程的影响在很大程度上由当地因素,即每个沉积本身就是一个不同的过程和所获得的速度只会适用于污泥进行了分析。

评估物理性质之间没有明显的依赖(面积和周长)和沉降速度。这种体验的结果可能是由于三个因素改变。第一个因素是图像内的絮体不完全,这意味着棉絮和测试区域的实际面积是不一样的,冰山现象非常相似,只有一部分是见过,不可能确定自己的真实维度。另一个因素是手动完成的标志,从而受制于观察者的眼睛。这主要影响在决定结构是絮状物,这不是和絮状物的结束和另一个开始的地方。最后一个因素是,絮体之间的连接性,物理性质之间可能存在的关系(面积和周长)和沉降速度不够相关的赞赏;这也适用于污泥体积指数分析。

本研究为污水处理厂提供了一个实用工具来确定沉降时间,从而提高处理过的水的质量,避免与废水絮体泄漏的问题。此外,图像分析本身允许快速检测的膨胀现象及其严重程度。

数据可用性

所有数据支持这项研究是本文附带提供补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

M.A.M. C.A.A.构思,设计,并进行实验;作者分析了所有数据;C.A.L.写道。

确认

作者希望承认提供的物质支持阿瓜安托法加斯塔公司和大学提供的金融支持天主教del Norte和学生对他的贡献和他的马里亚诺·莫利纳化学工程师论文。

补充材料

补充材料对应于44照片进行了分析。(补充材料)