1、引用格式：谷精华，刘健，范文玉，等基于内外回流污泥形态参数的水质预报安全与环境工程，（）：，（）：基于内外回流污泥形态参数的水质预报谷精华，刘健，范文玉，赵立杰，左越，司文豪（沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 ；沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 ；沈阳化工大学信息工程学院，辽宁 沈阳 ）摘要：水质监测是污水厂至关重要的环节。为快速、准确地获取实时水质数据，以内、外回流污泥为研究对象，通过显微镜图像结合软件分析，分别得到内、外回流污泥各自絮体的形态参数，并结合污水处理厂运行参数，采用偏最小二乘（）法对内、外回流污泥絮体形态参数与好氧池出水水质指标（、和）进行了回归分析，建立内
2、回流污泥回归模型（模型）和外回流污泥回归模型（模型），通过分析两个回归模型中活性污泥絮体形态参数与出水水质指标之间的相关性，比较了两个回归模型的拟合效果和预测效果。试验结果表明：模型的拟合效果和预测效果要优于 模型，该模型对好氧池出水中 、和 的预测系数分别为 、；出水污染物浓度与内回流污泥絮体密实度参数呈正相关关系，而其与外回流污泥絮体密实度参数呈负相关关系。本试验建立了污水处理厂宏观系统与活性污泥絮体微观性质之间的相关关系，为污水处理厂的水质监测提供了一种新的方法。关键词：污水处理厂；水质预报；内、外回流污泥；活性污泥絮体形态参数；图像分析技术；偏最小二乘法中图分类号：文章编号：（）收稿日
3、期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家重点研发计划项目（）作者简介：谷精华（），女，硕士研究生，主要研究方向为水污染防控。：通讯作者：范文玉（），男，副教授，主要从事环境模型和水污染防控方面的研究。：，（，；，；，）：，（）（），、，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：；水质监测是污水处理厂日常运行的重要一环，在衡量污水处理效果的水质监测指标中，化学需氧量（）、生化需氧量（）、总氮（）和总磷（）是衡量污水处理效果的关键指标。传统的离线监测分析方法耗时耗力且至关重要。人工测量的分析方法主观性强且结果滞后，而在线自动监测方法则成本高且后期维护费用大。近年来，图像分析技术快速
4、发展，活性污泥中生物相的定性和定量分析方法也得到补充。活性污泥是由污水中各种微生物与悬浮颗粒互相作用形成的絮体。底物转移和利用、生物絮凝、固液分离都与活性污泥絮体的物理特性相关。因此，一些学者利用图像分析的方法，提出了一些描述活性污泥絮体形态特征的参数，如絮体面积、分形维数、轮廓线周长、当量直径、孔率、形状系数、圆度、简化的回转半径 等，并将这些参数与污泥体积指数（）、混合液悬浮固体浓度（）等参数结合起来，用以实现水质预测的目的。此外，数学统计方法也被广泛应用于活性污泥系统的水质监测中，如 等 通过图像分析来得到活性污泥絮体的形态参数，并利用偏最小二乘（）法建立絮体形态参数与曝气池出水水质指标
5、（、）的回归模型。厌氧缺氧好氧（）工艺是一种传统的污水处理工艺，其内、外回流污泥对出水水质也有着很大的影响。但目前的研究主要是针对 工艺中好氧池的活性污泥絮体图像进行分析。为此，本文拟通过简单的显微镜图像结合软件分析，分别得到内、外回流污泥絮体的形态参数，并结合污水处理厂的进水水质指标（、）、水温（）、好氧池溶解氧（）等运行参数，采用偏最小二乘（）法分别建立内、外回流污泥絮体形态参数与出水水质指标（、）的回归模型，分析了两个回归模型中活性污泥絮体形态参数与出水水质指标的相关性，比较了两个回归模型的拟合效果和预测效果，以为污水处理中出水水质的快速、准确检测分析提供有效方法。材料与方法 活性污泥及
6、水样采集本试验的活性污泥样本采自沈阳某 工艺污水处理厂，为了保持试验的一致性，每次均在固定点液面下 处采集内、外回流活性污泥样本。为了与内、外回流污泥建立直接的联系，在采集活性污泥样本的同时，也在好氧池出水口采集了瞬时水样进行测定。每次活性污泥样品和出水样品均采集 ，为了减小微生物对水质的影响，样品采集、图像采集与水质指标测定之间的间隔时间不超过。本试验共进行个月，共采集样本 组。期间收集了污水处理厂的运行参数，具体见表。表试验期间污水处理厂的运行参数 项目 （）（）（）（）好氧池水温好氧池 浓度（）好氧池 值内回流比外回流比范围 均值 标准差 水质指标及测定方法由于所采集的水样为泥水混合液，
7、所以在测定前需要对其进行预处理，即首先将水样过滤，取滤液调节其 值至中性，然后将水样稀释至合适的待测范围。水样中 、和 的测定分别采用 水质 五日生化需氧量（）的测定 稀释与接种法（）中的稀释接种法、水质 化学需氧量的测定 重络酸盐法（）中的重铬酸钾法、水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（）中的过硫酸钾紫外分光光度法和 水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法（）中的钼酸铵分光光度法。第期谷精华等：基于内外回流污泥形态参数的水质预报 活性污泥絮体图像处理与分析 图像采集为了保证较大活性污泥絮体的通过，首先使用带有尖端截面枪头的校准移液枪，取 活性污泥样品于载玻片上，并用 的盖玻片覆盖；
8、然后使用倒置光学显微镜（）和 工 业 数 码 相 机（）对活性污泥样品进行图像采集。为了提高活性污泥信息的代表性，每个活性污泥样品使用张载玻片进行形态学表征，并在总 放大倍数下对载玻片上、中、下个不同位置分别采集 张图像，保存为 像素的 格式图片，每个活性污泥样品总共获得 张图片（）。试验期间，得到 个活性污泥样品，共 张图片（）。图像处理根据 等 开发的活性污泥絮体图像处理程序，使用深度卷积网络 方法构建活性污泥絮体分割模型，实现活性污泥絮体的分割。首先，对活性污泥絮体图片背景进行校正；然后，根据活性污泥絮体确定其二值图像；最后，对活性污泥絮体二值化图像的边缘进行检测，确定测量区域，并提取活
9、性污泥絮体的形态参数。活性污泥絮体图像处理的过程，见图。图活性污泥絮体图像处理的过程 在本研究中，基于 对活性污泥絮体的研究，对选取的 个活性污泥絮体形态参数进行相关性分析，并去除多重相关系数大于 的变量和相关系数较低的变量，最终确定了 个活性污泥絮体形态参数，具体详见表。表活性污泥絮体形态参数 变量性质名称符号定义絮体数量絮体数目絮体在图像中的个数絮体平均面积每个絮体所占平面图形的平均面积大小轮廓线周长 絮体凸形包络线长度絮体大小周长絮体轮廓线总长度最大 直径 絮体轮廓两边界平行线间的最大距离当量直径 与絮体面积相同的圆的直径絮体密实度孔率去除内孔的面积与总絮体面积之比孔数絮体内孔洞的数目圆
10、度 絮体面积接近理论圆的程度长径比 絮体的延展性长短轴比 絮体长轴与短轴之比絮体规则性形状因子 絮体形状与圆的偏差分形维数 基于分形理论对絮体不规则性的量度凸率 絮体凸形包络线周长与轮廓线总长度之比注：除了絮体数目外，其他活性污泥絮体形态参数均取平均值。偏最小二乘（）法偏最小二乘（）法通过提取输入矩阵基本特征的线性组合，同时根据输入矩阵对输出矩阵进 行 建 模，是 一 种 监 测 复 杂 过 程 的 有 效 方法 。同时，法也是一种兼顾多元线性回归分析、典型相关分析和主成分分析功能的多元统计分析方法，尤其适用于观测数据（样本量）较少的情况。法除了可以建立更为合理的回归模型，还可以提供更大、更深
11、层次的信息。本文采用 法使用 软件对内、外回流 污 泥 絮 体 形 态 参 数 与 好 氧 池 出 水 水 质 指 标（、和 ）进行 回归分析，分别建立了内回流污泥回归模型（模型）和外回流污泥回归模型（模型），并通过拟合系数和预测系数来判断两个回归模型的适用性，最后根据预测系数来确定最佳拟合模型。拟合系数表示因变量与所有自变量之间的总体关系，可以体现出对回归模型的解释能力，其计算公式为安全与环境工程 ：第 卷 （）式中：表示回归平方和；表示总平方和。预测系数表示对因变量的预测能力，其计算公式为 （）式中：为每一个维度的预测误差平方和；为前一个维度的残差平方和。一般认为，当 且 时，回归模型的拟
12、合效果较好。在本研究中，输入矩阵包含表中个污水处理厂运行参数和表中 个活性污泥絮体形态参数；输出矩阵由好氧池出水水质指标 、和 组成。本次试验共得到 个活性污泥样本，使用前 个活性污泥样本作为训练集，其余 个活性污泥样本作为验证集用于验证回归模型的预测效果。结果与讨论 模型的建立基于 法的建模原理，根据预测系数来确定需要提取的主成分的个数，当所提取的主成分时，停止提取。提取主成分的目的是尽可能地保留数据本质属性，寻找原数据的内在低维结构，从而采用低维数据表征原数据，为后期研究分析提供依据。对于内回流污泥模型（模型），共提取个主成分，输出矩阵的累计拟合系数 ，累计预测系数 ；对于外回流污泥模型（
13、模型），共提取个主成分，输出矩阵的累计拟合系数 ，累计预测系数 。两个回归模型输出矩阵中输出变量的和值，见表。表 模型和 模型出水水质指标的拟合系数和预测系数 出水水质指标 模型 模型 由表可知，两个回归模型对于出水中各输出变量的预测系数相差不大，但 模型对于 、有更好的预测能力，而 模型则对、有更好的预测能力。模型拟合及预测效果评价为了验证回归模型的预测效果，使用相对误差和确定性系数来确定回归模型的拟合及预测程度。模型的相对误差越小，确定性系数越大，表示回归模型预测得越准确。相对误差和确定系数的计算公式如下：（）（）（）（）（）（）（）珔（）式中：（）为实测值；（）为模型的预测值；珔为实测值
14、的平均值；为样本个数。为了分析两个回归模型的拟合效果，将 模型和 模型训练集样本的预测值与实测值进行了对比，见图。由图可见，两个回归模型对输出变量的预测能力大致相同，但是从相对误差数据的波动来看，模型相对误差数据的波动要小于 模型，即从模型的拟合角度来看，模型的拟合效果要稍优于 模型。为了分析两个回归模型的预测效果，将验证集样本分别代入 模型、模型计算其预测值，并与实测值进行了对比，见图。由图可见，两 个回 归模型中 、预测值与实测值的变化趋势基本一致，这意味着通过活性污泥絮体形态参数预测出水水质具有可行性，表明模型有着很好的预测能力。模型和 模型训练集和验证集的合格率（即小于给定相对误差的样
15、本数占总样本数的百分比）和确定性系数，见表。由表可知，两个回归模型训练集和验证集的确定性系数都达到了 以上，说明两个回归模型对出水水质均有较好的预测效果；但是从对比情况来看，在 模型中 、的确定性系数均高于 模型，且合格率 的样本比例更高，说明 模型的计算结果更为可靠，证明从活性污泥絮体微观角度建立出水水质预测模型的可行性。通过该模型，可以更好地指导实际污水处理设施的运行，从而为污水处理厂水质监测提供理论依据。第期谷精华等：基于内外回流污泥形态参数的水质预报图 模型和 模型训练集样本的预测值与实测值的比较 图 模型和 模型验证集样本的预测值与实测值的比较 安全与环境工程 ：第 卷表 模型和 模
16、型出水水质指标的拟合及预测效果对比 出水水质指标 模型 模型训练集验证集训练集验证集 数据相关性分析 输入变量之间的相关关系活性污泥絮体的形态特征与污水处理厂运行参数密切相关，为了研究它们之间的关系，对它们之间的相关关系进行了讨论，各参数间相关系数取绝对值后得到的相关系数矩阵，见图。图 模型和 模型输入变量与输出变量之间的相关系数矩阵图 由图可以看出：（）总的来看，活性污泥絮体不同形态参数间具有一定的相关关系。其中，用于表征絮体数量的参数与用于表征絮体大小的参数、之间呈负相关关系，相关系数绝对值大于（）；表征絮体密实度、絮体大小和絮体规则性的参数之间也同样具有较强的相关关系（相关系数，）。由此来看，在不同的客观条件下，表征絮体大小、絮体密实度和絮体规则性的参数变化较为同步。另外，进水水质指标之间也存在着较强的相关关系，其中 、之间的相关系数都在 以上（），说明进水中污染物成分较为稳定。而好氧池运行参数、值与活性污泥絮体形态参数之间的相关关系较为一般，推测变量和 值并没有达到能够显著影响活性污泥絮体微观特征的水平。（）对比来看，模型中输入变量之间的相关性更强，除了变量、和外，其他变量之间
