一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法和系统技术方案

本申请公开了一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法和系统，包括：建立污泥微观结构的三维模型；从三维模型中提取二维切片中的关键结构信息；根据关键结构信息和三维模型参数得到用于制备微流体芯片的模型化图纸并进行芯片注水实验，实时观察并记录污泥脱水全过程；对微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到仿真结果；根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理，反馈优化模拟仿真模型；将模拟仿真结果与三维重构模型进行比对反馈，验证三维重构操作的准确性以及该方法的可靠性。通过本申请解决了现有技术中由于忽略污泥微观结构而导致的污泥脱水性能无法进一步提高的问题，为提高污泥的脱水性能提供了支持。持。持。

【技术实现步骤摘要】
一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法和系统


[0001]本申请涉及到污泥资源化领域，具体而言，涉及一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法和系统。

技术介绍

[0002]随着社会的发展、工业化的进行，污水处理厂在产生大量污水的同时，污泥产量也急剧增加。这些污泥普遍具有沉降性差、含水率高(>99％)的问题，给污泥堆存、运输及后续处理处置带来了极大的不便和环境风险。因此，剩余污泥的高效固液分离是行业亟待解决的重大难题。
[0003]污泥是由固相介质和孔隙空间构成的复杂结构体，水相分布于其中的孔隙空间中。通常，污泥中的水分可分为自由水(～70％)、毛细水(～20％)、吸附水(～10％)和化学结合水，后三者统称为结合水。当前研究认为，将结合水转化为自由水是改善污泥深度脱水的可能途径，而自由水的存在方式是影响污泥深度脱水的重要因素，一般认为只有开放孔道中的自由水才被认为是有效自由水，而封闭孔隙中的水由于无法外排，即使以自由水的形态存在也难以脱除。由于污泥内部固相介质紧密聚集，孔隙分布错综复杂，污泥孔隙(道)结构与水分渗流行为之间的关系尚不明晰，缺乏理论支撑。
[0004]目前国内外很多研究学者在改善污泥脱水性能的研究中使用CST(污泥毛细吸水时间)和SRF(污泥比阻)等概述性的宏观指标描述污泥的脱水性能，忽略了脱水过程污泥内部自由水迁移行为规律，这就导致无法从根源上找到提高污泥脱水性能的关键。

技术实现思路

[0005]本申请实施例提供了一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法和系统，以至少解决现有技术中没有考虑污泥微观结构而导致的污泥脱水过程中无法进一步提高污泥脱水性能的问题。
[0006]根据本申请的一个方面，提供了一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法，包括：建立污泥微观结构的三维模型，其中，所述三维模型是对所述污泥进行微观结构扫描后建立的，所述三维模型中的污泥的参数进行了量化；从所述三维模型中提取二维切片中的关键结构信息，其中，所述关键结构信息能够反映所述污泥的微观结构；根据关键结构信息和三维模型参数得到用于制备微流体芯片的模型化图纸并进行芯片注水实验，实时观察并记录污泥脱水全过程，其中，所述模型化图纸能够代表所述污泥的骨架结构；对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到仿真结果，其中，所述微流体芯片是根据所述模型化图纸得到的；根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理，反馈优化模拟仿真模型，其中，所述模拟仿真模型用于反映污泥脱水过程中的流场分布状况；将模拟仿真结果与所述三维重构模型进行比对反馈，验证三维重构操作的准确性以及所述方法的可靠性。
[0007]进一步地，建立所述污泥微观结构的三维模型包括：从所述二维切片中提取骨架
轮廓；一一对应连接相邻二维切片的骨架轮廓；拟合相邻二维切片的连接曲面得到所述三维模型。
[0008]进一步地，所述污泥的参数至少包括：污泥的孔隙度，其中，通过如下量化所述孔隙度：对所述二维切片进行阈值分割，识别出污泥的孔隙和基质，其中，所述孔隙的面积和总面积的比值为所述孔隙度。
[0009]进一步地，量化所述孔隙度还包括：识别所述孔隙中相互连通的部分，将所述相互连通的部分作为连通孔。
[0010]进一步地，对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到的仿真结果包括：流场分布云图和流场流线图，反映污泥脱水过程中流体流速分布以及流动方向。
[0011]进一步地，根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理包括：根将所述微流体芯片注水实验的实验结果与所述模拟仿真结果进行比对，其中，所述比对的内容为同一位置处的模拟仿真流速与微流体芯片注水实验流速是否一致。
[0012]进一步地，将所述模拟仿真结果与三维重构模型进行比对的内容包括：比对模拟仿真的流场流线与三维重构模型中二维特征切片的渗流流线在流向与密度上是否趋于一致。
[0013]根据本申请的另一个方面，还提供了一种污泥脱水性能的微观定量化分析系统，包括：建立模块，用于建立污泥微观结构的三维模型，其中，所述三维模型是对所述污泥进行微观结构扫描后建立的，所述三维模型中的污泥的参数进行了量化；提取模块，用于从所述三维模型中提取二维切片中的关键结构信息，其中，所述关键结构信息能够反映所述污泥的微观结构；实验模块，用于根据关键结构信息和三维模型参数得到用于制备微流体芯片的模型化图纸并进行芯片注水实验，实时观察并记录污泥脱水全过程，其中，所述模型化图纸能够代表所述污泥的骨架结构；仿真模块，用于对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到仿真结果，其中，所述微流体芯片是根据所述模型化图纸得到的；处理模块，用于根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理，反馈优化模拟仿真模型，其中，所述模拟仿真模型用于反映污泥脱水过程中流场的分布状况；验证模块，用于将模拟仿真结果与所述三维重构模型进行比对反馈，验证三维重构操作的准确性以及所述方法的可靠性。
[0014]进一步地，所述建立模块用于：从所述二维切片中提取骨架轮廓，一一对应连接相邻二维切片的骨架轮廓，拟合相邻二维切片的连接曲面得到所述三维模型。
[0015]进一步地，所述污泥的参数至少包括：污泥的孔隙度，其中，通过如下量化所述孔隙度：对所述二维切片进行阈值分割，识别出污泥的孔隙和基质，其中，所述孔隙的面积和总面积的比值为所述孔隙度；和/或，所述孔隙度还包括：识别所述孔隙中相互连通的部分，将所述相互连通的部分作为连通孔；和/或，所述处理模块用于比对模拟仿真的流场流线与三维重构模型中二维特征切片的渗流流线在流向与密度上是否趋于一致。
[0016]进一步地，对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到的仿真结果包括：流场分布云图和流场流线图，反映污泥脱水过程中流体流速分布以及流动方向；和/或，所述处理模块用于根据对微流体注水实验的实验结果对所述仿真结果进行比对，其中，所述比对的内容为同一位置出的模拟仿真流速与微流体芯片注水实验流速是否一致。
[0017]在本申请实施例中，采用了建立污泥微观结构的三维模型，其中，所述三维模型是
对所述污泥进行微观结构扫描后建立的，所述三维模型中的污泥的参数进行了量化；从所述三维模型中提取二维切片中的关键结构信息，其中，所述关键结构信息能够反映所述污泥的微观结构；根据关键结构信息和三维模型参数得到用于制备微流体芯片的模型化图纸并进行芯片注水实验，实时观察并记录污泥脱水全过程，其中，所述模型化图纸能够代表所述污泥的骨架结构；对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到仿真结果，其中，所述微流体芯片是根据所述模型化图纸得到的；根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理，反馈优化模拟仿真模型，其中，所述模拟仿真模型用于反映所述污泥的脱水性能；将模拟仿真结果与所述三维重构模型进行比对反馈，验证三维重构操作的准确性以及所述方法的可靠性。通过本申请解决了现有技术中由于忽略污泥微观结构而导致的污泥脱水性能无法进一步提高的问题，为提高污泥的脱水性能提供了支持。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种污泥脱水性能的微观定量化分析方法，其特征在于，包括：建立污泥微观结构的三维模型，其中，所述三维模型是对所述污泥进行微观结构扫描后建立的，所述三维模型中污泥的参数进行了量化；从所述三维模型中提取二维切片中的关键结构信息，其中，所述关键结构信息能够反映所述污泥的微观结构；根据关键结构信息和三维模型参数得到用于制备微流体芯片的模型化图纸并进行芯片注水实验，实时观察并记录污泥脱水全过程，其中，所述模型化图纸能够代表所述污泥的骨架结构；对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到仿真结果，其中，所述微流体芯片是根据所述模型化图纸得到的；根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理，反馈优化模拟仿真模型，其中，所述模拟仿真模型用于反映污泥脱水过程中的流场分布状况；将模拟仿真结果与所述三维重构模型进行比对反馈，验证三维重构操作的准确性以及所述方法的可靠性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述污泥微观结构的三维模型包括：从所述二维切片中提取骨架轮廓；一一对应连接相邻二维切片的骨架轮廓；拟合相邻二维切片的连接曲面得到所述三维模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述污泥的参数至少包括：污泥的孔隙度，其中，通过如下量化所述孔隙度：对所述二维切片进行阈值分割，识别出污泥的孔隙和基质，其中，所述孔隙的面积和总面积的比值为所述孔隙度。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，量化所述孔隙度还包括：识别所述孔隙中相互连通的部分，将所述相互连通的部分作为连通孔。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对所述微流体芯片的注水过程进行模拟仿真得到的仿真结果包括：流场分布云图和流场流线图，反映污泥脱水过程中流体流速分布以及流动方向。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据微流体芯片注水实验的实验结果对模拟仿真结果进行处理，包括：将所述微流体芯片注水实验的实验结果与所述模拟仿真结果进行比对，其中，所述比对的内容为同一位置处的模拟仿真流速与微流体芯片注水实验流速是否一致。7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述模拟仿真结果与三维重构模型进行比对的内容包括：比对模拟仿真的流场流线与三维重构模...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜旭，王月，黎佳未，李垦，彭苏怡，冯帆，林璋，唐崇俭，王海鹰，柯勇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：