Aνάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων ανάλυσης εικόνας σε δείγματα ενεργού ιλύος και συσχέτιση παραμέτρων καθηζησιμότας ιλύος

Abstract

Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η ανάπτυξη μίας μεθόδου ανάλυσης και επεξεργασίας της μικροσκοπικής εικόνας δειγμάτων ενεργού ιλύος με σκοπό τον υπολογισμό μορφολογικών παραμέτρων των κροκίδων ενεργού ιλύος και στη συνέχεια ο προσδιορισμός των μεταξύ τους συσχετίσεων. Επιπλέον εξετάζεται η συσχέτιση των παραμέτρων καθιζησιμότητας ενεργού ιλύος, καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας στα χαρακτηριστικά καθιζησιμότητας.

Στην πρώτη φάση περιγράφεται αναλυτικά η μέθοδος ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνας δειγμάτων ενεργού ιλύος κατά την οποία συνδυάζεται η μικροσκοπική παρατήρηση με ένα λογισμικό επεξεργασίας εικόνας. Αυτή η εφαρμογή έχει την δυνατότητα εντοπισμού και καταγραφής των μορφολογικών παραμέτρων χιλιάδων κροκίδων ενεργού ιλύος με αρκετά μεγάλη ακρίβεια με αποτέλεσμα να καταργείται η υποκειμενικότητα του παρατηρητή. Στη συγκεκριμένη εργασία υπολογίστηκαν οι εξής παράμετροι: Επιφάνεια, περίμετρος, aspect ratio, μέγιστος άξονας, μέγιστη διάμετρος, ελάχιστη διάμετρος, μέση διάμετρος και καμπυλότητα.

Αρχικά πραγματοποιήθηκε μία σειρά μετρήσεων για το ίδιο δείγμα το οποίο επρόκειτο για ανάμικτο υγρό από την Ε.Ε.Λ. Ψυττάλειας, με σκοπό την εξέταση της επαναληψιμότητας και της ακρίβειας της μεθόδου. Από την στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων προέκυψε το συμπέρασμα ότι η μέθοδος διαθέτει επαναληψιμότητα καθώς αν εξαιρεθεί η επιφάνεια, όλες οι υπόλοιπες παράμετροι δεν παρουσίασαν σημαντικές αποκλίσεις από τον μέσο όρο. Επιπλέον στην πλειοψηφία των παραμέτρων τα περιθώρια σφάλματος εμφανίστηκαν αρκετά μικρά, ειδικά στην περίπτωση του συνόλου των μετρήσεων, γεγονός που ενισχύει την μεγάλη ακρίβεια της μεθόδου.

Στη συνέχεια, η μέθοδος εφαρμόστηκε για την εξέταση δειγμάτων ανάμικτου υγρού που προέρχονταν από διάφορα συστήματα επεξεργασίας ιλύος και διέφεραν ως προς τη σύνθεση της βιομάζας τους. Κατά την στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων αρχικά καταστρώθηκαν για κάθε σύστημα οι αθροιστικές κατανομές των αποτελεσμάτων κάθε παραμέτρου και έπειτα καταγράφηκαν οι τιμές των παραμέτρων που αντιστοιχούν στο 50%, 80% και 90% των κροκίδων. Παρατηρήθηκε ότι σε όλα τα συστήματα το aspect ratio είχε τιμές αρκετά μεγαλύτερες της μονάδας δηλαδή η πλειοψηφία των κροκίδων έτεινε να έχει επίμηκες σχήμα. Επίσης η καμπυλότητα εμφανιζόταν πολύ μεγαλύτερη της μονάδας που οδηγούσε στο συμπέρασμα ότι κατά κύριο λόγο οι κροκίδες είχαν ακανόνιστη δομή. Επιπλέον τα συστήματα που εμφάνιζαν υψηλή τιμή στο μέγιστο άξονα, στη μέγιστη διάμετρο και στη μέση διάμετρο των κροκίδων, παρατηρήθηκε ότι εμφάνιζαν αντίστοιχα υψηλές τιμές και στην επιφάνεια των κροκίδων.

Μετέπειτα, πραγματοποιήθηκε η διερεύνηση της γραμμικής συσχέτισης των τιμών των παραμέτρων που αντιστοιχούν στο 50%, 80% και 90% των κροκίδων μεταξύ τους καθώς και με το DSVI, το MLSS, τον αριθμό των αντικειμένων ανά mm2 και το ποσοστό κάλυψης της επιφάνειας από τις κροκίδες. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν ήταν τα εξής:

Όσο αυξάνεται το μέγεθος των κροκίδων το aspect ratio φαίνεται ότι μειώνεται, δηλαδή η έλλειψη που τις περικλείει τείνει να αποκτά πιο σφαιρικό σχήμα. Όσο αυξάνεται το μέγεθος των κροκίδων, αυξάνεται και η καμπυλότητα δηλαδή η δομή τους γίνεται πιο ακανόνιστη και διάχυτη. Όταν αυξάνεται το aspect ratio φαίνεται ότι αυξάνεται και ο αριθμός των αντικειμένων ανά mm2, δηλαδή όσο πιο ελλειψοειδείς γίνονται οι κροκίδες, τόσο αυξάνεται ο αριθμός τους ανά mm2. Η καμπυλότητα παρουσιάζει αρνητική συσχέτιση με τον αριθμό των αντικειμένων ανά mm2 δηλαδή όσο λιγότερο διάχυτη είναι η δομή τόσο πιο πολλές κροκίδες προκύπτουν ανά mm2. Όταν το μέγεθος των κροκίδων αυξάνεται τότε μειώνεται ο αριθμός των αντικειμένων ανά mm2. Δηλαδή μεγαλύτερες κροκίδες καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο στο πλακίδιο κι επομένως ο αριθμός τους ανά mm2 είναι μικρότερος. Όταν αυξάνεται ο δείκτης καθιζησιμότητας DSVI και επομένως οι κροκίδες συγκρατούν νερό μέσα τους λόγω της νηματοειδούς διόγκωσης, τότε το σχήμα τους τείνει να γίνεται πιο ελλειψοειδές ή επίμηκες. Οι διαστάσεις της κροκίδας δηλαδή ο μέγιστος άξονας, η μέγιστη διάμετρος και η μέση διάμετρος καθώς και η επιφάνεια τους παρουσιάζουν ισχυρές θετικές συσχετίσεις μεταξύ τους. Η αύξηση του μεγέθους των κροκίδων οδηγεί στη μείωση της συγκέντρωσης στερεών. Τέλος προέκυψε πως υψηλές τιμές του δείκτη DSVI σχετίζονται θετικά με χαμηλές συγκεντρώσεις στερεών και αντίστροφα.

Επιπρόσθετα κατά τη φάση διερεύνησης της συσχέτισης των παραμέτρων καθιζησιμότητας εξετάστηκαν δείγματα από πέντε διαφορετικές Ε.Ε.Λ. που διέφεραν ως προς τη σύνθεση τους και διαπιστώθηκε ότι υπάρχει άμεση συσχέτιση ανάμεσα στο δείκτη DSVI και τις σταθερές Vo και n της εξίσωσης Vesilind. Ειδικότερα, με την αύξηση του δείκτη καθιζησιμότητας DSVI παρατηρήθηκε μείωση στη τιμή της σταθεράς Vo και αύξηση στη σταθερά n αντίστοιχα.

Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στις σταθερές Vo και n και το δείκτη DSVI. Συγκεκριμένα για το ίδιο δείγμα (Ε.Ε.Λ Ψυττάλειας) πραγματοποιηθήκαν τρεις σειρές πειραμάτων προσδιορισμού της ταχύτητας καθίζησης σε πέντε θερμοκρασίες: Στους 10 ⁰C, 20 ⁰C, 25⁰C, 30⁰C και 35⁰C. Σε κάθε θερμοκρασία υπολογίστηκαν οι τιμές των σταθερών Vo και n, του DSVI και του ιξώδους του ανάμικτου υγρού εκάστοτε πειράματος και στη συνέχεια ο μέσος όρος των τιμών κάθε παραμέτρου καταγράφηκαν διαγραμματικά συναρτήσει της θερμοκρασίας.

Από τη διαγραμματική απεικόνιση της σταθεράς Vo παρατηρήθηκε γραμμική αύξηση στη τιμή της με την άνοδο της θερμοκρασίας αλλά κυρίως η τιμή της παρουσίασε αλματώδη άνοδο κατά τη μετάβαση από τους 25 oC στους 30 oC. Γι αυτό το λόγο το γράφημα χωρίστηκε σε δύο περιοχές, την περιοχή κάτω των 25 oC και την περιοχή άνω των 30 oC. Από την άλλη πλευρά η σταθερά n δεν φαίνεται να επηρεάζεται σημαντικά από την μεταβολή της θερμοκρασίας και η τιμή της μάλλον καθορίζεται από το είδος της εκάστοτε ιλύος.

Όσον αφορά στο δείκτη καθιζησιμότητας DSVI φαίνεται πως η θερμοκρασία επηρεάζει σημαντικά τη τιμή του στο θερμοκρασιακό διάστημα 20 oC – 30 oC. Κάτω από τους 20 oC δεν φαίνεται να υπάρχει καμία επιρροή πάνω στην καθιζησιμότητα, από τους 20 oC έως τους 30 oC παρατηρήθηκε γραμμική μείωση της τιμής του, ενώ πάνω από τους 30 oC παρατηρήθηκε ότι η επίδραση της θερμοκρασίας αρχίζει και επηρεάζει αρνητικά την καθιζησιμότητα.

Τέλος από την εξέταση του ιξώδους σε εκάστοτε θερμοκρασία προέκυψε πως η τιμή του μειώνεται γραμμικά με την άνοδο της θερμοκρασίας. Σε αυτή τη μείωση του ιξώδους αποδόθηκε η βελτίωση της καθιζησιμότητας με την άνοδο της θερμοκρασίας μιας και οποιαδήποτε άλλη διεργασία σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα θα ήταν δύσκολο να επιτευχθεί.

Συνοψίζοντας, στη παρούσα εργασία αναπτύχθηκε μία μέθοδος ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνας που παρουσιάζει ακρίβεια και επαναληψιμότητα καθώς προέκυψαν μικρά περιθώρια σφάλματος (ειδικά στην περίπτωση του συνόλου των μετρήσεων) και η πλειοψηφία των παραμέτρων δεν παρουσίασαν σημαντικές αποκλίσεις από τον μέσο όρο. Επιπλέον αν ληφθεί υπόψιν ότι ο αριθμός των κροκίδων που καταμετρώνται σε κάθε σειρά μετρήσεων είναι μεγάλος, μπορούμε να είμαστε σίγουροι για την αξιοπιστία της μεθόδου και ότι μπορεί να εφαρμοστεί με ασφάλεια για το χαρακτηρισμό της μορφολογίας δειγμάτων ενεργού ιλύος. Όσον αφορά στο δεύτερο σκέλος της εργασίας παρατηρήθηκαν σημαντικές συσχετίσεις ανάμεσα στις παραμέτρους καθιζησιμότητας καθώς επίσης ότι η θερμοκρασία παίζει σημαντικό ρόλο στη καθιζησιμότητα της ενεργού ιλύος.

The activated sludge system is today one of the prevailing systems of biological wastewater treatment. This system is widespread used due to its efficiency in delivering an effluent of great quality with the most economical operational way. In the activated sludge process, it is necessary to separate the treated wastewater from the biological sludge mass, thereby producing a clear effluent. Therefore, the effluent’s quality partially depends on the secondary settling tanks performance which is very susceptible to unexpected changes in operational conditions, where several disturbances associated to activated sludge structure and sludge settling ability may arise. The aim of this thesis is the development of an image processing and analysis technique in order to characterize the activated sludge flocs morphology as well as evaluating the relationship between the sludge settling parameters and the temperature effect on zone settling parameters.

Experimental process and results

Image analysis and processing technique:

Over the years several image processing and analysis techniques have been developed in order to characterize the activated sludge flocs morphology. The main application of these techniques was focused on the flocs structure monitoring so as to control and prevent the development of filamentous bulking.

The image processing and analysis technique combines the microscopic observation with the automation of an image analysis program. This application has the capability of detecting and counting thousand of activated sludge flocs as well as measuring with great accuracy several activated sludge floc’s morphological parameters. Activated sludge samples from each system were measured in an optical microscope (Nikon Eclipse 80), in phase contrast at 100x total magnification, coupled with a Lumenera Infinity 1-3c camera. Microbial structure images were acquired at 2048 x 1536 pixel and 24 bit format. One drop of the sample was deposited on the slide and afterwards was covered with a cover slip carefully without producing air leaks. Images were acquired in the middle of the slide covering an area of 1 cm2, resulting in approximately 500 images. Three slides per sample were measured in order to improve the representativeness of the floc structure in the system.

The image processing was performed through the image pro plus software were the routines were developed in Visual basic. The floc counting was performed through the following steps: 1. Manual determination of the flocs color 2. Implementation of several filtering techniques for enhancing the objects definition 3. Highlighting the measuring outline and assigning a reference number to flocs on the processed image and the original image. 4. Manual removal of flocs touching the image border, air leaks, oil drops and debris 5. Manual separation of flocs having been counted as one floc 6. Determination of the smaller floc (diameter <50 μm) and automatic elimination of objects smaller than the determined minimum size.

In the present thesis, the parameters that were measured for each activated sludge floc were: Area (μm2); perimeter (μm) defined as the length of the object’s outline; aspect ratio defined as the ratio between major axis and minor axis of the ellipse equivalent to the object; major axis (μm) defined as the length of major axis of the ellipse equivalent to the object; maximum diameter (μm) defined as the length of longest line joining two points of floc’s outline and at the same time passing through the centroide; minimum diameter (μm) defined as the length of shortest line joining two points of floc’s outline and at the same time passing through the centroide; mean diameter (μm) defined as the average length of all diameters measured at 2 degrees intervals and passing through the floc’s centroide; roundness, calculated by the following equation: 〖perimeter〗^2/(4∙π∙Area). Also the activated sludge flocs were classified according to their size based on the maximum diameter, the minimum diameter and the mean diameter in three classes: Small flocs (D<150μm), medium flocs (150μm<D<500μm) and large flocs (D>500 μm).

At first, the technique’s repeatability and accuracy was tested by performing a series of examination tests to the same sample coming from the waste water treatment plant (WWTP) located at Psitalia. At total, a large number of flocs were examined (5702 flocs). Afterwards, the method was applied for the examination of the activated sludge flocs characteristics of samples coming from various activated sludge systems which had different operating conditions and biomass structure. For each system the measured values of each morphological parameter were displayed in a cumulative distribution in order to evaluate the parameter’s value which corresponded to the 50%, 80% and 90% of flocs. These values (only the conventional activated sludge systems were concerned in this analysis) were statistically compared (correlation analysis) with MLSS, DSVI, the percentage of ratio of total objects area to total regions area (PERarea%) and the calculated objects number for a 1 mm2 (OBJnum).

From the cumulative distribution of the measured values of each morphological parameter the main conclusions were the above: The aspect ratio’s and roundness values were high (>>1) at all the examined systems leading to the conclusion that the majority of flocs were elongated and had irregular boundaries. Additionally the systems having high values at the diameter max, diameter min and diameter mean parameters, had high values at the parameter Area as well.

The main conclusions from the correlation analysis with the Pearson coefficient were the above: Increase in floc’s size results in a decrease of aspect ratio values, meaning that the ellipse equivalent to floc acquires more circular shape. Increase in floc’s size results in an increase of roundness values, meaning that the floc’s shape becomes more irregular. There is a negative correlation between the parameters describing the flocs size and the objects number, meaning that the more the floc’s shape minimizes the more the number of flocs per area increases. Increase in aspect ratio values results in an increase of the objects number, meaning that the more elongated the floc’s shape becomes, the more the number of flocs per area increases. There is a negative correlation between roundness values and objects number, meaning that the less irregular the floc’s shape becomes, the more the number of flocs per area increases. Increase in DSVI values results in an increase to aspect ratio values, meaning that at bulking situations the flocs shape becomes more elongated. There is a strong positive correlation between the parameters axis major, diameter max, diameter min, diameter mean and the floc’s area. There is a negative correlation between flocs size and MLSS concentration. Finally there is a negative correlation between DSVI and MLSS concentration.

Relationship between the sludge settling parameters and the temperature effect on them:

Several authors (Tuntoolavest & Grady (1982), Daigger & Roper (1985), Pitman (1984), Daigger (1995), Wahlberg & Keinath) have established empirical relationships linking the simple indexes of sludge settleability (SVI, DSVI, SSVI3.5) to the Vo and n constants of Vesilind equation. At this thesis the correlation between the sludge settling properties and DSVI has been evaluated. Zone settling velocity tests and DSVI tests were performed at room temperature to activated sludge samples from various WWTP. Afterwards the Vo and n constants were plotted against DSVI.

A significant relationship between Vo and n constants and DSVI arises from the graphs above revealing that the DSVI increase is leading to a decrease to the Vo settling constant and an increase to the n constant. Furthermore, the temperature impact on zone settling characteristics and DSVI was evaluated during another experimental process. Zone settling velocity tests and DSVI tests were conducted at the temperature range of 10 ⁰C, 20 ⁰C, 25⁰C, 30⁰C and 35⁰C for the same activated sludge sample coming from the WWTP located at Psitalia. Also the mixed liquor viscosity was measured at the same temperature range. Afterwards the Vo and n constants, DSVI and viscosity were plotted against temperature.

The results from this experiment revealed a strong relationship between sludge settling characteristics and temperature: The values of Vo constant are significantly affected from the temperature increase. Although below 25 oC there is a steady and linear increase of Vo constant values, at the temperature range 25oC - 30 oC a steep increase of the constant is noted. For temperatures above 30 oC there is not a significant impact on Vo constant. On the other hand, the n constant is not significantly affected from the temperature increase.

Additionally, it seems that there is a strong temperature influence on DSVI values at the range of 20 oC - 30 oC leading to a linear DSVI decrease. A temperature impact on DSVI values for temperatures below 20 oC is not noted. Regarding temperatures over 30 oC it seems that the temperature impact leads to a DSVI increase resulting in a deterioration of sludge settling capability. Finally, the significant decrease of mixed liquor viscosity under temperature increase explains the enhancement of sludge settling parameters as a biological process could not happen at such a short period of time.

Conclusions

At this postgraduate thesis an image processing and analysis technique was developed in order to characterize the activated sludge flocs morphology. The methodology’s feasibility to produce accurate results was evaluated and afterwards it was implemented for the examination of various activated sludge samples. The obtained results support the use of image analysis technique for the assessment of activate sludge flocs morphology. Additionally, the relationship between the sludge settling parameters as well as the temperature effect on these parameters were evaluated. It was concluded that there is a significant relationship connecting Vesilind constants and DSVI. Furthermore the temperature increase results in the enhancement of activated sludge settleability and this was attributed to the decrease of mixed liquor viscosity with the temperature