谷精華，劉 健，范文玉*，趙立杰，左 越，司文豪

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；3.沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

1 材料與方法

1. 1 活性污泥及水樣采集

本試驗(yàn)的活性污泥樣本采自沈陽(yáng)某A2O工藝污水處理廠，為了保持試驗(yàn)的一致性，每次均在固定點(diǎn)液面下50 cm處采集內(nèi)、外回流活性污泥樣本。為了與內(nèi)、外回流污泥建立直接的聯(lián)系，在采集活性污泥樣本的同時(shí)，也在好氧池出水口采集了瞬時(shí)水樣進(jìn)行測(cè)定。每次活性污泥樣品和出水樣品均采集500 mL，為了減小微生物對(duì)水質(zhì)的影響，樣品采集、圖像采集與水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定之間的間隔時(shí)間不超過3 h。本試驗(yàn)共進(jìn)行6個(gè)月，共采集樣本91組。期間收集了污水處理廠的運(yùn)行參數(shù)，具體見表1。

表1 試驗(yàn)期間污水處理廠的運(yùn)行參數(shù)

1. 2 水質(zhì)指標(biāo)及測(cè)定方法

由于所采集的水樣為泥水混合液，所以在測(cè)定前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，即首先將水樣過濾，取濾液調(diào)節(jié)其pH值至中性，然后將水樣稀釋至合適的待測(cè)范圍。水樣中BOD、COD、TN和TP的測(cè)定分別采用《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測(cè)定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)中的稀釋接種法、《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重絡(luò)酸鹽法》(GB 11914—89)中的重鉻酸鉀法、《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)中的過硫酸鉀紫外分光光度法和《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)中的鉬酸銨分光光度法。

1. 3 活性污泥絮體圖像處理與分析

1.3.1 圖像采集

為了保證較大活性污泥絮體的通過，首先使用帶有尖端截面槍頭的校準(zhǔn)移液槍，取10 μL活性污泥樣品于載玻片上[14]，并用18 mm×18 mm的蓋玻片覆蓋；然后使用倒置光學(xué)顯微鏡(NikonEclipse TS100)和工業(yè)數(shù)碼相機(jī)(ToupTekTou Camucoms03100kpa)對(duì)活性污泥樣品進(jìn)行圖像采集。為了提高活性污泥信息的代表性，每個(gè)活性污泥樣品使用3張載玻片進(jìn)行形態(tài)學(xué)表征，并在總100×放大倍數(shù)下對(duì)載玻片上、中、下3個(gè)不同位置分別采集12張圖像，保存為2 048×1 536像素的TIF格式圖片，每個(gè)活性污泥樣品總共獲得108張圖片(12×3×3)。試驗(yàn)期間，得到91個(gè)活性污泥樣品，共19 656張圖片(108×91×2)。

1.3.2 圖像處理

根據(jù)Amaral等[15]開發(fā)的活性污泥絮體圖像處理程序，使用深度卷積網(wǎng)絡(luò)DeepLabv3+方法構(gòu)建活性污泥絮體分割模型，實(shí)現(xiàn)活性污泥絮體的分割。首先，對(duì)活性污泥絮體圖片背景進(jìn)行校正；然后，根據(jù)活性污泥絮體確定其二值圖像；最后，對(duì)活性污泥絮體二值化圖像的邊緣進(jìn)行檢測(cè)，確定測(cè)量區(qū)域，并提取活性污泥絮體的形態(tài)參數(shù)?；钚晕勰嘈躞w圖像處理的過程，見圖1。

圖1 活性污泥絮體圖像處理的過程

在本研究中，基于do Amaral[8]對(duì)活性污泥絮體的研究，對(duì)選取的25個(gè)活性污泥絮體形態(tài)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并去除多重相關(guān)系數(shù)大于|0.90|的變量和相關(guān)系數(shù)較低的變量，最終確定了14個(gè)活性污泥絮體形態(tài)參數(shù)，具體詳見表2。

表2 活性污泥絮體形態(tài)參數(shù)

1.4 偏最小二乘(PLS)法

偏最小二乘(PLS)法通過提取輸入矩陣X基本特征的線性組合，同時(shí)根據(jù)輸入矩陣X對(duì)輸出矩陣Y進(jìn)行建模，是一種監(jiān)測(cè)復(fù)雜過程的有效方法[17-18]。同時(shí)，PLS法也是一種兼顧多元線性回歸分析、典型相關(guān)分析和主成分分析功能的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，尤其適用于觀測(cè)數(shù)據(jù)(樣本量)較少的情況。PLS法除了可以建立更為合理的回歸模型，還可以提供更大、更深層次的信息。

本文采用PLS法使用SIMCA軟件對(duì)內(nèi)、外回流污泥絮體形態(tài)參數(shù)與好氧池出水水質(zhì)指標(biāo)(CODe、BODe、TNe和TPe)進(jìn)行PLS回歸分析，分別建立了內(nèi)回流污泥回歸模型(PLS1模型)和外回流污泥回歸模型(PLS2模型)，并通過擬合系數(shù)R2和預(yù)測(cè)系數(shù)Q2來判斷兩個(gè)回歸模型的適用性，最后根據(jù)預(yù)測(cè)系數(shù)Q2來確定最佳擬合模型。

擬合系數(shù)R2表示因變量與所有自變量之間的總體關(guān)系，可以體現(xiàn)出對(duì)回歸模型的解釋能力，其計(jì)算公式為

(1)

式中：SSR表示回歸平方和；SST表示總平方和。

預(yù)測(cè)系數(shù)Q2表示對(duì)因變量的預(yù)測(cè)能力，其計(jì)算公式為

(2)

式中：PRESSh為每一個(gè)維度的預(yù)測(cè)誤差平方和；SSh-1為前一個(gè)維度的殘差平方和[19]。

一般認(rèn)為，當(dāng)R2>0.5且Q2>0.5時(shí)，回歸模型的擬合效果較好[20]。在本研究中，輸入矩陣X包含表1中9個(gè)污水處理廠運(yùn)行參數(shù)和表2中14個(gè)活性污泥絮體形態(tài)參數(shù)；輸出矩陣Y由好氧池出水水質(zhì)指標(biāo)CODe、BODe、TNe和TPe組成。本次試驗(yàn)共得到91個(gè)活性污泥樣本，使用前80個(gè)活性污泥樣本作為訓(xùn)練集，其余11個(gè)活性污泥樣本作為驗(yàn)證集用于驗(yàn)證回歸模型的預(yù)測(cè)效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLS模型的建立

基于PLS法的建模原理，根據(jù)預(yù)測(cè)系數(shù)Q2來確定需要提取的主成分的個(gè)數(shù)，當(dāng)所提取的主成分Q2<0時(shí)，停止提取。提取主成分的目的是盡可能地保留數(shù)據(jù)本質(zhì)屬性，尋找原數(shù)據(jù)的內(nèi)在低維結(jié)構(gòu)，從而采用低維數(shù)據(jù)表征原數(shù)據(jù)，為后期研究分析提供依據(jù)。

對(duì)于內(nèi)回流污泥模型(PLS1模型)，共提取4個(gè)主成分，輸出矩陣Y的累計(jì)擬合系數(shù)R2=0.752，累計(jì)預(yù)測(cè)系數(shù)Q2=0.694；對(duì)于外回流污泥模型(PLS2模型)，共提取4個(gè)主成分，輸出矩陣Y的累計(jì)擬合系數(shù)R2=0.775，累計(jì)預(yù)測(cè)系數(shù)Q2=0.720。兩個(gè)回歸模型輸出矩陣中輸出變量的R2和Q2值，見表3。

表3 PLS1模型和PLS2模型出水水質(zhì)指標(biāo)的擬合系數(shù)R2和預(yù)測(cè)系數(shù)Q2

由表3可知，兩個(gè)回歸模型對(duì)于出水中各輸出變量的預(yù)測(cè)系數(shù)Q2相差不大，但PLS1模型對(duì)于CODe、BODe有更好的預(yù)測(cè)能力，而PLS2模型則對(duì)TNe、TPe有更好的預(yù)測(cè)能力。

2. 2 模型擬合及預(yù)測(cè)效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證回歸模型的預(yù)測(cè)效果，使用相對(duì)誤差r和確定性系數(shù)dy來確定回歸模型的擬合及預(yù)測(cè)程度。模型的相對(duì)誤差越小，確定性系數(shù)越大，表示回歸模型預(yù)測(cè)得越準(zhǔn)確。相對(duì)誤差r和確定系數(shù)dy的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

為了分析兩個(gè)回歸模型的擬合效果，將PLS1模型和PLS2模型訓(xùn)練集樣本的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，見圖2。

由圖2可見，兩個(gè)回歸模型對(duì)輸出變量的預(yù)測(cè)能力大致相同，但是從相對(duì)誤差數(shù)據(jù)的波動(dòng)來看，PLS2模型相對(duì)誤差數(shù)據(jù)的波動(dòng)要小于PLS1模型，即從模型的擬合角度來看，PLS2模型的擬合效果要稍優(yōu)于PLS1模型。

為了分析兩個(gè)回歸模型的預(yù)測(cè)效果，將驗(yàn)證集樣本分別代入PLS1模型、PLS2模型計(jì)算其預(yù)測(cè)值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，見圖3。

由圖3可見，兩個(gè)回歸模型中CODe、BODe、TNe、TPe預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，這意味著通過活性污泥絮體形態(tài)參數(shù)預(yù)測(cè)出水水質(zhì)具有可行性，表明模型有著很好的預(yù)測(cè)能力。

PLS1模型和PLS2模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的合格率E(即小于給定相對(duì)誤差的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的百分比)和確定性系數(shù)dy,見表4。

由表4可知，兩個(gè)回歸模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的確定性系數(shù)dy都達(dá)到了0.60以上，說明兩個(gè)回歸模型對(duì)出水水質(zhì)均有較好的預(yù)測(cè)效果；但是從對(duì)比情況來看，在PLS2模型中CODe、TNe、TPe的確定性系數(shù)dy均高于PLS1模型，且合格率E<20%的樣本比例更高，說明PLS2模型的計(jì)算結(jié)果更為可靠，證明從活性污泥絮體微觀角度建立出水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型的可行性。通過該模型，可以更好地指導(dǎo)實(shí)際污水處理設(shè)施的運(yùn)行，從而為污水處理廠水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

圖2 PLS1模型和PLS2模型訓(xùn)練集樣本的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較

圖3 PLS1模型和PLS2模型驗(yàn)證集樣本的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較

表4 PLS1模型和PLS2模型出水水質(zhì)指標(biāo)的擬合及預(yù)測(cè)效果對(duì)比

2. 3 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

2.3.1 輸入變量之間的相關(guān)關(guān)系

活性污泥絮體的形態(tài)特征與污水處理廠運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，為了研究它們之間的關(guān)系，對(duì)它們之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了討論，各參數(shù)間相關(guān)系數(shù)取絕對(duì)值后得到的相關(guān)系數(shù)矩陣，見圖4。

圖4 PLS1模型和PLS2模型輸入變量與輸出變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣圖

由圖4可以看出：

(1) 總的來看，活性污泥絮體不同形態(tài)參數(shù)間具有一定的相關(guān)關(guān)系。其中，用于表征絮體數(shù)量的參數(shù)N與用于表征絮體大小的參數(shù)A、P、Pconv、Fmax、Deq之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.6(p<0.05)；表征絮體密實(shí)度、絮體大小和絮體規(guī)則性的參數(shù)之間也同樣具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)>0.5，p<0.05)。由此來看，在不同的客觀條件下，表征絮體大小、絮體密實(shí)度和絮體規(guī)則性的參數(shù)變化較為同步。另外，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)之間也存在著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，其中CODi、BODi、TNi之間的相關(guān)系數(shù)都在0.85以上(p<0.05)，說明進(jìn)水中污染物成分較為穩(wěn)定。而好氧池運(yùn)行參數(shù)T、pH值與活性污泥絮體形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系較為一般，推測(cè)變量T和pH值并沒有達(dá)到能夠顯著影響活性污泥絮體微觀特征的水平。

(2) 對(duì)比來看，PLS2模型中輸入變量之間的相關(guān)性更強(qiáng)，除了變量RD、RR、FD和R外，其他變量之間均具有較好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)>0.5，p<0.05)。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于內(nèi)回流污泥，當(dāng)絮體面積較大時(shí)，絮狀物的密實(shí)度和圓度也較高；而對(duì)于外回流污泥，絮體面積越大，絮狀物的密實(shí)度和圓度則越低。這可能與好氧池和二沉池的環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，在好氧池中，好氧微生物快速生長(zhǎng)，所以內(nèi)回流污泥較為緊實(shí)；在二沉池中，相比于污泥中的其他微生物，絲狀菌對(duì)水中DO、有機(jī)碳源有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，絲狀菌的繁殖同樣會(huì)導(dǎo)致絮體面積增大，但此時(shí)絮體的密實(shí)度會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響二沉池內(nèi)泥水分離，導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。

2.3.2 輸入變量與輸出變量之間的相關(guān)關(guān)系

表5列出了部分輸入變量與輸出變量的相關(guān)系數(shù)，從表中刪除了輸入變量RR、FD、T、pH值、r、R，因?yàn)樗鼈兣c輸出變量沒有顯著的相關(guān)性。

由表5可知，外回流污泥絮體形態(tài)參數(shù)與出水水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性更強(qiáng)，在所篩選的變量中，絮體的密實(shí)度參數(shù)(孔率HR)、進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)(CODi、BODi、TNi)與出水水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系更加密切。

表5 PLS1模型和PLS2模型輸入變量與輸出變量之間的相關(guān)系數(shù)

具體來看，對(duì)于COD、BOD來說，它們都表示水中有機(jī)物的含量，活性污泥絮體中微生物將有機(jī)物作為碳源，將其降解為無機(jī)物或合成自身細(xì)胞，從而去除水體中的有機(jī)物。在PLS1模型中，CODe、BODe與絮體密實(shí)度參數(shù)孔率HR呈正相關(guān)關(guān)系，與變量絮體密實(shí)度參數(shù)孔數(shù)H呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)活性污泥絮體結(jié)構(gòu)緊密、內(nèi)部孔洞數(shù)量少時(shí)，出水中CODe、BODe含量高。這主要是因?yàn)樵诨钚晕勰嘀校z團(tuán)細(xì)菌為嚴(yán)格好氧菌，絲狀菌是好氧和微量好氧菌，而內(nèi)回流污泥中DO含量較低，所以絲狀菌呈優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，造成絮體面積增大，引起污泥膨脹現(xiàn)象，致使出水水質(zhì)變差[21]。與此同時(shí)，大量菌膠團(tuán)會(huì)通過膠質(zhì)狀胞外多聚物(EPS)黏附在絲狀菌上，由于細(xì)菌相互堆積，會(huì)導(dǎo)致絮體密實(shí)度增加。另外，CODe和BODe與CODi、BODi、TNi呈正相關(guān)關(guān)系，說明CODe和BODe很大程度上取決于進(jìn)水污染物的濃度。在PLS2模型中，CODe、BODe與選擇的輸入變量都有一定的相關(guān)性，但值得注意的是，與PLS1模型不同，在PLS2模型中，CODe、BODe與HR呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

TN表示水體中各種有機(jī)氮和無機(jī)氮的總量，其主要通過硝化反硝化去除。在PLS1模型中，TNe與HR呈正相關(guān)關(guān)系，與DO呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在活性污泥法中，一般要求內(nèi)回流污泥中DO含量在0.5 mg/L以下，當(dāng)內(nèi)回流污泥中DO的含量較高時(shí)，會(huì)影響反硝化細(xì)菌的脫氮過程[22]。而對(duì)于PLS2模型來說，TNe與HR呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)活性污泥絮體密實(shí)度較低，外回流污泥孔洞內(nèi)部攜帶的DO會(huì)造成異氧菌大量繁殖，消耗有機(jī)碳源，引起后段反硝化碳源不足，影響反硝化的正常進(jìn)行，導(dǎo)致出水中TNe含量升高[23]。

磷對(duì)微生物生長(zhǎng)至關(guān)重要，當(dāng)水體中磷含量超過0.2 mg/L時(shí)，會(huì)引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化。在PLS1模型中，僅TPe與進(jìn)水參數(shù)的相關(guān)性較大，這主要是因?yàn)閮?nèi)回流污泥主要是起到脫氮的作用，與除磷效果的相關(guān)關(guān)系較弱。而在PLS2模型中，TPe與多個(gè)輸入變量呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)橥饣亓魑勰嘀袛y帶的硝酸鹽氮含量會(huì)影響聚磷菌的釋磷過程，從而影響后續(xù)的除磷過程[24]。

3 結(jié) 論

(1) 在本試驗(yàn)中，分析了內(nèi)、外回流污泥絮體形態(tài)參數(shù)與好氧池出水水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系，并結(jié)合污水處理廠運(yùn)行參數(shù)對(duì)出水中CODe、BODe、TNe、TPe進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過對(duì)比PLS1模型與PLS2模型的擬合效果和預(yù)測(cè)效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PLS2模型的擬合效果和預(yù)測(cè)效果均要優(yōu)于PLS1模型。其中，PLS2模型對(duì)CODe、BODe、TNe、TPe的預(yù)測(cè)系數(shù)Q2分別為0.736、0.665、0.753、0.716，表明該模型具有良好的預(yù)測(cè)效果，可以更好地指導(dǎo)實(shí)際污水處理設(shè)施的運(yùn)行，為污水處理廠的水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了一種新的方法。

(2) 通過對(duì)模型的驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PLS1模型和PLS2模型兩個(gè)回歸模型驗(yàn)證集的確定性系數(shù)都達(dá)到了0.60以上，說明兩個(gè)回歸模型對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)均有較好的預(yù)測(cè)效果，證明了從活性污泥絮體微觀角度建立水質(zhì)預(yù)報(bào)模型的可行性。但是對(duì)比來看，PLS2模型中的確定性系數(shù)均高于PLS1模型，且E<20%的樣本比例更高，說明PLS2模型的計(jì)算結(jié)果更為可靠。

(3) 相關(guān)性分析表明：在PLS1模型中，當(dāng)活性污泥絮體面積越大、密實(shí)度越高、形狀越規(guī)則時(shí)，出水中CODe、BODe、TNe、TPe越高；在PLS2模型中，當(dāng)活性污泥絮體面積越大、絮體密實(shí)度越低、絮體形狀與圓偏差越大時(shí)，出水中CODe、BODe、TNe、TPe越高。在實(shí)際污水處理廠的運(yùn)行中，一方面可以對(duì)這些活性污泥絮體的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，判斷出水水質(zhì)；另一方面，可以通過調(diào)整模型中提及的運(yùn)行參數(shù)，來改善出水水質(zhì)。