在線惡臭電子鼻在臭氣濃度監測中的應用

劉甜恬，許建光，黑 亮

(1.愛爾開阿貝優公司， 廣東廣州 5102302;2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院， 廣東廣州 510611)

與大氣污染、水污染、土壤污染相比，惡臭污染一直是一個很難評價的環境問題。惡臭是指一切刺激嗅覺器官，引起人們不愉快及損害生活環境的氣體物質，惡臭的來源多種多樣，導致了日常監控臭氣濃度難度高。同時，惡臭排放的一個重要特點是間隔性、不確定性，因此對監測的時效性、實時性要求就非常高。此外，惡臭會隨著大氣條件的變化向周邊地區擴散，對周邊環境的影響隨著天氣情況、周邊地形的不同而變化。因此，僅僅對污染源進行監控，在很多情況下并不能滿足對整個地區的惡臭進行動態實時監控的要求。隨著人們生活水平的提高，環保意識的增強，人們對生活環境的質量要求越來越高，惡臭造成的民眾投訴的數量也逐年激增。傳統的國家標準方法－三點比較式臭袋法測定臭氣濃度，由于操作環節眾多，各個環節要求的人工較多，存在著時效性差、數據的客觀性差、人工成本高等一系列問題，無法滿足日益增加的惡臭監測的要求。在線惡臭電子鼻是一款可以實現24h實時監控，提供與人工嗅辨完全吻合的臭氣濃度，并實現惡臭擴散預測達到城市級大范圍惡臭監控的儀器。本文介紹了在線惡臭電子鼻的構成原理以及在日常臭氣濃度監測中的應用。

1 在線臭氣濃度排放監控標準

目前涉及臭氣濃度監測的標準主要有:中國國家標準 (GB/T14675－93)、美國標準 (ASTM E679－04 Standard)、歐洲標準 (EN 13725 Standard)、德國標準 (VDI3940 Standard)等，涉及到利用在線惡臭電子鼻的標準為法國標準 (The Degree of April 22，2008，Article 27和 The Degree of Feb 12，2003，Article 46)。根據法國標準，惡臭流動速度必須定期檢測，如果應用了電子鼻，惡臭流動速度的檢測周期可以延長，必須將儀器檢測方法與測得的臭氣濃度和附近居民所感覺的危害進行關聯，在應用電子鼻進行惡臭連續監測的情況下，可以延長惡臭的檢測周期 (見表1)。

表1 法定惡臭監測周期

2 在線惡臭電子鼻的作用

在線惡臭電子鼻是一個全自動的監測系統，數據的保存、處理、計算都是自動進行的 (預先設定好程序)，同時還具有風速和風向檢測裝置，通過風向和風速來判斷惡臭的來源、擴算范圍及趨勢。其數據傳輸采用多種技術，可實現數據的遠程傳輸，也可通過網絡來進行遠程控制。可以實現對臭氣濃度24h不間斷監控，提供與人工嗅辨 (三點式比較式臭袋法)完全吻合的惡臭數值，并實現惡臭擴散預測達到城市級大范圍惡臭監控的完整解決方案。

2.1 實時掌握監控地點的惡臭排放

在線惡臭電子鼻可以實時監控臭氣的排放濃度和速率，擁有監測點附近的動態氣體擴散資料［1］，及時掌握惡臭危害是否擴散到附近居民區，并分析惡臭危害程度，為環境保護提供及時可靠的數據，為當地居民關于惡臭排放投訴做好數據準備。

2.2 了解監控地點惡臭排放的規律

針對某一監控區域，通過數年的監控，可以了解到該地區臭氣排放的歷史規律和臭氣濃度的高低，可以研究惡臭污染隨季節、時間、空間、風向和地形地貌等特征的變化規律次，為以后某一時段臭氣濃度排放超標做好預警和準備，保證當地居民的生產和生活不受影響［2］。

2.3 監控地點實時報警功能

當某一時段在線惡臭電子鼻檢測到臭氣濃度超出惡臭污染物排放標準 (GB14554－93)時，會自動報警，為環境監測部門提供臭氣排放超標數據，實時監控企業的惡臭污染排放達標情況，同時可以監控企業經過處理后的排放廢氣臭氣濃度情況，可以利用實施報警功能清楚地知道該廢氣處理系統是否可靠有效 (活性炭或者微生物等)和該生產工藝流程是否環保［3］，為企業節省成本，同時保證廢氣達標排放。

2.4 節約惡臭處理系統的成本

在線惡臭電子鼻監控系統具有激活惡臭處理系統的功能，當發現某時段臭氣濃度超出惡臭污染物排放標準時 (GB14554－93)，監控系統具有激活并啟動惡臭處理系統，通過不同的處理方法對惡臭排放進行處理，另外還可以通過實時監控的臭氣濃度的含量隨時調節惡臭處理時的用水量、添加劑以及能源，為企業或者垃圾處理場節省成本［4］。

3 在線惡臭電子鼻的構成和原理

3.1 在線惡臭電子鼻的構成

在線惡臭電子鼻主要由小型氣象工作站、臭氣采樣泵、水分灰塵過濾裝置、傳感器部分和數據處理與傳輸系統幾部分組成，各部分的功能如表2所示。

3.1.1 小型氣象工作站

很多在線惡臭監測現場都需要安裝小型氣象工作站，它可以實時監測現場的氣象指標，為監測單位提供臭氣濃度監測時段的風向、風速、氣溫、濕度，對監測點位的情況更加了解，同時可以節省人工成本和時間，另外通過風向和風速來判斷惡臭的來源和擴散范圍及趨勢。

3.1.2 臭氣采樣泵

根據臭氣排放方式的不同，在惡臭現場監測可以分為環境臭氣濃度監測、污染源臭氣濃度監測和處理后排放口臭氣濃度監測，在線惡臭電子鼻的進樣方式主要通過采樣泵把臭氣樣品抽入傳感器倉進行檢測和分析，進樣口可以和采樣點連接，空氣的流速通過內部的精度流量計進行調控，不同廠家的采樣泵材質和空氣流速都不同，有的廠家還配有空氣輸出泵的消音閥。

3.1.3 水分灰塵過濾系統

水分灰塵過濾系統裝在惡臭樣品進入到傳感器倉之前，主要負責把臭氣源排放出的臭氣中的水分和灰塵過濾掉，起到保護傳感器的作用，同時也能保證降低臭氣的本底噪聲。主要由濾膜和除水原件兩部分組成，濾膜一般3～4個月更換一次，晴朗天氣除水部件一般半年需更換一次，如遇潮濕或者陰雨天氣要經常更換除水部件。

3.1.4 傳感器倉

傳感器倉內裝有不同類型和數量的傳感器，是臭氣濃度分析系統的關鍵部分，主要負責對臭氣樣品中不同氣味成分的響應分析。不同廠家配有的傳感器數量和類型都不相同，主要有金屬氧化物傳感器、電化學傳感器、光離子化檢測器、溫度和濕度傳感器等。最常用的是金屬氧化物傳感器，因為它是一種交敏型的傳感器，具有靈敏度高、重復性好、使用壽命長等特點，另外該類型傳感器具有對所有氣味都有響應，對特殊氣味有偏好的特點，適應臭氣組成復雜的特點。電化學傳感器主要用來測定某一種氣體成分的含量，例如H2S、NH3或者SO2等，光離子化傳感器主要用來測定空氣中總揮發性有機物的含量。另外為了保證傳感器的長期穩定性和靈敏度，其傳感器倉必須恒溫恒濕，因此配有控制溫度和濕度的傳感器。

3.1.5 數據處理與傳輸系統

為了讓監測數據能快速地傳輸到用戶的大氣環境控制和監控系統，惡臭電子鼻還需要有數據處理與傳輸系統。數據處理系統是把惡臭污染物在傳感器上的響應值轉化為臭氣濃度值;數據傳輸一般分兩種模式進行，一種是通過網線進行連接傳輸，另外一種是通過GPRS進行傳輸。同時位于現場的電子鼻還具有存儲卡，可以存儲實時監控的臭氣濃度數據。另外數據傳輸到用戶監控系統后，一般都有數據處理或者操作系統，可以用來顯示實時監控的數據。也可以提供專門的數據發布網站，根據需求對網頁進行安全性設計，授權用戶可以在其它地方采用預設的用戶名、密碼登陸網站，實時查詢當前和歷史惡臭記錄。

3.1.6 其他組成

惡臭在線電子鼻除了以上幾個組成部分以外(見表2)，有些廠家針對現場臭氣濃度特點或者用戶的需要還配有稀釋單元和3D數據擴散模型。當監測現場臭氣濃度很高，直接進樣分析影響到傳感器的響應時，會用到稀釋單元，它可以把氣體稀釋成所需要的倍數然后進入傳感器倉進行檢測分析。3D數據擴散模型是根據當地的風向、風速以及地形地貌特征來做臭氣隨時間變化的擴散模型。另外如果測定煙筒里面排放廢氣的臭氣濃度時，還可以配置采樣槍，把煙筒里面的氣體引到傳感器倉進行樣品的分析。

表2 在線惡臭電子鼻組成及功能

3.2 在線惡臭電子鼻的工作原理

在線惡臭電子鼻的關鍵技術是傳感器倉，即對臭氣濃度進行分析的系統。惡臭電子鼻內置的采樣泵把經過除水和灰塵的樣品氣體帶入到傳感器倉，恒溫恒濕傳感器倉內的傳感器會對惡臭氣體產生響應，數據處理系統會把響應值轉換為臭氣濃度，臭氣濃度值經過數據傳輸系統到達用戶的控制中心，在控制中心的操作軟件平臺上會有臭氣濃度、H2S、NH3或者SO2等氣體成分的濃度，可以非常方便地了解和監控到現場的惡臭排放情況。

數據分析系統內置惡臭濃度計算數據庫，該數據庫的主要作用是將金屬氧化物傳感器、PID檢測器、電化學傳感器等得到的數據經過計算，換算成惡臭濃度。該惡臭濃度值是由專業的嗅辨人員，嚴格安裝國標規定的三點式臭袋法的操作流程得到的，利用三點比較式臭袋法和惡臭電子鼻同時做試驗，得到兩組數據。電子鼻得到的數據是氣體指紋信號，三點比較式臭袋法得到的是一組臭氣濃度(無量綱)。利用PLS算法對兩組數據進行關聯，做成標準曲線，用來換算現場的臭氣濃度。有些公司積累了適用于不同污染源的惡臭數據庫。但每個污染源排放的污染物狀況不盡相同，在安裝調試過程中，還會根據實際情況對該數據庫進行相應的調整。最終輸出的惡臭濃度和采樣三點比較式臭袋法人工嗅辨得到的惡臭濃度值相同。該數據庫可以集成到內置的單片機內，所有的數據經單片機計算后發送到數據接收軟件。客戶端無需對數據進行任何處理，只需要進行根據預設的權限進行查看。

圖1 在線惡臭電子鼻組成示意圖

4 儀器的日常維護

裝在現場的惡臭電子鼻需要日常的維護才能保證準確的數據采集、處理和傳輸，該儀器的維護主要集中在傳感器、除水及灰塵濾芯上。

4.1 傳感器的維護

傳感器都是有壽命的，包括金屬氧化物傳感器、電化學傳感器以及其他類型的傳感器。傳感器的壽命和安裝地點的臭氣濃度大小有關，如果傳感器接觸的樣品濃度高，相對來說傳感器的壽命就短。另外傳感器的壽命也和其質量有很大的關系。傳感器工作時對傳感器倉的環境要求很高，需要恒溫恒濕，而且要求溫度和濕度達到最高的靈敏度，因此需要工作人員經常注意傳感器倉的溫度和濕度是否發生偏離，如果發生偏離，需要重新對傳感器倉進行維護，保證其恒溫恒濕性。

每一種傳感器的信號和響應值都有飄移，如果傳感器信號發生漂移，內置在單片機內的標準曲線會發生偏離，現場測得的臭氣濃度就有很大誤差。因此需要對傳感器進行校準，校準時需要用潔凈空氣和標準氣體對傳感器進行校準，保證其基線穩定和靈敏度不變。校準時間要根據現場臭氣濃度情況和傳感器的質量而定。一般來說需要3～5個月校準一次。

4.2 除水及灰塵濾芯的維護

除水和灰塵濾芯保證了進入到傳感器倉的空氣的潔凈和干燥，對傳感器的工作有很大幫助，因此惡臭電子鼻需要更換濾芯。更換的時間和現場的濕度有很大關系，一般來說用戶需要每三個月更換一次除水除塵濾芯;雨季或其他潮濕工作環境下，每月需更換一次。

5 在線惡臭電子鼻存在的問題

在線惡臭電子鼻可以對現場的臭氣濃度、H2S、NH3或者SO2等氣體成分的濃度實時監控，不論是對環境保護、企業廢氣處理還是居民的日常生活都有重要的意義，但其本身也存在一定的問題。

5.1 數據庫標準曲線多變問題

在線惡臭電子鼻獲得的最初數據是不同氣體在傳感器上的響應信號值，要經過數據庫里面的標準曲線換算才能得到臭氣濃度值。但標準曲線的獲得存在較大的多變性和漂移性，首先不同的工廠會有不同的工藝流程，不同的工藝流程會有不同的氣體排出，不同的氣體在傳感器上有不同的信號響應值，也就意味著如果該工廠換了工藝流程，該曲線也就隨之發生變化，也就產生了漂移。其次某一點的臭氣濃度不是由一個污染源造成的，可能是幾個污染源共同作用的結果，因此不同的風向，氣體的成分和濃度會發生變化，曲線點也就隨之發生偏離，最終導致臭氣濃度結果發生偏離。

5.2 樣品的真實性問題

測定臭氣濃度采樣要具有真實性和代表性，但在線惡臭電子鼻如果從有組織排放口采樣分析時，需要經過稀釋、干燥和過濾，氣體的成分雖然沒有發生大的變化，但是經過處理后的氣體氣味肯定發生了變化，不符合采樣的規范，樣品的真實性也就發生了變化。

5.3 傳感器的穩定性問題

傳感器都是有壽命的，而且是不穩定的，需要就不同的時間點對其進行校準。企業排放廢氣濃度大小是不定的，污染源排放出氣體濃度很高時，會導致傳感器靈敏度下降。因此傳感器需要及時校準，如果時間長了，需要更換。

5.4 監測標準不符性問題

目前中國關于臭氣濃度測定的標準方法只有三點比較式臭袋法，而沒有對在線惡臭電子鼻做規定和發布使用標準。對于環保系統執法部門來說，它取得的結果只能作為參考，該數據不具有法律效益，不能作為執法的依據。

6 總結

在線惡臭電子鼻可以實現對臭氣濃度24h不間斷監控，提供與三點式比較式臭袋法完全吻合的惡臭數值，并實現惡臭擴散預測達到城市級大范圍惡臭監控全自動的監測系統，對實時掌握監控地點的惡臭排放、了解監控地點惡臭排放的規律、監控地點實時報警和節約惡臭處理系統的成本都有著很好的作用。但其也存在自身的缺點，需要更好的技術改進和環保法規的支持，使其在環境保護、企業發展以及廢氣排放預警等方面發揮更好地作用。

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