電子鼻用于對(duì)污水處理廠氣味監(jiān)測(cè)

城市污水進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)大，工業(yè)廢水間歇性偷排會(huì)破壞污水處理工藝，污染物還會(huì)隨出水進(jìn)入自然水體、威脅取水安全。傳統(tǒng)水質(zhì)化學(xué)檢測(cè)手段設(shè)備昂貴、采樣與檢測(cè)周期長(zhǎng)，難以快速識(shí)別污水突發(fā)污染；AIRSENSE電子鼻依靠金屬氧化物傳感器陣列模擬人體嗅覺(jué)，可快速識(shí)別復(fù)雜氣味混合物，已在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好重復(fù)性，具備污水實(shí)時(shí)預(yù)警潛力。

三大研究目標(biāo)

1、驗(yàn)證電子鼻對(duì)國(guó)外三座二級(jí)污水處理廠進(jìn)、出水氣味的監(jiān)測(cè)能力。

2、探究 7 個(gè)月監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，季節(jié)變化對(duì)不同來(lái)源污水樣本氣味特征的影響。

3、結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)，分析電子鼻傳感器信號(hào)與致臭污染物的相關(guān)性。

采樣與傳統(tǒng)理化檢測(cè)

研究對(duì)象：國(guó)外三座污水廠。

采樣周期： 3—11 月，每月采集進(jìn)水、出水水樣，持續(xù) 7 個(gè)月。

水樣分裝：2L 水樣用于常規(guī)理化指標(biāo)檢測(cè)（BOD、COD、硫化氫、氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽、油脂、懸浮物等），遵循《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》；4mL 低溫冷藏水樣用于電子鼻氣味檢測(cè)。

前處理：水樣密封靜置 2 小時(shí)，使頂空氣相富集揮發(fā)性致臭物質(zhì)后上機(jī)測(cè)試。

AIRSENSE電子鼻檢測(cè)方案

采用AIRSENSE便攜式電子鼻，搭載 10 種非特異性金屬氧化物傳感器：

1、測(cè)試流程：零氣沖洗 50s→基線校準(zhǔn) 10s→水樣頂空氣體檢測(cè) 60s，每組樣本重復(fù) 2 次；

2、差分檢測(cè)原理：對(duì)比潔凈參考空氣與污水氣相信號(hào)，抵消傳感器漂移干擾；

3、數(shù)據(jù)記錄：保存全部傳感器響應(yīng)曲線，計(jì)算各廠進(jìn)、出水平均響應(yīng)值用于相關(guān)性分析。

數(shù)據(jù)分析手段

1、主成分分析（PCA）：將 10 維傳感器信號(hào)降維至二維坐標(biāo)系，區(qū)分不同來(lái)源、不同時(shí)期污水樣本氣味特征；

2、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：計(jì)算水質(zhì)指標(biāo)均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差，P<0.01 判定廠間 / 進(jìn)出水指標(biāo)差異顯著；計(jì)算傳感器響應(yīng)與致臭物質(zhì)的相關(guān)系數(shù) R，P<0.05 代表相關(guān)性顯著。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

01、傳統(tǒng)理化檢測(cè)結(jié)果

三座污水廠進(jìn)水所有理化指標(biāo)均顯著高于出水（P<0.01）；其中一廠進(jìn)水 BOD、COD、硫化氫、氨氮、懸浮物濃度顯著高于另外兩座廠區(qū)；出水硝酸鹽濃度普遍高于進(jìn)水，源于生物硝化作用；各廠檢測(cè)數(shù)值與過(guò)往研究結(jié)果吻合。

02、PCA 氣味聚類結(jié)果

三座污水廠出水 PCA 聚類大范圍重疊，證明各廠二級(jí)處理工藝污染物去除效率相近，出水氣味特征差異小。

03、傳感器與致臭物質(zhì)相關(guān)性

7 支傳感器（R1/R2/R3/R5/R6/R8/R9）與硫化氫（H?S）、氨氮（NH?）、硝酸鹽（NO?）存在顯著相關(guān)（P<0.05）：

R1、R5、R6 對(duì)硫化氫、氨氮響應(yīng)相關(guān)性突出；

R6、R8 與硝酸鹽相關(guān)性強(qiáng)；

印證金屬氧化物傳感器可捕捉污水中微生物分解產(chǎn)生的揮發(fā)性致臭組分，適用于污水廠入口長(zhǎng)期氣味動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

結(jié)論

1、搭載 10 組金屬氧化物傳感器的AIRSENSE電子鼻，結(jié)合 PCA 分析，可在 7 個(gè)月監(jiān)測(cè)周期內(nèi)區(qū)分三座污水廠不同來(lái)源、不同時(shí)期的進(jìn) / 出水樣本氣味。

2、AIRSENSE電子鼻傳感器信號(hào)與硫化氫、氨氮、硝酸鹽三類污水核心致臭污染物顯著相關(guān)。

3、AIRSENSE電子鼻可作為快速預(yù)警設(shè)備，在污水深度處理、再生水生產(chǎn)工藝中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)揮發(fā)性污染物質(zhì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)滯后、成本高的短板。