在线恶臭电子鼻在臭气浓度监测中的应用

刘甜恬，许建光，黑 亮

(1.爱尔开阿贝优公司， 广东广州 5102302;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院， 广东广州 510611)

与大气污染、水污染、土壤污染相比，恶臭污染一直是一个很难评价的环境问题。恶臭是指一切刺激嗅觉器官，引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质，恶臭的来源多种多样，导致了日常监控臭气浓度难度高。同时，恶臭排放的一个重要特点是间隔性、不确定性，因此对监测的时效性、实时性要求就非常高。此外，恶臭会随着大气条件的变化向周边地区扩散，对周边环境的影响随着天气情况、周边地形的不同而变化。因此，仅仅对污染源进行监控，在很多情况下并不能满足对整个地区的恶臭进行动态实时监控的要求。随着人们生活水平的提高，环保意识的增强，人们对生活环境的质量要求越来越高，恶臭造成的民众投诉的数量也逐年激增。传统的国家标准方法－三点比较式臭袋法测定臭气浓度，由于操作环节众多，各个环节要求的人工较多，存在着时效性差、数据的客观性差、人工成本高等一系列问题，无法满足日益增加的恶臭监测的要求。在线恶臭电子鼻是一款可以实现24h实时监控，提供与人工嗅辨完全吻合的臭气浓度，并实现恶臭扩散预测达到城市级大范围恶臭监控的仪器。本文介绍了在线恶臭电子鼻的构成原理以及在日常臭气浓度监测中的应用。

1 在线臭气浓度排放监控标准

目前涉及臭气浓度监测的标准主要有:中国国家标准 (GB/T14675－93)、美国标准 (ASTM E679－04 Standard)、欧洲标准 (EN 13725 Standard)、德国标准 (VDI3940 Standard)等，涉及到利用在线恶臭电子鼻的标准为法国标准 (The Degree of April 22，2008，Article 27和 The Degree of Feb 12，2003，Article 46)。根据法国标准，恶臭流动速度必须定期检测，如果应用了电子鼻，恶臭流动速度的检测周期可以延长，必须将仪器检测方法与测得的臭气浓度和附近居民所感觉的危害进行关联，在应用电子鼻进行恶臭连续监测的情况下，可以延长恶臭的检测周期 (见表1)。

表1 法定恶臭监测周期

2 在线恶臭电子鼻的作用

在线恶臭电子鼻是一个全自动的监测系统，数据的保存、处理、计算都是自动进行的 (预先设定好程序)，同时还具有风速和风向检测装置，通过风向和风速来判断恶臭的来源、扩算范围及趋势。其数据传输采用多种技术，可实现数据的远程传输，也可通过网络来进行远程控制。可以实现对臭气浓度24h不间断监控，提供与人工嗅辨 (三点式比较式臭袋法)完全吻合的恶臭数值，并实现恶臭扩散预测达到城市级大范围恶臭监控的完整解决方案。

2.1 实时掌握监控地点的恶臭排放

在线恶臭电子鼻可以实时监控臭气的排放浓度和速率，拥有监测点附近的动态气体扩散资料［1］，及时掌握恶臭危害是否扩散到附近居民区，并分析恶臭危害程度，为环境保护提供及时可靠的数据，为当地居民关于恶臭排放投诉做好数据准备。

2.2 了解监控地点恶臭排放的规律

针对某一监控区域，通过数年的监控，可以了解到该地区臭气排放的历史规律和臭气浓度的高低，可以研究恶臭污染随季节、时间、空间、风向和地形地貌等特征的变化规律次，为以后某一时段臭气浓度排放超标做好预警和准备，保证当地居民的生产和生活不受影响［2］。

2.3 监控地点实时报警功能

当某一时段在线恶臭电子鼻检测到臭气浓度超出恶臭污染物排放标准 (GB14554－93)时，会自动报警，为环境监测部门提供臭气排放超标数据，实时监控企业的恶臭污染排放达标情况，同时可以监控企业经过处理后的排放废气臭气浓度情况，可以利用实施报警功能清楚地知道该废气处理系统是否可靠有效 (活性炭或者微生物等)和该生产工艺流程是否环保［3］，为企业节省成本，同时保证废气达标排放。

2.4 节约恶臭处理系统的成本

在线恶臭电子鼻监控系统具有激活恶臭处理系统的功能，当发现某时段臭气浓度超出恶臭污染物排放标准时 (GB14554－93)，监控系统具有激活并启动恶臭处理系统，通过不同的处理方法对恶臭排放进行处理，另外还可以通过实时监控的臭气浓度的含量随时调节恶臭处理时的用水量、添加剂以及能源，为企业或者垃圾处理场节省成本［4］。

3 在线恶臭电子鼻的构成和原理

3.1 在线恶臭电子鼻的构成

在线恶臭电子鼻主要由小型气象工作站、臭气采样泵、水分灰尘过滤装置、传感器部分和数据处理与传输系统几部分组成，各部分的功能如表2所示。

3.1.1 小型气象工作站

很多在线恶臭监测现场都需要安装小型气象工作站，它可以实时监测现场的气象指标，为监测单位提供臭气浓度监测时段的风向、风速、气温、湿度，对监测点位的情况更加了解，同时可以节省人工成本和时间，另外通过风向和风速来判断恶臭的来源和扩散范围及趋势。

3.1.2 臭气采样泵

根据臭气排放方式的不同，在恶臭现场监测可以分为环境臭气浓度监测、污染源臭气浓度监测和处理后排放口臭气浓度监测，在线恶臭电子鼻的进样方式主要通过采样泵把臭气样品抽入传感器仓进行检测和分析，进样口可以和采样点连接，空气的流速通过内部的精度流量计进行调控，不同厂家的采样泵材质和空气流速都不同，有的厂家还配有空气输出泵的消音阀。

3.1.3 水分灰尘过滤系统

水分灰尘过滤系统装在恶臭样品进入到传感器仓之前，主要负责把臭气源排放出的臭气中的水分和灰尘过滤掉，起到保护传感器的作用，同时也能保证降低臭气的本底噪声。主要由滤膜和除水原件两部分组成，滤膜一般3～4个月更换一次，晴朗天气除水部件一般半年需更换一次，如遇潮湿或者阴雨天气要经常更换除水部件。

3.1.4 传感器仓

传感器仓内装有不同类型和数量的传感器，是臭气浓度分析系统的关键部分，主要负责对臭气样品中不同气味成分的响应分析。不同厂家配有的传感器数量和类型都不相同，主要有金属氧化物传感器、电化学传感器、光离子化检测器、温度和湿度传感器等。最常用的是金属氧化物传感器，因为它是一种交敏型的传感器，具有灵敏度高、重复性好、使用寿命长等特点，另外该类型传感器具有对所有气味都有响应，对特殊气味有偏好的特点，适应臭气组成复杂的特点。电化学传感器主要用来测定某一种气体成分的含量，例如H2S、NH3或者SO2等，光离子化传感器主要用来测定空气中总挥发性有机物的含量。另外为了保证传感器的长期稳定性和灵敏度，其传感器仓必须恒温恒湿，因此配有控制温度和湿度的传感器。

3.1.5 数据处理与传输系统

为了让监测数据能快速地传输到用户的大气环境控制和监控系统，恶臭电子鼻还需要有数据处理与传输系统。数据处理系统是把恶臭污染物在传感器上的响应值转化为臭气浓度值;数据传输一般分两种模式进行，一种是通过网线进行连接传输，另外一种是通过GPRS进行传输。同时位于现场的电子鼻还具有存储卡，可以存储实时监控的臭气浓度数据。另外数据传输到用户监控系统后，一般都有数据处理或者操作系统，可以用来显示实时监控的数据。也可以提供专门的数据发布网站，根据需求对网页进行安全性设计，授权用户可以在其它地方采用预设的用户名、密码登陆网站，实时查询当前和历史恶臭记录。

3.1.6 其他组成

恶臭在线电子鼻除了以上几个组成部分以外(见表2)，有些厂家针对现场臭气浓度特点或者用户的需要还配有稀释单元和3D数据扩散模型。当监测现场臭气浓度很高，直接进样分析影响到传感器的响应时，会用到稀释单元，它可以把气体稀释成所需要的倍数然后进入传感器仓进行检测分析。3D数据扩散模型是根据当地的风向、风速以及地形地貌特征来做臭气随时间变化的扩散模型。另外如果测定烟筒里面排放废气的臭气浓度时，还可以配置采样枪，把烟筒里面的气体引到传感器仓进行样品的分析。

表2 在线恶臭电子鼻组成及功能

3.2 在线恶臭电子鼻的工作原理

在线恶臭电子鼻的关键技术是传感器仓，即对臭气浓度进行分析的系统。恶臭电子鼻内置的采样泵把经过除水和灰尘的样品气体带入到传感器仓，恒温恒湿传感器仓内的传感器会对恶臭气体产生响应，数据处理系统会把响应值转换为臭气浓度，臭气浓度值经过数据传输系统到达用户的控制中心，在控制中心的操作软件平台上会有臭气浓度、H2S、NH3或者SO2等气体成分的浓度，可以非常方便地了解和监控到现场的恶臭排放情况。

数据分析系统内置恶臭浓度计算数据库，该数据库的主要作用是将金属氧化物传感器、PID检测器、电化学传感器等得到的数据经过计算，换算成恶臭浓度。该恶臭浓度值是由专业的嗅辨人员，严格安装国标规定的三点式臭袋法的操作流程得到的，利用三点比较式臭袋法和恶臭电子鼻同时做试验，得到两组数据。电子鼻得到的数据是气体指纹信号，三点比较式臭袋法得到的是一组臭气浓度(无量纲)。利用PLS算法对两组数据进行关联，做成标准曲线，用来换算现场的臭气浓度。有些公司积累了适用于不同污染源的恶臭数据库。但每个污染源排放的污染物状况不尽相同，在安装调试过程中，还会根据实际情况对该数据库进行相应的调整。最终输出的恶臭浓度和采样三点比较式臭袋法人工嗅辨得到的恶臭浓度值相同。该数据库可以集成到内置的单片机内，所有的数据经单片机计算后发送到数据接收软件。客户端无需对数据进行任何处理，只需要进行根据预设的权限进行查看。

图1 在线恶臭电子鼻组成示意图

4 仪器的日常维护

装在现场的恶臭电子鼻需要日常的维护才能保证准确的数据采集、处理和传输，该仪器的维护主要集中在传感器、除水及灰尘滤芯上。

4.1 传感器的维护

传感器都是有寿命的，包括金属氧化物传感器、电化学传感器以及其他类型的传感器。传感器的寿命和安装地点的臭气浓度大小有关，如果传感器接触的样品浓度高，相对来说传感器的寿命就短。另外传感器的寿命也和其质量有很大的关系。传感器工作时对传感器仓的环境要求很高，需要恒温恒湿，而且要求温度和湿度达到最高的灵敏度，因此需要工作人员经常注意传感器仓的温度和湿度是否发生偏离，如果发生偏离，需要重新对传感器仓进行维护，保证其恒温恒湿性。

每一种传感器的信号和响应值都有飘移，如果传感器信号发生漂移，内置在单片机内的标准曲线会发生偏离，现场测得的臭气浓度就有很大误差。因此需要对传感器进行校准，校准时需要用洁净空气和标准气体对传感器进行校准，保证其基线稳定和灵敏度不变。校准时间要根据现场臭气浓度情况和传感器的质量而定。一般来说需要3～5个月校准一次。

4.2 除水及灰尘滤芯的维护

除水和灰尘滤芯保证了进入到传感器仓的空气的洁净和干燥，对传感器的工作有很大帮助，因此恶臭电子鼻需要更换滤芯。更换的时间和现场的湿度有很大关系，一般来说用户需要每三个月更换一次除水除尘滤芯;雨季或其他潮湿工作环境下，每月需更换一次。

5 在线恶臭电子鼻存在的问题

在线恶臭电子鼻可以对现场的臭气浓度、H2S、NH3或者SO2等气体成分的浓度实时监控，不论是对环境保护、企业废气处理还是居民的日常生活都有重要的意义，但其本身也存在一定的问题。

5.1 数据库标准曲线多变问题

在线恶臭电子鼻获得的最初数据是不同气体在传感器上的响应信号值，要经过数据库里面的标准曲线换算才能得到臭气浓度值。但标准曲线的获得存在较大的多变性和漂移性，首先不同的工厂会有不同的工艺流程，不同的工艺流程会有不同的气体排出，不同的气体在传感器上有不同的信号响应值，也就意味着如果该工厂换了工艺流程，该曲线也就随之发生变化，也就产生了漂移。其次某一点的臭气浓度不是由一个污染源造成的，可能是几个污染源共同作用的结果，因此不同的风向，气体的成分和浓度会发生变化，曲线点也就随之发生偏离，最终导致臭气浓度结果发生偏离。

5.2 样品的真实性问题

测定臭气浓度采样要具有真实性和代表性，但在线恶臭电子鼻如果从有组织排放口采样分析时，需要经过稀释、干燥和过滤，气体的成分虽然没有发生大的变化，但是经过处理后的气体气味肯定发生了变化，不符合采样的规范，样品的真实性也就发生了变化。

5.3 传感器的稳定性问题

传感器都是有寿命的，而且是不稳定的，需要就不同的时间点对其进行校准。企业排放废气浓度大小是不定的，污染源排放出气体浓度很高时，会导致传感器灵敏度下降。因此传感器需要及时校准，如果时间长了，需要更换。

5.4 监测标准不符性问题

目前中国关于臭气浓度测定的标准方法只有三点比较式臭袋法，而没有对在线恶臭电子鼻做规定和发布使用标准。对于环保系统执法部门来说，它取得的结果只能作为参考，该数据不具有法律效益，不能作为执法的依据。

6 总结

在线恶臭电子鼻可以实现对臭气浓度24h不间断监控，提供与三点式比较式臭袋法完全吻合的恶臭数值，并实现恶臭扩散预测达到城市级大范围恶臭监控全自动的监测系统，对实时掌握监控地点的恶臭排放、了解监控地点恶臭排放的规律、监控地点实时报警和节约恶臭处理系统的成本都有着很好的作用。但其也存在自身的缺点，需要更好的技术改进和环保法规的支持，使其在环境保护、企业发展以及废气排放预警等方面发挥更好地作用。

［1］ Torsten Haas，Peter Schulze Lammers，Bernd Diekmann.A method for online measurement of odour with a chemosensor system ［J］.Sensors and Actuators，2008，(132):545 －550.

［2］ Laura Capelli，Selena Sironi，Paolo C'entola.Electronic noses for the continuous monitoring of odours from a waste water treatment plant at specific receptors:Focus on training methods［J］.Sensors and Actuators，2008，(131):53 －62.

［3］ Raul Munoz，Eric C.Sivret，Gavin Parcsi.Monitoring techniques for odour abatement assessment［J］.water research，2010，(44):5129－5149.

［4］ A.K.kordon，P.S.dhurjati and B.J.bockrath On line expert system for odor complaints in a refinery［J］.Computer Chem，1996，(20):1449－1456.