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会飞的电子鼻—— 污水处理4.0时代的无人机应用

北极星水处理网  来源:JIEI创新实验室  作者:瓦村农夫  2021/11/30 9:34:30  我要投稿  

北极星水处理网讯:今天我们来聊聊污水处理厂的臭气问题。

从事污水处理的朋友们有没有觉得自己社交圈狭窄?这个现状确实让人心疼,毕竟谈到污水厂,老百姓都难免联想到臭鸡蛋和屎尿的味道。而长年在污水厂工作的朋友,衣服也难免吸附臭气。这样的人设在当今这个“靠脸吃饭”的时代,无疑是自设hard模式。

另一方面,随着城市化进程的深入,居民住得越来越靠近污水厂,污水厂也因臭气问题收到了越来越多市民投诉。污水厂要扭转在百姓心中的刻板印象,臭气治理是必须解决的问题。

说到专业治理,必须先从追踪溯源开始。那你知道我国目前都是靠什么来辨识污水厂的臭气来源的吗?

答案可能出乎你的意料——臭气识别还是靠人鼻来完成的。

小编真没开玩笑,人工的气味嗅闻评价是分析处理污水厂产生气体的主要方法。大概流程就是先在污水厂用袋子收集空气样品,再送到当地的环境监测中心,由一群持证上岗的嗅辨员进行嗅探和分析,尽管这样的操作又贵又慢,但这操作仍被认为是“黄金标准“,其中一个原因是臭气涉及人的主观感受,所以目前的臭气测定的国标就是得靠人闻。

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在为伟大的嗅辨员默默心疼三秒钟后,大家有无想过:都快2022年,难道没有什么“电子鼻”的玩意吗?

其实是有的,而且这玩意已经有好多年了。至于为什么还没应用到污水处理领域,小编不敢妄下定论,但一定跟m o n e y这个五个英文字母有关。

不过还是有人拿到经费进行了这方面的尝试,欧盟地平线2020(HORIZON 2020)就资助了一个名叫SNIFFDRONE的项目。

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SNIFFDRONE,顾名思义,就是一台会辨识气味的无人机。为了帮助读者了解这个技术的原理,小编找到了知乎上的一篇文章《电子鼻的原理是什么啊,能识别气味?》给大家参考。如下图所示,所谓的电子鼻就是各种传感器,其中又分为了物理传感器和化学传感器。

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其实很多大型石油和天然气跨国公司,已经使用无人机来监测甲烷排放。但那些电子鼻使用的镭射技术,也就是属于物理传感器。污水厂的臭气问题主要是由硫化氢、氨气、硫醇类物质(mercaptans)或者其他挥发性有机物(VOCs)造成的。

目前污水处理厂的气味评估方法主要有两种,一种是靠人背带便携式探测器在调查场地做行走式的测量,下边这个就是澳大利亚某水厂的实例:

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第二种方法需要用到气相色谱质谱仪等高级化学分析仪器,以及人的嗅闻感官测量。

和上述两种方法相比,使用无人机来监测臭气排放有许多优点,例如它们可以测量污水厂不同位置的关键嗅味化合物的浓度,包括一些过去操作人员难以到达的位置。这意味更高的空间分辨率、更低的风险和更低的成本。这些数据信息能为处理工艺提供建议反馈,优化气体扩散模型,更好地预测对污水厂周围的臭气影响,帮助厂区更好地识别无组织排放。

听上去一切都OK了,为什么要做这个研究?SNIFFDRONE项目的负责人Javier Burgués表示,这种技术组合目前有两大问题:

1. 气味传感器的可靠性、轻便度和成本问题;

2. 无人机的螺旋桨形成的气流会干扰传感器周围的气体浓度,尤其是检测污水厂的低浓度嗅味化合物。

改良的电子鼻

目前低成本的商用化学传感器主要有电化学电池和金属氧化物传感器,前者主要用于检测一氧化碳、二氧化硫、氨气或一氧化氮和二氧化氮等,但有专一选择性。金属氧化物传感器没有选择性,而且更灵敏,成本甚至还低于电化学电池。

Javier Burgués等人在今年MDPI的期刊《Remote Sensing》里介绍了这方面的技术,并提到了目前三种商用产品,包括了芬兰的Aeromon BH-12、加拿大的Scentroid DR1000和美国Teledyne FLIR Muve C360。

这些设备都配置了一条长为1-2米的水平采样管,这种刚性的采样管对一些烟囱类的气体排放还是非常方便的,但对于污水厂这种场景就显得有些短了,无人机必须飞得非常靠近地面或目标物才能对释放源的正上方空间进行采样。

SNIFFDRONE想到什么方法解决这个问题呢?

解决方案

在传感器方面,他们同时配备了电化学和金属氧化物传感器,将两者的优点都结合到一起。封装好的装置可以测量多种气体:

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