会飞的电子鼻 - 污水处理4.0时代的无人机应用
水星漫谈 Vol. 34
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。
地方环境监测中心的嗅辨员 |图源：温州新闻联播
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。
作者：瓦村农夫
会飞的电子鼻
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。
电子鼻的分类 | 图源:知乎
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：
靠人行走的便携检测器 | 图源：TASWATER
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。
GC-O-MS原理图 | 图源：odourobservatory.org (瓦村农夫汉化)
人工嗅闻 | 图源：odourobservatory.org
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。
商用的嗅味物质电子鼻无人机，从上到下分别是FLIR Muve C360、Aeromon BH12和Scentroid-DR1000
图源：各设备官网
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：
另外他们在传感器下方设计一个水平摆放的抽吸泵，再加上一条长达10米的柔性采样管，用这种方法解决无人机螺旋桨的气流问题，并且能够更加灵活地避开障碍物来采样：
SNIFFDRONE | 图源：YouTube截图
实验结果
他们在西班牙的Murcia污水厂进行实地测试。采样地点包括了沉淀池、生物反应池、污泥浓缩池、污泥储存室、除臭室烟囱。
西班牙Murcia的污水厂 | 图源：YouTube截图
但柔性长采样管会遇到几个问题：
·样品运输造成的测量延迟；
·某些气体粘在管壁上，会产生记忆效应；
·由于风或无人机运动导致管道倾斜；
·测量的延迟和管的倾斜会导致传感器信号GPS标记不准确。
为此，他们将一个重150 g的铅锤连接到管子末端，使管子在无人机飞行过程尽量保持垂直，并通过软件补偿延迟。
采样点的实景图 | 图源：MDPI
初步结果显示，无人机的测试浓度结果和手持检测器的预期值基本一致。
使用无人机的另一个优点是便于绘制臭气地图。
硫化氢的三维浓度分布 | 图源: MDPI&YouTube
通过PCA主成分分析，污水厂可以更直观地了解不同地点的臭气源类型：
污水厂进入无人机时代？
SNIFFDRONE这个项目给我们展示了无人机和以及一系列低成本气体传感器在污水厂的应用前景。
这些设备可以测量污水厂以前无法接近的排放源的气体浓度，例如除臭室烟囱等。这点非常重要，因为数据显示那正好是西班牙这个厂的主要气味来源。
SNIFFDRONE团队表示，在之后的工作里，他们希望能继续利用无人机，开发可以量化气味浓度的标准化方法，并且和CALPUFF等大气扩散模型（如 CALPUFF）相结合，相当于环境评价等专业人员也可以利用这些设备得到的数据。他们还希望这套技术可以在类似的平台得到拓展应用，例如固废填埋场、堆肥厂和畜禽农场等。
小编私下认为中国的环保公司是有能力开发类似的设备的，毕竟我们有优秀的无人机生产商，SNIFFDRONE使用的无人机就是我们深圳那个D开头的公司造的。至于传感器，我们的产品应该也有成本优势。剩下就得看污水厂或者各地的环保部门是否认可这种技术的价值了。
如果你是污水厂的现场操作工人，或者是环境监测中心的嗅辨员，看完这篇文章，不妨转发给你领导，看他/她是否愿意入手一台这样的无人机？毕竟谁都不想整天闻臭鸡蛋味和尿味呀！
参考资料
1.https://phase1.attract-eu.com/showroom/project/sniffdrone-drone-based-environmental-odor-monitoring/
2.https://www.youtube.com/watch?v=b8oRn5JGuiU
3.https://tech4future.info/drone-naso-elettronico-acque-reflue/
4.https://ibecbarcelona.eu/dam-and-ibec-develop-a-drone-that-improves-odor-management-in-water-treatment-plants/
5.https://www.javierburgues.com/project/mox-lowpower/
6.https://www.analytixense.co.jp/products/scent/dr1000.html
7.https://www.flir.jp/support/products/muve-c360/
8.https://www.zhihu.com/question/26351408
9.odourobservatory.org
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