一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法技术

一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法，包括：装配用于检测的电子鼻系统进行样品检测与模型训练：装配适用于检测要求电子鼻；废水样品与臭气样品采集；气味样本数据采集；对数据进行特征提取与模式识别，获得机器学习模型。将电子鼻用于污水处理厂不同阶段废水检测，包括：将电子鼻系统布置在污水处理厂的不同处理阶段；使用电子鼻系统进行气味浓度检测与水质参数预测，决策是否正常进行排放。本发明专利技术利用电子鼻能实现污水处理厂不同阶段废水的高效、精准、低成本检测，并且实时化通知检测结果，解决了目前水质参数检测技术成本高、操作复杂、仪器要求高、检测效率低等问题，能为污水处理厂废水检测提供了一种更可行的方法。的方法。的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法


[0001]本专利技术属污水检测
，具体涉及一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法。

技术介绍

[0002]污水处理厂的非法排放是环境污染的一个关键来源。
[0003]污水的非法排放将带来多方面的危害，对于群众健康将产生直接影响，通过饮水或食物链便可能引发传染病、消化病、皮肤病、慢性或急性中毒等多种疾病，甚至致癌，给群众身体健康带来威胁。对于环境也会产生多种污染，造成土壤污染，使土壤不再适宜耕作；导致河流水质恶化，影响水体的正常利用，还会经过入渗等途径污染地下水。污水非法排放给人类健康和生态系统带来了潜在风险，精准检测污水质量并及时采取措施是很有必要的。
[0004]污水处理厂的废水质量由包括化学需氧量(COD)、氨氮(AN)、总氮(TN)和总磷(TP)等水平决定。这些参数包括废水质量的基本信息，是进行水质监测、利用以及污染治理的主要依据，有助于确定废水是否符合排放要求。
[0005]目前，常用的废水质量与气味浓度检测方法包括气相色谱
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质谱法、热脱附
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气相色谱质谱法、气相色谱
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火焰电离检测器和高效液相色谱
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荧光检测法等检测方法。这些方法均具备良好的稳定性和灵敏度，但是普遍存在着成本高、体积大、预处理复杂、分析时间长等缺点，且不能实现实时检测应用。此外，这些方法在每次检测中只能对被测气体中的一种挥发性化合物进行分析，不能够描述废水的气味特征。因此，传统的检测方法并不适合在污水处理厂中对废水进行现场快速定性。
[0006]电子鼻是一种模仿生物嗅觉的新型检测设备，通过传感器阵列对多种挥发性物质产生响应。电子鼻具有低成本、小型化、简便高效以及实时原位等特点，该技术已被应用于环境、食品、农业、军事和其他科学研究等多种领域。此外，电子鼻在废水分析中也有一些潜在的应用，已有研究者结合算法，通过电子鼻来评估污水处理厂中气味的浓度水平。鉴于其优势，电子鼻适用于全面描述废水的气味，并深入挖掘气味中包含的污水处理厂的运行信息。
[0007]污水处理厂中废水臭气的治理关系到环境保护，人民身体的健康，有必要加以重视，并采取有效措施对其进行监测。只有实时准确检测到所排废水情况，以臭气浓度与水质参数为关注点，才能精准完成污水处理厂排水整治。
[0008]因此，为了解决现有废水质量检测方法所存在的检测成本高、检测仪器体积大、样品预处理复杂、分析时间长和不能达到实时检测等缺点，根据电子鼻响应信号与中国标准方法检测结果之间的关系，专利技术了用于污水处理厂不同阶段废水检测的电子鼻系统。结合污水处理厂的排放情况，通过对污水处理厂排放的废水进行检测与传感器响应信号采集，完成识别模型构建，进一步实现气味浓度与水质参数情况的实时准确预测，根据预测结果主动进行预警并对排放进行控制，极大程度避免了污水处理厂的违规排放，使居民健康与
环境安全得到了有效保证，使污水处理工作快速见效。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法，该方法能够解决现有技术检测成本高、分析时间长、预处理复杂等问题。
[0010]一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法，包括下列步骤：
[0011]1.1)装配适用于检测要求的电子鼻系统：电子鼻系统由数据传输接口、数据采集卡、调理电路板、进气管、传感器阵列、传感器腔室、连接管、出气管、气泵组成；其中，数据传输接口位于数据采集卡下方，数据采集卡位于调理电路板下方，调理电路板位于传感器腔室下方，传感器腔室和气泵从左至右顺序排列；传感器腔室入口与进气管连接，传感器腔室出口经连接管与气泵入口连接，气泵出口与出气管连接；气体传感器阵列环绕固定在传感器腔室的内壁上，经调理电路板与数据采集卡连接，数据采集卡上设有数据输出接口；待测气体由进气管进入电子鼻系统，经出气管排出电子鼻系统，传感器阵列产生的响应信号由数据采集卡采集，并通过数据输出接口输出至电脑端；传感器阵列使用若干颗气体传感器；
[0012]1.2)废水样品与臭气样品获取，包括以下步骤：
[0013]1.2.1)在污水处理厂的不同位置进行废水样品与臭气样品的收集，在P1、P3、P4、P5和P6位置使用塑料瓶收集废水样品，在每个位置收集m+n份样品，其中m份样品用于定性分析，n份样品用于水质参数的检测分析，且此n份样品分n次采集，每两次采集间隔时间为5天，确保每份样品水质参数是不同的；
[0014]1.2.2)在P2位置使用气泵将臭气样品收集到气味收集袋中，并稀释到K种浓度，便于后续检测使用；
[0015]1.3)使用电子鼻系统进行样品分析，包括以下步骤：
[0016]1.3.1)电子鼻系统的采样频率设置为f，每次采样分为气味样本数据采集和传感器阵列清洗两个阶段，两阶段时间分别设置为t1和t2；
[0017]1.3.2)在测试前，将废水样品静置15分钟产生顶空气体；
[0018]1.3.3)将装有废水样品的塑料瓶口与进气管4相连，使用气泵9将顶空气体输送到电子鼻腔室6中，使顶空气体与传感器阵列5发生反应，获取气味样本数据，在进行下一次测量之前，用干净的空气对电子鼻腔室6进行清洗，以确保传感器阵列5的反应曲线回到基线位置；
[0019]1.3.4)将装有臭气样品的气味收集袋直接连接到进气管4，用气泵9将臭气样品输送到电子鼻腔室6中，使臭气样品与传感器阵列5发生反应，获取气味样本数据，在进行下一次测量之前，用干净的空气对电子鼻腔室6进行清洗，以确保传感器阵列5的反应曲线回到基线位置；
[0020]1.4)按照中国标准方法对废水样品的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷该四项水质参数，以及气味样品的浓度进行检测；
[0021]1.5)利用步骤1.3.3和步骤1.3.4获取的气味样本数据，进行数据预处理：对气体传感器阵列(5)获得的原始数据进行特征提取，使用傅里叶变换、多项式曲线拟合提取气味样本数据的瞬态特征；使用最大值、平均值和积分值提取气味样本数据的稳态特征；
[0022]1.6)对特征提取后的数据使用线性判别分析(LDA)、支持向量机(SVM)和偏最小二
乘回归(PLS)进行模式识别与数据分析，进行模式识别结果分析，包括以下步骤：
[0023]1.6.1)确定污水处理厂内不同位置的废水样品的特征存在差别，将传感器响应信号最大电压值作为输入数据应用于LDA模型的参数，获得来自污水处理厂内五个取样地点的臭味样本的可视化LDA图，每类别有m个样品；
[0024]1.6.2)使用预处理阶段通过不同的特征提取方法提取的特征值，用作SVM支持向量机的输入数据，训练SVM模型进行定性鉴定，确定废水样本的来源；
[0025]1.6.3)使用PLS回归法构建的两阶段回归模型进行废水的定量预测，进一步准确评估污水处理厂的气味浓度和水质参数，包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用电子鼻对污水处理厂不同阶段废水检测的方法，其特征在于：包括下列步骤：1.1)装配适用于检测要求的电子鼻系统：电子鼻系统由数据传输接口(1)、数据采集卡(2)、调理电路板(3)、进气管(4)、传感器阵列(5)、传感器腔室(6)、连接管(7)、出气管(8)、气泵(9)组成；其中，数据传输接口(1)位于数据采集卡(2)下方，数据采集卡(2)位于调理电路板(3)下方，调理电路板(3)位于传感器腔室(6)下方，传感器腔室(6)和气泵(9)从左至右顺序排列；传感器腔室(6)入口与进气管(4)连接，传感器腔室(6)出口经连接管(7)与气泵(9)入口连接，气泵(9)出口与出气管(8)连接；气体传感器阵列(5)环绕固定在传感器腔室(6)的内壁上，经调理电路板(3)与数据采集卡(2)连接，数据采集卡(2)上设有数据输出接口(1)；待测气体由进气管(4)进入电子鼻系统，经出气管(8)排出电子鼻系统，传感器阵列(5)产生的响应信号由数据采集卡(2)采集，并通过数据输出接口(1)输出至电脑端；传感器阵列(5)使用若干颗气体传感器；1.2)废水样品与臭气样品获取，包括以下步骤：1.2.1)在污水处理厂的不同位置进行废水样品与臭气样品的收集，在P1、P3、P4、P5和P6位置使用塑料瓶收集废水样品，在每个位置收集m+n份样品，其中m份样品用于定性分析，n份样品用于水质参数的检测分析，且此n份样品分n次采集，每两次采集间隔时间为5天，确保每份样品水质参数是不同的；1.2.2)在P2位置使用气泵将臭气样品收集到气味收集袋中，并稀释到K种浓度，便于后续检测使用；1.3)使用电子鼻系统进行样品分析，包括以下步骤：1.3.1)电子鼻系统的采样频率设置为f，每次采样分为气味样本数据采集和传感器阵列清洗两个阶段，两阶段时间分别设置为t1和t2；1.3.2)在测试前，将废水样品静置15分钟产生顶空气体；1.3.3)将装有废水样品的塑料瓶口与进气管(4)相连，使用气泵(9)将顶空气体输送到电子鼻腔室(6)中，使顶空气体与传感器阵列(5)发生反应，获取气味样本数据，在进行下一次测量之前，用干净的空气对电子鼻腔室(6)进行清洗，以确保传感器阵列(5)的反应曲线回到基线位置；1.3.4)将装有臭气样品的气味收集袋直接连接到进气管(4)，用气泵(9)将臭气样品输送到电子鼻腔室(6)中，使臭气样品与传感器阵列(5)发生反应，获取气味样本数据，在进行下一次测量之前，用干净的空气对电子鼻腔室(6)进行清洗，以确保传感器阵列5的反应曲线回到基线位置；1.4)按照中国标准方法对废水样品的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷该四项水质参数，以及气味样品的浓度进行检测；1.5)利用步骤1.3.3和步骤1.3.4获取的气味样本数据，进行数据预处理：对气体传感器阵列(5)获得的原始数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：常志勇，常学智，王冰洋，徐琳，姚宗伟，翁小辉，毕秋实，靳宏杨，宋成鑫，邓孙华，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：