[發明專利]一種利用電子鼻對污水處理廠不同階段廢水檢測的方法

在審

• 申請號: 202211542861.3
• 申請日: 2022-12-03
• 公開（公告）號: CN115980286A
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 常志勇;常學智;王冰洋;徐琳;姚宗偉;翁小輝;畢秋實;靳宏楊;宋成鑫;鄧孫華
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N33/18
• 分類號: G01N33/18;G01N33/00;G01N1/10;G01N1/24;G06N20/10;G06F17/18
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

1.一種利用電子鼻對污水處理廠不同階段廢水檢測的方法，其特征在于：包括下列步驟：

1.1)裝配適用于檢測要求的電子鼻系統：電子鼻系統由數據傳輸接口(1)、數據采集卡(2)、調理電路板(3)、進氣管(4)、傳感器陣列(5)、傳感器腔室(6)、連接管(7)、出氣管(8)、氣泵(9)組成；其中，數據傳輸接口(1)位于數據采集卡(2)下方，數據采集卡(2)位于調理電路板(3)下方，調理電路板(3)位于傳感器腔室(6)下方，傳感器腔室(6)和氣泵(9)從左至右順序排列；傳感器腔室(6)入口與進氣管(4)連接，傳感器腔室(6)出口經連接管(7)與氣泵(9)入口連接，氣泵(9)出口與出氣管(8)連接；氣體傳感器陣列(5)環繞固定在傳感器腔室(6)的內壁上，經調理電路板(3)與數據采集卡(2)連接，數據采集卡(2)上設有數據輸出接口(1)；待測氣體由進氣管(4)進入電子鼻系統，經出氣管(8)排出電子鼻系統，傳感器陣列(5)產生的響應信號由數據采集卡(2)采集，并通過數據輸出接口(1)輸出至電腦端；傳感器陣列(5)使用若干顆氣體傳感器；

1.2)廢水樣品與臭氣樣品獲取，包括以下步驟：

1.2.1)在污水處理廠的不同位置進行廢水樣品與臭氣樣品的收集，在P1、P3、P4、P5和P6位置使用塑料瓶收集廢水樣品，在每個位置收集m+n份樣品，其中m份樣品用于定性分析，n份樣品用于水質參數的檢測分析，且此n份樣品分n次采集，每兩次采集間隔時間為5天，確保每份樣品水質參數是不同的；

1.2.2)在P2位置使用氣泵將臭氣樣品收集到氣味收集袋中，并稀釋到K種濃度，便于后續檢測使用；

1.3)使用電子鼻系統進行樣品分析，包括以下步驟：

1.3.1)電子鼻系統的采樣頻率設置為f，每次采樣分為氣味樣本數據采集和傳感器陣列清洗兩個階段，兩階段時間分別設置為t₁和t₂；

1.3.2)在測試前，將廢水樣品靜置15分鐘產生頂空氣體；

1.3.3)將裝有廢水樣品的塑料瓶口與進氣管(4)相連，使用氣泵(9)將頂空氣體輸送到電子鼻腔室(6)中，使頂空氣體與傳感器陣列(5)發生反應，獲取氣味樣本數據，在進行下一次測量之前，用干凈的空氣對電子鼻腔室(6)進行清洗，以確保傳感器陣列(5)的反應曲線回到基線位置；

1.3.4)將裝有臭氣樣品的氣味收集袋直接連接到進氣管(4)，用氣泵(9)將臭氣樣品輸送到電子鼻腔室(6)中，使臭氣樣品與傳感器陣列(5)發生反應，獲取氣味樣本數據，在進行下一次測量之前，用干凈的空氣對電子鼻腔室(6)進行清洗，以確保傳感器陣列5的反應曲線回到基線位置；

1.4)按照中國標準方法對廢水樣品的化學需氧量、氨氮、總氮和總磷該四項水質參數，以及氣味樣品的濃度進行檢測；

1.5)利用步驟1.3.3和步驟1.3.4獲取的氣味樣本數據，進行數據預處理：對氣體傳感器陣列(5)獲得的原始數據進行特征提取，使用傅里葉變換、多項式曲線擬合提取氣味樣本數據的瞬態特征；使用最大值、平均值和積分值提取氣味樣本數據的穩態特征；

1.6)對特征提取后的數據使用線性判別分析(LDA)、支持向量機(SVM)和偏最小二乘回歸(PLS)進行模式識別與數據分析，進行模式識別結果分析，包括以下步驟：

1.6.1確定污水處理廠內不同位置的廢水樣品的特征存在差別，將傳感器響應信號最大電壓值作為輸入數據應用于LDA模型的參數，獲得來自污水處理廠內五個取樣地點的臭味樣本的可視化LDA圖，每類別有m個樣品；

1.6.2)使用預處理階段通過不同的特征提取方法提取的特征值，用作SVM支持向量機的輸入數據，訓練SVM模型進行定性鑒定，確定廢水樣本的來源；

1.6.3)使用PLS回歸法構建的兩階段回歸模型進行廢水的定量預測，進一步準確評估污水處理廠的氣味濃度和水質參數，包括以下步驟：

1.6.3.1)構建第一階段的回歸模型，用于確定廢水的氣味濃度和水質參數是否在適當的范圍內。用于水質參數預測的樣品為分別從P1、P3、P4、P5和P6共五個位置分n次收集，每個樣品用電子鼻重復檢測，并計算多次重復檢驗的平均值V_max，用于氣味濃度預測的樣品為從P2位置收集到的稀釋到K種不同濃度的臭氣樣品，每個濃度下有多個重復檢測樣品，將每個傳感器的多個重復響應值取平均值，作為PLS模型的輸入參數；

1.6.3.2)設置一個H×N元素的水質參數數據輸入矩陣，列包括電子鼻中N個傳感器的每個的V_max值，行包括H個樣本點的平均V_max值；同理，再設置一個K×N的氣味濃度輸入矩陣；使用中國標準方法得到的輸入數據保存在H×1和K×1的兩個矩陣中，每一行代表他們的檢測結果；

1.6.3.3)根據以上數據，計算回歸系數，然后將回歸模型的輸出結果計算為臭氣濃度和水質參數；

1.6.3.4)構建用于更加準確的參數預測的第二階段回歸模型，采用與第一階段相同的方法建立模型，結合上步驟所得輸出結果與最大排放限值進一步縮小樣本范圍，建立氣味濃度預測的二階段回歸模型與多個水質參數預測的二階段回歸模型；

1.6.3.5)使用PLS方法構建兩階段回歸模型，在電子鼻響應信號與中國標準方法檢測結果之間形成線性關系，并獲得污水處理廠臭氣濃度和水質參數的全局校準曲線，該模型用于預測電子鼻在污水處理過程中所排放的氣味濃度和水質參數；

1.7)將電子鼻系統布置在污水處理廠的不同處理階段，進行氣味濃度檢測與水質參數預測，若未檢測出超標參數，則正常進行排放；若檢測出超標參數，則在污水處理廠控制室發出警報并暫停排放。