AIRSENSE電子鼻英文文獻 | 電子鼻用于調控沼氣廠運行效率的初步試驗

本文發表于《Journal of Agricultural Engineering》，探究電子鼻在沼氣廠運行效率監測與厭氧消化過程調控中的應用可行性。

研究背景

1、可再生能源發展推動農業沼氣廠普及，厭氧消化是利用生物質廢棄物產沼氣的核心工藝；
2、現有監測指標（產氣量、pH、堿度、揮發性脂肪酸 VFA、氫氣等）雖常用，但存在滯后性，僅靠閾值判斷無法提前預判、及時解決工藝失穩與有機過載問題；
3、傳統 VFA 檢測依賴熒光光譜、近紅外光譜、滴定、氣相色譜等方法，且沼氣發酵參數關聯復雜，亟需新型在線監測技術；
4、電子鼻是仿生非特異性氣體傳感器陣列系統，可形成氣體特征指紋圖譜，已有研究將其初步用于厭氧消化監測，具備在線預警潛力。

研究目的

確立電子鼻用于判別厭氧消化運行狀態的檢測方法；探究其作為簡易、靈敏、可靠的新型工具，實現小型農業沼氣廠過程優化、提升產氣率與穩定管控的應用價值。

實驗設備

采用AIRSENSE電子鼻，搭載 10 個金屬氧化物半導體（MOS）傳感器，可檢測芳香類、硫化物、氨氣、氫氣、甲烷、烷烴、醇類等物質，配套數據存儲與多元統計分析軟件。

實驗方法

01

實驗流程

第一步：配置乙酸、丙酸、丁酸純品及水溶液共約 108 種組合，建立 VFA 氣味指紋參考數據庫，作為厭氧消化特征氣味樣本庫；
第二步：分別檢測原始糞便與消化后糞便釋放氣體，驗證電子鼻氣味區分能力。

02

檢測參數

頂空生成時間 1800s、采樣 80s、沖洗 160s，單次總檢測時長 240s，以活性炭過濾環境空氣為載氣。

03

數據分析

采集傳感器信號穩定后 5s 的數據，采用主成分分析（PCA）+ 線性判別分析（LDA） 進行多元統計分類。

研究結果

1、丙酸在沼氣廠有機過載、氫分壓升高時穩定性弱于乙酸和丁酸，是表征消化工藝失穩的關鍵 VFA 指標；

2、PCA 分析結果顯示，AIRSENSE電子鼻可清晰區分原始糞便與厭氧消化后糞便的揮發性氣味特征，兩類樣本在得分圖中可明顯聚類分離；

3、傳感器陣列能將糞便中揮發性化合物轉化為穩定電信號，通過 G/G0 電導比值形成專屬氣味指紋圖譜。

結論與意義

1、AIRSENSE電子鼻可有效區分糞便原料與厭氧消化產物的氣體氣味，具備監測生物質甲烷化過程、識別沼氣廠有機過載工況的潛力；
2、該技術可作為沼氣系統反饋控制的基礎，后續可進一步優化方法，實現沼氣工藝在線預警、穩定運行與產氣效率提升；
3、相比傳統監測手段，AIRSENSE電子鼻操作簡便、靈敏度高，適合小型農業沼氣廠的常態化監測應用。