《Microchemical Journal》：Application of electronic nose technology in wastewater treatment plants monitoring: Progress and future developments
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电子鼻技术在污水处理厂（WWTPs）中的应用及挑战分析，涵盖采样方法、气体传感器、特征提取和模式识别等关键技术，探讨其在臭味检测、水质评估及运行状态监测中的优势与局限，提出未来需解决传感器适应性、模型迁移性及复杂环境干扰等问题。
王炳阳|闫宇|安若晨|翁晓辉|常志勇
宁波工程学院机械与汽车工程学院，中国宁波杭州湾新区滨海二路769号，315336
摘要
污水处理厂（WWTPs）日益成为全球内陆空气质量和水生生态系统的主要威胁。对污水处理厂进行实时监测是一个关键且具有挑战性的问题。从污水处理厂排放的恶臭气体和废水中检测到的气味特征可以为监测提供重要信息。电子鼻（e-nose）技术结合这些气味特征，能够高效、低成本地实时获取污水处理厂的气味浓度、出水质量及运行状态，克服了传统检测方法的局限性。此外，电子鼻体积小、便于携带，可以集成到无人机中，实现三维空间内的动态监测。本文重点介绍了电子鼻在污水处理厂的应用，并首先全面概述了影响其监测性能的关键技术，包括采样方法、气体传感器、特征提取和模式识别算法。其次，总结了电子鼻在污水处理厂中的多种应用，涵盖气味检测、废水质量评估和运行状态评估。最后，讨论了电子鼻应用中需要进一步研究的五个主要问题。本文旨在为研究人员和相关管理部门提供创新探索自动化和智能污水处理厂监测的潜在路线图和信息支持。
引言
污水处理厂（WWTPs）作为重要的城市基础设施，主要用于处理生活污水和工业废水，以防止直接排放对周边水体的污染。然而，污水处理厂的运行受到多种可变因素的影响——如负荷率波动、天气变化和设备老化——这可能导致污染物去除不完全，进而恶化接收水的质量[1]。这种退化对人类健康、日常活动及可持续发展构成重大风险[2]。此外，污水处理厂已被广泛认为是恶臭排放的主要来源，长期暴露于恶臭环境中会对健康产生不利影响[3]。联合国制定的可持续发展目标（SDGs）强调改善水质和空气质量的行动[4]。因此，对污水处理厂进行实时监测逐渐受到全球关注，成为环境管理的重要组成部分[5]。在这方面，及时检测、追踪和控制污水处理厂的污染至关重要。
传统的污水处理厂气味评估方法包括色谱技术和感官分析。气相色谱法结合适当的检测系统（如质谱法或硫化学发光检测器），可以识别和量化潜在的气味化合物。然而，气味是一种复杂的气体混合物，分析其单个成分无法全面表征气味，更无法评估人类的嗅觉感知[3]。感官分析依赖人类小组对气味气体进行综合评估。这种方法利用人类嗅觉系统作为检测器，其结果能较好地反映人类的感知[6]。但它存在几个固有的局限性：首先，小组成员之间的嗅觉敏感性差异会引入主观性；其次，长时间暴露于气味中可能导致嗅觉疲劳或适应，从而影响结果的可靠性；第三，小组筛选和培训需要大量时间和成本；第四，评估效率低，无法实现大规模或实时检测；最后，无法区分气味相似的化合物[3]。尽管已经开发出一些便携式气体检测器[7]，但这些设备通常只能检测特定气体，因此也无法全面表征气味。水质检测方法可分为三类：(a) 现场采样后送实验室分析，结果准确但成本高、耗时且容易延误污染事件的检测；(b) 快速现场检测，可测量的参数范围有限且精度较低；(c) 自动监测站，能够持续监控水质，但受成本高和测量范围有限的限制[8]。对污水处理厂进行全面、实时、低成本的监测对传统检测方法提出了重大挑战。
气体传感技术的快速发展将环境监测研究推向了新的时代[9]。由于成本低、精度高和实时检测的优势，气体传感器逐渐成为环境监测的前沿和主流[10]。尽管气体传感器具有诸多优点，但在实际应用中仍存在一些挑战：首先，它们对多种气体的交叉敏感性使得在复杂气体混合物（如污水处理厂排放的恶臭气体）中难以识别目标分析物；其次，环境因素（尤其是湿度变化）会在传感器信号中引入噪声；第三，传感器信号随时间漂移，影响监测结果的可靠性[11]。这些挑战阻碍了气体传感器的进一步发展。
电子鼻（e-nose）是一种将气体传感器阵列与模式识别算法结合的设备。该系统可以响应多种气体，实现对污水处理厂气味信息的全面表征[12]。此外，废水释放的气味与水质相关，因此气味信息可以作为同步监测水质的中间媒介[13]。电子鼻不仅实现了时间尺度上的连续监测，还克服了空间限制。通过将其集成到机器人车或无人机上，可以在污水处理厂的封闭或三维空间内的任何位置进行监测[14]、[15]。当然，将电子鼻系统集成到移动平台上也会带来其他挑战。例如，旋转无人机的下洗气流可能会干扰气流分布，影响系统的准确性；传感器响应时间带来的速度限制也需要解决。针对下洗问题，可以通过CFD模拟确认下洗影响范围，并设计适当的采样探头来避免其影响[16]。为解决速度限制，可以采用微型化传感器腔体、配备高流量泵以及开发快速响应传感器等方法[17]。因此，将电子鼻系统集成到无人机等移动平台上用于污水处理厂监测是一个非常有价值的选项。尽管电子鼻在污水处理厂监测方面具有巨大潜力[18]，但其准确性很大程度上取决于具体地区和所使用的传感器。一方面，将其应用于新场景通常需要重新构建模型或优化参数[19]；另一方面，由于传感器性能差异，为一个电子鼻开发的预测模型在应用于另一个电子鼻时面临巨大挑战[20]、[21]。此外，由于响应机制的复杂性，获取电子鼻的先验响应函数和精确数学模型也很困难。因此，研究人员在选择特征提取和模式识别算法时仍依赖经验方法[11]。因此，推进对电子鼻技术在污水处理厂监测中的应用理解和发展至关重要。
尽管在全球范围内对单个、多个和典型污水处理厂进行了大量电子鼻监测研究[22]、[23]，但关于电子鼻关键技术、当前发展状况、机遇和挑战的系统综述仍然较少。使用查询词“electronic nose”或“sensor array”或“gas sensor” AND “wastewater”或“sewage”，在Web of Science Core Collection中找到了290篇相关文章，其中选取了1998年至2025年间发表的70篇高度相关的研究。1998年至2025年间，关于“电子鼻”和“污水处理厂”的研究数量逐年增加。虽然传统方法耗时且繁琐，限制了污水处理厂监测的发展，但电子鼻技术的发展提高了人们对这一领域的关注。
迄今为止，已有许多优秀综述全面总结了电子鼻系统的核心技术，如采样[24]、气体传感器[25]、特征提取[26]和机器学习方法[10]。然而，用于污水处理厂监测的电子鼻发展相对滞后，而这些场所复杂的异味环境和高湿度条件带来了额外挑战。为应对这些挑战，本文对电子鼻在污水处理厂中的发展和应用进行了全面分析。基于此分析，我们批判性地讨论了电子鼻的局限性和适应性，探讨了其面临的挑战、未来趋势及在污水处理厂监测中的潜在应用。
电子鼻的关键技术
电子鼻是一种受哺乳动物嗅觉系统启发的设备，首次报道于1964年，现已发展成为一种成熟的气体分析方法[27]。如图1所示，典型的电子鼻系统包括气体传感器阵列、自动流体输送管线、电路板、数据采集单元和先进的数据处理算法。在运行过程中，样品中释放的挥发性化合物被输送到传感器阵列表面，
电子鼻在污水处理厂监测中的应用
通过模仿和提升嗅觉能力，电子鼻在确保污水处理厂正常运行中的作用日益突出。具体而言，电子鼻在污水处理厂中的三个关键应用是气味检测、水质评估和运行状态评估。近年来，为了应对居民对环境污染日益增长的担忧和投诉，进行了大量研究工作。
结论与展望
随着环境意识的提高以及对水和空气安全的关注，污水处理厂监测技术取得了快速进展。电子鼻技术在污水处理厂监测中的应用越来越受到重视。本文全面回顾了电子鼻技术在监测气味、废水质量和运行状态方面的应用，探讨了近期电子鼻设备的进展，包括采样方法、传感器技术、特征提取和模式识别
CRediT作者贡献声明
王炳阳：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论、数据分析、数据整理。闫宇：撰写——审稿与编辑、验证、资源协调、概念构思。安若晨：撰写——审稿与编辑、可视化。翁晓辉：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理。常志勇：验证、监督、调查、资金获取。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本文时，作者使用了DeepSeek工具来提高文章的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC2812603）、吉林省科技发展计划项目（20210203004SF）以及吉林大学科技成果转化试点项目（23GNYZ25）的支持。
