AIRSENSE电子鼻英文文献 | 电子鼻用于调控沼气厂运行效率的初步试验

本文发表于《Journal of Agricultural Engineering》，探究电子鼻在沼气厂运行效率监测与厌氧消化过程调控中的应用可行性。

研究背景

1、可再生能源发展推动农业沼气厂普及，厌氧消化是利用生物质废弃物产沼气的核心工艺；
2、现有监测指标（产气量、pH、碱度、挥发性脂肪酸 VFA、氢气等）虽常用，但存在滞后性，仅靠阈值判断无法提前预判、及时解决工艺失稳与有机过载问题；
3、传统 VFA 检测依赖荧光光谱、近红外光谱、滴定、气相色谱等方法，且沼气发酵参数关联复杂，亟需新型在线监测技术；
4、电子鼻是仿生非特异性气体传感器阵列系统，可形成气体特征指纹图谱，已有研究将其初步用于厌氧消化监测，具备在线预警潜力。

研究目的

确立电子鼻用于判别厌氧消化运行状态的检测方法；探究其作为简易、灵敏、可靠的新型工具，实现小型农业沼气厂过程优化、提升产气率与稳定管控的应用价值。

实验设备

采用AIRSENSE电子鼻，搭载 10 个金属氧化物半导体（MOS）传感器，可检测芳香类、硫化物、氨气、氢气、甲烷、烷烃、醇类等物质，配套数据存储与多元统计分析软件。

实验方法

01

实验流程

第一步：配置乙酸、丙酸、丁酸纯品及水溶液共约 108 种组合，建立 VFA 气味指纹参考数据库，作为厌氧消化特征气味样本库；
第二步：分别检测原始粪便与消化后粪便释放气体，验证电子鼻气味区分能力。

02

检测参数

顶空生成时间 1800s、采样 80s、冲洗 160s，单次总检测时长 240s，以活性炭过滤环境空气为载气。

03

数据分析

采集传感器信号稳定后 5s 的数据，采用主成分分析（PCA）+ 线性判别分析（LDA） 进行多元统计分类。

研究结果

1、丙酸在沼气厂有机过载、氢分压升高时稳定性弱于乙酸和丁酸，是表征消化工艺失稳的关键 VFA 指标；

2、PCA 分析结果显示，AIRSENSE电子鼻可清晰区分原始粪便与厌氧消化后粪便的挥发性气味特征，两类样本在得分图中可明显聚类分离；

3、传感器阵列能将粪便中挥发性化合物转化为稳定电信号，通过 G/G0 电导比值形成专属气味指纹图谱。

结论与意义

1、AIRSENSE电子鼻可有效区分粪便原料与厌氧消化产物的气体气味，具备监测生物质甲烷化过程、识别沼气厂有机过载工况的潜力；
2、该技术可作为沼气系统反馈控制的基础，后续可进一步优化方法，实现沼气工艺在线预警、稳定运行与产气效率提升；
3、相比传统监测手段，AIRSENSE电子鼻操作简便、灵敏度高，适合小型农业沼气厂的常态化监测应用。