惡臭嗅覺(jué)測(cè)定研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

安 慧,趙東風(fēng),張慶冬,耿春香，王永強(qiáng),王志偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580)

0 引 言

惡臭作為一種感覺(jué)公害，已成為世界七大環(huán)境公害之一[1]。我國(guó)惡臭排放源眾多，臭氣成分復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，惡臭擾民事件也逐年攀升。在群眾對(duì)環(huán)境污染的投訴中，惡臭污染訴訟事件居第二位，已引起社會(huì)和環(huán)境管理部門的廣泛關(guān)注[2]。

由于惡臭嗅覺(jué)閾值低、成分復(fù)雜，且臭氣各組分之間存在相乘與相消的復(fù)合作用，難以用儀器測(cè)定法進(jìn)行定量分析。嗅覺(jué)測(cè)定法是以人的鼻子作為檢測(cè)器對(duì)惡臭進(jìn)行測(cè)定的方法，嗅覺(jué)測(cè)定法的基本原理是將惡臭樣品用無(wú)臭潔凈空氣進(jìn)行稀釋，然后將稀釋后的樣品交給合格的嗅辨員判定是否有異味存在，最后根據(jù)嗅辨員的嗅覺(jué)閾值計(jì)算樣品的臭氣濃度[3]。近年來(lái)，在環(huán)境保護(hù)、環(huán)境管理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境糾紛處理及建設(shè)項(xiàng)目竣工環(huán)保驗(yàn)收中，嗅覺(jué)測(cè)定法的分析指標(biāo)——臭氣濃度受到廣泛重視[4]。

我國(guó)借鑒日本的技術(shù)和方法，于1993年頒布了惡臭污染的嗅覺(jué)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)《空氣質(zhì)量 惡臭的測(cè)定——三點(diǎn)比較式臭袋法》(GB/T14675-93)，該法采用人工靜態(tài)稀釋配氣，設(shè)備簡(jiǎn)單，適用范圍廣，彌補(bǔ)了儀器測(cè)定法的不足，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)惡臭污染嗅覺(jué)測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化[1,5]。但該法測(cè)試和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)性差，樣品測(cè)試效率低且不具備 ISO 標(biāo)準(zhǔn)化條件。

我校環(huán)境工程專業(yè)在長(zhǎng)期進(jìn)行惡臭污染研究的基礎(chǔ)上，依托“青島校區(qū)本科高校重點(diǎn)學(xué)科市校共建工程”的學(xué)科建設(shè)平臺(tái)，引進(jìn)了國(guó)際先進(jìn)的Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀設(shè)備，該設(shè)備采用動(dòng)態(tài)稀釋配氣，符合歐標(biāo)《空氣質(zhì)量-動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)計(jì)法測(cè)定臭氣濃度》(EN13725：2003)的要求。為了充分發(fā)揮科研對(duì)教學(xué)的輻射作用，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注惡臭污染、了解國(guó)際最先進(jìn)的惡臭監(jiān)測(cè)方法，在環(huán)境工程專業(yè)本科生第七學(xué)期綜合大實(shí)驗(yàn)課程中，開(kāi)設(shè)惡臭嗅覺(jué)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比國(guó)標(biāo)三點(diǎn)比較式臭袋法和歐標(biāo)動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀法，研究?jī)煞N方法在嗅辨員篩選、實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制和惡臭濃度測(cè)定結(jié)果方面的差異，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入研究性教學(xué)理念，培養(yǎng)本科生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：60.1×10-6正丁醇標(biāo)準(zhǔn)氣體。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：三點(diǎn)比較式臭袋法配套設(shè)備；澳洲D(zhuǎn)ynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀設(shè)備，包括Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀及DynaMeter校準(zhǔn)套件、DynaBag采樣袋和DynaDrum便攜式采樣桶。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 嗅辨員篩選方法對(duì)比

嗅辨員篩選是關(guān)系到嗅覺(jué)法測(cè)試結(jié)果可重現(xiàn)性大小的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)[6]。三點(diǎn)比較式臭袋法使用5種標(biāo)準(zhǔn)臭液對(duì)嗅辨員進(jìn)行篩選，能夠?qū)?種臭液的試紙都準(zhǔn)確分辨出來(lái)的人便可成為嗅辨員。嗅辨員經(jīng)嗅覺(jué)檢測(cè)合格，如無(wú)特殊情況，即可連續(xù)3年承擔(dān)嗅辨員工作[7]。

(1)

由于每個(gè)嗅辨員的嗅覺(jué)靈敏度不同，而且同一嗅辨員每天的嗅覺(jué)靈敏度也有所變化，因此歐標(biāo)規(guī)定，在每天進(jìn)行惡臭樣品測(cè)定之前，都需要用正丁醇標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)試嗅辨員當(dāng)天的狀態(tài) 。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制對(duì)比

三點(diǎn)比較式臭袋法中對(duì)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制沒(méi)有具體要求。動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀法對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果的質(zhì)量要進(jìn)行水平測(cè)試來(lái)加以確認(rèn)，合格的質(zhì)量要求為該方法的重復(fù)性r<0.477且準(zhǔn)確度A<0.217[10-11]。

重復(fù)性r的計(jì)算：

(2)

式中：t為在n-1的自由度，95%置信度下的學(xué)生氏分布因子。

準(zhǔn)確度A的計(jì)算：

A=|dw|+(Aw×r)

(3)

1.2.3 惡臭測(cè)定結(jié)果的回顧性篩選對(duì)比

進(jìn)行惡臭樣品測(cè)定之后，歐標(biāo)假設(shè)部分嗅辨員可能會(huì)因?yàn)樯眢w因素(感冒、過(guò)敏等)或者對(duì)所分析的惡臭氣味過(guò)敏等原因作出不正確的回答，因此設(shè)置回顧性篩選程序。

三點(diǎn)比較式臭袋法中沒(méi)有針對(duì)惡臭測(cè)定結(jié)果的回顧性篩選環(huán)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 嗅辨員篩選實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用5種標(biāo)準(zhǔn)嗅液對(duì)學(xué)生進(jìn)行三點(diǎn)比較式臭袋法嗅辨員篩選實(shí)驗(yàn)。選取8位通過(guò)要求的嗅辨員，利用Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀和60.1×10-6的正丁醇標(biāo)準(zhǔn)氣體再次對(duì)其進(jìn)行歐標(biāo)法嗅辨員篩選實(shí)驗(yàn)。1號(hào)嗅辨員篩選結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)嗅辨員篩選結(jié)果

所有8位嗅辨員篩選結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 8位嗅辨員篩選結(jié)果

由表2可知，3號(hào)和6號(hào)嗅辨員不符合歐標(biāo)要求，無(wú)法通過(guò)嗅辨員篩選測(cè)試。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，歐標(biāo)動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀法的嗅辨員篩選測(cè)試對(duì)平均嗅閾值和標(biāo)準(zhǔn)方差做出要求，相比三點(diǎn)比較式臭袋法，其篩選結(jié)果更加準(zhǔn)確并具有參考性。

2.2 實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)

連續(xù)2天中，利用篩選出的6名嗅辨員，分別采用Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀和三點(diǎn)比較式臭袋法對(duì)正丁醇標(biāo)氣進(jìn)行10次測(cè)定，由式(2)、(3)計(jì)算各方法的重復(fù)性r和準(zhǔn)確度A。測(cè)定結(jié)果如表3、4所示。

表3 Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀測(cè)定結(jié)果

表4 三點(diǎn)比較式臭袋法測(cè)定結(jié)果

由表3、4可以看出，動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀的重復(fù)性和準(zhǔn)確度均能滿足歐標(biāo)要求，而三點(diǎn)比較式臭袋法的重復(fù)性能夠滿足要求，準(zhǔn)確度不能達(dá)到歐標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定。

2.3 惡臭濃度測(cè)定實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用DynaDrum便攜式采樣桶對(duì)某煉油廠丙烷裝置泵房進(jìn)行惡臭樣品采集，分別應(yīng)用Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀和三點(diǎn)比較式臭袋法對(duì)惡臭樣品進(jìn)行嗅辨測(cè)定，動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。

cod=1 679×1 ou/m3=1 679 ou/m3

三點(diǎn)比較式臭袋法測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，將小組中個(gè)人嗅閾值中的最大、最小值舍去后，計(jì)算該小組平均閾值：x=2.99

則樣品惡臭濃度：y=10x=977。

表5 Dynascent動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀測(cè)定結(jié)果

較三點(diǎn)比較式臭袋法高。由于動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀法對(duì)嗅辨員篩選及實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控環(huán)節(jié)有嚴(yán)格的要求，而且在測(cè)定結(jié)果中設(shè)置回顧性篩選環(huán)節(jié)，因此，動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀的測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表6 三點(diǎn)比較式臭袋法測(cè)定結(jié)果

3 研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

所謂研究性實(shí)驗(yàn)，是指學(xué)生針對(duì)指導(dǎo)教師提出的問(wèn)題獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、確定實(shí)驗(yàn)方法、選擇實(shí)驗(yàn)器材，獨(dú)自操作的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[12]。研究性實(shí)驗(yàn)倡導(dǎo)以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新[13-14]。

本次惡臭嗅覺(jué)測(cè)定實(shí)驗(yàn)采用“引導(dǎo)-探索-實(shí)驗(yàn)-掌握”的教學(xué)模式[15]，在完成課題的全過(guò)程中，學(xué)生自主探索，教師參與指導(dǎo)，最后學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并撰寫研究性論文。

(1)引導(dǎo)。教師首先向?qū)W生介紹惡臭的性質(zhì)、來(lái)源、組成、危害及監(jiān)測(cè)分析方法，使學(xué)生了解惡臭氣體的復(fù)雜性及惡臭測(cè)定方法的獨(dú)特性。然后介紹惡臭監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究方向和最新動(dòng)態(tài)等，使學(xué)生了解惡臭監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的學(xué)科前沿，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲。

(2)探索。教師出具實(shí)驗(yàn)題目“惡臭嗅覺(jué)測(cè)定方法對(duì)比研究”，并提供國(guó)標(biāo)《空氣質(zhì)量惡臭的測(cè)定——三點(diǎn)比較式臭袋法》(GB/T14675-93)和歐標(biāo)《空氣質(zhì)量-動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)計(jì)法測(cè)定臭氣濃度》(EN13725：2003)兩種標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生需要認(rèn)真研讀標(biāo)準(zhǔn)，熟悉兩種標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法、設(shè)備及相關(guān)要求；然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)參觀，由教師講解三點(diǎn)比較式臭袋法和動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀法的設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)及使用方法。接下來(lái)采取“小組討論式”教學(xué)方法，由學(xué)生圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析、討論、歸納、總結(jié)，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，教師審閱方案并指導(dǎo)。

(3)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)嗅辨員篩選實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)和惡臭濃度測(cè)定實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)方法的精度、可重復(fù)性和準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比研究。在嗅辨員篩選實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，采用“對(duì)流式”教學(xué)方法[16]，教師與學(xué)生共同參與，教師作為篩選人員，操控動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀電腦系統(tǒng)，設(shè)定惡臭樣品起始稀釋倍數(shù)，管道、嗅杯的沖洗時(shí)間等參數(shù)，指導(dǎo)學(xué)生完成嗅辨員篩選任務(wù)；學(xué)生作為嗅辨人員，可隨時(shí)得到教師的指導(dǎo)幫助。在其他環(huán)節(jié)，采取“遙感式”教學(xué)方法[16]，學(xué)生自主研究與探討實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作，教師僅在學(xué)生遇到難題時(shí)給予適當(dāng)指導(dǎo)。

(4)掌握。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生結(jié)合資料查閱，首先分析國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異；然后從兩種方法的實(shí)驗(yàn)原理、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作流程等方面進(jìn)行對(duì)比，分析差異原因并撰寫研究論文。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)社會(huì)關(guān)注的惡臭污染問(wèn)題，依托先進(jìn)的學(xué)科建設(shè)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了惡臭嗅覺(jué)測(cè)定研究性教學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)嗅覺(jué)儀在惡臭濃度測(cè)定方面具有更高的精度、可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，采用 “引導(dǎo)-探索-實(shí)驗(yàn)-掌握”的研究性教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并完成實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用多種理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使學(xué)生掌握了惡臭嗅覺(jué)測(cè)定法的基礎(chǔ)知識(shí)，了解了國(guó)際先進(jìn)惡臭監(jiān)測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能，引發(fā)了學(xué)生對(duì)惡臭污染的關(guān)注，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生今后從事惡臭領(lǐng)域的研究提供了良好的基礎(chǔ)。