恶臭嗅觉测定研究性实验教学设计

安 慧,赵东风,张庆冬,耿春香，王永强,王志伟

(中国石油大学(华东)化学工程学院,山东 青岛 266580)

0 引 言

恶臭作为一种感觉公害，已成为世界七大环境公害之一[1]。我国恶臭排放源众多，臭气成分复杂，随着经济的发展和城市化进程的不断加快，恶臭扰民事件也逐年攀升。在群众对环境污染的投诉中，恶臭污染诉讼事件居第二位，已引起社会和环境管理部门的广泛关注[2]。

由于恶臭嗅觉阈值低、成分复杂，且臭气各组分之间存在相乘与相消的复合作用，难以用仪器测定法进行定量分析。嗅觉测定法是以人的鼻子作为检测器对恶臭进行测定的方法，嗅觉测定法的基本原理是将恶臭样品用无臭洁净空气进行稀释，然后将稀释后的样品交给合格的嗅辨员判定是否有异味存在，最后根据嗅辨员的嗅觉阈值计算样品的臭气浓度[3]。近年来，在环境保护、环境管理、环境影响评价、环境纠纷处理及建设项目竣工环保验收中，嗅觉测定法的分析指标——臭气浓度受到广泛重视[4]。

我国借鉴日本的技术和方法，于1993年颁布了恶臭污染的嗅觉测定标准《空气质量 恶臭的测定——三点比较式臭袋法》(GB/T14675-93)，该法采用人工静态稀释配气，设备简单，适用范围广，弥补了仪器测定法的不足，实现了我国恶臭污染嗅觉测试方法的标准化[1,5]。但该法测试和数据处理的自动性差，样品测试效率低且不具备 ISO 标准化条件。

我校环境工程专业在长期进行恶臭污染研究的基础上，依托“青岛校区本科高校重点学科市校共建工程”的学科建设平台，引进了国际先进的Dynascent动态嗅觉仪设备，该设备采用动态稀释配气，符合欧标《空气质量-动态嗅觉计法测定臭气浓度》(EN13725：2003)的要求。为了充分发挥科研对教学的辐射作用，引导学生关注恶臭污染、了解国际最先进的恶臭监测方法，在环境工程专业本科生第七学期综合大实验课程中，开设恶臭嗅觉测定实验。该实验通过对比国标三点比较式臭袋法和欧标动态嗅觉仪法，研究两种方法在嗅辨员筛选、实验室质量控制和恶臭浓度测定结果方面的差异，并在整个实验过程中引入研究性教学理念，培养本科生的实践能力和创新能力。

1 实验设备及内容

1.1 实验材料及设备

实验材料：60.1×10-6正丁醇标准气体。

实验设备：三点比较式臭袋法配套设备；澳洲Dynascent动态嗅觉仪设备，包括Dynascent动态嗅觉仪及DynaMeter校准套件、DynaBag采样袋和DynaDrum便携式采样桶。

1.2 实验内容

1.2.1 嗅辨员筛选方法对比

嗅辨员筛选是关系到嗅觉法测试结果可重现性大小的关键性环节[6]。三点比较式臭袋法使用5种标准臭液对嗅辨员进行筛选，能够将5种臭液的试纸都准确分辨出来的人便可成为嗅辨员。嗅辨员经嗅觉检测合格，如无特殊情况，即可连续3年承担嗅辨员工作[7]。

(1)

由于每个嗅辨员的嗅觉灵敏度不同，而且同一嗅辨员每天的嗅觉灵敏度也有所变化，因此欧标规定，在每天进行恶臭样品测定之前，都需要用正丁醇标准气体测试嗅辨员当天的状态 。

1.2.2 实验室质量控制对比

三点比较式臭袋法中对实验室质量控制没有具体要求。动态嗅觉仪法对于每个实验室测定结果的质量要进行水平测试来加以确认，合格的质量要求为该方法的重复性r<0.477且准确度A<0.217[10-11]。

重复性r的计算：

(2)

式中：t为在n-1的自由度，95%置信度下的学生氏分布因子。

准确度A的计算：

A=|dw|+(Aw×r)

(3)

1.2.3 恶臭测定结果的回顾性筛选对比

进行恶臭样品测定之后，欧标假设部分嗅辨员可能会因为身体因素(感冒、过敏等)或者对所分析的恶臭气味过敏等原因作出不正确的回答，因此设置回顾性筛选程序。

三点比较式臭袋法中没有针对恶臭测定结果的回顾性筛选环节。

2 实验结果

2.1 嗅辨员筛选实验

应用5种标准嗅液对学生进行三点比较式臭袋法嗅辨员筛选实验。选取8位通过要求的嗅辨员，利用Dynascent动态嗅觉仪和60.1×10-6的正丁醇标准气体再次对其进行欧标法嗅辨员筛选实验。1号嗅辨员筛选结果见表1。

表1 1号嗅辨员筛选结果

所有8位嗅辨员筛选结果见表2。

表2 8位嗅辨员筛选结果

由表2可知，3号和6号嗅辨员不符合欧标要求，无法通过嗅辨员筛选测试。

由实验结果可知，欧标动态嗅觉仪法的嗅辨员筛选测试对平均嗅阈值和标准方差做出要求，相比三点比较式臭袋法，其筛选结果更加准确并具有参考性。

2.2 实验室质量控制实验

连续2天中，利用筛选出的6名嗅辨员，分别采用Dynascent动态嗅觉仪和三点比较式臭袋法对正丁醇标气进行10次测定，由式(2)、(3)计算各方法的重复性r和准确度A。测定结果如表3、4所示。

表3 Dynascent动态嗅觉仪测定结果

表4 三点比较式臭袋法测定结果

由表3、4可以看出，动态嗅觉仪的重复性和准确度均能满足欧标要求，而三点比较式臭袋法的重复性能够满足要求，准确度不能达到欧标中的相关规定。

2.3 恶臭浓度测定实验

应用DynaDrum便携式采样桶对某炼油厂丙烷装置泵房进行恶臭样品采集，分别应用Dynascent动态嗅觉仪和三点比较式臭袋法对恶臭样品进行嗅辨测定，动态嗅觉仪测定结果见表5。

cod=1 679×1 ou/m3=1 679 ou/m3

三点比较式臭袋法测定结果见表6。由表6可知，将小组中个人嗅阈值中的最大、最小值舍去后，计算该小组平均阈值：x=2.99

则样品恶臭浓度：y=10x=977。

表5 Dynascent动态嗅觉仪测定结果

较三点比较式臭袋法高。由于动态嗅觉仪法对嗅辨员筛选及实验室质控环节有严格的要求，而且在测定结果中设置回顾性筛选环节，因此，动态嗅觉仪的测定结果更为准确。

表6 三点比较式臭袋法测定结果

3 研究性实验教学设计

所谓研究性实验，是指学生针对指导教师提出的问题独立设计实验方案、确定实验方法、选择实验器材，独自操作的一种实验教学模式[12]。研究性实验倡导以学生为主体，教师为主导，实现人才培养模式的创新[13-14]。

本次恶臭嗅觉测定实验采用“引导-探索-实验-掌握”的教学模式[15]，在完成课题的全过程中，学生自主探索，教师参与指导，最后学生获得实验结果，并撰写研究性论文。

(1)引导。教师首先向学生介绍恶臭的性质、来源、组成、危害及监测分析方法，使学生了解恶臭气体的复杂性及恶臭测定方法的独特性。然后介绍恶臭监测领域的国内外研究现状、研究方向和最新动态等，使学生了解恶臭监测领域的学科前沿，激发学生的兴趣和求知欲。

(2)探索。教师出具实验题目“恶臭嗅觉测定方法对比研究”，并提供国标《空气质量恶臭的测定——三点比较式臭袋法》(GB/T14675-93)和欧标《空气质量-动态嗅觉计法测定臭气浓度》(EN13725：2003)两种标准，学生需要认真研读标准，熟悉两种标准中的测试方法、设备及相关要求；然后进行实验室现场参观，由教师讲解三点比较式臭袋法和动态嗅觉仪法的设备原理、结构及使用方法。接下来采取“小组讨论式”教学方法，由学生围绕实验项目进行分析、讨论、归纳、总结，设计出实验方案，教师审阅方案并指导。

(3)实验。学生通过嗅辨员筛选实验、实验室质量控制实验和恶臭浓度测定实验，对两种标准方法的精度、可重复性和准确性进行对比研究。在嗅辨员筛选实验环节，采用“对流式”教学方法[16]，教师与学生共同参与，教师作为筛选人员，操控动态嗅觉仪电脑系统，设定恶臭样品起始稀释倍数，管道、嗅杯的冲洗时间等参数，指导学生完成嗅辨员筛选任务；学生作为嗅辨人员，可随时得到教师的指导帮助。在其他环节，采取“遥感式”教学方法[16]，学生自主研究与探讨实验步骤及实验设备的操作，教师仅在学生遇到难题时给予适当指导。

(4)掌握。实验结束后，要求学生结合资料查阅，首先分析国标和欧标两种方法实验结果的差异；然后从两种方法的实验原理、仪器设备、实验操作流程等方面进行对比，分析差异原因并撰写研究论文。

4 结 语

针对社会关注的恶臭污染问题，依托先进的学科建设平台，设计了恶臭嗅觉测定研究性教学实验。实验结果表明，动态嗅觉仪在恶臭浓度测定方面具有更高的精度、可重复性和准确性。该实验教学项目以学生为主体，教师为主导，采用 “引导-探索-实验-掌握”的研究性教学模式，引导学生自主设计实验方案并完成实验，充分发挥了学生的主观能动性，激发了学生的创新意识和创新能力。该实验应用多种理论知识和实验设备，使学生掌握了恶臭嗅觉测定法的基础知识，了解了国际先进恶臭监测设备的结构和功能，引发了学生对恶臭污染的关注，激发了学生的学习兴趣，为学生今后从事恶臭领域的研究提供了良好的基础。