惡臭嗅覺測定研究性實驗教學設計

安 慧,趙東風,張慶冬,耿春香，王永強,王志偉

(中國石油大學(華東)化學工程學院,山東 青島 266580)

0 引 言

惡臭作為一種感覺公害，已成為世界七大環境公害之一[1]。我國惡臭排放源眾多，臭氣成分復雜，隨著經濟的發展和城市化進程的不斷加快，惡臭擾民事件也逐年攀升。在群眾對環境污染的投訴中，惡臭污染訴訟事件居第二位，已引起社會和環境管理部門的廣泛關注[2]。

由于惡臭嗅覺閾值低、成分復雜，且臭氣各組分之間存在相乘與相消的復合作用，難以用儀器測定法進行定量分析。嗅覺測定法是以人的鼻子作為檢測器對惡臭進行測定的方法，嗅覺測定法的基本原理是將惡臭樣品用無臭潔凈空氣進行稀釋，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，最后根據嗅辨員的嗅覺閾值計算樣品的臭氣濃度[3]。近年來，在環境保護、環境管理、環境影響評價、環境糾紛處理及建設項目竣工環保驗收中，嗅覺測定法的分析指標——臭氣濃度受到廣泛重視[4]。

我國借鑒日本的技術和方法，于1993年頒布了惡臭污染的嗅覺測定標準《空氣質量 惡臭的測定——三點比較式臭袋法》(GB/T14675-93)，該法采用人工靜態稀釋配氣，設備簡單，適用范圍廣，彌補了儀器測定法的不足，實現了我國惡臭污染嗅覺測試方法的標準化[1,5]。但該法測試和數據處理的自動性差，樣品測試效率低且不具備 ISO 標準化條件。

我校環境工程專業在長期進行惡臭污染研究的基礎上，依托“青島校區本科高校重點學科市校共建工程”的學科建設平臺，引進了國際先進的Dynascent動態嗅覺儀設備，該設備采用動態稀釋配氣，符合歐標《空氣質量-動態嗅覺計法測定臭氣濃度》(EN13725：2003)的要求。為了充分發揮科研對教學的輻射作用，引導學生關注惡臭污染、了解國際最先進的惡臭監測方法，在環境工程專業本科生第七學期綜合大實驗課程中，開設惡臭嗅覺測定實驗。該實驗通過對比國標三點比較式臭袋法和歐標動態嗅覺儀法，研究兩種方法在嗅辨員篩選、實驗室質量控制和惡臭濃度測定結果方面的差異，并在整個實驗過程中引入研究性教學理念，培養本科生的實踐能力和創新能力。

1 實驗設備及內容

1.1 實驗材料及設備

實驗材料：60.1×10-6正丁醇標準氣體。

實驗設備：三點比較式臭袋法配套設備；澳洲Dynascent動態嗅覺儀設備，包括Dynascent動態嗅覺儀及DynaMeter校準套件、DynaBag采樣袋和DynaDrum便攜式采樣桶。

1.2 實驗內容

1.2.1 嗅辨員篩選方法對比

嗅辨員篩選是關系到嗅覺法測試結果可重現性大小的關鍵性環節[6]。三點比較式臭袋法使用5種標準臭液對嗅辨員進行篩選，能夠將5種臭液的試紙都準確分辨出來的人便可成為嗅辨員。嗅辨員經嗅覺檢測合格，如無特殊情況，即可連續3年承擔嗅辨員工作[7]。

(1)

由于每個嗅辨員的嗅覺靈敏度不同，而且同一嗅辨員每天的嗅覺靈敏度也有所變化，因此歐標規定，在每天進行惡臭樣品測定之前，都需要用正丁醇標準氣體測試嗅辨員當天的狀態 。

1.2.2 實驗室質量控制對比

三點比較式臭袋法中對實驗室質量控制沒有具體要求。動態嗅覺儀法對于每個實驗室測定結果的質量要進行水平測試來加以確認，合格的質量要求為該方法的重復性r<0.477且準確度A<0.217[10-11]。

重復性r的計算：

(2)

式中：t為在n-1的自由度，95%置信度下的學生氏分布因子。

準確度A的計算：

A=|dw|+(Aw×r)

(3)

1.2.3 惡臭測定結果的回顧性篩選對比

進行惡臭樣品測定之后，歐標假設部分嗅辨員可能會因為身體因素(感冒、過敏等)或者對所分析的惡臭氣味過敏等原因作出不正確的回答，因此設置回顧性篩選程序。

三點比較式臭袋法中沒有針對惡臭測定結果的回顧性篩選環節。

2 實驗結果

2.1 嗅辨員篩選實驗

應用5種標準嗅液對學生進行三點比較式臭袋法嗅辨員篩選實驗。選取8位通過要求的嗅辨員，利用Dynascent動態嗅覺儀和60.1×10-6的正丁醇標準氣體再次對其進行歐標法嗅辨員篩選實驗。1號嗅辨員篩選結果見表1。

表1 1號嗅辨員篩選結果

所有8位嗅辨員篩選結果見表2。

表2 8位嗅辨員篩選結果

由表2可知，3號和6號嗅辨員不符合歐標要求，無法通過嗅辨員篩選測試。

由實驗結果可知，歐標動態嗅覺儀法的嗅辨員篩選測試對平均嗅閾值和標準方差做出要求，相比三點比較式臭袋法，其篩選結果更加準確并具有參考性。

2.2 實驗室質量控制實驗

連續2天中，利用篩選出的6名嗅辨員，分別采用Dynascent動態嗅覺儀和三點比較式臭袋法對正丁醇標氣進行10次測定，由式(2)、(3)計算各方法的重復性r和準確度A。測定結果如表3、4所示。

表3 Dynascent動態嗅覺儀測定結果

表4 三點比較式臭袋法測定結果

由表3、4可以看出，動態嗅覺儀的重復性和準確度均能滿足歐標要求，而三點比較式臭袋法的重復性能夠滿足要求，準確度不能達到歐標中的相關規定。

2.3 惡臭濃度測定實驗

應用DynaDrum便攜式采樣桶對某煉油廠丙烷裝置泵房進行惡臭樣品采集，分別應用Dynascent動態嗅覺儀和三點比較式臭袋法對惡臭樣品進行嗅辨測定，動態嗅覺儀測定結果見表5。

cod=1 679×1 ou/m3=1 679 ou/m3

三點比較式臭袋法測定結果見表6。由表6可知，將小組中個人嗅閾值中的最大、最小值舍去后，計算該小組平均閾值：x=2.99

則樣品惡臭濃度：y=10x=977。

表5 Dynascent動態嗅覺儀測定結果

較三點比較式臭袋法高。由于動態嗅覺儀法對嗅辨員篩選及實驗室質控環節有嚴格的要求，而且在測定結果中設置回顧性篩選環節，因此，動態嗅覺儀的測定結果更為準確。

表6 三點比較式臭袋法測定結果

3 研究性實驗教學設計

所謂研究性實驗，是指學生針對指導教師提出的問題獨立設計實驗方案、確定實驗方法、選擇實驗器材，獨自操作的一種實驗教學模式[12]。研究性實驗倡導以學生為主體，教師為主導，實現人才培養模式的創新[13-14]。

本次惡臭嗅覺測定實驗采用“引導-探索-實驗-掌握”的教學模式[15]，在完成課題的全過程中，學生自主探索，教師參與指導，最后學生獲得實驗結果，并撰寫研究性論文。

(1)引導。教師首先向學生介紹惡臭的性質、來源、組成、危害及監測分析方法，使學生了解惡臭氣體的復雜性及惡臭測定方法的獨特性。然后介紹惡臭監測領域的國內外研究現狀、研究方向和最新動態等，使學生了解惡臭監測領域的學科前沿，激發學生的興趣和求知欲。

(2)探索。教師出具實驗題目“惡臭嗅覺測定方法對比研究”，并提供國標《空氣質量惡臭的測定——三點比較式臭袋法》(GB/T14675-93)和歐標《空氣質量-動態嗅覺計法測定臭氣濃度》(EN13725：2003)兩種標準，學生需要認真研讀標準，熟悉兩種標準中的測試方法、設備及相關要求；然后進行實驗室現場參觀，由教師講解三點比較式臭袋法和動態嗅覺儀法的設備原理、結構及使用方法。接下來采取“小組討論式”教學方法，由學生圍繞實驗項目進行分析、討論、歸納、總結，設計出實驗方案，教師審閱方案并指導。

(3)實驗。學生通過嗅辨員篩選實驗、實驗室質量控制實驗和惡臭濃度測定實驗，對兩種標準方法的精度、可重復性和準確性進行對比研究。在嗅辨員篩選實驗環節，采用“對流式”教學方法[16]，教師與學生共同參與，教師作為篩選人員，操控動態嗅覺儀電腦系統，設定惡臭樣品起始稀釋倍數，管道、嗅杯的沖洗時間等參數，指導學生完成嗅辨員篩選任務；學生作為嗅辨人員，可隨時得到教師的指導幫助。在其他環節，采取“遙感式”教學方法[16]，學生自主研究與探討實驗步驟及實驗設備的操作，教師僅在學生遇到難題時給予適當指導。

(4)掌握。實驗結束后，要求學生結合資料查閱，首先分析國標和歐標兩種方法實驗結果的差異；然后從兩種方法的實驗原理、儀器設備、實驗操作流程等方面進行對比，分析差異原因并撰寫研究論文。

4 結 語

針對社會關注的惡臭污染問題，依托先進的學科建設平臺，設計了惡臭嗅覺測定研究性教學實驗。實驗結果表明，動態嗅覺儀在惡臭濃度測定方面具有更高的精度、可重復性和準確性。該實驗教學項目以學生為主體，教師為主導，采用 “引導-探索-實驗-掌握”的研究性教學模式，引導學生自主設計實驗方案并完成實驗，充分發揮了學生的主觀能動性，激發了學生的創新意識和創新能力。該實驗應用多種理論知識和實驗設備，使學生掌握了惡臭嗅覺測定法的基礎知識，了解了國際先進惡臭監測設備的結構和功能，引發了學生對惡臭污染的關注，激發了學生的學習興趣，為學生今后從事惡臭領域的研究提供了良好的基礎。