باحثون يطورون «أنفاً إلكترونياً» لرصد الروائح في محطات معالجة المياه العادمة
باحثون من إسبانيا صمّموا أنفاً إلكترونياً محمولاً (e-nose)، يكاد يضاهي حساسية الأنف البشرية في رصد روائح محطات معالجة المياه. وعند دمجه مع طائرة مسيّرة، يستطيع هذا الأنف الخفيف قياس تركيز الروائح المختلفة، والتنبؤ بشدة الرائحة، وإنشاء خريطة للروائح في المنشأة في الوقت الفعلي لأغراض الإدارة.
عادةً ما تُقاس الرائحة في محطات معالجة مياه الصرف بطريقة قياس الشم الديناميكي، حيث يشم مجموعة من الأشخاص أكياس الهواء المجمّعة من المحطة ويحللونها. ورغم أن هذه الطريقة تُعد المعيار الذهبي، فإنها مكلفة وبطيئة ولا تُجرى إلا نادراً، ما يحول دون قدرة المشغلين على الاستجابة السريعة للمشكلات أو تحديد مصدر الروائح الكريهة.
«أعيش على بعد كيلومترين من محطات المعالجة، وأحياناً لا يمكن حتى فتح النافذة لأن الرائحة فظيعة. لا يجب أن نستهين بتأثير ذلك على نوعية حياة الناس المحيطين بهذه المنشآت، كما أن للتعرض للروائح الكريهة عواقب جسدية ونفسية»
لتحسين التحكم في انبعاثات الروائح من محطات المعالجة، طوّر ماركو وفريقه أنفاً إلكترونياً محمولاً لمراقبة البيانات وعرضها في الوقت الفعلي باستخدام الذكاء الاصطناعي. جمع الفريق أكياس هواء من المنشآت ودرّب الأنف الإلكتروني على «شم» المواد الكيميائية الحادة مثل كبريتيد الهيدروجين والأمونيا وثاني أكسيد الكبريت، التي تشبه رائحتها على التوالي رائحة البيض الفاسد والبول وأعواد الثقاب المحترقة.
يتضمن الأنف الإلكتروني أيضاً مستشعراً لثاني أكسيد الكربون ومؤشراً لنشاط البكتيريا. وفي الظروف المختبرية، يعمل الأنف الإلكتروني تقريباً بنفس كفاءة الأنف البشري. ثم ثبّت الباحثون الأنف الإلكتروني، الذي يزن 1.3 kg، على طائرة مسيّرة وأطلقوها فوق محطة معالجة مياه صرف متوسطة الحجم في جنوب إسبانيا خلال الفترة من يناير إلى يونيو. وأثناء تحليقها فوق منشآت مختلفة في المحطة، كانت «الطائرة ذات الأنف» تسحب الهواء عبر أنبوب طوله عشرة أمتار وتحلله داخل حجرة المستشعر.
«تكمن صعوبة قياس الرائحة في أنها إدراك بشري، ولم تُحدَّد بدقة تامة. نحن لا نحاول فقط تحديد كمية المكونات الفردية للانبعاثات، بل نسعى أيضاً إلى التنبؤ بشدة الروائح كما يدركها البشر»
أظهرت النتائج أنه يمكن استخدام الأنف الإلكتروني المحمول على طائرة مسيّرة لمراقبة رائحة مياه الصرف. وعند تحليل نفس عينات الهواء في الاختبارات الميدانية، تطابقت 10 من أصل 13 قياساً للأنف الإلكتروني مع تقديرات لجنة من البشر. وبفضل حركة الطائرة المسيّرة وخوارزمية الذكاء الاصطناعي، أعد الفريق أيضاً خريطة لتركيز الرائحة زمنياً ومكانياً، وتنبأ لأول مرة بشدة الرائحة بناءً على قياسات الطائرات المسيّرة.
قال ماركو: «نحن راضون للغاية عن النتائج، لكننا نحتاج إلى مزيد من الاختبارات لجعل الجهاز أكثر موثوقية للعمل في محطة فعلية». ويخطط الفريق للتخلص من الوزن الزائد للأنف الإلكتروني وتطوير عملية موحدة لهذه الطريقة. كما يسعون إلى تحسين الجهاز بشكل أكبر ليكون مقاوماً لتأثير درجة الحرارة والرطوبة وغيرها من ظروف البيئة المحيطة التي قد تؤثر على الدقة.
«قد يكون لهذا العمل أهمية أيضاً لمنشآت أخرى مثل مكبات النفايات ومصانع إنتاج السماد العضوي، بل وحتى المزارع الكبيرة لتربية الماشية والخنازير، المعروفة بإنتاجها لجميع أنواع الروائح الكريهة»
«إن تحديد كمية انبعاثات الروائح في محطات المعالجة هو المفتاح لتقليل تأثير الروائح على المجتمعات المحيطة. وتُجرى قياسات الرائحة في محطات المعالجة عادةً إما باستخدام كاشفات كبريتيد الهيدروجين الشمّية المكلفة والمتقطعة، أو باستخدام أنوف إلكترونية ثابتة. ونحن نقترح أنفاً إلكترونياً محمولاً وخفيف الوزن، صُمم خصيصاً لرصد الرائحة في الوقت الفعلي في محطات المعالجة باستخدام طائرات مسيّرة صغيرة»، وفقاً للدراسة.
يتيح ما يسمى الأنف الإلكتروني RHINOS قياس الروائح بدقة مكانية عالية، ودقته أقل قليلاً فقط من دقة قياس الشم الديناميكي. وقد عُيّر الجهاز باستخدام عينات روائح جُمعت من محطة معالجة مياه صرف في إسبانيا خلال ستة أشهر، ثم اختُبر في المحطة نفسها بعد ثلاثة أسابيع من المعايرة.
تؤكد النتائج الواعدة ملاءمة الأداة المقترحة لتحديد مصادر الروائح ذات الانبعاثات الأعلى، ما قد يكون مؤشراً مفيداً للإدارة في مجال التحكم في الروائح والقضاء عليها.
تُعد الأنوف الإلكترونية، المعروفة أيضاً بمصفوفات المستشعرات أو أنظمة مراقبة الروائح الآلية (IOMS)، حالياً من أكثر الأدوات الواعدة لمراقبة الروائح البيئية. الأنف الإلكتروني هو نظام قياس كيميائي يعتمد على عدد من المستشعرات الكيميائية غير النوعية (عادةً من 5 إلى 20 مستشعراً)، مع حساسية إضافية لطيف واسع من المركبات العضوية المتطايرة والغازات غير العضوية.
أكثر المستشعرات استخداماً في مجال مراقبة البيئة هي أشباه الموصلات المعدنية الأكسيدية، ومع ذلك تتضمن الأنظمة الحالية بشكل متزايد مستشعرات شبه نوعية إضافية (مثل الخلايا الكهروكيميائية) لـ H2S (كبريتيد الهيدروجين) أو NH3 (الأمونيا). وعند النظر إلى خليط الروائح ككل، لا إلى مكوناته المنفصلة، يمكن للجهاز أن يرتبط بتركيز الرائحة بشكل أفضل من أي طريقة قياس آلية أخرى.
