Spécificités et contraintes de la mesure des odeurs dans l'environnement par réseaux de capteurs

Jacques NICOLASUniversité de Liège (Belgique) – Site d’Arlon

Département « Sciences et Gestion de l’Environnement »Unité « Surveillance de l’Environnement »

Principal objectif de recherche : estimer la nuisance olfactive générée dans l’environnement par différentes sources industrielles ou agricoles.

Centres d’Enfouissement Technique

Installations de compostage

Détection de moisissures dans les bâtiments

Bassins de décantation de sucrerie

Porcheries, poulaillers

Stations d’épuration

Différents outils :

Analyse de laboratoire (GC-MS)

Olfactométriedynamique

Inspection de terrain + modélisation de la dispersion atmosphérique

… et le nez électronique

Possibilités très prometteuses

+

Monitoring des émissions d’odeur et prédiction de la

nuisance olfactive dans l’environnement

Contrôle des systèmes d’abattement d’odeur

Stress

Utiliser l’odeur comme variable de process pour détecter des anomalies

de fonctionnement

Dans le domaine des odeurs, aucune méthode ne peut être considérée comme une "référence".Toutes les méthodes doivent être considérées comme complémentaires pour fournir une aide à la décision.

Rappel du principe de la mesure olfactométrique

Prélèvement d’un sac (Tedlar) sur le terrain

Mesure (olfactomètre) en laboratoire par un panel de 6 personnes

Principe de l’olfactométrie dynamique

Echantillon odorant prélevé

sur le terrain

Air pur

l'olfactométrie

Le "niveau" d'odeur est défini par le nombre de fois qu'il faut diluer l'échantillon odorant avec de l'air pur pour arriver au seuil de perception olfactive (50% des personnes sentent et 50% ne sentent plus)

CompostDilué 300 fois

Concentration de l'odeur = 300 "unités odeur"

Air à 500m de la source

Déjà tel quel au seuil de perception = Dilué 1 fois

Concentration de l'odeur = 1 "unité odeur" = seuil de perception

• La seule méthode normalisée pour mesurer une concentration d'odeur.

• Reconnue au niveau européen par la norme EN 13725• Définie par un protocole rigoureux

le niveau de l'odeur est défini par sa concentration en uoE/m3 (unité-odeur européenne par mètre cube)

Pour rappel : 1 uoE/m3

correspond à la concentration au seuil de perception

!

!

!?

?

?

l'olfactométrie

Rappel : Le nez électronique

Principe : réseau de capteurs-gaz non spécifiques

C1 : Composés soufrés, H S

2

C2 : Solvants organiques, alcools

C3 : Contaminants de l'air, CO, hydrogène, fumée de cigarette

C6 : Composés aminés, NH

3

C5 : Gaz combustibles, propane, butane

C4 : Vapeur d'eau

Dans notre cas: capteurs àoxydes d'étain commerciaux (Figaro, FIS, Capteur)

Le nez électronique ex. dans une station d'épuration

C6

C1

C5

C4

C3

C2

Boues

Le nez électronique

C6

C1

C5

C4

C3

C2

Eaux brutes

Le nez électronique

C6

C1

C5

C4

C3

C2

Boues

Eaux brutes

Gaz d’échappement

Produit désodorisant

Le nez électronique : détection de l’émergence d’une odeur un des problèmes = trouver un indice "global", image de l'odeur

-10

-5

0

5

10

15

20

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

time (hours)

odor

eve

nt

"odour event" pointed out

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Moving away from the landfill gas extraction well

Classification functions values

The classification function for biogas decreases

The classification function for fresh waste

remains nearly stable

Si indice "global" suivi continu possible

C6

C1

C5

C4

C3

C2

Autre problème : La concentration descend sous la limite de détection des capteurs

Au niveau de l'émission, ou à proximité de la source, un nez électronique est capable de détecter et de reconnaître une odeur, mais pas dans l'environnement

Composition chimique typique ?

Installation de compostage

terpens28%

alcohols27%

esters23%

& aldehydesketones

17% aliphatic

hydrocarbons3%

aromatics1%

sulfurcompounds

1%

Station d'épuration

AcétoneCétones

MéthanalEthanalButanal

Aldéhydes

Acide acétiqueAcide butyriqueAcide valérique

Acides organiques

Sulfure de diméthyleMethanthiolEthanethiolSulfure d'hydrogène

Composés soufrés

AmmoniacDiméthylamineMéthylamineEthylamineScatoleIndoleCadavérine

Composés azotés

Concentrations typiques à l'émission ?

Installation de compostage Station d'épuration(stabilisation des boues)

1.155Ethanol

3.340Limonène

0.1162-butanone

0.1141-propanol

0.065Acetate d'éthyl

0.044Phénol

0.0382-butanol

0.019Ethyl ester d'acide butanoïque

0.0223-methyl-butanal

ppm(v)Exemples de composés

0.360Sulfure de diméthyle

0.290Toluène

25Ammoniac

ppm(v)Exemples de composés

Abattoir

0.001Acétone

0.001Tétramethylepyrazine

0.005Sulfure de triméthyle

0.007Sulfure de diméthyle

ppm(v)Exemples de composés

Rarement au dessus de 1 ppm(v)Mais le nez électronique réagit à l'émission globale (pas aux

composés individuels)Somme ?

- pas représentative de la réponse globale du réseau de capteurs- pas représentative de la concentration d'odeur (en uo/m3)

Resistance des capteurs

Concentration d'éthanol Dilution du mélange gazeux odorant

EthanolAmbiance odorante

Pour avoir une idée de l'ordre de grandeur de la "concentration chimique globale" détectée par le réseau de capteurs

Trouver une équivalence entre la "concentration chimique globale" du mélange odorant et la concentration de vapeur d'éthanol

Caractéristique commune = signaux des capteurs

EthanolGaz odorant(compost)

1 … 25 ppmv équivalents-éthanol

ETHANOL

Quelle est la limite de détection en "équivalents-éthanol" ?

Limite de détection rapport signal-bruit S/N = 3

Bruit = écart-type σ du signal stabilisé (p.ex. en kΩ)

Pour notre configuration selon le type de capteur

Correspond à 0.04 … 1.03 ppm(v) en équivalents-éthanol

Ou à une dilution de 20…100 pour un échantillon typique prélevé au dessus du compost

[ ]0.07,1.8kσ ∈ Ω

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

Ethanol concentration (ppmv)

(R0-

R)

sens

or T

GS

2620

(k

ΩΩ ΩΩ)

0

1

2

3

4

5

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Ethanol concentration (ppmv)

(R0-

R)

sens

or T

GS

2620

(k

ΩΩ ΩΩ)

3σσσσ = 1.35 kΩΩΩΩ

Ethanol concentration = 0.20 ppmv

… et la limite de résolution peut encore être plus élevée

(p.ex. reconnaître une odeur de compost parmi d'autres)

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Factor 1

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Fac

tor

2

compost neutralizing product

Decreasing concentration

Decre

asing

conc

entra

tion

Il est donc essentiel d'améliorer le prélèvement du gaz

10 ppm … 1 ppm … 100 ppb … 10 ppb

Lorsqu'on s'éloigne de la source, la concentration "globale" descend rapidement sous la limite de détection

des capteurs gaz

Correspondance avec la "concentration d'odeur"

Echantillons prélevés en double

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

ou/m3

(R0-

R)

sens

or T

GS

2620

(k

ΩΩ ΩΩ)

3σσσσ = 1.35 kΩΩΩΩ

15 uo/m3

"Courbe de calibration" entre la concentration d'odeur et les signaux des capteurs

Pour une émission de compost, la concentration d'odeur correspondantà la limite de détection des capteurs est faible et proche du seuil de détection olfactif, défini par 1 uo/m3.

Pour les différents capteurs : de 10 à 80 ou/m3.

Objectif du nez électronique : reconnaître une odeur (ex. : émission de compost) et la suivre en continup.ex. : détecter que le niveau d'odeur dépasse un "seuil d'alerte"

Problème supplémentaire : mesurer une odeur

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

9:40

9:46

9:51

9:56

10:0

1

10:0

7

10:1

2

10:1

7

10:2

3

10:2

8

10:3

3

10:3

9

10:4

4

10:4

9

10:5

4

11:0

0

11:0

5

11:1

0

11:1

6

11:2

1

11:2

6

11:3

2

11:3

7

Time

exhaust gaz of a

truck

700 uoE/m³ : seuil d'alerte de la concentration d'odeur

Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants

Le signal global du nez électronique ≈ "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur

Con

cent

ratio

n od

eur

1201401601801

10011201140116011801

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25Conductance G(kS)

Concentration = 1+9352 *(G-G0)

r² = 0.88with G0 = 0.0219

TGS 822

OK pour les émissions de compost

0200400600800

100012001400160018002000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Conductance (G, kS)

TGS 800 TGS 822

PAS pour les émissions d'une imprimerie

Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants

Le signal global du nez électronique ≈ "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur

Con

cent

ratio

n od

eur

1201401601801

10011201140116011801

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25Conductance G(kS)

Concentration = 1+9352 *(G-G0)

r² = 0.88with G0 = 0.0219

TGS 822

OK pour les émissions de compost

Conserver cette relation après préconcentration

Parfois : aucun composé spécifique, mais "signature" caractéristique

Exemple (pollution de l'air "indoor") : détection de la contamination aux moisissures de matériaux en bois

La signature fongique caractéristique ("odeur de moisi") n'inclut pas nécessairement de nouveaux composés par rapport aux matériaux sains

α-pinène β-pinène α-pinène β-pinène

Problème : Préserver la dynamique de la détection

Monitoring continu

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7

Mah

alan

obis

dis

tanc

e (D

²)

w o r k i n g d a y s o f f

c o m p o s t p i l e m o v i n g c o m p o s t a e r a t i o n

w e e k - e n d

Idéalement

• Une pré-concentration devrait travailler de manière quasi continue, pour permettre l'analyse d'un grand nombre "d'échantillons" durant une période donnée.

9:40

9:45

9:50

9:55

9:59

10:0

4

10:0

9

10:1

4

10:1

9

10:2

3

10:2

8

10:3

3

10:3

8

10:4

3

10:4

7

10:5

2

10:5

7

11:0

2

11:0

7

11:1

1

11:1

6

11:2

1

11:2

6

11:3

1

11:3

5

Time

OK

9:40

9:45

9:50

9:55

9:59

10:04

10:09

10:14

10:19

10:23

10:28

10:33

10:38

10:43

10:47

10:52

10:57

11:02

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11:11

11:16

11:21

11:26

11:31

11:35

Tim

e

Trop de "filtrage"

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9:55

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10:33

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11:02

11:07

11:11

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11:26

11:31

11:35

Tim

e

En dépit de ces problèmes, le nez électronique (même sous sa forme actuelle) peut s'avérer être un outil efficace pour le monitoring d'odeurs environnementales

Hall de compostage d'Habay

+