餐飲油煙排放在線監(jiān)測儀器研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

于天澤，楊 斌，熊 非，王嘉華，蔡小舒

（1. 上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測量研究所/上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實驗室，上海 200093；2. 上海理工大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系，上海 200093；3. 方太集團(tuán)寧波方太廚具有限公司技術(shù)研究院，浙江 寧波 315336）

餐飲油煙不僅對人體具有直接氧化損傷、毒性等危害作用［1-2］，而且會帶來噪聲、油煙、氣味等問題［3］，同時也是城市大氣環(huán)境的主要污染源之一［4-6］。餐飲油煙為食物烹飪及加工過程中揮發(fā)的油脂、有機(jī)質(zhì)及受熱裂解產(chǎn)生的氣、液、固三態(tài)氣溶膠混合物［7］。餐飲油煙排放后可直接冷凝形成PM2.5（細(xì)微顆粒物），而排放出的VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）則是二次有機(jī)氣溶膠的前體物［8］。這些油煙氣溶膠的化學(xué)組成十分復(fù)雜，在空氣中長時間懸浮漂移又會吸附多種物質(zhì)，并在其表面進(jìn)行復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，形成對人體危害更大的污染物［9］。近年來，隨著餐飲企業(yè)數(shù)量的急速增長，油煙排放總量極為龐大。據(jù)估計，廣州市2007 年餐飲油煙PM2.5排放量為310.44 t，2011 年排放量可達(dá)1 247.97 t［10］；北京市2005 年餐飲油煙PM2.5排放量可達(dá)2 100 t［11］；2010 年全國僅家庭烹飪可產(chǎn)生VOCs 5.1 × 104t［12］。國家與公眾對餐飲油煙排放越來越關(guān)注，然而餐飲油煙污染具有數(shù)量多、規(guī)模小、布局分散、變動性大等特點(diǎn)而難以控制［13］。目前，國家和地方政府陸續(xù)出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制餐飲油煙排放：《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 18483—2001）規(guī)定飲食業(yè)單位油煙的最高允許排放質(zhì)量濃度為2.0 mg·m-3；大、中、小型飲食業(yè)單位油煙凈化設(shè)施的最低去除效率分別為60%、75%、85%［14］。上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《餐飲業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/844 —2014）規(guī)定餐飲業(yè)單位油煙最高允許排放質(zhì)量濃度為1.0 mg·m-3；新建企業(yè)應(yīng)安裝使用在認(rèn)證檢驗中餐飲油煙去除效率 ≥ 90%的設(shè)備［15］。長期以來，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采樣及分析方法雖然靈敏度較高，但存在操作較難、成本較高、對量大面廣的餐飲業(yè)適用度不夠等局限性和不完備性等問題［16］。對此，本文綜述了現(xiàn)有的餐飲油煙排放檢測方法及儀器現(xiàn)狀，分析了這些方法在廣泛應(yīng)用方面存在的問題，并展望了餐飲油煙排放在線監(jiān)測儀器發(fā)展趨勢以及對餐飲油煙污染控制的重大意義。

1 餐飲油煙排放檢測方法及儀器現(xiàn)狀

現(xiàn)行餐飲油煙排放控制標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)僅為排放濃度和油煙去除效率，主要利用等速采樣法采集排風(fēng)管或排氣筒內(nèi)的油煙氣體，將油煙采集在采樣器內(nèi)，再利用金屬濾筒吸收和紅外分光光度法檢測［14-15］。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在執(zhí)法成本和手段上存在一定的局限性，可采用檢氣管法采集油煙使顯色層顯色［17-18］，也可利用吸收劑吸收餐飲油煙的重量法［19］快速檢測餐飲油煙排放濃度。由于餐飲油煙排放顆粒主要為PM2.5［20］，同時VOCs 又是二次有機(jī)氣溶膠的重要前體物［21］，因此，為了更好地揭示餐飲油煙理化特性及其對環(huán)境的影響，必須關(guān)注PM2.5和VOCs 濃度指標(biāo)。目前針對PM2.5的檢測方法主要有濾膜稱重法［8］，而針對VOCs 的檢測方法主要有氣相色譜法、傅里葉變換紅外光譜法等［22］。

1.1 紅外分光光度法

圖1 為紅外分光光度法油煙檢測裝置示意圖［23］，先將完成采樣的采樣器內(nèi)金屬濾筒置于帶蓋的聚四氟乙烯套筒中，帶回實驗室后用四氯化碳溶劑進(jìn)行超聲清洗，移入比色管中定容，用紅外分光光度法測定油煙的含量。

油煙含量由波數(shù)分別為2 930 cm-1（CH2基團(tuán)中C—H 鍵的伸縮振動）、2 960 cm-1（CH3基團(tuán)中C—H 鍵的伸縮振動）和3 030 cm-1（芳香環(huán)中C—H 鍵的伸縮振動）譜帶處的吸光度A2930、A2960和A3030進(jìn)行計算。餐飲油煙實測質(zhì)量濃度計算式為

式中：c1為餐飲油煙實測質(zhì)量濃度，mg·m-3；c2為濾筒清洗液油煙質(zhì)量濃度，mg·L-1；V 為濾筒清洗液稀釋定容體積，mL；V0為采樣體積，m3。

1.2 檢氣管法

圖2 為檢氣管法裝置結(jié)構(gòu)示意圖。利用采樣泵把油煙采集至檢氣管內(nèi)，并將其固定在過濾層面，在此油煙通過催化劑作用與濃硫酸發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生深色反應(yīng)物。通過目測此反應(yīng)物顏色的深淺，可定性判別油煙濃度超達(dá)標(biāo)情況。

圖 2 檢氣管法裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the device structure with detection tubes

檢氣管法雖然能夠快速檢測餐飲油煙排放是否達(dá)標(biāo)，并且適用范圍廣、成本低，但僅是一種半定量的方法，為單點(diǎn)采集，采樣后的比色受人為因素影響，容易出現(xiàn)誤判［18］。

1.3 重量法

重量法通過采集器將餐飲油煙送至吸收劑中吸收稱重計算餐飲油煙排放量。油煙含量計算式為

式中：mz為總質(zhì)量，mg；m1為燒杯質(zhì)量，mg；m2為試劑空白值，mg；a 為采樣器體積流量，L·min-1；t 為采樣時間，min。

重量法能夠快速、簡單、方便地監(jiān)測餐飲油煙排放，但對采樣流量、測定條件等有一定要求，且在采樣時不能吸收分子量小、沸點(diǎn)低的有機(jī)物而造成測量結(jié)果偏?。?9］。

1.4 PM2.5 濾膜稱重法

濾膜稱重法是目前餐飲油煙PM2.5測量的主要方法。該方法利用2.5 μm 切割頭采集器對餐飲油煙進(jìn)行采樣，送至濾膜過濾收集烘干稱重進(jìn)而確定油煙PM2.5質(zhì)量濃度。

式中， m0為采樣前濾膜重量，mg。

PM2.5濾膜稱重法操作簡單，檢測結(jié)果不受油煙顆粒物物理性質(zhì)影響，準(zhǔn)確度較高，通常也作為國家標(biāo)準(zhǔn)中其他PM2.5監(jiān)測方法的對比方法，但這種方法操作繁瑣，測量周期較長，為此又發(fā)展了β 射線法、微振蕩天平法和光散射法等［23］。

1.5 VOCs 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法

氣相色譜法是將需要進(jìn)行分析的油煙導(dǎo)入色譜柱，由于各組分在流動相和固定相之間具有不同的分配系數(shù)，會隨流動相和固定相做相對運(yùn)動，且由于各組分滯留時間不同，色譜柱內(nèi)的物質(zhì)會按不同順序流出，根據(jù)流出物質(zhì)的濃度及時間的不同形成的色譜圖，以此達(dá)到對油煙VOCs成分的定性與定量分析［24］。質(zhì)譜法是利用高速電子束撞擊氣態(tài)分子，把電離出的離子加速導(dǎo)入質(zhì)量分析器中，然后按照碎片離子質(zhì)荷比的大小順序進(jìn)行收集和記錄得到質(zhì)譜圖，從而根據(jù)質(zhì)譜峰的位置定性分析成分和結(jié)構(gòu)，根據(jù)質(zhì)譜峰的相對強(qiáng)度定量分析濃度。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法結(jié)合了氣相色譜法和質(zhì)譜法的優(yōu)點(diǎn)，具有靈敏度高、分析速度快、鑒別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可同時完成待測組分的分離和鑒定，特別適用于多組分混合物中未知組分的定性定量分析、化合物分子結(jié)構(gòu)判別、化合物分子量測定［25］，也是餐飲油煙VOCs 檢測的主要手段［21］。

表1 給出了餐飲油煙排放檢測方法的對比。

表 1 餐飲油煙排放檢測方法對比Tab. 1 Comparison among the detection methods for cooking emissions

2 餐飲油煙排放在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展與展望

目前餐飲油煙測量方法均為實驗室檢測方案，成本高，時間覆蓋率低，監(jiān)測范圍有限，維護(hù)復(fù)雜，難以實現(xiàn)餐飲油煙排放的有效監(jiān)測。為了滿足對餐飲油煙排放的有效監(jiān)管的要求，必須緊密結(jié)合現(xiàn)有國家與地方標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)，實現(xiàn)餐飲油煙排放濃度的實時監(jiān)測，為環(huán)保執(zhí)法提供有效、簡便、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測方法。

近年來已發(fā)展出了基于油煙氣體傳感器TGS2100 等的油煙遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)［26-28］，但該傳感器易被油煙覆蓋而導(dǎo)致壽命短，并且其測量結(jié)果是通過標(biāo)準(zhǔn)油煙濃度與電化學(xué)反應(yīng)電流標(biāo)定得到，而實際油煙與標(biāo)準(zhǔn)油煙差距較大，導(dǎo)致檢測精度不高，并未廣泛應(yīng)用。圖3 為餐飲油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。綜合了油煙傳感器直接測量與油煙凈化裝置狀態(tài)監(jiān)控間接信息的餐飲油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用［29-31］。

但從直接測量方法來看，以國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的紅外分光光度法為基礎(chǔ)的實時監(jiān)測方法被認(rèn)為是最可行方案之一。目前已經(jīng)發(fā)展了基于非分散紅外分光光度法原理，使用寬帶光源和吸收波長為3.4 μm 的熱釋電探測頭實現(xiàn)油煙濃度在線監(jiān)測的系統(tǒng)［32］。圖4 為非分散紅外分光光度法在線測量裝置示意圖。為了使氣室避免被油煙中的氮氧化物、硫氧化物等成分腐蝕，同時使探測器避免被油性顆粒粘附而縮短壽命，采用石英玻璃管作為氣室，并在光源和探測器前端添加石英玻璃片，利用該裝置獲得油煙濃度初步測量結(jié)果。隨著國家與公眾對餐飲油煙排放越來越關(guān)注，餐飲油煙排放在線監(jiān)測具有廣泛的市場前景，武漢天虹、廣州博控等國內(nèi)儀器廠家也都在近幾年推出了相應(yīng)的油煙濃度排放監(jiān)測儀器，其核心監(jiān)測方法也都主要采用紅外分光光度法。

圖 4 非分散紅外分光光度法在線監(jiān)測裝置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the online monitoring device with non-dispersive infrared spectrophotometry

針對餐飲油煙排放特點(diǎn)，除了對油煙在線監(jiān)測的方法需要進(jìn)一步深入研究外，在系統(tǒng)研制方面也必須解決以下幾個問題：

（1）靈敏度

隨著餐飲油煙排放標(biāo)準(zhǔn)上限的不斷降低，在線監(jiān)測方法的靈敏度也需進(jìn)一步提升，從過去的定性逐步發(fā)展到定量，進(jìn)一步發(fā)展到痕量定量，并且最低檢測限也將隨之不斷降低，以滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）經(jīng)濟(jì)性

由于餐飲油煙排放無組織性，餐飲油煙排放在線監(jiān)控涉及面廣且分散，成本高。因此，研制油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)必須尋求一種經(jīng)濟(jì)且準(zhǔn)確的傳感器，這是國家對餐飲油煙排放實施嚴(yán)格監(jiān)管的基礎(chǔ)。

（3）工作穩(wěn)定性與使用壽命

餐飲油煙在排放管道內(nèi)遇冷凝結(jié)成粘稠的油滴，形成難以清除的油漬，附著在管壁或安裝在管壁的傳感器表面從而導(dǎo)致傳感器失效。因此，油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)在研制與應(yīng)用上面臨的最大問題是如何保護(hù)傳感器不受油煙污染，從而能夠保證其長時間穩(wěn)定工作。

（4）易維護(hù)性

餐飲油煙傳感器需要安裝在排放口，雖然有保護(hù)設(shè)計，但長時間運(yùn)行仍會受到油煙污染，對傳感器檢測靈敏度等具有較大影響。因此，傳感器需要定期維護(hù)，這就要求油煙在線監(jiān)測系統(tǒng)易維護(hù)，特別是傳感器的設(shè)計上要求易安裝、拆卸。

3 餐飲油煙排放監(jiān)測實施方案展望

針對餐飲油煙污染數(shù)量多、規(guī)模小、布局分散、變動性大等監(jiān)管難點(diǎn)，綜合考慮現(xiàn)階段餐飲油煙排放在線監(jiān)測系統(tǒng)的成本與執(zhí)法情況，目前監(jiān)測的實施應(yīng)將巡檢監(jiān)測與在線監(jiān)測相結(jié)合，對較為分散的商業(yè)餐飲油煙排放實行巡檢監(jiān)測方案，重點(diǎn)且較為集中的商業(yè)餐飲及居民樓共用煙道等有條件區(qū)域?qū)嵭性诰€監(jiān)控方案，以實現(xiàn)餐飲油煙排放的有效監(jiān)管［30］。

3.1 巡檢監(jiān)測方案

圖5 為巡檢監(jiān)測方案示意圖。該巡檢監(jiān)測方案是指環(huán)保執(zhí)法人員攜帶便攜式餐飲油煙濃度檢測儀，不定期對餐飲企業(yè)進(jìn)行抽檢。這種便攜式餐飲油煙濃度檢測儀包括油煙采樣器與紅外分光光度法油煙快速檢測裝置。采樣分析過程可自動進(jìn)行，較短時間內(nèi)即可完成一個測量周期，并且可以靈活接入移動終端，通過APP 軟件實現(xiàn)現(xiàn)場執(zhí)法測量、管理及與管理平臺的數(shù)據(jù)共享，也可以直接接入管理平臺與在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行配套使用，為油煙現(xiàn)場快速執(zhí)法檢測提供了解決方案。實現(xiàn)餐飲油煙排放的在線監(jiān)控。該方案可以讓環(huán)保執(zhí)法人員與公眾實時掌握油煙排放情況，但成本較高，目前僅可在有條件的地區(qū)使用。未來隨著監(jiān)測儀器成本的降低，這一方案必定成為餐飲油煙排放監(jiān)管的主流方案。

圖 5 巡檢監(jiān)測方案示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the patrol monitoring scheme

3.2 在線監(jiān)測方案

對較為集中的商業(yè)餐飲及居民樓共用煙道可采用如圖6 所示的在線檢測方案示意圖。通過安裝油煙在線監(jiān)測儀實時對煙道排放濃度進(jìn)行監(jiān)控，并且將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器平臺，

圖 6 在線監(jiān)測方案示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the online monitoring scheme

4 結(jié)束語

餐飲油煙已經(jīng)成為城市大氣環(huán)境的主要污染源之一。隨著國家與公眾關(guān)注度不斷提升，餐飲油煙排放控制監(jiān)管將越來越嚴(yán)格。目前對餐飲油煙污染排放檢測仍處于手工采樣實驗室分析階段，時間覆蓋率低，監(jiān)管范圍有限，難以實現(xiàn)餐飲油煙排放的有效監(jiān)管。雖然已經(jīng)發(fā)展了一些在線監(jiān)測系統(tǒng)，但這些儀器在應(yīng)用過程中靈敏度、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等仍然存在一些問題。為了更好地實現(xiàn)餐飲油煙排放監(jiān)管，需要研制更為先進(jìn)的餐飲油煙排放監(jiān)測系統(tǒng)，以供環(huán)保執(zhí)法人員通過巡檢監(jiān)測或在線監(jiān)測實施有效監(jiān)控。