餐飲油煙排放在線監測儀器研究現狀與進展

于天澤，楊 斌，熊 非，王嘉華，蔡小舒

（1. 上海理工大學 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實驗室，上海 200093；2. 上海理工大學 理學院化學系，上海 200093；3. 方太集團寧波方太廚具有限公司技術研究院，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的油脂、有機質及受熱裂解產生的氣、液、固三態氣溶膠混合物［7］。餐飲油煙排放后可直接冷凝形成PM2.5（細微顆粒物），而排放出的VOCs（揮發性有機化合物）則是二次有機氣溶膠的前體物［8］。這些油煙氣溶膠的化學組成十分復雜，在空氣中長時間懸浮漂移又會吸附多種物質，并在其表面進行復雜的物理化學反應，形成對人體危害更大的污染物［9］。近年來，隨著餐飲企業數量的急速增長，油煙排放總量極為龐大。據估計，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1 247.97 t［10］；北京市2005 年餐飲油煙PM2.5排放量可達2 100 t［11］；2010 年全國僅家庭烹飪可產生VOCs 5.1 × 104t［12］。國家與公眾對餐飲油煙排放越來越關注，然而餐飲油煙污染具有數量多、規模小、布局分散、變動性大等特點而難以控制［13］。目前，國家和地方政府陸續出臺相關標準控制餐飲油煙排放：《飲食業油煙排放標準（試行）》（GB 18483—2001）規定飲食業單位油煙的最高允許排放質量濃度為2.0 mg·m-3；大、中、小型飲食業單位油煙凈化設施的最低去除效率分別為60%、75%、85%［14］。上海市地方標準《餐飲業油煙排放標準》（DB 31/844 —2014）規定餐飲業單位油煙最高允許排放質量濃度為1.0 mg·m-3；新建企業應安裝使用在認證檢驗中餐飲油煙去除效率 ≥ 90%的設備［15］。長期以來，這些標準規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，本文綜述了現有的餐飲油煙排放檢測方法及儀器現狀，分析了這些方法在廣泛應用方面存在的問題，并展望了餐飲油煙排放在線監測儀器發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狀

現行餐飲油煙排放控制標準的主要指標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管或排氣筒內的油煙氣體，將油煙采集在采樣器內，再利用金屬濾筒吸收和紅外分光光度法檢測［14-15］。由于相關標準在執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境的影響，必須關注PM2.5和VOCs 濃度指標。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。

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

式中：c1為餐飲油煙實測質量濃度，mg·m-3；c2為濾筒清洗液油煙質量濃度，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 為檢氣管法裝置結構示意圖。利用采樣泵把油煙采集至檢氣管內，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生分解反應，產生深色反應物。通過目測此反應物顏色的深淺，可定性判別油煙濃度超達標情況。

圖 2 檢氣管法裝置結構示意圖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標，并且適用范圍廣、成本低，但僅是一種半定量的方法，為單點采集，采樣后的比色受人為因素影響，容易出現誤判［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為總質量，mg；m1為燒杯質量，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、沸點低的有機物而造成測量結果偏小［19］。

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行采樣，送至濾膜過濾收集烘干稱重進而確定油煙PM2.5質量濃度。

式中， m0為采樣前濾膜重量，mg。

PM2.5濾膜稱重法操作簡單，檢測結果不受油煙顆粒物物理性質影響，準確度較高，通常也作為國家標準中其他PM2.5監測方法的對比方法，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-質譜聯用法

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

氣相色譜-質譜聯用法結合了氣相色譜法和質譜法的優點，具有靈敏度高、分析速度快、鑒別能力強等優點，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、化合物分子結構判別、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測系統發展與展望

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，監測范圍有限，維護復雜，難以實現餐飲油煙排放的有效監測。為了滿足對餐飲油煙排放的有效監管的要求，必須緊密結合現有國家與地方標準的主要指標，實現餐飲油煙排放濃度的實時監測，為環保執法提供有效、簡便、經濟的監測方法。

近年來已發展出了基于油煙氣體傳感器TGS2100 等的油煙遠程實時監測系統［26-28］，但該傳感器易被油煙覆蓋而導致壽命短，并且其測量結果是通過標準油煙濃度與電化學反應電流標定得到，而實際油煙與標準油煙差距較大，導致檢測精度不高，并未廣泛應用。圖3 為餐飲油煙在線監測系統示意圖。綜合了油煙傳感器直接測量與油煙凈化裝置狀態監控間接信息的餐飲油煙在線監測系統得到了發展和應用［29-31］。

但從直接測量方法來看，以國家標準所規定的紅外分光光度法為基礎的實時監測方法被認為是最可行方案之一。目前已經發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油煙濃度在線監測的系統［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果。隨著國家與公眾對餐飲油煙排放越來越關注，餐飲油煙排放在線監測具有廣泛的市場前景，武漢天虹、廣州博控等國內儀器廠家也都在近幾年推出了相應的油煙濃度排放監測儀器，其核心監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，除了對油煙在線監測的方法需要進一步深入研究外，在系統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準上限的不斷降低，在線監測方法的靈敏度也需進一步提升，從過去的定性逐步發展到定量，進一步發展到痕量定量，并且最低檢測限也將隨之不斷降低，以滿足更嚴格的排放標準。

（2）經濟性

由于餐飲油煙排放無組織性，餐飲油煙排放在線監控涉及面廣且分散，成本高。因此，研制油煙在線監測系統必須尋求一種經濟且準確的傳感器，這是國家對餐飲油煙排放實施嚴格監管的基礎。

（3）工作穩定性與使用壽命

餐飲油煙在排放管道內遇冷凝結成粘稠的油滴，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致傳感器失效。因此，油煙在線監測系統在研制與應用上面臨的最大問題是如何保護傳感器不受油煙污染，從而能夠保證其長時間穩定工作。

（4）易維護性

餐飲油煙傳感器需要安裝在排放口，雖然有保護設計，但長時間運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，這就要求油煙在線監測系統易維護，特別是傳感器的設計上要求易安裝、拆卸。

3 餐飲油煙排放監測實施方案展望

針對餐飲油煙污染數量多、規模小、布局分散、變動性大等監管難點，綜合考慮現階段餐飲油煙排放在線監測系統的成本與執法情況，目前監測的實施應將巡檢監測與在線監測相結合，對較為分散的商業餐飲油煙排放實行巡檢監測方案，重點且較為集中的商業餐飲及居民樓共用煙道等有條件區域實行在線監控方案，以實現餐飲油煙排放的有效監管［30］。

3.1 巡檢監測方案

圖5 為巡檢監測方案示意圖。該巡檢監測方案是指環保執法人員攜帶便攜式餐飲油煙濃度檢測儀，不定期對餐飲企業進行抽檢。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行，較短時間內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 軟件實現現場執法測量、管理及與管理平臺的數據共享，也可以直接接入管理平臺與在線監測系統進行配套使用，為油煙現場快速執法檢測提供了解決方案。實現餐飲油煙排放的在線監控。該方案可以讓環保執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使用。未來隨著監測儀器成本的降低，這一方案必定成為餐飲油煙排放監管的主流方案。

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

3.2 在線監測方案

對較為集中的商業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測儀實時對煙道排放濃度進行監控，并且將結果通過互聯網傳輸到服務器平臺，

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

4 結束語

餐飲油煙已經成為城市大氣環境的主要污染源之一。隨著國家與公眾關注度不斷提升，餐飲油煙排放控制監管將越來越嚴格。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，監管范圍有限，難以實現餐飲油煙排放的有效監管。雖然已經發展了一些在線監測系統，但這些儀器在應用過程中靈敏度、經濟性、穩定性等仍然存在一些問題。為了更好地實現餐飲油煙排放監管，需要研制更為先進的餐飲油煙排放監測系統，以供環保執法人員通過巡檢監測或在線監測實施有效監控。