激光散射法在線測(cè)定餐飲業(yè)油煙濃度的研究

李金瑩 胡躍城 丁萬(wàn)生 李 捷 田紅兵 李德安 徐 軍 劉 琦 謝元壯

（1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033；2.青島明華電子儀器有限公司，青島 266200；3.山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，青島 266003；4.青島明德環(huán)保儀器儀器有限公司，青島 266200）

1 前言

油煙是指食物烹飪、加工過(guò)程中揮發(fā)的油脂、有機(jī)質(zhì)及其加熱分解或裂解產(chǎn)物[1]。餐飲業(yè)油煙監(jiān)測(cè)方法有兩類，分別為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。目前我國(guó)對(duì)于餐飲業(yè)油煙的監(jiān)測(cè)方法為《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB18483-2001），為直接測(cè)量法采用金屬濾筒吸收和紅外分光光度法進(jìn)行采樣分析，該方法存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：一是樣品采樣、萃取、分析、計(jì)算等步驟復(fù)雜；二是檢測(cè)周期長(zhǎng)，不適于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定；三是高純度四氯化碳的使用，導(dǎo)致運(yùn)行成本較高，并且對(duì)人身健康危害大[2，3]。其中，間接測(cè)量法常采用的方法是激光散射法，該方法通過(guò)測(cè)量與顆粒物性質(zhì)相關(guān)的因素轉(zhuǎn)化得出油煙濃度，具有油煙污染物實(shí)時(shí)檢測(cè)、檢測(cè)速度快、檢測(cè)成本低、避免檢測(cè)過(guò)程中萃取試劑對(duì)檢測(cè)人員身體傷害等優(yōu)點(diǎn)，但存在對(duì)油煙大顆粒的響應(yīng)度低、并易受水汽干擾影響等問(wèn)題。針對(duì)以上這些問(wèn)題，本工作依托《山東省生態(tài)環(huán)境廳生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目》研究?jī)?nèi)容課題和《油煙在線監(jiān)測(cè)分析 光散射法》標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了激光散射法在線測(cè)定餐飲業(yè)油煙濃度的研究，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)、干擾因素以及現(xiàn)場(chǎng)精密度指標(biāo)的驗(yàn)證，該方法可解決餐飲企業(yè)量大面廣、油煙瞬時(shí)超標(biāo)難以抓取、手工監(jiān)測(cè)效率低等監(jiān)管難問(wèn)題，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)餐飲業(yè)等產(chǎn)生油煙污染行業(yè)的監(jiān)管力度、提高油煙去除效率、規(guī)范油煙凈化環(huán)保設(shè)施運(yùn)行等狀況，提升管控餐飲業(yè)產(chǎn)生油煙污染行業(yè)大氣污染控制水平，改善山東省大氣環(huán)境現(xiàn)狀。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

MH3300煙氣煙塵顆粒物濃度測(cè)試儀（青島明華電子儀器有限公司）；MH3060油煙采樣管與濾筒（青島明華電子儀器有限公司）；MH3102型油煙在線監(jiān)控儀（青島明華電子儀器有限公司）；油煙發(fā)生裝置系統(tǒng)包含煙道、風(fēng)機(jī)、微量進(jìn)樣器（青島明華電子儀器有限公司）；KQ3200超聲波清洗器（東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司）；MH-6紅外油煙測(cè)油儀及操作軟件（青島明華電子儀器有限公司）；比色皿；容量瓶；帶蓋聚四氟乙烯圓柱形套筒；AZWTH8L溫控箱（上海增達(dá)科技股份有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

激光散射法在線測(cè)油煙實(shí)驗(yàn)原理是當(dāng)油煙氣體通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，所產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度與油煙濃度成比例關(guān)系，通過(guò)穩(wěn)定光源照射被測(cè)油煙氣體，測(cè)定油煙集合散射光的強(qiáng)度，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)與分析，計(jì)算得到油煙濃度（圖1）。

圖1 散射法原理圖

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

本研究選取了6家實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要對(duì)該儀器檢出限、精密度、正確度、干擾因素等數(shù)據(jù)驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器的精密度以及與參比方法的數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證工作。其中，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試是對(duì)低、中、高3個(gè)不同濃度水平的油煙濃度（0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3）進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定6次，分別計(jì)算不同樣品的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等各項(xiàng)參數(shù)，并做了水分干擾驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證是通過(guò)選取兩個(gè)餐飲實(shí)業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)實(shí)際樣品與參比方法（國(guó)標(biāo)法）進(jìn)行同步測(cè)定，其采樣位置確定和采樣孔的設(shè)置應(yīng)符合GB 18483的規(guī)定，樣品測(cè)定選擇在污染物排放高峰時(shí)段進(jìn)行，連續(xù)取樣5min～10min測(cè)定數(shù)據(jù)的平均值作為1次測(cè)量值，每個(gè)樣品平行測(cè)定6次，分別計(jì)算不同樣品的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等各項(xiàng)參數(shù)。最后，再匯總計(jì)算實(shí)驗(yàn)室間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、重復(fù)性限r(nóng)和再現(xiàn)性限R等數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

按照《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168-2020)附錄A規(guī)定進(jìn)行檢出限、精密度、正確度[4]、水分干擾驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3.1.1 檢出限測(cè)試

根據(jù)(HJ 168-2020)附錄A中規(guī)定檢出限試驗(yàn)在空白試驗(yàn)中未檢測(cè)出目標(biāo)物的做法是：對(duì)濃度值或含量為估計(jì)方法檢出限值3～5倍的樣品進(jìn)行對(duì)油煙濃度（0.45mg/m3）進(jìn)行10次平行測(cè)定，方法檢出限根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢出限數(shù)據(jù)匯總表

式中：MDL為方法檢出限，mg/m3；

n為樣品的平行測(cè)定次數(shù)；

t為自由度為n-1，置信度為99%時(shí)的t分布（單側(cè)）；

S為n次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

按照測(cè)試結(jié)果（表1）依據(jù)公式（1）得到該方法的檢出限為0.1 mg/m3，測(cè)定下限為4倍方法檢出限，方法測(cè)定下限為0.4 mg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光散射法在線監(jiān)測(cè)具有低檢出限的特點(diǎn)。

3.1.2 精密度測(cè)試

對(duì)3種濃度分別為0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)油煙源進(jìn)行測(cè)定，得到6家實(shí)驗(yàn)室精密度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)（表2）。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.19%～6.47%，9.00%～13.54%，1.09%～3.49%；實(shí)驗(yàn)室間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.84%、4.36%、2.25%；重復(fù)性限分別為0.08 mg/m3、0.49mg/m3、0.39mg/m3；再現(xiàn)性限分別為0.09mg/m3、0.49mg/m3、0.31mg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明激光散射法在線監(jiān)測(cè)不僅具有良好的精密度，而且其結(jié)果還具有穩(wěn)定的重現(xiàn)性。

表2 精密度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.1.3 正確度測(cè)試

對(duì)濃度水平為0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)油煙源進(jìn)行了測(cè)定，得到6家實(shí)驗(yàn)室正確度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)（表3）。實(shí)驗(yàn)室間相對(duì)誤差分別為9.52%～15.48%、-5.79%～5.79%、-4.11%～2.01%；相對(duì)誤差的最終值為10.96±2.36%、0.29±4.38%、-0.32±2.22%。

表3 正確度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于該方法避免了金屬濾筒吸收和紅外分光光度法在分析環(huán)節(jié)過(guò)程中引入的人為誤差等操作，從而有效的提高了激光散射法在線監(jiān)測(cè)的正確性。

3.1.4 干擾性試驗(yàn)

為驗(yàn)證激光散射法受水干擾試驗(yàn)，通過(guò)溫控箱發(fā)生7種不同溫濕度檔位的濕度，并在采樣槍前端串接高效過(guò)濾器，以避免溫控箱凈水系統(tǒng)不純凈導(dǎo)致發(fā)生的水蒸氣中帶有顆粒物而影響數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過(guò)控制儀器加熱開(kāi)關(guān)功能，以驗(yàn)證激光散射法是否受水影響數(shù)據(jù)。

由表4數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)主要受高濕影響，當(dāng)在濕度≤13.872%時(shí)，儀器無(wú)論是否開(kāi)啟槍管與氣室加熱功能，儀器讀數(shù)均不受影響；當(dāng)在濕度≥17.223%時(shí)，儀器加熱與只關(guān)閉槍管加熱時(shí)，儀器讀數(shù)也不受影響，兩臺(tái)全部關(guān)閉槍管與氣室加熱設(shè)置的儀器顯示讀數(shù)超量程，當(dāng)再把當(dāng)儀器抽取到空氣中，儀器數(shù)值可以恢復(fù)正常數(shù)值顯示。通過(guò)本試驗(yàn)可以說(shuō)明，激光散射法在高濕時(shí)，讀數(shù)受水影響嚴(yán)重，當(dāng)通過(guò)儀器槍管或氣室加熱操作可以避免受水影響。一般餐飲業(yè)油煙經(jīng)煙道排放的煙溫＜70℃，且濕度＜90%RH，即通過(guò)儀器槍管或氣室加熱等措施可有效避免水的干擾影響。

表4 干擾性試驗(yàn)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證激光散射法在線監(jiān)測(cè)儀精密度指標(biāo)，6家實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)兩家餐廳排放煙氣中油煙濃度進(jìn)行測(cè)定。1#餐廳油煙濃度為0.09～0.20mg/m3、平均值0.15mg/m3；2#餐廳油煙濃度為1.78～3.11mg/m3，平均油煙濃度為2.38mg/m3；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果（表5）顯示實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.60%～12.34%、3.07%～17.27%；實(shí)驗(yàn)室間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為23.90%、18.45%；重復(fù)性限分別為0.03mg/m3、0.67mg/m3；再現(xiàn)性限分別為0.10mg/m3、1.37mg/m3。

表5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯總

由表5數(shù)據(jù)可以看出，激光散射法在線監(jiān)測(cè)儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)具有較好的數(shù)據(jù)重復(fù)性。

3.2.2 對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)

選取6家實(shí)驗(yàn)室依據(jù)參比方法（國(guó)標(biāo)法）采用金屬濾筒吸收和紅外分光光度法分別對(duì)1#餐廳、2#餐廳排放煙氣中油煙濃度進(jìn)行測(cè)定[5]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)受生產(chǎn)工況波動(dòng)影響油煙濃度有相應(yīng)的幅度變化。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果（表6）的相對(duì)誤差范圍為-6.97%～25.00%，平均相對(duì)誤差范圍為-0.43%～15.38%。

表6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 金屬濾筒吸收和紅外分光光度法與激光散射法在線對(duì)比數(shù)據(jù)表

由表6數(shù)據(jù)可以看出，激光散射法在線監(jiān)測(cè)儀與國(guó)標(biāo)金屬濾筒吸收和紅外分光光度法對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，激光散射法在線監(jiān)測(cè)儀具有實(shí)時(shí)快速定量出結(jié)果，且結(jié)果準(zhǔn)確度較高的特點(diǎn)。

4 結(jié)論與討論

綜上所述，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果表明激光散射法檢出限低、精密度、正確度好等特點(diǎn)，可適合不同油煙濃度的測(cè)試場(chǎng)合，通過(guò)兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)與參比方法（國(guó)標(biāo)金屬濾筒吸收和紅外分光光度法）的比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有重復(fù)性好、適合低濃度油煙測(cè)試、并能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)出數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著推進(jìn)激光散射法在線監(jiān)測(cè)儀測(cè)試方法的研究應(yīng)用，以及相關(guān)的方法與儀器技術(shù)要求規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可有利掌握城市各個(gè)區(qū)域油煙排放的分布及變化趨勢(shì)，掌握污染源排放規(guī)律，同時(shí)，有利促進(jìn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的快速篩查性，以滿足執(zhí)法監(jiān)測(cè)的需求，為環(huán)境管理提供高效的數(shù)據(jù)支撐作用。

需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)打開(kāi)與關(guān)閉槍管與氣室加熱實(shí)驗(yàn)表明，激光散射法在高濕時(shí)，讀數(shù)受水影響嚴(yán)重，當(dāng)通過(guò)儀器槍管或氣室加熱操作可以避免受水影響。在儀器設(shè)計(jì)時(shí)需考慮煙道廢氣中的水蒸氣在采樣過(guò)程中易在采樣管上冷凝，致使部分油煙隨冷凝水凝結(jié)在采樣管壁上，同時(shí)為防止水滴和水氣在光散射模塊上結(jié)露，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，應(yīng)通過(guò)加熱采樣管去除冷凝水，消除廢氣中水汽冷凝等對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。