激光散射法在線測定餐飲業油煙濃度的研究

李金瑩 胡躍城 丁萬生 李 捷 田紅兵 李德安 徐 軍 劉 琦 謝元壯

（1.青島理工大學環境與市政工程學院，青島 266033；2.青島明華電子儀器有限公司，青島 266200；3.山東省青島生態環境監測中心，青島 266003；4.青島明德環保儀器儀器有限公司，青島 266200）

1 前言

油煙是指食物烹飪、加工過程中揮發的油脂、有機質及其加熱分解或裂解產物[1]。餐飲業油煙監測方法有兩類，分別為直接測量法和間接測量法。目前我國對于餐飲業油煙的監測方法為《飲食業油煙排放標準（試行）》（GB18483-2001），為直接測量法采用金屬濾筒吸收和紅外分光光度法進行采樣分析，該方法存在以下幾點問題：一是樣品采樣、萃取、分析、計算等步驟復雜；二是檢測周期長，不適于現場快速測定；三是高純度四氯化碳的使用，導致運行成本較高，并且對人身健康危害大[2，3]。其中，間接測量法常采用的方法是激光散射法，該方法通過測量與顆粒物性質相關的因素轉化得出油煙濃度，具有油煙污染物實時檢測、檢測速度快、檢測成本低、避免檢測過程中萃取試劑對檢測人員身體傷害等優點，但存在對油煙大顆粒的響應度低、并易受水汽干擾影響等問題。針對以上這些問題，本工作依托《山東省生態環境廳生態環境標準制修訂項目》研究內容課題和《油煙在線監測分析 光散射法》標準開展了激光散射法在線測定餐飲業油煙濃度的研究，進行實驗室指標、干擾因素以及現場精密度指標的驗證，該方法可解決餐飲企業量大面廣、油煙瞬時超標難以抓取、手工監測效率低等監管難問題，進一步強化對餐飲業等產生油煙污染行業的監管力度、提高油煙去除效率、規范油煙凈化環保設施運行等狀況，提升管控餐飲業產生油煙污染行業大氣污染控制水平，改善山東省大氣環境現狀。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗儀器

MH3300煙氣煙塵顆粒物濃度測試儀（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型油煙在線監控儀（青島明華電子儀器有限公司）；油煙發生裝置系統包含煙道、風機、微量進樣器（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備有限公司）；MH-6紅外油煙測油儀及操作軟件（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（上海增達科技股份有限公司）。

2.2 實驗原理

激光散射法在線測油煙實驗原理是當油煙氣體通過檢測系統時，所產生的散射光強度與油煙濃度成比例關系，通過穩定光源照射被測油煙氣體，測定油煙集合散射光的強度，經光電轉換器將光能量轉化為電信號，通過信號處理系統統計與分析，計算得到油煙濃度（圖1）。

圖1 散射法原理圖

2.3 實驗方法

本研究選取了6家實驗室分別進行實驗室測試和現場數據驗證工作。實驗室測試主要對該儀器檢出限、精密度、正確度、干擾因素等數據驗證，現場測試主要是對現場儀器的精密度以及與參比方法的數據比對驗證工作。其中，實驗室測試是對低、中、高3個不同濃度水平的油煙濃度（0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3）進行測定，每個樣品平行測定6次，分別計算不同樣品的平均值、標準偏差、相對標準偏差等各項參數，并做了水分干擾驗證實驗；現場驗證是通過選取兩個餐飲實業進行現場測試，對實際樣品與參比方法（國標法）進行同步測定，其采樣位置確定和采樣孔的設置應符合GB 18483的規定，樣品測定選擇在污染物排放高峰時段進行，連續取樣5min～10min測定數據的平均值作為1次測量值，每個樣品平行測定6次，分別計算不同樣品的平均值、標準偏差、相對標準偏差等各項參數。最后，再匯總計算實驗室間相對標準偏差、重復性限r和再現性限R等數據。

3 結果與討論

3.1 實驗室測試

按照《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168-2020)附錄A規定進行檢出限、精密度、正確度[4]、水分干擾驗證實驗。

3.1.1 檢出限測試

根據(HJ 168-2020)附錄A中規定檢出限試驗在空白試驗中未檢測出目標物的做法是：對濃度值或含量為估計方法檢出限值3～5倍的樣品進行對油煙濃度（0.45mg/m3）進行10次平行測定，方法檢出限根據公式（1）進行計算，詳細數據如表1所示。

表1 檢出限數據匯總表

式中：MDL為方法檢出限，mg/m3；

n為樣品的平行測定次數；

t為自由度為n-1，置信度為99%時的t分布（單側）；

S為n次平行測定的標準偏差。

按照測試結果（表1）依據公式（1）得到該方法的檢出限為0.1 mg/m3，測定下限為4倍方法檢出限，方法測定下限為0.4 mg/m3。實驗結果表明激光散射法在線監測具有低檢出限的特點。

3.1.2 精密度測試

對3種濃度分別為0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3的標準油煙源進行測定，得到6家實驗室精密度測定結果統計（表2）。實驗室內相對標準偏差分別為3.19%～6.47%，9.00%～13.54%，1.09%～3.49%；實驗室間相對標準偏差分別為0.84%、4.36%、2.25%；重復性限分別為0.08 mg/m3、0.49mg/m3、0.39mg/m3；再現性限分別為0.09mg/m3、0.49mg/m3、0.31mg/m3。實驗結果說明激光散射法在線監測不僅具有良好的精密度，而且其結果還具有穩定的重現性。

表2 精密度測定結果統計

3.1.3 正確度測試

對濃度水平為0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3的標準油煙源進行了測定，得到6家實驗室正確度測定結果統計（表3）。實驗室間相對誤差分別為9.52%～15.48%、-5.79%～5.79%、-4.11%～2.01%；相對誤差的最終值為10.96±2.36%、0.29±4.38%、-0.32±2.22%。

表3 正確度測定結果統計

實驗結果表明，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節過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測的正確性。

3.1.4 干擾性試驗

為驗證激光散射法受水干擾試驗，通過溫控箱發生7種不同溫濕度檔位的濕度，并在采樣槍前端串接高效過濾器，以避免溫控箱凈水系統不純凈導致發生的水蒸氣中帶有顆粒物而影響數據，同時，通過控制儀器加熱開關功能，以驗證激光散射法是否受水影響數據。

由表4數據可以看出，數據主要受高濕影響，當在濕度≤13.872%時，儀器無論是否開啟槍管與氣室加熱功能，儀器讀數均不受影響；當在濕度≥17.223%時，儀器加熱與只關閉槍管加熱時，儀器讀數也不受影響，兩臺全部關閉槍管與氣室加熱設置的儀器顯示讀數超量程，當再把當儀器抽取到空氣中，儀器數值可以恢復正常數值顯示。通過本試驗可以說明，激光散射法在高濕時，讀數受水影響嚴重，當通過儀器槍管或氣室加熱操作可以避免受水影響。一般餐飲業油煙經煙道排放的煙溫＜70℃，且濕度＜90%RH，即通過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

3.2 現場測試

3.2.1 現場實驗

為驗證激光散射法在線監測儀精密度指標，6家實驗室分別對兩家餐廳排放煙氣中油煙濃度進行測定。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；現場測試結果（表5）顯示實驗室內相對標準偏差分別為3.60%～12.34%、3.07%～17.27%；實驗室間相對標準偏差分別為23.90%、18.45%；重復性限分別為0.03mg/m3、0.67mg/m3；再現性限分別為0.10mg/m3、1.37mg/m3。

表5 現場數據匯總

由表5數據可以看出，激光散射法在線監測儀在現場測試時具有較好的數據重復性。

3.2.2 對標實驗

選取6家實驗室依據參比方法（國標法）采用金屬濾筒吸收和紅外分光光度法分別對1#餐廳、2#餐廳排放煙氣中油煙濃度進行測定[5]。現場測試時受生產工況波動影響油煙濃度有相應的幅度變化。現場測試結果（表6）的相對誤差范圍為-6.97%～25.00%，平均相對誤差范圍為-0.43%～15.38%。

表6 現場測試 金屬濾筒吸收和紅外分光光度法與激光散射法在線對比數據表

由表6數據可以看出，激光散射法在線監測儀與國標金屬濾筒吸收和紅外分光光度法對比可以發現，激光散射法在線監測儀具有實時快速定量出結果，且結果準確度較高的特點。

4 結論與討論

綜上所述，實驗室試驗結果表明激光散射法檢出限低、精密度、正確度好等特點，可適合不同油煙濃度的測試場合，通過兩個現場與參比方法（國標金屬濾筒吸收和紅外分光光度法）的比對試驗結果表明該方法具有重復性好、適合低濃度油煙測試、并能實現在線實時出數、現場適應性強等特點。隨著推進激光散射法在線監測儀測試方法的研究應用，以及相關的方法與儀器技術要求規范標準，可有利掌握城市各個區域油煙排放的分布及變化趨勢，掌握污染源排放規律，同時，有利促進監測結果的快速篩查性，以滿足執法監測的需求，為環境管理提供高效的數據支撐作用。

需要注意的是，本實驗通過打開與關閉槍管與氣室加熱實驗表明，激光散射法在高濕時，讀數受水影響嚴重，當通過儀器槍管或氣室加熱操作可以避免受水影響。在儀器設計時需考慮煙道廢氣中的水蒸氣在采樣過程中易在采樣管上冷凝，致使部分油煙隨冷凝水凝結在采樣管壁上，同時為防止水滴和水氣在光散射模塊上結露，導致測量結果不準確，應通過加熱采樣管去除冷凝水，消除廢氣中水汽冷凝等對測量結果的干擾。