激光散射法在线测定餐饮业油烟浓度的研究

李金莹 胡跃城 丁万生 李 捷 田红兵 李德安 徐 军 刘 琦 谢元壮

（1.青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛 266033；2.青岛明华电子仪器有限公司，青岛 266200；3.山东省青岛生态环境监测中心，青岛 266003；4.青岛明德环保仪器仪器有限公司，青岛 266200）

1 前言

油烟是指食物烹饪、加工过程中挥发的油脂、有机质及其加热分解或裂解产物[1]。餐饮业油烟监测方法有两类，分别为直接测量法和间接测量法。目前我国对于餐饮业油烟的监测方法为《饮食业油烟排放标准（试行）》（GB18483-2001），为直接测量法采用金属滤筒吸收和红外分光光度法进行采样分析，该方法存在以下几点问题：一是样品采样、萃取、分析、计算等步骤复杂；二是检测周期长，不适于现场快速测定；三是高纯度四氯化碳的使用，导致运行成本较高，并且对人身健康危害大[2，3]。其中，间接测量法常采用的方法是激光散射法，该方法通过测量与颗粒物性质相关的因素转化得出油烟浓度，具有油烟污染物实时检测、检测速度快、检测成本低、避免检测过程中萃取试剂对检测人员身体伤害等优点，但存在对油烟大颗粒的响应度低、并易受水汽干扰影响等问题。针对以上这些问题，本工作依托《山东省生态环境厅生态环境标准制修订项目》研究内容课题和《油烟在线监测分析 光散射法》标准开展了激光散射法在线测定餐饮业油烟浓度的研究，进行实验室指标、干扰因素以及现场精密度指标的验证，该方法可解决餐饮企业量大面广、油烟瞬时超标难以抓取、手工监测效率低等监管难问题，进一步强化对餐饮业等产生油烟污染行业的监管力度、提高油烟去除效率、规范油烟净化环保设施运行等状况，提升管控餐饮业产生油烟污染行业大气污染控制水平，改善山东省大气环境现状。

2 实验材料与方法

2.1 实验仪器

MH3300烟气烟尘颗粒物浓度测试仪（青岛明华电子仪器有限公司）；MH3060油烟采样管与滤筒（青岛明华电子仪器有限公司）；MH3102型油烟在线监控仪（青岛明华电子仪器有限公司）；油烟发生装置系统包含烟道、风机、微量进样器（青岛明华电子仪器有限公司）；KQ3200超声波清洗器（东莞市科桥超声波设备有限公司）；MH-6红外油烟测油仪及操作软件（青岛明华电子仪器有限公司）；比色皿；容量瓶；带盖聚四氟乙烯圆柱形套筒；AZWTH8L温控箱（上海增达科技股份有限公司）。

2.2 实验原理

激光散射法在线测油烟实验原理是当油烟气体通过检测系统时，所产生的散射光强度与油烟浓度成比例关系，通过稳定光源照射被测油烟气体，测定油烟集合散射光的强度，经光电转换器将光能量转化为电信号，通过信号处理系统统计与分析，计算得到油烟浓度（图1）。

图1 散射法原理图

2.3 实验方法

本研究选取了6家实验室分别进行实验室测试和现场数据验证工作。实验室测试主要对该仪器检出限、精密度、正确度、干扰因素等数据验证，现场测试主要是对现场仪器的精密度以及与参比方法的数据比对验证工作。其中，实验室测试是对低、中、高3个不同浓度水平的油烟浓度（0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3）进行测定，每个样品平行测定6次，分别计算不同样品的平均值、标准偏差、相对标准偏差等各项参数，并做了水分干扰验证实验；现场验证是通过选取两个餐饮实业进行现场测试，对实际样品与参比方法（国标法）进行同步测定，其采样位置确定和采样孔的设置应符合GB 18483的规定，样品测定选择在污染物排放高峰时段进行，连续取样5min～10min测定数据的平均值作为1次测量值，每个样品平行测定6次，分别计算不同样品的平均值、标准偏差、相对标准偏差等各项参数。最后，再汇总计算实验室间相对标准偏差、重复性限r和再现性限R等数据。

3 结果与讨论

3.1 实验室测试

按照《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168-2020)附录A规定进行检出限、精密度、正确度[4]、水分干扰验证实验。

3.1.1 检出限测试

根据(HJ 168-2020)附录A中规定检出限试验在空白试验中未检测出目标物的做法是：对浓度值或含量为估计方法检出限值3～5倍的样品进行对油烟浓度（0.45mg/m3）进行10次平行测定，方法检出限根据公式（1）进行计算，详细数据如表1所示。

表1 检出限数据汇总表

式中：MDL为方法检出限，mg/m3；

n为样品的平行测定次数；

t为自由度为n-1，置信度为99%时的t分布（单侧）；

S为n次平行测定的标准偏差。

按照测试结果（表1）依据公式（1）得到该方法的检出限为0.1 mg/m3，测定下限为4倍方法检出限，方法测定下限为0.4 mg/m3。实验结果表明激光散射法在线监测具有低检出限的特点。

3.1.2 精密度测试

对3种浓度分别为0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3的标准油烟源进行测定，得到6家实验室精密度测定结果统计（表2）。实验室内相对标准偏差分别为3.19%～6.47%，9.00%～13.54%，1.09%～3.49%；实验室间相对标准偏差分别为0.84%、4.36%、2.25%；重复性限分别为0.08 mg/m³、0.49mg/m³、0.39mg/m³；再现性限分别为0.09mg/m³、0.49mg/m³、0.31mg/m³。实验结果说明激光散射法在线监测不仅具有良好的精密度，而且其结果还具有稳定的重现性。

表2 精密度测定结果统计

3.1.3 正确度测试

对浓度水平为0.5mg/m3、1mg/m3、4mg/m3的标准油烟源进行了测定，得到6家实验室正确度测定结果统计（表3）。实验室间相对误差分别为9.52%～15.48%、-5.79%～5.79%、-4.11%～2.01%；相对误差的最终值为10.96±2.36%、0.29±4.38%、-0.32±2.22%。

表3 正确度测定结果统计

实验结果表明，由于该方法避免了金属滤筒吸收和红外分光光度法在分析环节过程中引入的人为误差等操作，从而有效的提高了激光散射法在线监测的正确性。

3.1.4 干扰性试验

为验证激光散射法受水干扰试验，通过温控箱发生7种不同温湿度档位的湿度，并在采样枪前端串接高效过滤器，以避免温控箱净水系统不纯净导致发生的水蒸气中带有颗粒物而影响数据，同时，通过控制仪器加热开关功能，以验证激光散射法是否受水影响数据。

由表4数据可以看出，数据主要受高湿影响，当在湿度≤13.872%时，仪器无论是否开启枪管与气室加热功能，仪器读数均不受影响；当在湿度≥17.223%时，仪器加热与只关闭枪管加热时，仪器读数也不受影响，两台全部关闭枪管与气室加热设置的仪器显示读数超量程，当再把当仪器抽取到空气中，仪器数值可以恢复正常数值显示。通过本试验可以说明，激光散射法在高湿时，读数受水影响严重，当通过仪器枪管或气室加热操作可以避免受水影响。一般餐饮业油烟经烟道排放的烟温＜70℃，且湿度＜90%RH，即通过仪器枪管或气室加热等措施可有效避免水的干扰影响。

表4 干扰性试验

3.2 现场测试

3.2.1 现场实验

为验证激光散射法在线监测仪精密度指标，6家实验室分别对两家餐厅排放烟气中油烟浓度进行测定。1#餐厅油烟浓度为0.09～0.20mg/m3、平均值0.15mg/m3；2#餐厅油烟浓度为1.78～3.11mg/m³，平均油烟浓度为2.38mg/m³；现场测试结果（表5）显示实验室内相对标准偏差分别为3.60%～12.34%、3.07%～17.27%；实验室间相对标准偏差分别为23.90%、18.45%；重复性限分别为0.03mg/m³、0.67mg/m³；再现性限分别为0.10mg/m³、1.37mg/m³。

表5 现场数据汇总

由表5数据可以看出，激光散射法在线监测仪在现场测试时具有较好的数据重复性。

3.2.2 对标实验

选取6家实验室依据参比方法（国标法）采用金属滤筒吸收和红外分光光度法分别对1#餐厅、2#餐厅排放烟气中油烟浓度进行测定[5]。现场测试时受生产工况波动影响油烟浓度有相应的幅度变化。现场测试结果（表6）的相对误差范围为-6.97%～25.00%，平均相对误差范围为-0.43%～15.38%。

表6 现场测试 金属滤筒吸收和红外分光光度法与激光散射法在线对比数据表

由表6数据可以看出，激光散射法在线监测仪与国标金属滤筒吸收和红外分光光度法对比可以发现，激光散射法在线监测仪具有实时快速定量出结果，且结果准确度较高的特点。

4 结论与讨论

综上所述，实验室试验结果表明激光散射法检出限低、精密度、正确度好等特点，可适合不同油烟浓度的测试场合，通过两个现场与参比方法（国标金属滤筒吸收和红外分光光度法）的比对试验结果表明该方法具有重复性好、适合低浓度油烟测试、并能实现在线实时出数、现场适应性强等特点。随着推进激光散射法在线监测仪测试方法的研究应用，以及相关的方法与仪器技术要求规范标准，可有利掌握城市各个区域油烟排放的分布及变化趋势，掌握污染源排放规律，同时，有利促进监测结果的快速筛查性，以满足执法监测的需求，为环境管理提供高效的数据支撑作用。

需要注意的是，本实验通过打开与关闭枪管与气室加热实验表明，激光散射法在高湿时，读数受水影响严重，当通过仪器枪管或气室加热操作可以避免受水影响。在仪器设计时需考虑烟道废气中的水蒸气在采样过程中易在采样管上冷凝，致使部分油烟随冷凝水凝结在采样管壁上，同时为防止水滴和水气在光散射模块上结露，导致测量结果不准确，应通过加热采样管去除冷凝水，消除废气中水汽冷凝等对测量结果的干扰。