淺談排放在線監(jiān)測(cè)儀器研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘 要：目前是城市大氣環(huán)境的主要污染源之一，會(huì)對(duì)人體造成大量傷害。針對(duì)排放監(jiān)測(cè)，闡述了排放量大且復(fù)雜的現(xiàn)狀及排放要求對(duì)測(cè)量要求的影響，綜述了現(xiàn)有排放檢測(cè)方法及儀器的原理、特點(diǎn)及測(cè)量缺陷，并對(duì)排放在線監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。提出了針對(duì)測(cè)量的技術(shù)方案，以期為在線測(cè)量提供一種可行的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：大氣污染監(jiān)測(cè)；排放；在線監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)云平臺(tái)；安科瑞

0 前言

不僅對(duì)人體具有直接氧化損傷、 毒性等危害作用［1-2］,而且會(huì)帶來噪聲、油煙、氣味等問題［3］，同時(shí)也是城市大氣環(huán)境的主要污染源之一。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。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。這些油煙氣溶膠的化學(xué)組成十分復(fù)雜，在空氣中長時(shí)間懸浮漂移又會(huì)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(duì)人體危害更大的污染物。近年來，隨著餐飲企業(yè)數(shù)量的急速增長，油煙排放總量龐大。據(jù)估計(jì)，廣州市2007年P(guān)M2.5排放量為310.44t, 2011年排放量可達(dá)1247.97t；北京市2005年P(guān)M2.5 排放量可達(dá)2100t；2010年全國僅家庭烹飪可產(chǎn)生VOCs5.1x10⁴t。國家與公眾對(duì)排放越來越關(guān)注,然而污染具有數(shù)量多、規(guī)模小、布局分散、變動(dòng)性大等特點(diǎn)而難以控制。目前,國家和地方陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制排放：《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)施的去除效率分別為60%、75%、85%。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(yàn)中去除效率≥90%的設(shè)備。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(duì)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。對(duì)此，本文綜述了現(xiàn)有的排放檢測(cè)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，并展望了排放在線監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)污染控制的重大意義。

1 排放檢測(cè)方法及儀器現(xiàn)狀

現(xiàn)行排放控制標(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(cè)。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,也可利用吸收劑吸收的重量法快速檢測(cè)排放濃 度。由于排放顆粒主要為PM2.5,同時(shí)VOCs又是二次有機(jī)氣溶膠的重要前體物, 因此,為了更好地揭示理化特性及其對(duì)環(huán)境的影響,要關(guān)注PM2.5和VOCs濃度指標(biāo)。目前針對(duì)PM2.5的檢測(cè)方法主要有濾膜稱重法,而針對(duì)VOCs的檢測(cè)方法主要有氣相色譜法、傅里葉變換紅外光譜法等。

1.1 紅外分光光度法

圖1為紅外分光光度法油煙檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)定油煙的含量。

圖1紅外分光光度法油煙檢測(cè)裝置示意圖

油煙含量由波數(shù)分別為2930cm^-1（CH2基團(tuán)中C—H鍵的伸縮振動(dòng)）、2960 cm^-1（CH3基團(tuán)中C—H鍵的伸縮振動(dòng)）和3030cm^-1（芳香環(huán)中C—H鍵的伸縮振動(dòng)）譜帶處的吸光度A₂₉₃₀、 A₂₉₆₀和A₃₀₃₀進(jìn)行計(jì)算。實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度計(jì)算式為

式中：5為實(shí)測(cè)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；V_o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(cè)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

檢氣管法雖然能夠快速檢測(cè)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。

1.3 重量法

重量法通過采集器將送至吸收劑中吸收稱重計(jì)算排放量。油煙含量計(jì)算式為

式中：m_z為總質(zhì)量，mg；m1為燒杯質(zhì)量，mg；m₂為試劑空白值，mg；g為采樣器體積流量，L?min^-1 ；t為采樣時(shí)間,min。

重量法能夠快速、簡(jiǎn)單、方便地監(jiān)測(cè)排放，但對(duì)采樣流量、測(cè)定條件等有一定要求，且在采樣時(shí)不能吸收分子量小、沸點(diǎn)低的有機(jī)物而造成測(cè)量結(jié)果偏小。

1.4 PM2.5濾膜稱重法

濾膜稱重法是目前PM2.5測(cè)量的主要方法。該方法利用2.5μm切割頭采集器對(duì)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(jiǎn)單，檢測(cè)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(cè)方法的對(duì)比方法，但這種方法操作繁瑣，測(cè)量周期較長，為此又發(fā)展了B射線法、微振蕩天平法和光散射法等。

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(dòng)相和固定相之間具有不同的分配系數(shù)，會(huì)隨流動(dòng)相和固定相做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且由于各組分滯留時(shí)間不同，色譜柱內(nèi)的物質(zhì)會(huì)按不同順序流出，根據(jù)流出物質(zhì)的濃度及時(shí)間的不同形成的色譜圖，以此達(dá)到對(duì)油煙VOCs成分的定性與定量分析。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(duì)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(shí)完成待測(cè)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(cè)定,也是VOCs檢測(cè)的主要手段。表1給出了排放檢測(cè)方法的對(duì)比。

表 1 排放檢測(cè)方法對(duì)比

2 排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展與展望

目前測(cè)量方法均為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方案，成本高，時(shí)間覆蓋率低，監(jiān)測(cè)范圍有限，維護(hù)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)排放的有效監(jiān)測(cè)。為了滿足對(duì)排放的有效監(jiān)管的要求，緊密結(jié)合現(xiàn)有國家與地方標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)排放濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為環(huán)保執(zhí)法提供有效、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但該傳感器易被油煙覆蓋而導(dǎo)致壽命短，并且其測(cè)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(shí)際油煙與標(biāo)準(zhǔn)油煙差距較大，導(dǎo)致檢測(cè)精度不高，并未廣泛應(yīng)用。圖3為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。綜合了油煙傳感器直接測(cè)量與油煙凈化裝置狀態(tài)監(jiān)控間接信息的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用。

圖 3    在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

但從直接測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法被認(rèn)為是可行方案之一。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 gm的熱釋電探測(cè)頭實(shí)現(xiàn)油煙濃度在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。圖4為非分散紅外分光光度法在線測(cè)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(shí)使探測(cè)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(cè)器前端添加石英玻璃片，利用該裝置獲得油煙濃度初步測(cè)量結(jié)果。隨著國家與公眾對(duì)排放越來越關(guān)注,排放在線監(jiān)測(cè)具有廣泛的市場(chǎng)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(cè)儀器,其核心監(jiān)測(cè)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(cè)裝置示意圖

針對(duì)排放特點(diǎn),除了對(duì)油煙在線監(jiān) 測(cè)的方法需要進(jìn)一步深入研究外,在系統(tǒng)研制方面也要解決以下幾個(gè)問題：

( 1 ) 靈敏度。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)上限的不斷降低,在線監(jiān)測(cè)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, 并且檢測(cè)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)性由于排放無組織性,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(cè)系統(tǒng)要尋求一種經(jīng)濟(jì)且準(zhǔn)確的傳感器, 這是國家對(duì)排放實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)管的基礎(chǔ)。

( 3) 工作穩(wěn)定性與使用壽命在排放管道內(nèi)遇冷凝結(jié)成粘稠的油滴,形成難以清洗的油漬,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(cè)系統(tǒng)在研制與應(yīng)用上面臨的較大大題是如何保護(hù)傳感器不受油煙污染，從而能夠保證其長時(shí)間穩(wěn)定工作。

( 4) 易維護(hù)性。傳感器需要安裝在排放口，雖然有保護(hù)設(shè)計(jì)，但長時(shí)間運(yùn)行仍會(huì)受到油煙污染，對(duì)傳感器檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)易維護(hù)，特別是傳感器的設(shè)計(jì)上要求易安裝、拆卸。

3 排放監(jiān)測(cè)實(shí)施方案展望

針對(duì)污染數(shù)量多、規(guī)模小、布局分散、變動(dòng)性大等監(jiān)管難點(diǎn)，綜合考慮現(xiàn)階段排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本與執(zhí)法情況，目前監(jiān)測(cè)的實(shí)施應(yīng)將巡檢監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)較為分散的商業(yè)排放實(shí)行巡檢監(jiān)測(cè)方案，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(shí)現(xiàn)排放的監(jiān)管。

3.1  巡檢監(jiān)測(cè)方案

圖5為巡檢監(jiān)測(cè)方案示意圖。該巡檢監(jiān)測(cè)方案是指環(huán)保執(zhí)法人員攜帶便攜式濃度檢測(cè)儀，不定期對(duì)餐飲企業(yè)進(jìn)行抽檢。這種便攜式濃度檢測(cè)儀包括油煙采樣器與紅外分光光度法油煙快速檢測(cè)裝置。采樣分析過程可自動(dòng)進(jìn)行，較短時(shí)間內(nèi)即可完成一個(gè)測(cè)量周期，并且可以靈活接入移動(dòng)終端，通過APP軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)執(zhí)法測(cè)量、管理及與管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享，也可以直接接入管理平臺(tái)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行配套使用，為油煙現(xiàn)場(chǎng)快速執(zhí)法檢測(cè)提供了解決方案。

圖 5   巡檢監(jiān)測(cè)方案示意圖

3.2 在線監(jiān)測(cè)方案

對(duì)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(cè)方案示意圖。通過安裝油煙在線監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)對(duì)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(tái)，實(shí)現(xiàn)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(shí)時(shí)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(cè)儀器成本的降低，這一方案必定成為排放監(jiān)管的主流方案。

圖 6   在線監(jiān)測(cè)方案示意圖

4 安科瑞AcrelCloud3500監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

為了彌補(bǔ)現(xiàn)存餐飲行業(yè)在煙油監(jiān)測(cè)上的漏洞，同時(shí)便利監(jiān)管部門的監(jiān)察，安科瑞油煙監(jiān)測(cè)云平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。油煙監(jiān)測(cè)模塊通過2G/4G與云端平臺(tái)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)餐飲設(shè)備的開機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)開機(jī)率監(jiān)測(cè)，凈化效率監(jiān)測(cè)，設(shè)施停運(yùn)告警，待清洗告警，異常告警等功能；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、排名等統(tǒng)計(jì)功能；較之傳統(tǒng)的靜電監(jiān)測(cè)方案，更具實(shí)效性。平臺(tái)預(yù)留與其他應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備交互對(duì)接接口，具有很好的擴(kuò)展性。

4.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)GIS地圖采集處理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和油煙排放的濃度數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)超標(biāo)排放及異常企業(yè)進(jìn)行提示預(yù)警，監(jiān)管部門可迅速進(jìn)行處理，督促餐飲企業(yè)整改設(shè)備，并定期清洗、維護(hù)，實(shí)現(xiàn)減排環(huán)保，不擾民等目的?，F(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)終端，持續(xù)監(jiān)測(cè)油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設(shè)備運(yùn)行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時(shí)結(jié)合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進(jìn)行對(duì)比分析，一旦排放超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出異常信號(hào)。

■ 油煙監(jiān)測(cè)設(shè)備用來監(jiān)測(cè)油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)

■ 凈化器和風(fēng)機(jī)配合對(duì)油煙進(jìn)行凈化處理，同時(shí)對(duì)凈化設(shè)備的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)

■ 設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程云端服務(wù)器

4.2 平臺(tái)主要功能

   （1）在線監(jiān)測(cè)

對(duì)油煙排污數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數(shù)值采集監(jiān)測(cè)；同時(shí)對(duì)監(jiān)控風(fēng)機(jī)和凈化器的啟停狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 

(2)告警數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)根據(jù)采集的油煙數(shù)值大小，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的排放超標(biāo)告警；對(duì)凈化器的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，上傳凈化設(shè)備對(duì)應(yīng)的運(yùn)行、停機(jī)、故障等告警事件。

(3)數(shù)據(jù)分析

運(yùn)行時(shí)長分析，離線分析；告警占比、排名分析；歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

(4)隱患管理

系統(tǒng)對(duì)采集的告警數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時(shí)處理告警，形成閉環(huán)。

(5)統(tǒng)計(jì)分析

包括時(shí)長分析、超標(biāo)分析、歷史數(shù)據(jù)、分析報(bào)告等模塊。

(6)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)

個(gè)人信息、權(quán)限維護(hù)，企業(yè)信息錄入，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)信息錄入等。

(7)數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析。

4.3 油煙監(jiān)測(cè)主機(jī)

油煙監(jiān)控主機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)的管理設(shè)備，實(shí)時(shí)采集油煙濃度探測(cè)器和工況傳感器的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器平臺(tái)。同時(shí)，對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，提供人機(jī)操作界面。

                 注：雙探頭適合雙排煙通道的場(chǎng)合，每路探頭監(jiān)測(cè)1路排煙通道。

5 結(jié)束語

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，排放控制監(jiān)管將越來越嚴(yán)格。目前對(duì)污染排放檢測(cè)仍處于手工采樣實(shí)驗(yàn)室分析階段，時(shí)間覆蓋率低，監(jiān)管范圍有限，難以實(shí)現(xiàn)排放的有效監(jiān)管。雖然已經(jīng)發(fā)展了一些在線監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)排放監(jiān)管，需要研制更為先進(jìn)的排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以供環(huán)保執(zhí)法人員通過巡檢監(jiān)測(cè)或在線監(jiān)測(cè)實(shí)施有效監(jiān)控。

【參考文獻(xiàn)】

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作者簡(jiǎn)介：

劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任安科瑞電氣股份有限公司，主要從事監(jiān)測(cè)的研發(fā)與應(yīng)用。