北京市典型餐饮企业VOCs排放特征研究

引用本文

崔彤, 程婧晨, 何万清, 任培芳, 聂磊, 徐东耀, 潘涛. 北京市典型餐饮企业VOCs排放特征研究[J]. 环境科学, 2015, 36(5): 1523-1529. 复制到剪切板

CUI Tong, CHENG Jing-chen, HE Wan-qing, REN Pei-fang, NIE Lei, XU Dong-yao, PAN Tao. Emission Characteristics of VOCs from Typical Restaurants in Beijing[J]. Environmental Science, 2015, 36(5): 1523-1529. 复制到剪切板

北京市典型餐饮企业VOCs排放特征研究

崔彤¹, 程婧晨², 何万清², 任培芳², 聂磊², 徐东耀¹, 潘涛²

1. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院, 北京 100083;
2. 北京市环境保护科学研究院, 北京 100037

收稿日期: 2014-11-04; 修订日期: 2014-12-10.

基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAC17B01); 环境保护公益性行业科研专项(2014001019); 北京市科技计划项目(Z131100004213007)

作者简介：崔彤(1990~),女,硕士,主要研究方向为大气污染物控制,E-mail:cuitong_hj@163.com

通讯联系人,潘涛,E-mail:pantao@cee.cn

摘要：选取北京市餐饮业中的烧烤、中式快餐、西式快餐、川菜和浙菜这5种典型菜系,借鉴EPA相关方法,对典型餐饮企业排放油烟气中的挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)进行了采样分析,研究了各菜系排放VOCs的浓度水平和组分构成. 结果表明按基准风量折算后,烧烤的VOCs排放浓度水平最高,达到12.22mg ·m^-3,中、西式快餐、川菜和浙菜为4mg ·m^-3左右. 5种典型菜系中,烧烤的VOCs排放组分构成与非烧烤类菜系具有明显区别,主要组分有丙烯、1-丁烯和正丁烷等. 非烧烤菜系的主要组分是乙醇,其中西式快餐排放的醛酮类有机物比重较高. 通过分析各菜系的单个灶头基准风量浓度可知,同等规模的烧烤类餐饮企业对大气环境质量的影响高于非烧烤类餐饮企业,应是重点管控对象.

关键词：餐饮业菜系 VOCs 排放特征 GC/MS

Emission Characteristics of VOCs from Typical Restaurants in Beijing

CUI Tong¹, CHENG Jing-chen², HE Wan-qing², REN Pei-fang², NIE Lei², XU Dong-yao¹, PAN Tao²

1. School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China;
2. Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China

Abstract: Using the EPA method, emission of volatile organic compounds (VOCs), sampled from barbecue, Chinese and Western fast-food, Sichuan cuisine and Zhejiang cuisine restaurants in Beijing was investigated. VOCs concentrations and components from different cuisines were studied. The results indicated that based on the calibrated baseline ventilation volume, the VOCs emission level from barbecue was the highest, reaching 12.22 mg ·m^-3, while those from fast-food of either Chinese or Western, Sichuan cuisine and Zhejiang cuisine were about 4 mg ·m^-3. The components of VOCs from barbecue were different from those in the other cuisines, which were mainly propylene, 1-butene, n-butane, etc. The non-barbecue cuisines consisted of high concentration of alcohols, and Western fast-food contained relatively high proportion of aldehydes and ketones organic compounds. According to emission concentration of baseline ventilation volume, barbecue released more pollutants than the non-barbecue cuisines at the same scale. So, barbecue should be supervised and controlled with the top priority.

Key words: restaurants cuisine VOCs emission characteristics GC/MS

餐饮业蓬勃发展所带来的环境污染问题已成为我国城市群区域面临的主要环境问题之一^{[1, 2, 3, 4]}. 2001年颁布的《饮食业油烟排放标准(试行)》(GB 18483-2001)在一定程度上推进了餐饮业大气污染物排放的制度化管理^[5]，为监察部门执法提供了法律依据. 随着科研工作的不断深入，人们认识到餐饮业排放的油烟气中除了颗粒物以外，还存在挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)^[6]. 餐饮业作为集中于城市区域的VOCs排放源，由于数量众多，对城市短时局地空气质量和排口周边居住环境都有不小的影响，理应进行深入研究.

餐饮业排放的VOCs成分复杂，已经检测到的有机物有脂肪酸、烷烃、烯烃、醛、酮、醇、酯、多环芳烃和杂环化合物^{[7, 8]}，不仅直接威胁厨房工作人员的健康状况^{[9, 10, 11, 12]}，而且对区域大气环境质量产生明显影响. 其主要危害在于可以与氮氧化物(NOx)反应生成臭氧(O₃)，形成光化学烟雾污染^{[13, 14, 15]}，还可以经过一系列反应转化为二次气溶胶(secondary organic aerosol，SOA)，而SOA是构成城市细颗粒物污染物的重要部分^[16]. 因此北京、上海等大城市开始将控制餐饮业VOCs排放作为环境管理的重点工作之一.

由于国内外饮食习惯和烹饪方式不同，国外的研究内容集中于VOCs在食用油加热和油炸烤制肉类过程中的排放状况，如Chung等^[17]研究了食用油加热时VOCs的排放特征^{[18, 19, 20]}，但由于中式烹饪的复杂性，这些成果对国内控制餐饮业VOCs的借鉴意义不大. 国内对于餐饮业VOCs排放研究的重视不够，基础数据不足，部分研究人员虽然采用模拟烹饪或检测实际餐饮企业排放的方式对中式餐饮VOCs排放进行了探索性研究^{[21, 22, 23, 24, 25, 26]}，但目前采样分析方法标准不统一、灶头工况难以控制，因此结果值得进一步研究讨论.

本实验选取了北京市餐饮业的5种典型菜系，借鉴EPA采样分析方法，对典型餐饮企业排放油烟气中的VOCs进行了采样分析. 将实测排放浓度折算为基准风量的排放浓度后，研究各菜系所排放VOCs的浓度水平、组分构成和每人每餐VOCs排放浓度. 排除了餐饮企业规模、上座率、风机风量等因素对不同菜系VOCs排放特征的影响，使分析结论更加科学客观，以期为城市群区域开展餐饮业VOCs排放控制提供决策依据.

1 材料与方法 1.1 样品采集

选取烧烤、中式快餐、西式快餐、川菜和浙菜这5种典型菜系的餐饮企业作为采样对象. 采样口的设置参照文献^[5]的要求，选取中午和晚上用餐高峰时间进行了连续性采样，详细记录了采样时段餐饮企业厨房灶头的烹饪情况和油烟气实测风量等相关信息. 所选餐饮企业的基本信息(菜系类型、规模、燃料类型)和采样时段的相关信息见表 1.

表 1 采样餐饮企业的基本信息 Table 1 Basic information of the sampling restaurants

参照文献^[27]中的采样方法，将餐饮企业排放的油烟气通过不锈钢采样枪采集至Tedlar采样袋中. 采样结束后，立即将Tedlar采样袋中的气体转移到Summa 罐保存，Summa 罐事先采用自动清罐仪(Entech Model 3100)清洗，以确保每种目标化合物的本底浓度低于0.2μg ·m^-3. 连接管路采用Teflon管，并在前端设置颗粒物过滤装置. 餐饮业VOCs采样装置示意图如图 1所示.

图 1 餐饮业VOCs采样装置示意 Fig. 1 Sampling system for VOCs emission from the restaurants

1.2 样品分析

VOCs的定量分析参考USEPA TO15方法进行. 样品通过快速连接头进入自动进样系统(Entech 7032)，通过三级冷阱(Entech 7100A)预浓缩后，除掉大部分水和CO₂. 第一级冷阱捕集温度为-150℃，预热温度10℃,解析温度10℃，烘烤温度150℃，烘烤时间10 min；二级冷阱捕集温度为-30℃，解析温度180℃，解析时间2.5 min，烘烤温度180℃，烘烤时间10 min；三级冷阱捕集温度-170℃，进样时间2.5 min，烘烤时间2 min.

预浓缩后样品被转移至气相色谱/质谱联用仪(Agilent 7890A/5975C)进行定量分析，使用的分析标准物质为TO-15(U.S.EPA，1999)标准气体(Scott Gases，美国)和PAMs 标准气体(Spectra gases，美国). 色谱条件： DB-5MS，60.0 m×0.35 mm×1 μm；载气为高纯氦气，流速为1.2mL ·min^-1；进样口温度为250℃； GC/MS升温条件为： 40℃保持8 min，以8℃ ·min^-1升温至150℃，再以30℃ ·min^-1升温至220℃，保持5 min. 质谱条件：电子轰击源，电压70 eV，SCAN扫描模式，扫描范围： 35~300 u，扫描速度为1.44scan ·s^-1. 四级杆温度150℃；离子源温度230℃^[28].

2 结果与讨论 2.1 典型菜系的VOCs排放浓度及影响因素 2.1.1 VOCs排放浓度

VOCs排放浓度受到所选餐饮企业的菜系类型、规模、上座率、风机管道设计等诸多因素影响. 表 2为本研究选取的典型餐饮企业油烟气中VOCs的实测排放浓度.

表 2 典型餐饮企业油烟气中VOCs的实测排放浓度 /μg ·m^-3

Table 2 Concentrations of VOCs emission from typical restaurants/μg ·m^-3

种类	化合物	化学式	VOCs实测平均排放浓度
种类	化合物	化学式	烧烤	中式快餐	西式快餐	川菜	浙菜
	丙烷	C₃H₈	742.52	52.30		29.85	53.35
	正丁烷	C₄H₁₀	982.89	80.53		42.97	46.22
	环戊烷	C₅H₁₀	10.45
	正戊烷	C₅H₁₂	486.81	102.21	146.89	54.77	19.58
	异戊烷	C₅H₁₂	27.76	32.85		18.84	24.51
	甲基环戊烷	C₆H₁₂	27.85	7.44		2.55
	环己烷	C₆H₁₂	21.29	6.10
	2,2-二甲基丁烷	C₆H₁₄	24.69	5.51	12.98
	2,3-二甲基丁烷	C₆H₁₄	9.96
	2-甲基戊烷	C₆H₁₄	7.01	4.47		3.60	7.03
烷烃	3-甲基戊烷	C₆H₁₄	1.68	2.07		1.68
	正己烷	C₆H₁₄	329.54	23.61	15.13	11.17	7.99
	甲基环己烷	C₇H₁₄	21.13	6.08		2.70
	庚烷	C₇H₁₆	308.33	20.00	90.18	10.83
	2,3-二甲基戊烷	C₇H₁₆	17.26
	3-甲基己烷	C₇H₁₆	1.77
	辛烷	C₈H₁₈	280.42	15.70	105.86	15.52
	壬烷	C₉H₂₀	190.48		104.57
	癸烷	C₁₀H₂₂	122.14		71.63
	正十一烷	C₁₁H₂₄	129.07
	正十二烷	C₁₂H₂₆	41.87
	2-甲基丁烷^*	C₅H₁₂		25.55		390.43	44.70
	丙烯	C₃H₆	1131.50	81.00	8.29	60.88	49.22
	1,3-丁二烯	C₄H₆	288.64	13.86		18.78
	1-丁烯	C₄H₈	1020.00	46.50		29.66	19.01
	顺-2-丁烯	C₄H₈	221.08
烯烃	反-2-丁烯	C₄H₈	148.92
	正戊烯	C₅H₁₀	565.83	20.17	115.94	12.25
	顺-2-戊烯	C₅H₁₀	56.56
	反-2-戊烯	C₅H₁₀	108.02
	异戊二烯	C₅H₁₈	56.97
	正己烯	C₆H₁₂	592.13	22.35	7.88	5.68
	苯	C₆H₆	857.54	13.37	5.05	35.63	6.20
	甲苯	C₇H₈	404.14	23.18		18.22	11.40
	乙苯	C₈H₁₀	144.01		5.87	4.97
	间/对二甲苯	C₈H₁₀	44.56			2.65
	邻二甲苯	C₈H₁₀	123.35			2.79
	苯乙烯	C₈H₈	98.89
	正丙苯	C₉H₁₂	76.96
	异丙苯	C₉H₁₂	19.91			5.87
	对乙基甲苯	C₉H₁₂	69.64			8.84
芳香烃	4-乙基甲苯	C₉H₁₂	12.39			18.51
	1,3,5-三甲苯	C₉H₁₂	15.21			17.34
	1,2,4-三甲苯	C₉H₁₂	10.73			6.94
	间二乙苯	C₁₀H₁₄	34.26			9.67
	对二乙苯	C₁₀H₁₄	30.21			11.25
	1,3-二氯苯	C₆H₄C1₂				13.04
	1,4-二氯苯	C₆H₄C1₂		7.27		15.06
	1,2,4-三氯苯	C₆H₃C1₃	3.46			5.57
	1-乙基-2-甲基苯^*	C₉H₁₃	46.02			4.37
	1-乙基-3-甲基苯^*	C₉H₁₃	21.57			12.29
醇	乙醇	C₂H₆O	7.19	3696.43	1248.57	10338.36	3367.86
	异丙醇	C₃H₈O			450.80
	丙烯醛	C₃H₄O	501.67	261.63	117.75	181.50	31.13
	丙酮	C₃H₆O	341.44	52.69	1667.50	41.65	30.68
	2-丁酮	C₄H₈O	102.64	14.66	11.03	12.31	9.90
醛酮	2-己酮	C₆H₁₂O	22.01		98.51
	丁醛^*	C₄H₈O		188.98		476.57
	戊醛^*	C₅H₁₀O		400.05	1368.26	1169.70	45.88
	己醛^*	C₅H₁₂O		2023.21	5862.80	3678.57	315.18
	氯甲烷	CH₃Cl	9.07		5.04	0.79
卤代烃	二氯甲烷	CH₂Cl₂	24.24		16.09	1.64	5.94
四氯化碳	CCl₄	12.60	31.25			4.41
	乙酸乙酯	C₄H₈O₂	47.68	15.79	100.18	13.76	9.17
	甲基丙烯酸甲酯	C₅H₈O₂	17.93
其它	四氢呋喃	C₄H₈O	14.66			1.41	2.86
	萘	C₁₀H₈	43.70
	1-甲基-乙酸丙酯^*	C₆H₁₂O₂				15.69
实测排放浓度(*物质未计入)	11064.66	4659.02	4405.74	11089.50	3706.46
基准排放浓度(*物质未计入)	12219.49	4283.19	5787.27	5445.68	3925.05
1)*表示未能准确定量的VOCs

表 2 典型餐饮企业油烟气中VOCs的实测排放浓度 /μg ·m^-3 Table 2 Concentrations of VOCs emission from typical restaurants/μg ·m^-3

本研究在实验室GC/MS分析检测时使用TO-15标准气体和PAMs标准气体，因而部分没有相应标准气体的VOCs未能准确定量，采用以苯计的相对定量方式计算，在表 2中用“*”标注. 为了保证研究的准确性，未能准确定量VOCs只作参考，不计入总量分析. 本研究只讨论有相应标准气体的VOCs检测结果，因此讨论结果小于实际的餐饮业VOCs排放浓度.

依据文献^[5]，检测油烟排放浓度时将实测排放浓度折算为基准风量的排放浓度，以此来排除餐饮企业规模、上座率、风机风量等因素对不同菜系污染物排放强度的影响. 采用单个灶头基准排风量时的VOCs排放浓度作为指标，以期科学客观地比较各菜系VOCs排放的浓度水平. 图 2为餐饮企业油烟气中VOCs的实测排放浓度和基准风量排放浓度.

图 2 典型餐饮企业油烟气中VOCs的实测排放

浓度和基准风量排放浓度 Fig. 2 Reference volume and the actual detection concentration of VOCs emission from typical restaurants

从图 2可知，川菜的实测排放浓度最高，达到11.09mg ·m^-3，其次是烧烤，11.06mg ·m^-3，中式快餐、西式快餐和浙菜的实测排放浓度相当，在4mg ·m^-3左右，其中浙菜最低，为3.93mg ·m^-3.

所选的采样餐饮企业中，川菜餐馆的规模较大，上座率为90%左右，在采样期间其厨房灶头基本处于满负荷工作状态，并且存在风机选型不合理的问题，因此实测排放浓度最高. 烧烤餐馆使用木炭作为燃料，木炭燃烧和食材高温烘烤产生的VOCs由同一烟道排出，实测排放浓度结果受到木炭燃烧的影响较大. 该烧烤餐馆属中等规模，上座率较高，但其实测排放浓度与大型川菜餐馆的相当. 以上两家餐饮企业对周边大气环境影响较大，在用餐高峰时段均可以在远处下风向位置观测到烟雾和明显气味，是餐饮VOCs排放的重点源. 中、西式快餐和浙菜餐饮企业的VOCs实测排放浓度较低，但如果烟道排口距离民宅较近，也会对居民生活环境造成污染.

折算成基准风量浓度后，烧烤的排放浓度为12.22mg ·m^-3，西式快餐为5.79mg ·m^-3，川菜为5.45mg ·m^-3，中式快餐为4.28mg ·m^-3，浙菜为3.93mg ·m^-3. 川菜和中式快餐的VOCs基准风量浓度相较于实测浓度有所降低，其中川菜下降明显. 其主要原因在于采样餐饮企业的风机风量小于厨房灶头所需，对排放的油烟气起到了“浓缩”的作用，加重了其对排口周边大气环境的污染；西式快餐和浙菜的浓度有所增加，这是由于风机排风量大于实际需要，“稀释”了油烟气. 无论“浓缩”或是“稀释”油烟气，该餐饮企业的排放总量没有变化. 折算成单个灶头基准排风量时比较各菜系的VOCs排放水平，烧烤的排放浓度显著高于其它4种菜系，即同等规模的餐饮企业，烧烤餐馆的VOCs排放浓度是中、西式快餐餐馆的2~3倍，西式快餐成为非烧烤菜系中排放浓度最大的菜系，浙菜仍然在5种菜系中排放浓度最低.

2.1.2 影响VOCs排放水平因素

菜系的烹饪特点是造成不同菜系VOCs基准风量排放浓度差异的主要原因. 观察总结发现：菜系的烹饪方式、常用食材特点、翻炒频率和程度都是影响餐饮业油烟气中VOCs排放浓度的重要因素. 结合实验中的5种菜系分析，烧烤一般使用木炭作为燃料，烹饪过程中燃料的燃烧，肉类食材中油脂的高温气化以及酱料的挥发，是造成烧烤基准风量排放浓度高的主要原因. 西餐中的煎炸过程所需的油温较高，食用油沸腾和肉类高温烹饪时产生的VOCs种类复杂，浓度较高. 川菜和中式快餐的肉类使用量少于西餐，但翻炒频率高于前者，加速了VOCs的产生和挥发，同时川菜还经常添加有刺激性气味的调料. 相比之下，浙菜是上述诸多影响因素出现最少的菜系，因而浓度水平最低. 影响因素的权重还需进一步实验研究，但其对烹饪时VOCs排放水平的影响毋庸置疑.

2.1.3 人均VOCs排放浓度

根据各餐饮企业的VOCs基准风量浓度、规模和采样期间的上座率等信息，计算该菜系的人均VOCs排放浓度，结果如图 3所示.

图 3 典型菜系的人均VOCs排放浓度 Fig. 3 Reference volume concentration of VOCs emission from typical restaurants per capita

由图 3可知，烧烤的人均VOCs排放浓度最高，达到0.19mg ·m^-3，其次是西式快餐0.08mg ·m^-3，中式快餐、川湘菜和浙菜均在0.02~0.03 mg ·m^-3. 即一名普通市民外出就餐选择烧烤或西式快餐时，相应餐饮企业产生VOCs的排放浓度分别是中式快餐等的约6倍和2倍. 从个体环保减排的角度考虑，市民食用烧烤将会加重城市区域大气环境的负担. 根据VOCs排放总量和人均VOCs排放浓度两个数据，烧烤的排放水平均为最高，污染最为严重.

2.2 典型菜系的VOCs组分构成 2.2.1 主要排放组分

折算基准风量浓度后发现，烧烤排放的VOCs组分构成明显区别于中式快餐、西式快餐、川菜和浙菜，因此将5种菜系分为烧烤和非烧烤菜系进行分析.

比较烧烤和非烧烤菜系的VOCs主要排放组分. 烧烤的主要排放组分有丙烯、 1-丁烯和正丁烷等，非烧烤菜系的主要排放组分有乙醇、丙酮和丙烯醛等. 图 4为典型菜系排放VOCs的主要排放组分.

图 4 典型菜系排放VOCs的主要排放组分浓度 Fig. 4 Main VOCs components of the emissions

from the typical cuisines

烧烤排放的VOCs中，丙烯、 1-丁烯和正丁烷的排放浓度均高于1mg ·m^-3. 其次，苯、丙烷和正己烯等的排放浓度均在0.45~0.95mg ·m^-3. 非烧烤菜系排放的VOCs主要是乙醇，平均浓度为3.42mg ·m^-3，其它组分有丙酮、丙烯醛和正戊烷等，排放浓度仅为0.04~0.57mg ·m^-3. 可以看出，烧烤与非烧烤的主要组分有部分相同，但其排放浓度水平相差甚远. 烧烤排放的组分浓度均比较高，非烧烤菜系排放的组分除乙醇外均处于很低的浓度水平.

2.2.2 组分构成

为研究各菜系排放的VOCs组分构成，将其分为烷烃、烯烃、芳香烃、醇类、醛酮类、卤代烃和其它这7类进行统计. 图 5为典型餐饮企业油烟气中VOCs的组分构成.

图 5 典型餐饮企业油烟气中VOCs的组分构成 Fig. 5 Composition of VOCs emission from typical restaurants

从图 5可以看出烧烤排放的主要组分是烯烃、烷烃、芳香烃和醛酮类有机物，各类别所占比重在8.75%~37.87%，其中烯烃有机物的比重最高. 与非烧烤菜系相比，烧烤排放VOCs的特点是醇类的比重很小，烃类有机物的比重大，共计占总量的89.65%.

西式快餐排放的主要组分是醛酮类、醇类和烷烃有机物，其中醛酮类有机物占43.01%，显著高于其它菜系. 其醇类有机物的比重高于烧烤，但低于中式快餐等菜系. 中式快餐、川湘菜和浙菜的VOCs组成更为相似，醇类有机物是主要排放组分，比重在79.34%~93.23%，并且全部是乙醇. 其次是醛酮类和烷烃有机物，比重在1.93%~7.06%. 黄酒或料酒是腌制、烹饪肉类时的常用调料，乙醇含量约为15%，加热时易挥发，是乙醇的主要来源之一. 浙菜和川菜中以鱼肉作为原料的菜品很多，因而使用黄酒、料酒更多，乙醇的比重更高.

3 结论

(1) 5种典型菜系中，按基准风量折算后VOCs排放浓度最高的为烧烤，达到12.22mg ·m^-3. 中式快餐、西式快餐、川菜和浙菜为3.93~5.79 mg ·m^-3，其中以浙菜的排放浓度最低.

(2) 烧烤排放的VOCs主要组分有丙烯、 1-丁烯和正丁烷等，排放浓度在0.45~1.25mg ·m^-3，非烧烤菜系排放的VOCs主要组分有乙醇、丙酮和丙烯醛等，乙醇的平均基准风量浓度为3.42mg ·m^-3，但除乙醇外其它组分基准风量浓度均较小.

(3) 烧烤排放的VOCs组分中，烯烃、烷烃、芳香烃和醛酮类有机物是主要成分. 西餐以醛酮类、醇类和烷烃有机物为主，中式快餐、川菜和浙菜的有机物构成特征相似，醇类有机物是主要组分.

(4) 根据各菜系的基准风量浓度和人均VOCs排放量，即从餐饮企业VOCs排放控制和个人环保减排两个角度分析均可知，烧烤餐馆排放是城市区域大气环境VOCs的重点源，应是重点管控对象.

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环境科学 2015, Vol. 36 Issue (5): 1523-1529	PDF