近年来, 随着我国社会经济的快速发展以及居民生活水平的提高, 餐饮业得到蓬勃发展.根据北京市统计局发布的统计公报, 2018年北京市餐饮消费收入1 101.8亿元, 比上年同期增长7.3%^[1].在享受丰富多样的美食的同时, 餐饮油烟污染问题逐渐引起了人们的重视, 国内许多大城市餐饮油烟污染的投诉已占所有环保投诉的30%~40%^[2].需要强调的是, 餐饮企业主要集中在城市核心区、商业区、居民区等人口集中区域, 这无形中也加重了餐饮污染对区域环境质量及周边居民的影响程度.

烹调油烟主要是食物烹饪和食品生产加工过程中挥发的油脂、有机质及其热氧化和热裂解产生的混合物, 主要由颗粒物和气态污染物组成^[3].有研究表明, 餐饮油烟是大气中挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)和城市气溶胶的重要来源^[4~6].餐饮VOCs中的烯烃和芳香烃具有较高的光化学活性, 是臭氧和二次有机气溶胶的重要前体物^{[7, 8]}.同时, 油烟中的VOCs所表现出的有毒、刺激性、致癌作用和具有特殊的气味能导致人体产生种种不适反应, 并对人体健康造成极大的危害^[9].

目前, 学者们主要对餐饮油烟的人体健康影响评估^{[10, 11]}, PM_2.5和VOCs排放的影响因素研究^[12~17], 不同菜系PM_2.5和VOCs的排放组分特征研究^{[3, 18~21]}, 排放因子的探索^{[3, 11, 12, 22]}, 排放量估算方法和时空分布特征^[22~24], 以及餐饮净化技术研究进展等方面进行了积极的探索^[25~27].这些研究为量化餐饮源的环境影响和清单编制方法提供了思路.但是, PM_2.5和VOCs的组分检测分析方法繁复, 组分复杂多变, 难以适用于日常监管执法.因此, 2018年北京市发布了《餐饮业大气污染物排放标准》(DB 1488-2018)^[28], 提出了油烟、颗粒物和非甲烷总烃(non-methane hydrocarbons, NMHC)这3项污染物的排放限值.然而, 国内尚未对餐饮源的油烟、颗粒物和NMHC这些常规污染物的排放情况进行研究.

本研究选取北京市典型的餐饮企业, 结合现场实测和测试期间餐饮企业灶头使用情况, 分析不同类型餐饮企业油烟、颗粒物和NMHC的排放情况和各污染物指标之间的关系, 估算北京市餐饮业大气污染物的排放量.通过掌握北京市餐饮业的大气污染排放浓度和不同类型餐饮企业的排放水平, 以期为有重点有针对性地制定北京市餐饮业污染控制对策提供依据.

本研究在2016年和2017年期间选取了不同规模不同类型的二十多家具有采样条件的典型餐饮企业, 在中午和晚上的用餐高峰时段, 在餐饮企业净化设备前的排烟管道的平直管段内同时同点采集净化前的油烟、颗粒物和NMHC, 采样点的设置按照《饮食业油烟排放标准》(GB 18483-2001)^[29]的规定执行.根据现场情况和采样测试的难易程度, 不同餐饮企业获得的油烟、颗粒物和NMHC有效样本数不等.本研究选取的采样对象包括了炭火烧烤、果木烤鸭、川湘菜、家常菜、快餐类、食堂、粤菜以及商场综合排口, 基本代表了北京市90%的餐饮类型, 具有较好的典型性和代表性.现场采样餐饮企业基本信息如表 1所示.

表 1 (Table 1)

表 1 餐饮企业基本信息 Table 1 Basic information of the sampled restaurants 餐饮企业 川湘菜 家常菜 烤鸭 烧烤 食堂 粤菜 快餐类 商场综合排口 规模 大型 大中小型 大型 中小型 中型 大型 小型 — 燃料类型 天然气 天然气 果木 木炭 天然气 天然气 天然气 天然气 实际使用灶头数/个 4~6 2~12 2 2~5 3 4 2 — 废气流速/m·s-1 1.9~5.9 2.0~8.8 0.8~1.2 2.0~3.6 1.3~3.5 2.7~3.3 1.3~2.5 6.1~7.7 烹饪特点 烹饪方式以爆炒、肉类先过油炸为主, 大量使用葱姜蒜和辣椒花椒注重麻辣香, 油重味浓 以家常烧炒为主, 不同菜系融合, 喜放料酒生抽等调料, 口味偏咸鲜 挂炉果木烤鸭 以木炭为燃料, 将牛、羊、鸡肉串成串直接在炭火上面烤制 大锅集中翻炒, 不少食材事先焯水, 用料多而不精, 作业时间短 烹饪方式以炖煮焖烧为主, 注重食材本身的鲜嫩味道, 调味相对清淡 速食加工, 不少为半成品加工而成, 烹饪手法简单 不同餐饮企业混合排放, 视具体企业而定, 无明显特点

表 1 餐饮企业基本信息 Table 1 Basic information of the sampled restaurants

油烟和颗粒物的采集均使用崂应3012H型自动烟尘测试仪(青岛崂山应用技术研究所), 只是采样枪的设计不同.二者均采用等速采样法, 即等速抽取餐饮企业排气筒内的气体分别通过油烟滤筒和颗粒物检测滤芯, 则油烟和颗粒物分别被收集在相应的检测滤芯内.油烟滤筒和颗粒物检测滤芯主要为结构和材质不同.油烟滤筒为金属不锈钢材质, 内填充金属不锈钢丝, 对油烟的截留粒径和效率没有明确的要求.颗粒物的检测滤芯外壳材质为聚丙烯, 内置双层滤膜, 第一层滤膜为聚丙烯纤维滤膜, 孔径1~3 μm, 第二层为玻璃纤维滤膜, 玻璃纤维滤膜对0.3 μm标准粒子的截留效率不小于99.95%.油烟和颗粒物的采样方案为连续采集5次, 每次10 min, 取5个样品的平均值作为测试结果.油烟和颗粒物的采样具体操作详见文献[29, 30].

本研究采用气袋法采集餐饮企业排放废气中NMHC.具体的采样步骤参照HJ732^[31]进行.采样流量为500 mL·min^-1, 每个样品采集20 min, 连续采集3个样品, 以3个样品的平均值作为测试结果.采样完成后, 将采样袋密封遮光保存送至实验室分析.

油烟的分析方法采用红外分光光度法.油烟的含量由波数分别为2 930 cm^-1(CH₂基团中C—H键的伸缩振动)、2 960 cm^-1(CH₃基团中C—H键的伸缩振动)和3 030 cm^-1(芳香环中C—H键的伸缩振动)谱带处的吸光度A₂₉₃₀、A₂₉₆₀和A₃₀₃₀进行计算.因此油烟指标仅测试了餐饮排放烟气中含油有机物的浓度, 不包括EC、含氮、含氧有机物、盐类和其他无机物质.而颗粒物的分析方法为重量法, 即将颗粒物收集到检测滤芯上, 0.3 μm以上所有物质进行称重, 包含了所有能过滤到滤芯上的物质, 与环境空气中颗粒物的检测方法原理相一致, 能够较好地表征餐饮颗粒物对环境污染的影响.油烟和颗粒物的分析具体操作详见文献[29, 30].

NMHC的分析方法依据《固定污染源排气中非甲烷总烃的测定-气相色谱法》(HJ/T 38-1999)^[32]的规定, 用双柱双氢火焰离子化检测器气相色谱仪, 注射器直接进样, 分别测定样品中的总烃和甲烷含量, 以两者之差得非甲烷总烃含量.

餐饮企业大气污染物的排放浓度受到餐饮企业风机风量和使用灶头数等因素的影响, 为排除这些因素的影响, 本研究根据饮食业国家排放标准^[28]要求利用计算公式(1)将餐饮企业的实测排放浓度换算成基准风量时的排放浓度.

(1)

式中, c_基指折算为单个灶头基准风量时的排放浓度(mg·m^-3)；c_测指实测排放浓度(mg·m^-3)；Q_测指实测排风量(m³·h^-1)；n指折算的工作灶头个数；q_基指单个灶头基准排风量, 大、中和小型均为2 000 m³·h^-1.

根据文献[29]的要求, 现场实测浓度应换算成基准浓度作为餐饮单位的排放浓度.由于商场综合排口无法对应到具体企业, 现场采样时无法得到实际使用灶头数, 因此本研究未将其实测浓度折算为基准风量浓度.表 2为各类型餐饮排放的油烟、颗粒物和NMHC实测浓度和基准浓度.从中可看出, 测试餐饮企业的油烟、颗粒物和NMHC的平均浓度为(2.91±5.52)、(9.25±10.02)和(12.72±11.38) mg·m^-3, 与文献[20]的测试结果处于同一水平.各指标总体平均排放浓度均超过了文献[28]规定1.0、5.0和10.0 mg·m^-3的排放限值, 并且各类型餐饮企业除烤鸭外污染物排放浓度大小顺序均为NMHC>颗粒物>油烟.

表 2 (Table 2)

表 2 典型餐饮企业油烟、颗粒物和NMHC的实测浓度和基准浓度/mg·m-3 Table 2 Measured concentrations and baseline concentrations of cooking fumes, particulates and NMHC for typical restaurants/mg·m-3 餐饮类型 颗粒物 油烟 非甲烷总烃 实测浓度 基准浓度 实测浓度 基准浓度 实测浓度 基准浓度 食堂 2.20±0.12 4.51±0.04 0.44±0.03 0.98±0.24 2.34±1.08 4.38±2.56 家常菜 3.06±2.41 4.80±2.31 2.59±4.72 4.97±8.55 5.27±7.36 8.84±10.06 川湘 3.33±2.15 4.18±1.68 1.23±0.89 1.88±1.11 8.12±9.71 15.33±15.81 烧烤 16.47±22.36 17.39±19.51 5.01±8.91 5.11±8.77 15.66±13.36 18.29±11.51 烤鸭 16.29±8.06 12.97±5.20 0.88±0.48 0.85±0.59 18.45±10.16 16.85±10.8 粤菜 2.52±1.42 5.05±3.67 1.75±0.78 2.74±1.39 5.58±4.31 10.23±7.76 快餐类 1.50±0.46 2.94±1.21 1.22±0.32 2.16±0.56 2.71±2.15 6.26±5.49 商场综合 2.82±1.43 — 1.22±0.90 — 8.58±4.00 — 总体 8.74±11.92 9.25±10.02 1.97±4.11 2.91±5.52 9.63±10.36 12.72±11.38

表 2 典型餐饮企业油烟、颗粒物和NMHC的实测浓度和基准浓度/mg·m-3 Table 2 Measured concentrations and baseline concentrations of cooking fumes, particulates and NMHC for typical restaurants/mg·m-3

烧烤类的油烟、颗粒物和NMHC的排放浓度都最高, 分别为(5.11±8.77)、(17.39±19.51)和(18.29±11.51) mg·m^-3.这是由于本研究所测的烧烤企业所用燃料均为木炭, 在烤架上直接烤制牛、羊、鸡肉和海鲜等肉类食材以及各种蔬菜.有研究结果表明, 燃料燃烧过程是颗粒物和VOCs的来源之一^{[33, 34]}, 木炭的燃烧本身会产生大量的颗粒物和VOCs.其次食品内部有机物质分解也会产生油烟和VOCs^[35].在烤制食品过程中, 食物本身的有机质、油脂、食用油以及各种酱料与炭火直接接触或滴到木炭上, 在高温条件下发生反应会产生大量肉眼可见的油烟颗粒物以及VOCs.

北京烤鸭排放的颗粒物和NMHC的浓度很高分别为(12.97±5.20) mg·m^-3和(16.85±10.80) mg·m^-3, 但排放的油烟浓度很低为(0.85±0.59) mg·m^-3.推断这与烤鸭使用的燃料和制作方式有关.本研究烤鸭均为果木挂炉烤鸭, 因此果木的燃烧会产生部分颗粒物和VOCs^{[33, 34]}.而烤鸭在烤制过程一直悬挂在烤炉膛内, 在烤炉门口燃烧果木, 果木燃烧产生的热量在炉膛内积蓄, 间接利用炉膛内积蓄的热气熏烤鸭胚, 而不是跟燃烧果木的明火直接接触, 因此热气使鸭胚的部分有机质氧化分解生成挥发性有机物, 而不会有大量的油烟产生.

其他炒菜类的餐饮企业所用燃料均为天然气, 油烟、颗粒物和NMHC的排放浓度没有一致的变化规律.这与炒菜类各餐饮企业的规模、食材、菜品、师傅操作习惯手法以及客流量工况的组合变化多样相关.油烟浓度由大到小顺序依次为家常菜、粤菜、快餐类、川湘菜和食堂, 排放浓度依次为(4.97±8.55)、(2.74±1.39)、(2.16±0.56)、(1.88±1.11)和(0.98±0.24) mg·m^-3；颗粒物浓度由大到小顺序依次为粤菜、家常菜、食堂、川湘菜和快餐类, 排放浓度依次为(5.05±3.67)、(4.80±2.31)、(4.51±0.04)、(4.18±1.68)和(2.94±1.21) mg·m^-3；NMHC浓度由大到小顺序依次为川湘菜、粤菜、家常菜、快餐类和食堂, 排放浓度依次为(15.33±15.81)、(10.23±7.76)、(8.84±10.06)、(6.26±5.49)和(4.38±2.56) mg·m^-3.

对不同类型餐饮企业而言, 由图 1可知, 家常菜、川湘菜和其他炒菜类的餐饮企业油烟的超标率分别为71.4%、75.0%和90.9%, 远超过了烧烤和烤鸭的超标率, 分别为44.4%和33.3%.可见, 典型餐饮企业油烟的超标主要是由炒菜类餐饮企业贡献.颗粒物的超标率中, 烤鸭和烧烤的超标率远高于总体的超标率, 分别为100.0%和63.6%, 而家常菜、川湘菜和其他炒菜类的颗粒物超标率分别为42.8%、37.5%和18.2%, 可见, 烤鸭和烧烤颗粒物超标的概率较高, 快餐类、食堂和粤菜等其他炒菜类颗粒物超标的可能性较小.这与烤鸭烧烤使用的果木和木炭材料有关^{[33, 34]}.NMHC的超标比例中, 也是烤鸭和烧烤的超标比例高, 分别为88.5%和73.3%, 家常菜、川湘菜和其他炒菜类的NMHC超标率分别为34.8%、50.0%和28.6%.研究表明, 加热温度越高, NMHC的排放浓度越高, 烤鸭和烧烤制作过程的温度高, 因此NMHC的排放浓度高, 超标的概率就大^[14].可见, 不同类型餐饮企业NMHC的超标概率与颗粒物的相似, 烤鸭和烧烤的颗粒物和NMHC排放较高, 均容易超标, 是餐饮业治理的重点.

图 1

Fig. 1

图 1 各类型餐饮企业油烟、颗粒物和NMHC的超标率 Fig. 1 Excess rates of cooking fumes, particulates, and NMHC for various types of catering enterprises

现行国家标准以油烟作为饮食业大气污染物的控制指标, 文献[18, 20]分析了采用油烟管控餐饮源时存在的问题, 即油烟检测结果达标但目测有可见浓烟的现象, 尤其是烧烤烤鸭类餐饮企业, 造成居民投诉但检测结果达标无法责令整改处罚的监管难点.根据文献[28, 29]中油烟和颗粒物的定义及检测方法可知, 油烟和颗粒物所包含的物质有一定的重合性但又有所差异.因此本研究同步开展了油烟与颗粒物排放浓度的比对检测.由图 2可看出, 烧烤、烤鸭和炒菜类颗粒物对油烟的浓度比值差异很大.烤鸭颗粒物与油烟比值的平均值为21.28, 比值范围为6.21~43.08；烧烤颗粒物与油烟比值的平均值为9.11, 比值范围为5.03~19.07；炒菜类颗粒物与油烟比值平均值为2.81, 比值范围为0.75~7.55.餐饮业颗粒物与油烟的比值由高到低的顺序为烤鸭类>烧烤类>炒菜类.

图 2

Fig. 2

图 2 不同类型典型餐饮企业颗粒物和油烟浓度比值 Fig. 2 Ratios of particulates and cooking fumes of different catering enterprises

推测造成这种结果的原因主要有两方面, 一是北京烤鸭烤制过程中采用果木作为燃料, 燃料燃烧过程中会产生大量的非油脂性颗粒物；二是北京烤鸭在制作过程中是用作料将鸭子腌制后将整只鸭子放进烤炉进行烤制, 所产生的油烟主要是鸭子外皮在烤制过程中产生的油脂类物质, 相对油脂含量比较少^[18].而烧烤油烟占颗粒物的比例比烤鸭高, 这主要是因为烧烤类餐饮企业在烤制食材的过程中, 会在食材的表面涂抹一层食用油, 食用油在高温烤制过程中会产生大量油脂类颗粒物, 并且烧烤过程中会不时翻动烤制的食材, 这样也会使烤制的食物(主要是肉类食材)和食用油产生更多的油脂类颗粒物.炒菜类的燃料均为天然气, 天然气燃烧产生的颗粒物较少^[36], 因此, 炒菜类颗粒物大部分由食用油和食材烹饪过程氧化而产生, 颗粒物较油烟的浓度比值在3种类型中最低.比对结果表明, 颗粒物的检测结果一般大于油烟的检测结果.可见, 本研究所采用的手工称重法测得的颗粒物能更全面地反映餐饮业烹饪过程的污染物排放, 更好地评估餐饮业对环境质量的影响.

为研究餐饮源油烟、颗粒物和NMHC排放之间的关系, 笔者对不同类型餐饮企业的颗粒物与油烟和颗粒物与NMHC的实测排放浓度按照烤鸭、烧烤和炒菜类分别计算Pearson相关系数, 如表 3所示.从中可知, 烤鸭、烧烤和炒菜类的颗粒物和油烟的Pearson相关系数有所差异, 分别为0.48、0.67和0.77.烧烤和炒菜类的颗粒物浓度与油烟浓度为强相关, 烤鸭的颗粒物浓度与油烟浓度相关性稍弱, 为中等强度相关.烤鸭过程可分为果木燃烧和鸭子被烘烤两个部分, 果木燃烧产生颗粒物但不产生油烟, 鸭子自身的油脂经烘烤后会产生油烟, 此时油烟与颗粒物是一致的^{[18, 28, 29]}.烧烤和炒菜类油烟和颗粒物同是烹饪过程产生^{[33, 34]}.表明颗粒物与油烟是相互关联又有所区别的两项指标, 这也验证了不同燃料和烹饪方式对颗粒物排放浓度的影响.表 3显示, 烤鸭、烧烤和炒菜类的颗粒物与NMHC排放浓度的Pearson相关系数分别为0.32、0.41和0.21, 相关性均为弱相关.表明NMHC是完全独立于颗粒物的气态污染物.

表 3 (Table 3)

表 3 不同类型餐饮企业颗粒物和油烟, 颗粒物和NMHC的Pearson相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients of particulates and cooking fumes, particulate, and NMHC for typical restaurants 类型 颗粒物和油烟 颗粒物和NMHC 烤鸭 0.48 0.32 烧烤 0.67 0.41 炒菜类 0.77 0.21

表 3 不同类型餐饮企业颗粒物和油烟, 颗粒物和NMHC的Pearson相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients of particulates and cooking fumes, particulate, and NMHC for typical restaurants

以本研究测得的典型餐饮企业油烟、颗粒物和NMHC的平均排放浓度、平均灶头数、排气量以及作业时间, 按照排放因子法, 采用2014年北京食品药品监督管理局餐饮注册信息, 粗略估算北京市餐饮业大气污染物的排放量清单. 2014年北京市注册餐饮服务单位64 010家, 估算结果为北京市2014年餐饮源大约排放油烟2 492 t、颗粒物6 127 t和NMHC 9 436 t.

图 3是北京市各区餐饮服务单位对油烟或颗粒物或NMHC的排放贡献.由于3项污染物除排放因子不同其他计算参数均相同, 因此3项污染物的排放贡献是一致的.从中可知, 朝阳区、海淀区和昌平区餐饮业大气污染物的排放贡献位列前三, 分别占比为17.1%、12.4%和8.9%.这与这3个区餐饮服务单位数量占比顺序是一致的.中心城区东城区和西城区餐饮的排放总量占比虽然不高, 但由于面积小, 餐饮分布密集, 单位面积的排放强度最高.

图 3

Fig. 3

图 3 2014年北京市餐饮业大气污染物的区域排放贡献 Fig. 3 Regional emission contributions of cooking fumes, particulates, and NMHC in the Beijing catering industry(2014)

由图 4所示, 从业态规模分布来看, 北京市餐饮业排放贡献最大的为单位食堂, 排放占比达30.9%, 这是因为北京市各类机关单位企业总部高校数量多, 因此各类食堂数量众多, 在北京市餐饮业中数量占比最大, 这也是北京市餐饮业的重要特点之一.除食堂外, 中型餐饮的数量最多, 因此排放占比为第二, 占21.0%.此外, 数量不多但灶头数多、排放负荷高的大型餐饮排放占比也较高, 达15.6%.食堂、中型餐饮、大型餐饮和小型餐饮这四大类餐饮服务单位占总排放贡献达80.0%, 是北京市餐饮业污染排放最主要的类型.

图 4

Fig. 4

图 4 2014年北京市不同类型餐饮企业大气污染物的排放贡献 Fig. 4 Emission contributions of cooking fumes, particulates, and NMHC from different types of catering enterprises in Beijing(2014)

(1) 基于现场测试企业样本, 北京市典型餐饮企业油烟、颗粒物和NMHC的平均排放浓度分别为(2.91±5.52)、(9.25±10.02)和(12.72±11.38) mg·m^-3.其中炭火烧烤类油烟、颗粒物和NMHC的排放浓度最高；果木烤鸭类颗粒物和NMHC的排放浓度高, 油烟的排放浓度低.由于烧烤和烤鸭使用炭火和果木, 因此烧烤和烤鸭的颗粒物和NMHC的超标概率比炒菜类高.

(2) 炭火烧烤和果木烤鸭颗粒物的排放浓度远大于油烟的排放浓度.烤鸭的颗粒物与油烟的比值范围为6.21~43.08；烧烤的颗粒物与油烟的比值范围为5.03~19.07；炒菜类餐饮企业颗粒物与油烟的比值范围为0.75~7.55.比值情况表明, 手工称重法测得的颗粒物能够更好地评估餐饮业对环境空气的影响.Pearson相关系数分析表明, 餐饮企业颗粒物与油烟的排放浓度为强相关, 颗粒物和NMHC的排放浓度为弱相关.可见, 油烟和颗粒物可以协同净化达标, NMHC需要单独处理.

(3) 粗略估算获得2014年北京市餐饮源油烟、颗粒物和NMHC的排放量分别为2 492、6 127和9 436 t.从区域排放贡献和排放强度方面看, 朝阳区、海淀区、昌平区、东城区和西城区是治理重点区域.从规模业态角度看, 食堂、中型餐饮、大型餐饮和小型餐饮是北京市治理的重点类型.