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淺析烹飪油煙污染的危害及其控制技術研究現(xiàn)狀

更新時間：2020-10-29 　點擊次數(shù)： 1046次

摘要：介紹了烹飪油煙的組成及危害，著重概述了家庭烹飪油煙污染特點以及凈化技術的研究進展，對各技術特點及存在的問題進行了分析，初步探討了新近發(fā)展的靜電催化耦合技術在烹飪排放污染控制中的應用，分析了現(xiàn)行的吸油煙機技術標準及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：油煙污染；家用吸油煙機；環(huán)境污染；防治對策

0 引言

烹飪油煙( cooking oil fumes，COFs) ,是指采用食用油煎、炒、烹和炸食物后發(fā)生劇烈化學變化而產(chǎn)生的油煙霧，包含多種有毒化學成分，已成為危害烹飪者健康的重要因素。不僅如此，分散在千家萬戶的廚房烹飪油煙未經(jīng)處理直排至室外，在城市大氣中不斷累積，成為引起城市大氣霧霾的重要排放源之一［1］，甚至被認為是繼工業(yè)排放、機動車尾氣排放之后，空氣污染的第三“元兇”［2］。由此可見，烹飪油煙的凈化對保護大氣環(huán)境和保障人類的健康具有重要意義。

近十幾年來，人們比較關注餐飲業(yè)的油煙凈化技術的研發(fā)，而對分散式的家庭烹飪污染治理研究報道較少。因此，本論文在介紹烹飪油煙的危害以及主要技術發(fā)展的同時，對家庭烹飪污染特點、技術現(xiàn)狀、未來發(fā)展以及法規(guī)標準等方面作了的分析和論述。

1 烹飪油煙的組成及危害

1.1 烹飪油煙的主要成分

烹飪過程中會產(chǎn)生可見的煙霧，這些煙霧是由油、水蒸氣、液滴、燃燒產(chǎn)物以及冷凝的有機物組成的微米級別的粒子。這些顆粒物屬于超細微粒，總體直徑處于100nm到2.5μm之間［4］。從形態(tài)組成上看，主要由顆粒物和氣態(tài)物質(zhì)組成，氣態(tài)污染物主要是一些揮發(fā)性有機化合物( volatile organiccompounds，VOCs)，是異味的主要來源。

油煙的組成十分復雜，成分有300 多種，主要包括脂肪酸、烷烴、烯烴，以及氧化裂解后的短鏈醛類、酮、醇、酯、芳香化合物和雜環(huán)化合物。蔣燕等采用低溫預濃縮儀和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的分析技術對川菜館排放的油煙廢氣進行檢測，共檢測出14 種VOCs，其中苯系物6 種( 43%，體積分數(shù)，下同) 、烷烯烴4 種( 29%) 、鹵代烴2 種( 14%) 、酮類2種( 14%) 。Sjaastad 等［8］通過研究發(fā)現(xiàn)，在煎牛排的過程中會產(chǎn)生大量揮發(fā)性的醛類，包括甲醛、乙醛、丙醛、異丁醛、丁醛、異戊醛、戊醛、庚醛、辛醛、壬醛和癸醛。

1.2 家庭烹飪油煙的特點及危害

國外的烹飪方式與我國差異很大，食物多為生食或加工為半成品，廚房污染程度較低; 而我國家庭烹飪的溫度高、油量大，同時加入各種油、鹽、醬、醋，在高溫下這些醬料也發(fā)生化學變化，因此中式廚房的污染程度很高。一些研究表明，亞洲的烹飪方式產(chǎn)生的PM2. 5 要多于西式烹飪，分別為30～1400和20～535μg/m3。Li 等分析了中餐、西餐和日餐的廢氣來研究排放中的多環(huán)芳烴，發(fā)現(xiàn)中式烹飪產(chǎn)生高的致癌物質(zhì)—苯并芘，其中，西式烹飪是中式烹飪的1 /7，而日式的烹飪和快餐幾乎都不產(chǎn)生苯并芘。

我國居民平均每人每天食用油的消耗量是40g，3口之家1天消耗食用油120g，1年43200g，按照目市場上家用吸油煙機的油脂去除率95%來計算，每年每戶排放油煙顆粒物2160g，計為2 kg，按上海現(xiàn)有900余萬戶家庭計算，全年全市的排放量就有18000多t的油煙顆粒物，記者調(diào)查報告也與上述結(jié)果相符。數(shù)量如此巨大的分散式點源排放出來的油煙廢氣量是相當驚人的。然而，目我國對家庭廚房油煙排放的管理和控制還處于真空狀態(tài)。

在紐約市一項研究中，研究者使用了高分辨率氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀，發(fā)現(xiàn)烹飪和交通具有相同比重的有機氣溶膠的排放量，其所產(chǎn)生的有機氣溶膠占到了30% 的總有機氣溶膠排放量。大規(guī)模的烹飪已被確定是一個重要的有機碳和碳元素的貢獻者，包括城市環(huán)境中通過有機光化學，二次有機氣溶膠形成的縮合的氣態(tài)反應產(chǎn)物。

油煙中含有的VOCs大部分為有毒有害物質(zhì)，而苯系物、多環(huán)芳烴類等為致癌物質(zhì)，對人體健康造成大的危害。研究表明，在中國、香港及新加坡，烹飪頻率越高的女性，患肺癌的幾率越大，這與她們經(jīng)常暴露在充滿油煙的廚房環(huán)境中有很大關系。與其他國家相比，盡管亞洲的女性吸煙率很低，但是患肺癌的比例卻高于男性。

2 各種烹飪油煙凈化技術

國外的烹飪方式產(chǎn)生的油煙濃度低，大飯店一般是采用熱氧化焚燒法，即利用熱氧化反應將油煙中的有毒有害成分轉(zhuǎn)化成無毒狀態(tài); 中小飯店一般采用催化劑凈化法，通過催化氧化燃燒將油滴轉(zhuǎn)化為CO2和蒸汽，從而消除污染和異味。

目我國家庭廚房所廣泛采用的吸油煙機，其凈化原理是首先采用機械過濾除去大顆粒的油滴和水滴，再經(jīng)過葉輪的旋轉(zhuǎn)，一方面利用離心力產(chǎn)生慣性分離，另一方面產(chǎn)生氣力輸送作用，通過過濾對油煙起到一定的凈化作用。但吸油煙機只是將廚房污染轉(zhuǎn)移到室外，在排放口仍然可見明顯的煙霧，污染大氣。

現(xiàn)在普遍采用的油煙凈化技術主要有以下幾種: 機械式凈化、吸附式凈化、靜電式凈化、洗滌法凈化等。

2.1 機械式油煙凈化

機械式凈化法主要包括慣性碰撞、旋風分離和過濾。機械式凈化法設備簡單、運行費用低、維修管理方便，但由于去除效率比較低等缺點，一般只應用于預處理或者是復合處理法中。

2.2 吸附式油煙凈化

吸附法是利用活性炭或其他多孔材料的吸附特性，吸附去除大部分的顆粒物和VOCs。這種方式對氣溶膠的去除率為40%～70%，且對氣味的凈化有較明顯作用，但隨著油煙霧的附著，吸附能力會逐漸減弱，需要經(jīng)常換濾料，因此維護成本較高，且細菌、霉菌還可能在活性碳上繁殖、發(fā)臭，從而造成二次污染。

2. 3 靜電式油煙凈化

靜電式油煙凈化設備的主要原理是利用陰極在高壓電場發(fā)出來的電子與油煙顆粒碰撞，使顆粒荷電，再利用電場力使帶電顆粒在捕集區(qū)被捕集，從而實現(xiàn)凈化分離。與其他技術例如噴淋、洗滌相比，靜電式凈化技術在收集和去除油煙方面加有效。李家勝報道，當靜電式油煙凈化設備風速控制在0.6～1.6 m/s，電極電壓為2.5 kV 時，1～10μm 的顆粒物去除率在90%以上。雖然靜電技術可以捕集顆粒物并在一定程度上降低了異味，但運行效率受一些因素的影響，例如運行參數(shù)，烹飪過程和天氣條件。

2. 4 濕式油煙凈化

濕式油煙凈化法是將吸收凈化液( 水、化學藥劑) 通過特殊的裝置形成液膜或液霧，通過氣液接觸使污染物從氣相向液相轉(zhuǎn)移，從而洗滌吸收顆粒物和有害氣體。李剛等提出“水幕式公共廚房油煙凈化裝置”，處理效率在75%～90%左右; 邵偉慶等發(fā)明的“組合式油煙洗滌凈化裝置”，凈化效率可達到80%。洗滌法對于去除油煙中SO2，NOx等廢氣很有效，但此方法耗水、耗電，運行費用較高; 如果采用循環(huán)水，噴淋裝置容易堵塞，不易清洗; 而且設備龐大，對于場地比較狹窄的廚房則無法安裝。

濕式凈化法需要對洗滌液進行無害化處理。顯然，這種技術可以用于餐飲烹飪的排放凈化，卻難以適用于家庭烹飪油煙排放的凈化。

2. 5 催化凈化法

催化凈化法的原理是在催化劑的作用下，在烹調(diào)過程產(chǎn)生的污染物在一定溫度下被催化氧化燃燒或分解，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，消除污染和臭味。張大偉等［27］采用浸漬法制備La0.8Sr0.2MnO3負載型納米催化劑，經(jīng)800℃焙燒的催化劑形成了鈣鈦礦晶粒，當負載量達到10% 時，催化劑對油煙低溫燃燒的催化活性較高，起燃溫度為198℃，300℃下催化效率高，達到90%。Yang 等以Al2O3為載體、MnO2 /CuO 為活性組分，在650℃下焙燒制成球形催化劑，對油煙進行催化，催化溫度200～600℃，能將PAHs、硝基多環(huán)芳烴等氧化為CO2和H2O，在200℃對油煙的催化效率達到了96%。

以上結(jié)果表明，雖然催化燃燒法對油煙的去除效率較高，但需要在高溫環(huán)境( 300℃左右) 才能進行催化反應，能耗高、危險性大，家庭廚房難以應用。

各種凈化技術的缺點對比總結(jié)在表1中。可以預見，未來該領域的研究在于尋找能夠同時去除顆粒物與VOCs、總體造價與能耗都較低、尺寸小、適用于家庭廚房的復合式油煙凈化技術。

表1 常見油煙凈化技術對比

3 高壓靜電催化耦合凈化技術

高壓靜電的原理決定了它具有捕捉細小顆粒物的特性，以及對烹飪油煙的凈化能力。在一定范圍內(nèi)，電壓越高則顆粒物捕集效率也越高，同時產(chǎn)生多臭氧。臭氧污染環(huán)境，單獨的臭氧對有機污染物和異味的去除能力很有限。我們的研究表明，在催化作用下O3能實現(xiàn)對VOCs的有效凈化，并在靜電催化耦合同時凈化室內(nèi)PM和VOCs方面取得了進展。

將這一原理用于凈化烹飪油煙，主要面臨以下挑戰(zhàn): 1) 如何減輕大量油污對高壓靜電產(chǎn)生的負擔; 2) 如何提高靜電模塊對PM 和油煙的去除效率，保護催化劑不受污染。

根據(jù)該原理設計了新型油煙凈化模塊，凈化過程如圖1所示。

該凈化模塊采用三段凈化處理，一段油煙分離單元采用機械式過濾格柵，使油煙氣體流經(jīng)過濾格柵時，由于慣性作用產(chǎn)生變向、加速，形成湍流和漩渦，使顆粒物與過濾格柵充分碰撞，去除油煙氣體中大顆粒的油滴和水滴。二段靜電單元采用靜電捕集原理，分為高壓放電區(qū)和低壓捕集區(qū)，通過高壓電離作用使油煙顆粒荷電，在通過捕集區(qū)域時由于電場作用力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而收集在捕集極板上。再經(jīng)過三段催化單元，將油煙氣體中的異味及有害氣體催化分解，去除油煙中的異味及有害氣體。

本課題組建立的脫排油煙機凈化性能評價試驗臺如圖2所示，測試方法基本按照GB /T 17713-2011標準進行。

圖2 家庭油煙凈化器油脂分離度測試平臺

圖3為采用激光顆粒計數(shù)器在油煙凈化模塊出口端采樣進行顆粒物去除效率測試得到的實驗結(jié)果，其中藍色棒狀數(shù)值為空氣中的PM數(shù)值。

圖3 顆粒物去除效率測試結(jié)果

從顆粒物測試的結(jié)果可見，未經(jīng)過凈化的烹飪油煙中含有大量顆粒物，數(shù)值遠遠大于干凈空氣中的顆粒物數(shù)量，且多是1μm以下的超細微粒; 經(jīng)凈化后，粒徑為0.3～0.5μm 的顆粒物數(shù)量有所下降，粒徑為1μm的顆粒物數(shù)量基本去除一半，粒徑為3μm的顆粒物去除率超過80%，粒徑為5～10μm的顆粒物的去除率接近。由此可見，該凈化模塊對于大顆粒有很好的去除效果，顆粒物越大，去除效果越好，對1μm以下顆粒物的去除效果不大明顯。

采用便攜式總揮發(fā)性有機物測試儀在凈化模塊出口端采樣進行TVOC去除效率測試可發(fā)現(xiàn)，未凈化的烹飪油煙中總揮發(fā)性有機物的濃度約為7849×10－ 9，凈化后其體積分數(shù)降至2647×10－ 9，去除率接近70%。

研究表明，高壓靜電催化耦合具有以下技術勢: 1)靜電與催化耦合，高壓靜電產(chǎn)生的臭氧在催化劑表面快速分解，因而能防止臭氧的溢出;2)由于能實現(xiàn)對臭氧的控制，為高壓靜電的設計提供了大的技術空間，所設計的靜電模塊能實現(xiàn)對PM2.5和小顆粒物的去除;3)利用靜電所釋放出的具有高能量的活性物種(O3等)驅(qū)動催化反應(克服勢壘) ，使得在室溫下能有效對油煙排放中的VOCs 和異味等進行有效、持久催化凈化。

該項技術具有應用于家庭廚房的潛力，但是要成為產(chǎn)品，仍然面臨諸如成本與價格、安裝與維護等許多挑戰(zhàn)。

4 技術標準現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

從20世紀90年代開始，我國相關部門開始著手制定吸油煙機的行業(yè)標準。1999年4月2 日，國家質(zhì)量技術監(jiān)督局發(fā)布了《吸油煙機》( GB /T17713-1999) ，并于當年10月1日起實施。該《標準》對吸油煙機的定義、產(chǎn)品分類、試驗要求、技術方法、檢驗規(guī)則及標志等做了具體的規(guī)定。

2011年10月31日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了《吸油煙機》( GB /T 17713-2011) ，用于替代GB /T 17713-1999《吸油煙機》。該標準所涉及污染與排放控制的特點變化主要有以下方面: 1)將標準的《氣味降低度》與《油脂分離度》的等級從“提性附錄”提升為“規(guī)范性附錄”; 2)氣味降低度區(qū)分為“瞬時氣味降低度”和“常態(tài)氣味降低度”，兩個指標同時進行考量，并規(guī)定: 外排式油煙機的常態(tài)氣味降低度應不小于90%，瞬時氣味降低度應不小于50%; 3)《油脂分離度》標準實驗變化之處為: ①實驗油由48 mL白色石蠟油變?yōu)?00 mL玉米油; ②實驗油的溫度由20±5℃變?yōu)?90±5 ℃; ③模擬油煙發(fā)生的方式由壓縮空氣噴射石蠟油變?yōu)榈嗡刂? 69mL水在30min±15s內(nèi)均勻滴入油鍋中; ④稱質(zhì)量: 吸油煙機上的油網(wǎng)、油杯和獨立濾網(wǎng)烘干后分別稱質(zhì)量; ⑤標準規(guī)定: 外排式油煙機的油脂分離度應不小于80%。

新標準考慮了實際家庭烹飪過程中油煙集中、量大的特點，并且提高了獨立濾網(wǎng)對油煙外排限制作用標準。該標準的不足之處在于: 1) 油脂分離度在一定程度上限制了油煙機向室外大氣排放的油煙量，但是對其排放的PM10或PM2.5 沒有具體要求; 2) 標準中的“氣味降低度”標準實驗是測評油煙機排放能力帶來的室內(nèi)環(huán)境的要求，對VOCs的外排放濃度卻沒有任何限制。

PM和VOCs是大氣污染和導致霧霾的主要物質(zhì)，其中來自烹飪油煙的貢獻度不可低估。我們相信，今后吸油煙機的標準中增加PM和VOCs的排放限值要求是必然的趨勢。

5 安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監(jiān)測云平臺

為了彌補現(xiàn)存餐飲行業(yè)在煙油監(jiān)測上的漏洞，同時便利監(jiān)管部門的監(jiān)察，安科瑞油煙監(jiān)測云平臺應運而生。油煙監(jiān)測模塊通過2G/4G與云端平臺進行通信和數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)餐飲設備的開機狀態(tài)、運行狀態(tài)進行監(jiān)控；實現(xiàn)開機率監(jiān)測，凈化效率監(jiān)測，設施停運告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、等統(tǒng)計功能；較之傳統(tǒng)的靜電監(jiān)測方案，具實效性。平臺預留與其他應用系統(tǒng)、設備交互對接接口，具有很好的擴展性及融合性。

5.1平臺結(jié)構(gòu)

平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設備運行狀態(tài)和油煙排放的濃度數(shù)據(jù)，自動對超標排放及異常企業(yè)進行提示預警，監(jiān)管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業(yè)整改設備，并定期清洗、維護，實現(xiàn)減排環(huán)保，不擾民等目的。現(xiàn)場安裝監(jiān)測終端，持續(xù)監(jiān)測油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結(jié)合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進行對比分析，一旦排放超標，系統(tǒng)會發(fā)出異常信號。

■ 油煙監(jiān)測設備用來監(jiān)測油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)

■ 凈化器和風機配合對油煙進行凈化處理，同時對凈化設備的電流、電壓進行監(jiān)測

■ 設備通過4G網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠程云端服務器

5.2 平臺主要功能

(1)在線監(jiān)測

對油煙排污數(shù)據(jù)的監(jiān)測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數(shù)值采集監(jiān)測;同時對監(jiān)控風機和凈化器的啟停狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

(2)告警數(shù)據(jù)監(jiān)測

系統(tǒng)根據(jù)采集的油煙數(shù)值大小，產(chǎn)生對應的排放超標告警;對凈化器的運行數(shù)據(jù)分析，上傳凈化設備對應的運行、停機、故障等告警事件。

(3)數(shù)據(jù)分析

運行時長分析，離線分析；告警占比、分析；歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

(4)隱患管理

系統(tǒng)對采集的告警數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生對應的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時處理告警，形成閉環(huán)。

(5)統(tǒng)計分析

包括時長分析、超標分析、歷史數(shù)據(jù)、分析報告等模塊。

(6)基礎數(shù)據(jù)維護

個人信息、權(quán)限維護，企業(yè)信息錄入，對應測點信息錄入等。

(7)數(shù)據(jù)服務

數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析。

5.3油煙監(jiān)測主機

油煙監(jiān)控主機是現(xiàn)場的管理設備，實時采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進行數(shù)據(jù)處理，通過有線或無線網(wǎng)絡通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌髌脚_。同時，對本地數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)控現(xiàn)場設備狀態(tài)，提供人機操作界面。