淺析烹飪油煙污染的危害及其控制技術(shù)研究現狀

摘 要：介紹了烹飪油煙的組成及危害，著(zhù)重概述了家庭烹飪油煙污染特點(diǎn)以及凈化技術(shù)的研究進(jìn)展，對各技術(shù)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，初步探討了新近發(fā)展的靜電催化耦合技術(shù)在烹飪排放污染控制中的應用，分析了現行的吸油煙機技術(shù)標準及發(fā)展趨勢。 

關(guān)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(xué)變化而產(chǎn)生的油煙霧，包含多種有毒化學(xué)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(wàn)戶(hù)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(dòng)車(chē)尾氣排放之后，空氣污染的第三“元兇”［2］。由此可見(jiàn)，烹飪油煙的凈化對保護大氣環(huán)境和保障人類(lèi)的健康具有重要意義。

       近十幾年來(lái)，人們比較關(guān)注餐飲業(yè)的油煙凈化技術(shù)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(shù)發(fā)展的同時(shí)，對家庭烹飪污染特點(diǎn)、技術(shù)現狀、未來(lái)發(fā)展以及法規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(guò)程中會(huì )產(chǎn)生可見(jiàn)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(lái)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(lèi)、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(shù)對川菜館排放的油煙廢氣進(jìn)行檢測，共檢測出14 種VOCs，其中苯系物6 種( 43%，體積分數，下同) 、烷烯烴4 種( 29%) 、鹵代烴2 種( 14%) 、酮類(lèi)2種( 14%) 。Sjaastad 等［8］通過(guò)研究發(fā)現，在煎牛排的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量揮發(fā)性的醛類(lèi)，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(diǎn)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(shí)加入各種油、鹽、醬、醋，在高溫下這些醬料也發(fā)生化學(xué)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(lái)研究排放中的多環(huán)芳烴，發(fā)現中式烹飪產(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(chǎng)上家用吸油煙機的油脂去除率95%來(lái)計算，每年每戶(hù)排放油煙顆粒物2160g，計為2 kg，按上?，F有900余萬(wàn)戶(hù)家庭計算，全年全市的排放量就有18000多t的油煙顆粒物，記者調查報告也與上述結果相符。數量如此巨大的分散式點(diǎn)源排放出來(lái)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(shí)間質(zhì)譜儀，發(fā)現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。大規模的烹飪已被確定是一個(gè)重要的有機碳和碳元素的貢獻者，包括城市環(huán)境中通過(guò)有機光化學(xué)，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(lèi)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(mǎn)油煙的廚房環(huán)境中有很大關(guān)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(shù)

       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化成無(wú)毒狀態(tài); 中小飯店一般采用催化劑凈化法，通過(guò)催化氧化燃燒將油滴轉化為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(guò)濾除去大顆粒的油滴和水滴，再經(jīng)過(guò)葉輪的旋轉，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(guò)過(guò)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移到室外，在排放口仍然可見(jiàn)明顯的煙霧，污染大氣。

       現在普遍采用的油煙凈化技術(shù)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(fēng)分離和過(guò)濾。機械式凈化法設備簡(jiǎn)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(diǎn)，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(zhù)油煙霧的附著(zhù)，吸附能力會(huì )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(chǎng)發(fā)出來(lái)的電子與油煙顆粒碰撞，使顆粒荷電，再利用電場(chǎng)力使帶電顆粒在捕集區被捕集，從而實(shí)現凈化分離。與其他技術(shù)例如噴淋、洗滌相比，靜電式凈化技術(shù)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(fēng)速控制在0.6～1.6 m/s，電極電壓為2.5 kV 時(shí)，1～10μm 的顆粒物去除率在90%以上。雖然靜電技術(shù)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，烹飪過(guò)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(xué)藥劑) 通過(guò)特殊的裝置形成液膜或液霧，通過(guò)氣液接觸使污染物從氣相向液相轉移，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(chǎng)地比較狹窄的廚房則無(wú)法安裝。

       濕式凈化法需要對洗滌液進(jìn)行無(wú)害化處理。顯然，這種技術(shù)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，在烹調過(guò)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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(shù)的缺點(diǎn)對比總結在表1中?？梢灶A見(jiàn)，未來(lái)該領(lǐng)域的研究在于尋找能夠同時(shí)去除顆粒物與VOCs、總體造價(jià)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(shù)。

表1 常見(jiàn)油煙凈化技術(shù)對比

3 高壓靜電催化耦合凈化技術(shù)

       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，電壓越高則顆粒物捕集效率也越高，同時(shí)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(shí)現對VOCs的有效凈化，并在靜電催化耦合同時(shí)凈化室內PM和VOCs方面取得了進(jìn)展。

       將這一原理用于凈化烹飪油煙，主要面臨以下挑戰: 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。

       根據該原理設計了新型油煙凈化模塊，凈化過(guò)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(guò)濾格柵，使油煙氣體流經(jīng)過(guò)濾格柵時(shí)，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(guò)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，分為高壓放電區和低壓捕集區，通過(guò)高壓電離作用使油煙顆粒荷電，在通過(guò)捕集區域時(shí)由于電場(chǎng)作用力而發(fā)生偏轉，從而收集在捕集極板上。再經(jīng)過(guò)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(jià)試驗臺如圖2所示，測試方法基本按照GB /T 17713-2011標準進(jìn)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器在油煙凈化模塊出口端采樣進(jìn)行顆粒物去除效率測試得到的實(shí)驗結果，其中藍色棒狀數值為空氣中的PM數值。

圖3 顆粒物去除效率測試結果

       從顆粒物測試的結果可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)凈化的烹飪油煙中含有大量顆粒物，數值遠遠大于干凈空氣中的顆粒物數量，且多是1μm以下的超細微粒; 經(jīng)凈化后，粒徑為0.3～0.5μm 的顆粒物數量有所下降，粒徑為1μm的顆粒物數量基本去除一半，粒徑為3μm的顆粒物去除率超過(guò)80%，粒徑為5～10μm的顆粒物的去除率接近。由此可見(jiàn)，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(jìn)行TVOC去除效率測試可發(fā)現，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(shù)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(shí)現對臭氧的控制，為高壓靜電的設計提供了大的技術(shù)空間，所設計的靜電模塊能實(shí)現對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)驅動(dòng)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(jìn)行有效、持久催化凈化。

       該項技術(shù)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(jià)格、安裝與維護等許多挑戰。

4 技術(shù)標準現狀及發(fā)展趨勢

       從20世紀90年代開(kāi)始，我國相關(guān)部門(mén)開(kāi)始著(zhù)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(shù)監督局發(fā)布了《吸油煙機》( GB /T17713-1999) ，并于當年10月1日起實(shí)施。該《標準》對吸油煙機的定義、產(chǎn)品分類(lèi)、試驗要求、技術(shù)方法、檢驗規則及標志等做了具體的規定。

       2011年10月31日，國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局發(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(diǎn)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“規范性附錄”; 2)氣味降低度區分為“瞬時(shí)氣味降低度”和“常態(tài)氣味降低度”，兩個(gè)指標同時(shí)進(jìn)行考量，并規定: 外排式油煙機的常態(tài)氣味降低度應不小于90%，瞬時(shí)氣味降低度應不小于50%; 3)《油脂分離度》標準實(shí)驗變化之處為: ①實(shí)驗油由48 mL白色石蠟油變?yōu)?00 mL玉米油; ②實(shí)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內均勻滴入油鍋中; ④稱(chēng)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(chēng)質(zhì)量; ⑤標準規定: 外排式油煙機的油脂分離度應不小于80%。

       新標準考慮了實(shí)際家庭烹飪過(guò)程中油煙集中、量大的特點(diǎn)，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(méi)有具體要求; 2) 標準中的“氣味降低度”標準實(shí)驗是測評油煙機排放能力帶來(lái)的室內環(huán)境的要求，對VOCs的外排放濃度卻沒(méi)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(lái)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餐飲油煙監測云平臺

       為了彌補現存餐飲行業(yè)在煙油監測上的漏洞，同時(shí)便利監管部門(mén)的監察，安科瑞油煙監測云平臺應運而生。油煙監測模塊通過(guò)2G/4G與云端平臺進(jìn)行通信和數據交互，系統能夠對企業(yè)餐飲設備的開(kāi)機狀態(tài)、運行狀態(tài)進(jìn)行監控；實(shí)現開(kāi)機率監測，凈化效率監測，設施停運告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數據進(jìn)行統計分析、等統計功能；較之傳統的靜電監測方案，具實(shí)效性。平臺預留與其他應用系統、設備交互對接接口，具有很好的擴展性及融合性。

5.1平臺結構

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據，自動(dòng)對超標排放及異常企業(yè)進(jìn)行提示預警，監管部門(mén)可迅速進(jìn)行處理，督促餐飲企業(yè)整改設備，并定期清洗、維護，實(shí)現減排環(huán)保，不擾民等目的?，F場(chǎng)安裝監測終端，持續監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(shí)結合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進(jìn)行對比分析，一旦排放超標，系統會(huì )發(fā)出異常信號。

■ 油煙監測設備用來(lái)監測油煙、顆粒物、NmHc等數據

■ 凈化器和風(fēng)機配合對油煙進(jìn)行凈化處理，同時(shí)對凈化設備的電流、電壓進(jìn)行監測 

■ 設備通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將采集的數據上傳至遠程云端服務(wù)器

5.2 平臺主要功能

(1)在線(xiàn)監測

       對油煙排污數據的監測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數值采集監測;同時(shí)對監控風(fēng)機和凈化器的啟停狀態(tài)、運行數據進(jìn)行監測。

(2)告警數據監測

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

(3)數據分析

       運行時(shí)長(cháng)分析，離線(xiàn)分析；告警占比、分析；歷史數據統計等。  

(4)隱患管理

       系統對采集的告警數據分析，產(chǎn)生對應的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時(shí)處理告警，形成閉環(huán)。

(5)統計分析

       包括時(shí)長(cháng)分析、超標分析、歷史數據、分析報告等模塊。

(6)基礎數據維護

       個(gè)人信息、權限維護，企業(yè)信息錄入，對應測點(diǎn)信息錄入等。

(7)數據服務(wù)

       數據采集，短信提醒，數據存儲和解析。

5.3油煙監測主機

       油煙監控主機是現場(chǎng)的管理設備，實(shí)時(shí)采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進(jìn)行數據處理，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊將數據傳輸到服務(wù)器平臺。同時(shí)，對本地數據進(jìn)行存儲，監控現場(chǎng)設備狀態(tài)，提供人機操作界面。

具體技術(shù)參數如下：

5.4 設備選型方案

注：雙探頭適合雙排煙通道的場(chǎng)合，每路探頭監測1路排煙通道。

6 結論

       烹飪油煙是大氣環(huán)境中PM的主要來(lái)源之一。家庭烹飪油煙具有量大、面廣、高度分散的特點(diǎn)，控制其排放對保護大氣環(huán)境、減少霧霾產(chǎn)生具有重要意義。

       目國內油煙凈化技術(shù)都有各自的點(diǎn)，但同時(shí)存在不足之處。實(shí)踐證明，高壓靜電催化耦合技術(shù)應用于烹飪油煙處理具有很好的凈化效果，不僅對顆粒物有較高的去除效果，同時(shí)在室溫下能夠有效地對VOCs及異味氣體等進(jìn)行持久催化凈化。該技術(shù)具有應用于家庭廚房的潛力。

       技術(shù)標準方面，現行油脂分離度標準沒(méi)有設定排放限值，氣味降低度標準對吸油煙機的測評僅僅是評價(jià)將污染物轉移到室外的能力，因此很有必要增加對PM和VOCs的排放限值要求，在推進(jìn)油煙凈化技術(shù)水平提高的同時(shí)加強監管力度。

【參考文獻】

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