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淺析烹飪油煙汙染的危害及其控製技術研究現狀

更新日期：2021-09-15瀏覽：1094次

簡婷

韦德1946网址上海嘉定 201801

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汙染特點以及淨化技術的研究進展，對各技術特點及存在的問題進行了分析，初步探討了新近發展的靜電催化耦合技術在烹飪排放汙染控製中的應用，分析了現行的吸油煙機技術標準及發展趨勢。

關(guan) 鍵詞：油煙汙染；家用吸油煙機；環境汙染；防治對策

0 引言

烹飪油煙( cooking oil fumes，COFs) ,是指采用食用油煎、炒、烹和炸食物後發生劇烈化學變化而產(chan) 生的油煙霧，包含多種有毒化學成分，已成為(wei) 危害烹飪者健康的重要因素。不僅(jin) 如此，分散在千家萬(wan) 戶的廚房烹飪油煙未經處理直排至室外，在城市大氣中不斷累積，成為(wei) 引起城市大氣霧霾的重要排放源之［1］，甚至被認為(wei) 是繼工業(ye) 排放、機動車尾氣排放之後，空氣汙染的三“元凶”［2］。由此可見，烹飪油煙的淨化對保護大氣環境和保障人類的健康具有重要意義(yi) 。

近十幾年來，人們(men) 比較關(guan) 注餐飲業(ye) 的油煙淨化技術的研發，而對分散式的家庭烹飪汙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展的同時，對家庭烹飪汙染特點、技術現狀、未來發展以及法規標準等方麵作了的分析和論述。

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(hui) 產(chan) 生可見的煙霧，這些煙霧是由油、水蒸氣、液滴、燃燒產(chan) 物以及冷凝的有機物組成的微米級別的粒子。這些顆粒物屬於(yu) 超細微粒，總體(ti) 直徑處於(yu) 100nm到2.5μm之間［4］。從(cong) 形態組成上看，主要由顆粒物和氣態物質組成，氣態汙染物主要是些揮發性有機化合物( volatile organiccompounds，VOCs)，是異味的主要來源。

油煙的組成十分複雜，成分有300 多種，主要包括脂肪酸、烷烴、烯烴，以及氧化裂解後的短鏈醛類、酮、醇、酯、芳香化合物和雜環化合物。蔣燕等采用低溫預濃縮儀(yi) 和氣相色譜-質譜聯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，其中苯係物6 種( 43%，體(ti) 積分數，下同) 、烷烯烴4 種( 29%) 、鹵代烴2 種( 14%) 、酮類2種( 14%) 。Sjaastad 等［8］通過研究發現，在煎牛排的過程中會(hui) 產(chan) 生大量揮發性的醛類，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

外的烹飪方式與(yu) 我差異很大，食物多為(wei) 生食或加工為(wei) 半成品，廚房汙染程度較低; 而我家庭烹飪的溫度高、油量大，同時加入各種油、鹽、醬、醋，在高溫下這些醬料也發生化學變化，因此中式廚房的汙染程度很高。些研究表明，亞(ya) 洲的烹飪方式產(chan) 生的PM2. 5 要多於(yu) 西式烹飪，分別為(wei) 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芳烴，發現中式烹飪產(chan) 生高的致癌物質—苯並芘，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(chan) 生苯並芘。

我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(wei) 2 kg，按上海現有900餘(yu) 萬(wan) 戶家庭計算，全年全市的排放量就有18000多t的油煙顆粒物，記者調查報告也與(yu) 上述結果相符。數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，目我對家庭廚房油煙排放的管理和控製還處於(yu) 真空狀態。

在紐約市項研究中，研究者使用了高分辨率氣溶膠飛行時間質譜儀(yi) ，發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(chan) 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個(ge) 重要的有機碳和碳元素的貢獻者，包括城市環境中通過有機光化學，二次有機氣溶膠形成的縮合的氣態反應產(chan) 物。

油煙中含有的VOCs大部分為(wei) 有毒有害物質，而苯係物、多環芳烴類等為(wei) 致癌物質，對人體(ti) 健康造成大的危害。研究表明，在中、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(yu) 她們(men) 經常暴露在充滿油煙的廚房環境中有很大關(guan) 係。與(yu) 其他家相比，盡管亞(ya) 洲的女性吸煙率很低，但是患肺癌的比例卻高於(yu) 男性。

2 各種烹飪油煙淨化技術

外的烹飪方式產(chan) 生的油煙濃度低，大飯店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毒狀態; 中小飯店般采用催化劑淨化法，通過催化氧化燃燒將油滴轉化為(wei) CO2和蒸汽，從(cong) 而消除汙染和異味。

目我家庭廚房所廣泛采用的吸油煙機，其淨化原理是先采用機械過濾除去大顆粒的油滴和水滴，再經過葉輪的旋轉，方麵利用離心力產(chan) 生慣性分離，另方麵產(chan) 生氣力輸送作用，通過過濾對油煙起到定的淨化作用。但吸油煙機隻是將廚房汙染轉移到室外，在排放口仍然可見明顯的煙霧，汙染大氣。

現在普遍采用的油煙淨化技術主要有以下幾種: 機械式淨化、吸附式淨化、靜電式淨化、洗滌法淨化等。

2.1 機械式油煙淨化

機械式淨化法主要包括慣性碰撞、旋風分離和過濾。機械式淨化法設備簡單、運行費用低、維修管理方便，但由於(yu) 去除效率比較低等缺點，般隻應用於(yu) 預處理或者是複合處理法中。

2.2 吸附式油煙淨化

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(wei) 40%～70%，且對氣味的淨化有較明顯作用，但隨著油煙霧的附著，吸附能力會(hui) 逐漸減弱，需要經常換濾料，因此維護成本較高，且細菌、黴菌還可能在活性碳上繁殖、發臭，從(cong) 而造成二次汙染。

2. 3 靜電式油煙淨化

靜電式油煙淨化設備的主要原理是利用陰極在高壓電場發出來的電子與(yu) 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被捕集，從(cong) 而實現淨化分離。與(yu) 其他技術例如噴淋、洗滌相比，靜電式淨化技術在收集和去除油煙方麵加有效。李家勝報道，當靜電式油煙淨化設備風速控製在0.6～1.6 m/s，電極電壓為(wei) 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並在定程度上降低了異味，但運行效率受些因素的影響，例如運行參數，烹飪過程和天氣條件。

2. 4 濕式油煙淨化

濕式油煙淨化法是將吸收淨化液( 水、化學藥劑) 通過特殊的裝置形成液膜或液霧，通過氣液接觸使汙染物從(cong) 氣相向液相轉移，從(cong) 而洗滌吸收顆粒物和有害氣體(ti) 。李剛等提出“水幕式公共廚房油煙淨化裝置”，處理效率在75%～90%左右; 邵偉(wei) 慶等發明的“組合式油煙洗滌淨化裝置”，淨化效率可達到80%。洗滌法對於(yu) 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; 如果采用循環水，噴淋裝置容易堵塞，不易清洗; 而且設備龐大，對於(yu) 場地比較狹窄的廚房則無法安裝。

濕式淨化法需要對洗滌液進行無害化處理。顯然，這種技術可以用於(yu) 餐飲烹飪的排放淨化，卻難以適用於(yu) 家庭烹飪油煙排放的淨化。

2. 5 催化淨化法

催化淨化法的原理是在催化劑的作用下，在烹調過程產(chan) 生的汙染物在定溫度下被催化氧化燃燒或分解，轉化為(wei) 二氧化碳和水蒸氣，消除汙染和臭味。張大偉(wei) 等［27］采用浸漬法製備La0.8Sr0.2MnO3負載型納米催化劑，經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(wei) 198℃，300℃下催化效率高，達到90%。Yang 等以Al2O3為(wei) 載體(ti) 、MnO2 /CuO 為(wei) 活性組分，在650℃下焙燒製成球形催化劑，對油煙進行催化，催化溫度200～600℃，能將PAHs、硝基多環芳烴等氧化為(wei) 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。

各種淨化技術的缺點對比總結在表1中。可以預見，未來該領域的研究在於(yu) 尋找能夠同時去除顆粒物與(yu) VOCs、總體(ti) 造價(jia) 與(yu) 能耗都較低、尺寸小、適用於(yu) 家庭廚房的複合式油煙淨化技術。

表1 常見油煙淨化技術對比

3 高壓靜電催化耦合淨化技術

高壓靜電的原理決(jue) 定了它具有捕捉細小顆粒物的特性，以及對烹飪油煙的淨化能力。在定範圍內(nei) ，電壓越高則顆粒物捕集效率也越高，同時產(chan) 生多臭氧。臭氧汙染環境，單獨的臭氧對有機汙染物和異味的去除能力很有限。我們(men) 的研究表明，在催化作用下O3能實現對VOCs的有效淨化，並在靜電催化耦合同時淨化室內(nei) PM和VOCs方麵取得了進展。

將這原理用於(yu) 淨化烹飪油煙，主要麵臨(lin) 以下挑戰: 1) 如何減輕大量油汙對高壓靜電產(chan) 生的負擔; 2) 如何提高靜電模塊對PM 和油煙的去除效率，保護催化劑不受汙染。

根據該原理設計了新型油煙淨化模塊，淨化過程如圖1所示。

該淨化模塊采用三段淨化處理，段油煙分離單元采用機械式過濾格柵，使油煙氣體(ti) 流經過濾格柵時，由於(yu) 慣性作用產(chan) 生變向、加速，形成湍流和漩渦，使顆粒物與(yu) 過濾格柵充分碰撞，去除油煙氣體(ti) 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(wei) 高壓放電區和低壓捕集區，通過高壓電離作用使油煙顆粒荷電，在通過捕集區域時由於(yu) 電場作用力而發生偏轉，從(cong) 而收集在捕集極板上。再經過三段催化單元，將油煙氣體(ti) 中的異味及有害氣體(ti) 催化分解，去除油煙中的異味及有害氣體(ti) 。

本課題組建立的脫排油煙機淨化性能評價(jia) 試驗台如圖2所示，測試方法基本按照GB /T 17713-2011標準進行。

圖2 家庭油煙淨化器油脂分離度測試平台

圖3為(wei) 采用激光顆粒計數器在油煙淨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果，其中藍色棒狀數值為(wei) 空氣中的PM數值。

圖3 顆粒物去除效率測試結果

從(cong) 顆粒物測試的結果可見，未經過淨化的烹飪油煙中含有大量顆粒物，數值遠遠大於(yu) 幹淨空氣中的顆粒物數量，且多是1μm以下的超細微粒; 經淨化後，粒徑為(wei) 0.3～0.5μm 的顆粒物數量有所下降，粒徑為(wei) 1μm的顆粒物數量基本去除半，粒徑為(wei) 3μm的顆粒物去除率超過80%，粒徑為(wei) 5～10μm的顆粒物的去除率接近99%。由此可見，該淨化模塊對於(yu) 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。

采用便攜式總揮發性有機物測試儀(yi) 在淨化模塊出口端采樣進行TVOC去除效率測試可發現，未淨化的烹飪油煙中總揮發性有機物的濃度約為(wei) 7849×10－ 9，淨化後其體(ti) 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勢: 1)靜電與(yu) 催化耦合，高壓靜電產(chan) 生的臭氧在催化劑表麵快速分解，因而能防止臭氧的溢出;2)由於(yu) 能實現對臭氧的控製，為(wei) 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、持久催化淨化。

該項技術具有應用於(yu) 家庭廚房的潛力，但是要成為(wei) 產(chan) 品，仍然麵臨(lin) 諸如成本與(yu) 價(jia) 格、安裝與(yu) 維護等許多挑戰。

4 技術標準現狀及發展趨勢

從(cong) 20世紀90年代始，我相關(guan) 部門開始著手製定吸油煙機的行業(ye) 標準。1999年4月2 日，家質量技術監督發布了《吸油煙機》( GB /T17713-1999) ，並於(yu) 當年10月1日起實施。該《標準》對吸油煙機的定義(yi) 、產(chan) 品分類、試驗要求、技術方法、檢驗規則及標誌等做了具體(ti) 的規定。

2011年10月31日，家質量監督檢驗檢疫總發布了《吸油煙機》( GB /T 17713-2011) ，用於(yu) 替代GB /T 17713-1999《吸油煙機》。該標準所涉及汙染與(yu) 排放控製的特點變化主要有以下方麵: 1)將標準的《氣味降低度》與(yu) 《油脂分離度》的等級從(cong) “提性附錄”提升為(wei) “規範性附錄”; 2)氣味降低度區分為(wei) “瞬時氣味降低度”和“常態氣味降低度”，兩(liang) 個(ge) 指標同時進行考量，並規定: 外排式油煙機的常態氣味降低度應不小於(yu) 90%，瞬時氣味降低度應不小於(yu) 50%; 3)《油脂分離度》標準實驗變化之處為(wei) : ①實驗油由48 mL白色石蠟油變為(wei) 400 mL玉米油; ②實驗油的溫度由20±5℃變為(wei) 290±5 ℃; ③模擬油煙發生的方式由壓縮空氣噴射石蠟油變為(wei) 滴水控製: 69mL水在30min±15s內(nei) 均勻滴入油鍋中; ④稱質量: 吸油煙機上的油網、油杯和獨立濾網烘幹後分別稱質量; ⑤標準規定: 外排式油煙機的油脂分離度應不小於(yu) 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，並且提高了獨立濾網對油煙外排限製作用標準。該標準的不足之處在於(yu) : 1) 油脂分離度在定程度上限製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(ti) 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(nei) 環境的要求，對VOCs的外排放濃度卻沒有任何限製。

PM和VOCs是大氣汙染和導致霧霾的主要物質，其中來自烹飪油煙的貢獻度不可低估。我們(men) 相信，今後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餐飲油煙監測雲(yun) 平台

為(wei) 了彌補現存餐飲行業(ye) 在煙油監測上的漏洞，同時便利監管部門的監察，安科瑞油煙監測雲(yun) 平台應運而生。油煙監測模塊通過2G/4G與(yu) 雲(yun) 端平台進行通信和數據交互，係統能夠對企業(ye) 餐飲設備的開機狀態、運行狀態進行監控；實現開機率監測，淨化效率監測，設施停運告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數據進行統計分析、等統計功能；較之傳(chuan) 統的靜電監測方案，具實效性。平台預留與(yu) 其他應用係統、設備交互對接接口，具有很好的擴展性及融合性。

5.1平台結構

平台GIS地圖采集餐飲油煙處理設備運行狀態和油煙排放的濃度數據，自動對超標排放及異常企業(ye) 進行提示預警，監管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業(ye) 整改設備，並定期清洗、維護，實現減排環保，不擾民等目的。現場安裝監測終端，持續監測油煙淨化器的工作狀態，包括設備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結合排煙口的揮發性物質、顆粒物濃度等進行對比分析，旦排放超標，係統會(hui) 發出異常信號。