烹飪油煙污染及其控制技術(shù)研究進展

姚　鑫，陳　猛，范澤云，陳銘夏，施建偉，上官文峰，曹亞裙，張旭東

(1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院燃燒與環(huán)境技術(shù)中心，上海 200240；2. 浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室, 浙江寧波 315336)

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[1]。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[2]，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”[3]。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(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，重點對家庭烹飪污染特點、技術(shù)現(xiàn)狀、未來發(fā)展以及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面作了比較全面的分析和論述。

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100 nm到2.5 μm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 organic compounds，VOCs)，是異味的主要來源[5]。

油煙的組成十分復(fù)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[6]。蔣燕等[7]采用低溫預(yù)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(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30～1 400和20～535 μg/m3[9-10]。Li等[11]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)生更高的致癌物質(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40 g[12]，3口之家1天消耗食用油120 g，1年為43 200 g，按照目前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2 160 g，計為2 kg，按上?，F(xiàn)有900余萬戶家庭計算，全年全市的排放量就有18 000多t的油煙顆粒物，最近的記者調(diào)查報告[13]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(dāng)驚人的。然而，目前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)。

在紐約市最近的一項研究中，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[14]。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(xué)，二次有機氣溶膠形成的縮合的氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物[4]。

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)，對人體健康造成極大的危害。研究表明[15]，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(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[16]。

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(yīng)將油煙中的有毒有害成分轉(zhuǎn)化成安全狀態(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[17]。

目前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[18]。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[19]，污染大氣。

現(xiàn)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)分離和過濾[18,20]。機械式凈化法設(shè)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(yīng)用于預(yù)處理或者是復(fù)合處理法中[21]。

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，必須經(jīng)常更換濾料[17]，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(shè)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[22]。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更加有效[1]。李家勝[23]報道，當(dāng)靜電式油煙凈化設(shè)備風(fēng)速控制在0.6～1.6 m/s，電極電壓為2.5 kV時，1～10 μm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(shù)，烹飪過程和天氣條件[24]。

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[25]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[26]發(fā)明的“組合式油煙洗滌凈化裝置”，最大凈化效率可達到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(shè)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(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(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(dāng)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 ℃下催化效率最高，達到90%。Yang等[28]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(yīng)，能耗高、危險性大，家庭廚房難以應(yīng)用。

各種凈化技術(shù)的優(yōu)缺點對比總結(jié)在表1中?？梢灶A(yù)見，未來該領(lǐng)域的研究重點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(fù)合式油煙凈化技術(shù)。

表1　常見油煙凈化技術(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高效捕捉細小顆粒物的特性，以及對烹飪油煙的凈化能力[29]。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)生更多臭氧。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[30]。

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(dān)；2)如何提高靜電模塊對PM和油煙的去除效率，最大限度保護催化劑不受污染。

根據(jù)該原理設(shè)計了新型油煙凈化模塊，凈化過程如圖1所示。

圖1　靜電與催化耦合凈化烹飪油煙示意圖Fig.1　Diagram of purification process by electrostatic-assisted catalysis method

該凈化模塊采用三級凈化處理，第一級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，最大程度地去除油煙氣體中大顆粒的油滴和水滴。第二級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)過第三級催化單元，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(biāo)準(zhǔn)進行。

圖2　家庭油煙凈化器油脂分離度測試平臺Fig.2　Grease extraction testing platform of home cooking fume purifier

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Fig.3　Results of particle removal experiment

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，且更多是1 μm以下的超細微粒；經(jīng)過凈化后，粒徑為0.3～0.5 μm的顆粒物數(shù)量有所下降，粒徑為1 μm的顆粒物數(shù)量基本去除一半，粒徑為3 μm的顆粒物去除率超過80%，粒徑為5～10 μm的顆粒物的去除率接近100%。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1 μm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去除效率測試可以發(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7 849×10-9，凈化后其體積分數(shù)降至2 647×10-9，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)優(yōu)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，因而能有效防止臭氧的溢出；2)由于能實現(xiàn)對臭氧的控制，為高壓靜電的設(shè)計提供了更大的技術(shù)空間，所設(shè)計的靜電模塊能實現(xiàn)對PM2.5和更小顆粒物的高效去除；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(yīng)(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(shù)具有應(yīng)用于家庭廚房的潛力，但是要真正成為產(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(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

從20世紀90年代開始，我國相關(guān)部門開始著手制定吸油煙機的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1999年4月2日，國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《吸油煙機》(GB/T 17713-1999)，并于當(dāng)年10月1日起實施。該《標(biāo)準(zhǔn)》對吸油煙機的定義、產(chǎn)品分類、試驗要求、技術(shù)方法、檢驗規(guī)則及標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的《氣味降低度》與《油脂分離度》的等級從“提示性附錄”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(biāo)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(yīng)不小于90%，瞬時氣味降低度應(yīng)不小于50%；3)《油脂分離度》標(biāo)準(zhǔn)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刂疲?9 mL水在30 min±15 s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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：外排式油煙機的油脂分離度應(yīng)不小于80%。

新標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中的“氣味降低度”標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)中增加PM和VOCs的排放限值要求是必然的趨勢。

5　結(jié)論

烹飪油煙是大氣環(huán)境中PM的主要來源之一。家庭烹飪油煙具有量大、面廣、高度分散的特點，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。

目前國內(nèi)油煙凈化技術(shù)都有各自的優(yōu)點，但同時存在不足之處。實踐證明，高壓靜電催化耦合技術(shù)應(yīng)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，同時在室溫下能夠有效地對VOCs及異味氣體等進行持久催化凈化。該技術(shù)具有應(yīng)用于家庭廚房的潛力。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，現(xiàn)行油脂分離度標(biāo)準(zhǔn)沒有設(shè)定排放限值，氣味降低度標(biāo)準(zhǔn)對吸油煙機的測評僅僅是評價將污染物轉(zhuǎn)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，在推進油煙凈化技術(shù)水平提高的同時加強監(jiān)管和執(zhí)法力度。

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