基于現(xiàn)場實(shí)測的炒菜類餐飲廢氣排放及靜電凈化效率評測

何萬清，聶 磊，曲 松，邵 霞，朱利軍，石愛軍

（1. 北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；2. 國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3. 北京市城市大氣揮發(fā)性有機(jī)物污染防治技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037）

近年來，隨著我國產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)，餐飲業(yè)作為我國第三產(chǎn)業(yè)中的重要組成，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展態(tài)勢逐年高漲[1-2]，但經(jīng)濟(jì)效益增加的同時(shí)也衍生出了不容小覷的環(huán)境問題。我國餐飲業(yè)的經(jīng)營多集中在城市的中心城區(qū)，烹飪高峰期產(chǎn)生的餐飲廢氣嚴(yán)重影響著城市的空氣環(huán)境及附近居民的身體健康[3-4]。隨著以北京、上海為代表的大城市連年來對工業(yè)大氣污染治理、機(jī)動車污染控制和清潔能源替換等政策推進(jìn)力度的穩(wěn)步增強(qiáng)，餐飲廢氣污染已然成為城市區(qū)域顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物的主要排放源之一，是與工業(yè)廢氣及汽車尾氣一起導(dǎo)致城市空氣污染的重要“元兇”[5-8]。

餐飲廢氣是食物烹飪過程中揮發(fā)的油脂、有機(jī)質(zhì)及其加熱分解或裂解的氣、液、固三相混合物[9]。烹飪過程中產(chǎn)生的液態(tài)油滴和固態(tài)顆粒物不僅會導(dǎo)致城市霧霾[10-11]，也會誘發(fā)人體產(chǎn)生過敏性鼻炎和其他的呼吸道疾病，生成的氣態(tài)揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)中還含多種有毒的化學(xué)成分，對人體健康的危害極大，長期接觸甚至有患癌的風(fēng)險(xiǎn)[12-15]。因此，必須對餐飲廢氣污染進(jìn)行有效的治理。現(xiàn)有的餐飲油煙凈化技術(shù)主要包括機(jī)械分離、靜電沉積、濕式洗滌、過濾吸附和UV 光解等，其中靜電及以靜電為主的復(fù)合式為市場的主流技術(shù)，占市場份額的80%以上[16-19]。然而，國內(nèi)尚未對靜電凈化設(shè)備的油煙顆粒物和VOCs 的實(shí)際凈化效果，以及凈化效果與運(yùn)營維護(hù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

本研究選取北京市一家典型的餐飲企業(yè)，進(jìn)行不定期的跟蹤評測，研究靜電凈化設(shè)備對實(shí)際餐飲顆粒物、非甲烷總烴（non-methane hydrocarbons，NMHC）和VOCs 凈化效率以及隨時(shí)間的變化情況。通過掌握靜電凈化設(shè)備對餐飲煙氣處理效果和處理前后的組分特征，以期為餐飲企業(yè)的凈化器選型和清洗維護(hù)周期提供依據(jù)，為餐飲煙氣控制技術(shù)的篩選提供支撐。

1 材料與方法

1.1 餐館現(xiàn)場情況介紹

本研究選取了一家典型的清真菜館進(jìn)行凈化設(shè)備改造和評測。該餐館主營各式拉面、蓋飯、炒菜和炭火燒烤，客流量較大。該餐館后廚分為炒菜廚房和燒烤間2 個獨(dú)立操作間，燒烤間位于1 樓，炒菜廚房位于2 樓，炒菜廚房和燒烤間排口在3 樓頂，2 個廚房的煙氣分別獨(dú)立排放，樓頂有較開闊的管道設(shè)備放置空間和采樣平臺。本研究僅對炒菜廚房煙氣排口的改造進(jìn)行跟蹤評測。炒菜廚房有爆炒小灶2 個，湯灶1 個，煙罩長度3 m，按照1 個灶頭2 000 m3/h 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量計(jì)算，考慮到管道彎頭等阻力以及保證廚房排煙通暢，最終設(shè)計(jì)風(fēng)量為8 000 m3/h，該廚房選取靜電凈化技術(shù)進(jìn)行改造，其設(shè)備型號為T1800、風(fēng)量為8 000 m3/h、設(shè)備尺寸為1 316 mm×818 mm×645 mm、電離箱尺寸為365 mm×695 mm×465 mm、高壓12 000 V、低壓6 000 V、截面風(fēng)速4 m/s、極板間距7 mm、電離區(qū)材質(zhì)為不銹鋼、集塵區(qū)材質(zhì)為航空鋁、極板數(shù)量2 個、高壓產(chǎn)生器TW450、絕緣材料為特氟龍。

1.2 設(shè)備與材料

設(shè)備：QC-2 大氣采樣儀（北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所）；大氣煙塵氣采樣儀（青島嶗應(yīng)環(huán)保科技有限公司）；十萬分之一電子天平（Mettler Toledo，瑞士）；GC8600 型氣相色譜（北京北分瑞利分析儀器有限責(zé)任公司），甲烷柱為以 GDX-502 高分子多孔微球?yàn)樘盍系纳V柱，長3 m，內(nèi)徑3 mm；總烴柱為以硅烷化玻璃微珠為填料的色譜柱，柱長1 m，內(nèi)徑3 mm；EM-300 小流量恒流采樣器；TD20 熱脫附儀(日本島津)；QP2020 Ultra 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本島津)。材料：特氟龍氣袋，餐飲專用顆粒物濾芯，CarbopackC+Carbopack B+Carboxen1000D 的組合吸附管。

1.3 采樣方案

選取該餐館營業(yè)高峰時(shí)段11:30～13:30和18:00～20:00 進(jìn)行采樣，在新安裝凈化設(shè)備的前端和后端的平直管段同時(shí)采樣，采樣口的設(shè)置滿足《餐飲業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：DB11/1488—2018》[20]的相關(guān)要求。為評估凈化設(shè)備的凈化效率隨使用時(shí)間的變化，以及清洗維護(hù)對凈化設(shè)備效率的影響，本研究在改造后4 個月內(nèi)不定期進(jìn)行顆粒物和NMHC 的排放濃度及凈化設(shè)備凈化效率的評測，具體的不定期檢測方案，見表1。

表1 靜電凈化設(shè)備評測的不定期檢測方案

1.4 樣品采集與分析

顆粒物、NMHC 和VOCs 組分同時(shí)同點(diǎn)采樣。顆粒物采用等速采樣法，采集和分析方法參照《餐飲業(yè)顆粒物的測定手工稱重法：DB11/T 1485—2017》[21]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每個樣品采集15 min，連續(xù)采集3 個樣品作為1 組，取3 個樣品的平均值作為測試結(jié)果。NMHC 的采集參照《固定污染源廢氣揮發(fā)有機(jī)物的采樣 氣袋法：HJ732—2014》[22]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每個樣品采集15 min，采樣體積為10 L，連續(xù)采集3 個樣品，以3 個樣品的平均值作為測試結(jié)果。NMHC 的分析方法為《固定污染源 總烴、甲烷和非甲烷總烴的測定 氣相色譜法：HJ38—2017》[23]。

VOCs 組分的采樣方法同NMHC，其定量分析方法參照《固定污染源廢氣揮發(fā)性有機(jī)物的測定 固相吸附-熱脫附/氣相色譜-質(zhì)譜法：HJ734—2014》[24]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。現(xiàn)場采集的VOCs 氣袋樣品送回實(shí)驗(yàn)室后，在8 h 內(nèi)用EM-300 小流量恒流采樣器以50 mL/min 的流量將氣體樣品通入內(nèi)裝CarbopackC+Carbopack B+Carboxen1000D 的組合吸附管10 min，加入內(nèi)標(biāo)，裝入熱脫附儀經(jīng)氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行定量分析。定量分析的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別為甲醇中22 種VOCs 混標(biāo)（上海安譜）、乳酸乙酯色標(biāo)（上海安譜）、苯甲醛色標(biāo)（Dr.Ehrenstorfer GmbH）和TO-15 混合標(biāo)氣(美國Linda，用到其中的29 種)。

熱脫附儀條件：一次解析溫度200 ℃，氦氣流量30 mL/min，解析時(shí)間5 min，冷阱聚焦溫度-25 ℃，解析溫度280 ℃，解析時(shí)間5 min，傳輸線溫度200 ℃。色譜條件：色譜柱DB-5MS，60.0 m×0.32 mm×1.0 μm；載氣為高純氦氣，流速1.5 mL/min，分流比50.0；進(jìn)樣口溫度200 ℃，程序升溫：初始溫度35 ℃保持5 min，以6 ℃/min 升溫至140 ℃，再以15 ℃/min升溫至220 ℃，保持3 min。質(zhì)譜條件：電子轟擊源，電壓70 eV，全掃描模式，掃描范圍：35～300 u，掃描速度為1.44 scan/s。四級桿溫度150 ℃；離子源溫度200 ℃，傳輸線溫度280 ℃。

2 結(jié)果和討論

2.1 顆粒物的排放及凈化效率分析

炒菜廚房排口靜電設(shè)備凈化前后顆粒物的濃度變化，見圖1。

圖1 靜電設(shè)備凈化前后顆粒物的濃度及凈化效率

在改造4 個月內(nèi)的不定期檢測結(jié)果中，凈化前顆粒物的濃度變化范圍為8.8～83.6 mg/m3，平均為40.0 mg/m3，大于文獻(xiàn)[8]和[9]中各菜系顆粒物的平均排放濃度?？梢姡唇?jīng)凈化的該餐飲企業(yè)炒菜廚房直接排放的顆粒物濃度很高，全部超出了《北京市餐飲業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[20]規(guī)定的顆粒物5.0 mg/m3的排放限值，該餐飲為顆粒物重污染排放企業(yè)，必須安裝凈化設(shè)備。圖1中第11 天凈化前顆粒物濃度最低，只有8.8 mg/m3，顯著低于其他測試時(shí)間，這恰好與當(dāng)時(shí)客流量少炒菜頻率低的情況相對應(yīng)，可見凈化前顆粒物排放濃度受采樣時(shí)段客流量的影響較大。凈化后顆粒物的濃度變化范圍為1.4～7.1 mg/m3,平均為4.0 mg/m3。除第70 天凈化后的顆粒物排放濃度為7.1 mg/m3超出排放限值外，其他測試時(shí)間凈化后的顆粒物濃度均低于排放限值。該靜電凈化設(shè)備的應(yīng)用對顆粒物的凈化效果顯著，餐飲企業(yè)安裝凈化設(shè)備非常必要。

在顆粒物凈化效率方面，改造后4 個月內(nèi)不定期跟蹤測試獲得靜電凈化設(shè)備對顆粒物的凈化效率變化范圍為55.7%～97.3%，平均凈化效率為85.9%。安裝使用第1 天，凈化效率最高，達(dá)97.3%，第11 天凈化效率較低與當(dāng)天初始濃度較低相關(guān)。除第11 天外，該靜電凈化設(shè)備對顆粒物的凈化效率保持在83.5%以上。該凈化設(shè)備在第46 天、第71 天和第107 天分別由凈化設(shè)備廠家對凈化設(shè)備進(jìn)行專業(yè)清洗，可見該凈化設(shè)備在4 個月的跟蹤測試期間，定期清洗的條件下凈化效率比較穩(wěn)定。

為進(jìn)一步評估凈化設(shè)備運(yùn)營維護(hù)清洗情況對凈化設(shè)備的顆粒物凈化效率和達(dá)標(biāo)情況的影響，本研究在第70 天現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)末端排放超標(biāo)，于第71 天由凈化設(shè)備廠家專業(yè)清洗，圖1 可知，清洗前后凈化設(shè)備對油煙顆粒物的凈化效率顯著提高，由84.2%升至94.4%左右，顆粒物能夠達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值要求?？梢?，定期的清洗維護(hù)對靜電凈化設(shè)備凈化效率的保持至關(guān)重要,根據(jù)不定期跟蹤測試結(jié)果推薦運(yùn)維周期為1 個月。

2.2 NMHC 的排放及凈化效率分析

炒菜廚房排口靜電設(shè)備凈化前后NMHC 的濃度變化，見圖2。

圖2 靜電設(shè)備凈化前后NMHC 的濃度及凈化效率

在改造4 個月內(nèi)的不定期檢測結(jié)果中，凈化前NMHC 的濃度變化范圍為19.7～55.7 mg/m3，平均排放濃度為30.3 mg/m3，凈化后NMHC 的濃度變化范圍為18.1～49.7 mg/m3,平均值為26.0 mg/m3，大于文獻(xiàn)[8]和[9]中各菜系NMHC 的平均排放濃度，均超出了《北京市餐飲業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[20]規(guī)定的NMHC 10.0 mg/m3的排放限值，可見該餐飲同時(shí)為NMHC 重污染排放企業(yè)，應(yīng)安裝VOCs 的凈化設(shè)備。

在NMHC 凈化效率方面，靜電凈化設(shè)備對NMHC的凈化效率變化很大，變化范圍為-68.8%～67.6%，除了安裝使用第1 天測得NMHC 凈化效率最高67.6%之外，其他時(shí)間測得的凈化效率均<25%，有時(shí)甚至凈化效率低至-68.8%。可見，靜電凈化設(shè)備對NMHC 的凈化效率很不穩(wěn)定，有時(shí)能夠降低NMHC 濃度，有時(shí)反而增加NMHC 的排放，分析其中原因可能有以下幾個方面。

（1）隨著靜電凈化設(shè)備的使用，油滴在極板上聚集增多，某些油滴有可能發(fā)生揮發(fā)分解作用，導(dǎo)致氣態(tài)污染物增多。

（2）可能與污染物的排放濃度組分、風(fēng)速風(fēng)量變化以及靜電凈化器工作過程高壓電源產(chǎn)生的臭氧等都有關(guān)。有研究表明，靜電凈化器的電離能力和產(chǎn)生臭氧的量與電源電壓變化和風(fēng)速變化均有關(guān)[25]。靜電凈化設(shè)備的工作原理是通過高壓放電產(chǎn)生正負(fù)離子，顆粒物在高壓電場的作用下荷電，然后被極性相反的電極捕獲，從而去除油煙顆粒物[18]。同時(shí)，靜電凈化器由于高壓電源的使用，會使氣體產(chǎn)生電離，一方面一些大分子的揮發(fā)性有機(jī)物可能在正負(fù)離子作用下斷鏈或氧化分解成小分子有機(jī)物，導(dǎo)致非甲烷總烴濃度升高，另一方面空氣有可能被電離產(chǎn)生臭氧[26]，生成的臭氧會與水分子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，臭氧和羥基自由基都是強(qiáng)氧化物，會與VOCs 發(fā)生氧化分解反應(yīng)[27]。但由于反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，具體反應(yīng)的產(chǎn)物受臭氧濃度、VOCs 組分和溫濕度流速等條件影響，有可能分解生成小分子有機(jī)物增加了NMHC 的濃度，也可能徹底氧化分解成CO2和H2O，降低了NMHC 的濃度。餐飲企業(yè)工況不穩(wěn)定，排放的污染物濃度組分、風(fēng)速等都是實(shí)時(shí)變化，因此靜電凈化設(shè)備對NMHC的凈化效率變化較大。

此外，由于VOCs 組分非常多，現(xiàn)有的測試條件僅能測試其中一部分組分，測試的VOCs 組分?jǐn)?shù)量有限，有可能存在一部分VOCs 組分氧化分解成未能測到的組分，而這部分組分在非甲烷總烴測試時(shí)有響應(yīng)，導(dǎo)致NMHC 升高。

2.3 VOCs 組分變化分析

為了解靜電凈化設(shè)備對具體VOCs 組分的凈化作用，本研究特選取了其中2 d 單獨(dú)進(jìn)行VOCs組分采樣分析。第21 天和第31 天靜電設(shè)備凈化前后VOCs 的組分濃度及占比變化，見圖3。

圖3 不同時(shí)間靜電設(shè)備凈化前后VOCs 組分占比變化

這2 天測得的VOCs 初始濃度相差不大為5 683 和5 328 μg/m3，但組分構(gòu)成相差較大。第21 天測得凈化設(shè)備前端VOCs 組分以酯類、鹵代烴、芳香烴和醛酮類為主，濃度分別為2 367、1 259、1 248 和607 μg/m3，占比分別為41.6%、22.2%、22.0%和10.7%,占總濃度的96.4%；而第31 天測得的凈化前端VOCs 組分以醛酮類、芳香烴、烯烴和烷烴為主，濃度分別為1 476、1 241、1 119 和968 μg/m3，占比分別為27.7%、23.3%、21.0%和18.2%，占總濃度的90.2%。2 次測試芳香烴的排放濃度和占比基本一致，表明芳香烴是餐飲排放VOCs 較為穩(wěn)定的排放組分。第21 天排放濃度較高的酯類和鹵代烴在第31 天時(shí)濃度僅為319 和129 μg/m3，為第21 天測出濃度的13.5%和10.2%。第31 天的主要排放組分烯烴和芳香烴，在第21 天時(shí)僅為7 和184 μg/m3?？梢?，餐飲企業(yè)VOCs 的組分復(fù)雜多變，不同時(shí)間不同工況條件下測得組分組成和濃度均有所差異。

不同時(shí)間靜電設(shè)備凈化前后VOCs 組分及濃度變化，見圖4。

圖4 不同時(shí)間靜電設(shè)備凈化前后VOCs 組分及濃度變化

在組分凈化效率方面，第21 天凈化設(shè)備對主要組分的凈化效率明顯高于第31 天凈化設(shè)備對主要組分的凈化效率。第21 天凈化設(shè)備對總VOCs濃度、芳香烴、醛酮類、酯類和鹵代烴的凈化效率分別為78.8%、71.0%、50.2%、86.3%和93.7%，而第31 天凈化設(shè)備對總VOCs 濃度、醛酮類、芳香烴、酯類和鹵代烴的凈化效率分別為42.7%、47.6%、14.9%、53.3%和-95.7%。第31 天排放的主要組分烯烴和烷烴凈化效率分別為61.2%和64.6%，而第21 天這2 類組分的排放很低，凈化效率也很低分別為-42.8%和33.2%?？梢?，2 次測試不同組分凈化效率差異很大。分析原因可能是不同種類的VOCs 與臭氧和羥基自由基的反應(yīng)速率不同[26]，并且臭氧和羥基自由基對不同組分的氧化反應(yīng)具有選擇性。2 次測試工況條件不完全相同，溫濕度臭氧濃度以及VOCs 組分濃度不同，不同VOCs 氧化分解的程度和產(chǎn)物不同，從而導(dǎo)致凈化效率的差異和變化。

3 結(jié)論

（1）本研究選取的餐飲企業(yè)凈化前顆粒物濃度變化范圍為8.8～83.6 mg/m3，平均濃度為40.0 mg/m3；凈化前NMHC 濃度變化范圍為19.7～55.7 mg/m3，平均排放濃度為30.3 mg/m3，均超過了《北京市餐飲業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的顆粒物和NMHC 排放限值，該餐飲企業(yè)是顆粒物和NMHC 重污染排放企業(yè)，是重點(diǎn)改造對象。

（2）本研究首次對新改造餐飲企業(yè)的排放情況進(jìn)行跟蹤檢測，結(jié)果表明,靜電凈化后顆粒物的濃度變化范圍為1.4～7.1 mg/m3,平均值為4.0 mg/m3，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求；靜電凈化后NMHC 的濃度變化范圍為18.1～49.7 mg/m3,平均值為26.0 mg/m3，仍超過排放標(biāo)準(zhǔn)要求，需要加裝其他VOCs 凈化設(shè)備才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）本研究對新改造靜電凈化設(shè)備進(jìn)行4 個月的不定期凈化效率跟蹤評測，靜電凈化設(shè)備對顆粒物凈化效率變化范圍為55.7%～97.3%，平均凈化效率為85.9%，表明靜電凈化設(shè)備對顆粒物的凈化效果較好，定期的清洗維護(hù)能確保凈化效率穩(wěn)定，凈化后顆粒物能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（4）靜電凈化設(shè)備對NMHC 的凈化效率不穩(wěn)定不理想，變化范圍為-68.8%～67.6%，總體凈化效率低于25%。對VOCs 各組分凈化效率的測試發(fā)現(xiàn)，各組分的凈化效率變化和差異很大。這可能與餐飲企業(yè)排放過程風(fēng)速濕度波動大，產(chǎn)生的污染物濃度組分不穩(wěn)定以及靜電凈化器工作過程高壓電源產(chǎn)生的臭氧等有關(guān)，需要進(jìn)一步的研究。