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淺析污染物凈化技術研究與應用

更新時間：2021-08-09　點擊次數： 947次

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：闡述了污染的產生與危害，綜合分析了油煙中顆粒物和揮發性有機物（VOCs）的凈化技術現狀，指出了現有油煙凈化技術存在的主要問題，并對油煙治理技術進行了展望和建議。

關鍵詞：；顆粒物；VOCs；監測云平臺；安科瑞

0 前言

隨著我國經濟的飛速發展，人們對于美食追求更加強烈，一方面是飲食業迅速崛起，另一方面是家庭廚房、學校、單位食堂等烹飪量的增加，但是其帶來的油煙污染問題也逐漸凸顯［1］。烹飪過程產生的污染物以油煙氣的形式排入大氣環境，根據其形態一般可分為顆粒物質和氣體物質2類［2］。其中，油煙顆粒物主要來源于烹飪過程中油脂的揮發凝結以及食材的分解、裂解等，統稱油煙，氣體物質主要指揮發性有機物（VOCs）。餐飲業油煙及VOCs的排放嚴重降低空氣質量、危害人類身體健康，迫切需要尋求切實的治理方法控制油煙污染。

1 污染物的產生及危害

1.1 油煙污染物的產生

食物烹飪、加工過程中油脂、有機質的揮發及其加熱過程中的產物，均是油煙及VOCs的主要來源。而在材料烹制的不同階段，污染物排放種類有所不同。具體表現為:①炒鍋加熱,鍋體表面油膜蒸發產生直徑≤1μm的油煙顆粒物；②加入食油，溫度上升至100℃，水和低沸點油料氣化，散發出小分子物質，溫度持續升高至260℃，高沸點油料氣化，出現肉眼可見的油煙顆粒物（3-11μm；③食材入鍋初期，伴隨著劇烈的化學反應，油煙濃度達到峰值，產生的油煙氣溶膠粒徑在納米至毫米之間，伴隨著翻炒溫度下降，產生油水混合的粗顆粒物，以及成分極為復雜的VOCs。此外，氣體離開鍋體之后，環境溫度與濕度均發生變化，逐漸形成由各種冷凝物及氣體物質構成的混合物。

1.2 油煙污染物的危害

烹飪過程排放的污染物主要是氣、液、固三態混合的油煙顆粒物和VOCs,其中油煙顆粒物包括液態和固態產物，粒徑一般小于10μm,而PM2.5占到PM10的80%以上，是空氣中PM2.5的重要排放源之一，與工業廢氣、機動車尾氣共同被稱作現代城市大氣污染的“三大殺手"。氣態污染物主要是VOCs，是指在常壓下沸點低于260℃的各種有機化合物。VOCs的排放會使得大氣0H自由基、O3和二次有機氣溶膠的生成，從而易導致光化學煙霧污染事件的發生。多個城市VOCs排放清單研究表明，餐飲源已成為城市大氣環境中VOCs的重要來源之一。

另一方面，油煙顆粒物和VOCs中包含大量有毒有害物質，如重金屬、醛酮類和PAHs(多環芳烴) 等，長期暴露在濃度較高的環境中，會給人體健康造成嚴重危害，增加呼吸系統病發生率，甚至可能引起基因突變、DNA或染色體損傷等。而“煎炒炸"式中國烹飪方式產生的大量油煙顆粒物和VOCs也是增加我國非吸煙女性患支氣管炎概率、中年失眠人群數量的主要原因之一。為此，近年來北京、深圳、河南等多個地市相繼出臺了更為嚴格的治理標準和技術規范，而國家2019年新修訂的《餐飲業油煙污染物排放標準》中也新增設非甲烷總烴作為VOCs污染控制項目，與居民生活密切相關的排放逐漸成為空氣污染治理的重要部分。

2 污染物凈化技術

2.1 國外油煙凈化技術

在國外，尤其是西方國家飲食以生吃或加工成半成品為主，使其廚房油煙濃度較低，采用的凈化方法主要是氧化焚燒法和催化氧化法。

2.1.1 氧化焚燒法

氧化焚燒法是在氧化反應的熱推進作用下，將顆粒物和VOCs燃燒轉換成無害物質。常見的是直燃式燃燒爐技術，主要是將污染物和其他氣體混合后通入爐內進行充分燃燒，實現顆粒物減排。但是該技術進行油煙凈化時，需確保通入氧氣量的充足性，促使燃燒過程熱量充分利用。目前氧化焚燒法的應用范圍較小，適合大型油炸食品加工廠和西餐店，對于烹飪方式多種多樣的中餐廳并不適用，而該技術設備龐大、造價較高的缺點也限制了其在中小型餐館的應用。

2.1.2 催化氧化法

催化氧化法是在相對較低的溫度環境下( 200-400 °C)利用有自凈化功能的催化劑催化油煙污染物發生氧化還原反應，生成對環境無害的CO2 和H2O。催化氧化法凈化油煙氣目前在國內尚處于實驗室研究階段，該技術的關鍵在于開發低溫高活性、良好穩定性的優良催化劑，在油煙凈化中應用較多的是非貴金屬氧化物催化劑，包括簡單金屬氧化物、復合氧化物、鈣鈦礦型和尖晶石型等，與貴金屬類相比，非貴金屬催化劑價格較便宜、催化性能較好。在國外，此方法多用于大型工業或商業集中處理煙氣，由于催化氧化能耗高、反應時間長，應用于家用小型化煙機比較難，且目前只能去除VOCs, 難以去除大分子的顆粒物。

2.2 國內油煙凈化技術

在我國的飲食習慣中，烹飪方式主要包括煎、炒、烹、炸等，這也是我國餐廚產生的油煙濃度要比國外高的原因，而多樣的烹調方法也使得我國油煙組分復雜、治理難度增加。目前國內常見的油煙廢氣凈化方法主要有機械分離法、高壓靜電法、過濾法、液體洗滌法、光解氧化法、生物降解法、等離子體法、復合法等。

2.2.1 機械分離法

機械分離法是一種物理分離處理法，按照油煙分離原理的不同又可分為重力分離法、慣性分離法、離心分離法。重力分離法即油煙顆粒在自身重力的作用下下沉，實現油煙凈化的目的，如空氣沉降器;慣性分離法常采用設置折板式、濾網式、蜂窩波紋式的濾油柵方法，通過改變氣流方向，使油煙顆粒由于慣性與管道發生碰撞、黏附而從氣流中分離；離心分離法是利用離心分離的原理凈化油煙，常見的是旋風分離技術。

多數機械分離法設備都具有價格便宜、工藝流程簡單、耗電量小、阻力小的優點。但是機械分離的油煙凈化設備實際應用于餐飲業的很少，主要原因是凈化效率較低,只適用于去除10μm以上的油煙污染物，難以除去粒徑較小的顆粒物，更無法去除VOCs。因此，此類的油煙機多用于家庭廚房油煙的排出，一般不適用于大型餐飲企業的廢氣凈化。

2.2.2 高壓靜電法

高壓靜電法又叫靜電沉積法，是在高壓直流電作用下產生一個足以使氣體電離的靜電場，油煙氣通過靜電場后，油煙顆粒物被荷電，向極性相反的極板運動，并吸附在極板上形成油煙微粒層，從而達到凈化油煙的目的。該技術優點在于設備緊湊、安裝靈活、占地面積小、對油煙的去除效率高、支持多級串聯等。高壓靜電凈化技術出現較早但是發展較晚，由于其對于亞微米級顆粒物的油煙凈化效果較好，其重要地位不言而喻，越來越多的油煙凈化設備都結合了靜電式油煙凈化器，目前已占據較大的*。

但是，靜電式油煙凈化設備集塵極板上沉積的油垢黏度較高，不易清洗，若用普通清洗劑清洗會產生二次污染，長期使用會在集塵極表面形成油膜層，使去除效率大幅下降。另外，高壓靜電法投資費用高、運行時耗電量大且不能去除VOCs,使其發展受到一定限制。

2.2.3 過濾法

過濾法又分為普通過濾法和過濾吸附法，普通過濾法的原理是采用親油性的高分子復合材料，如海綿、無紡布、纖維墊等多孔或球型材料等作為濾層，使油煙顆粒物在碰撞、攔截和擴散作用下被捕集于濾料中得到凈化。影響普通過濾技術去除效率主要因素有濾料孔隙大小、厚度、顆粒物粒徑以及過濾風速等。過濾吸附法是使用活性炭或其他吸附劑同時實現油煙的氣味控制，需與其他凈化裝置配合使用。

過濾法凈化設備具有投資小、裝置簡單易裝卸的優點，與機械式相比凈化率略高，能達到80%-90%。但在實際應用中也存在一些問題，例如長期使用導致濾層阻力逐漸變大，引發風機的噪聲加重；頻繁更換或吸附材料，增加運維成本，且濾料的處理還可能造成二次污染; 部分濾料如活性碳、纖維濾料具有可燃性，易引發火災。

2.2.4 液體洗滌法

液體洗滌法是目前市場上運用較多的一種濕式凈化法，該技術主要是利用添加了表面活性劑、堿液、乳化劑等改變油水混合性的洗滌液吸收油煙中的油性顆粒物和部分氣態污染物，達到污染物從氣相轉移到液相的目的。同時通過在凈化設備內設置隔板、流化床等方式增加氣液接觸面積和接觸時間，以達到更好的凈化效果。常見的有運罩、洗滌塔等凈化設備。

液體洗滌法對油煙顆粒物、VOCs均有一定的去除效果，對直徑大于2μm的油煙顆粒去除效率可達90%以上f而對直徑小于1 (xm的油煙顆粒凈化效果較差，在洗滌液中加入適當的化學試劑可以去除辣椒、胡椒等刺激性味道。該凈化技術設備占地面積小、運行費用低、易于操作維護且無消防隱患；但是洗滌廢液若不能較好解決，直接排入下水道容易產生二次污染，洗滌液的消耗也會增加運行費用。

2.2.5 光解氧化法

紫外線是波長100-400nm的電磁輻射，其實質是電磁波。波長小于280nm的紫外線是深紫外光，代表波段主要有254、222、185、172 nm，不同波長的紫外線大小也不同，應用領域也不同。其中185nm主要應用于分解有機物，油煙光解氧化法就是利用發射該波長的紫外線燈，將油脂分子鏈切斷，形成小的油脂分子，同時利用該紫外光與空氣中氧氣反應產生的臭氧氧化小油脂分子，生成水、二氧化碳和微量白色粉末，對油煙異味也有一定的去除效果。

目前光解氧化法的應用主要是在集氣罩內安裝紫外光凈化設備和在排煙管道安裝箱式紫外光解凈化設備。該技術具有阻力小、處理風量大、工藝流程短、使用時間長、不產生二次污染、操作簡易等優點。但是，在實際運用中由于煙氣污染物受紫外光照射處理時間很短，其不足以*氧化分解VOCs為CO2和H20,特別是大分子VOCs。如果紫外光解凈化設備前端安裝機械式處理裝置，預先截留較大油滴，則可以同時實現高效除油除味，且避免了管道油污問題，省去了煩瑣的清洗過程。

2.2.6 生物降解法

生物降解法是目前污染治理領域研究的熱點，受到水、氣、固廢各類學者的青睞。該技術主要將一些已經過特殊馴化的微生物進行批量培養，然后以掛膜的型式置于填料塔中，利用微生物將油煙中的有機物分解。

生物法降解法對油煙顆粒物和VOCs均有較高去除率，且在處理過程中能夠得到充分利用，不需要過高的處理成本，還避免了二次污染的產生。但是該技術中微生物分解效果受溫度和氣體成分影響較大，溫度過高過低、氣體成分改變都影響去除效果，使該技術工作狀態不穩定；另外，由于操作相對復雜，生物分解作用時間較長，降低凈化工作效率，不能夠滿足處理要求。因此該技術的應用推廣還具有一定的局限性，尤其是在國內間歇性、暴發式排出的油煙后端應用生物降解法處理的難度很大，目前沒有實際應用。

2.2.7 等離子體法

常見的物質基本存在形式有3種，即固體、液體和氣體，等離子體是這3種之外的第四種。當對氣體分子放電時，隨著系統內能的增加，會使原子擺脫相互間的作用力，從而形成相互獨立的個體，當大量分子或原子被電離后，就形成等離子體。因此，等離子體是由大量高能電子、離子、分子、中性原子、激發態原子、光子和自由基組成，總正負電荷數相等，宏觀上保持電中性，但表現出很高的化學活性。

油煙廢氣中顆粒物和VOCs的主要成分是碳氫化合物，利用對含氧和水氣體放電產生的等離子體，可以生成活性氧原子和羥基自由基，相比氧氣分子來說，更容易氧化碳氫化合物。楊忠連等利用低溫等離子體( NTP) 復合改性過濾膜凈化油煙廢氣，結果顯示,在實驗條件下，采用NTP復合過濾技術的油煙去除效率高于70%。姚鑫等進行了等離子體協同負載于蜂窩陶瓷上的Ce復合氧化物催化劑去除油煙中VOCs的實驗，發現可以解決反應中間副產物問題，進一步提高VOCs去除率與CO2選擇性。

等離子體技術由于凈化效率高、裝置簡單、能耗低、抗干擾能力強等特點而受到廣泛關注，已成為一種成熟的控制顆粒物和VOCs排放的技術。

2.2.8 復合法

復合法就是采用2種及2種以上技術原理組合成的油煙凈化設備。由于是多種污染物的混合，成分復雜，不同的凈化方式去除的主要污染物和效率不同，單一凈化技術難以實現多種污染物的同時高效去除，復合法凈化技術將不同技術的優勢進行互補，形成一個高效的控制系統。常見的復合表1各種油式技術有機械式與靜電式相結合、濕式與靜電式相結合、等離子體式與靜電式等。去除油煙顆粒物使用較多的是機械式和靜電式復合凈化設備，先通過機械式預處理，去除絕大多數油煙顆粒物，以減少后續處理的負荷，剩余組分大部分被靜電法去除。新興復合技術是先運用等離子體技術去除大部分VOCs、氧化部分顆粒物，再用靜電沉積技術去除剩余的大部分顆粒物，實現油煙顆粒物和VOCs的高效凈化。

表1對各種油煙凈化技術參數進行對比，發現復合式的凈化率相對較高，且能同時去除大分子顆粒物和小分子VOCs,但是設備組合起來復雜，清洗程序也多，占地面積大、噪音大、耗電多等問題亟待解決。

表 1 各種油煙凈化技術參數對比

3 存在的主要問題

目前困擾治理領域的主要問題有2個:一是監管難，二是凈化難。由于技術、資金以及環境意識薄弱等原因，部分餐飲店并未安裝油煙凈化器，而已安裝油煙凈化器的部分餐飲店存在不定期清洗維護、擅自拆卸、停運設施的問題，油煙凈化設施形同虛設；而家庭餐廚油煙治理則因責任主體不清晰、運行維護難等實際問題而成為大氣治理的盲點。

雖然現在市場上的油煙凈化裝置種類繁多，但普遍存在設備結構復雜、占地面積大、安裝及運維成本高、后期運行效率低、操作維修要求高、二次污染等問題。而且很多設備往往只注重顆粒物的去除，忽略了油煙VOCs的凈化。

4 安科瑞AcrelCloud3500監測云平臺

為了彌補現存餐飲行業在煙油監測上的漏洞，同時便利監管部門的監察，安科瑞油煙監測云平臺應運而生。油煙監測模塊通過2G/4G與云端平臺進行通信和數據交互，系統能夠對企業餐飲設備的開機狀態、運行狀態進行監控；實現開機率監測，凈化效率監測，設施停運告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數據進行統計分析、排名等統計功能；較之傳統的靜電監測方案，更具實效性。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。

4.1 平臺結構

平臺GIS地圖采集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進行提示預警，監管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業整改設備，并定期清洗、維護，實現減排環保，不擾民等目的。現場安裝監測終端，持續監測油煙凈化器的工作狀態，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，一旦排放超標，系統會發出異常信號。