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浅析餐饮油烟污染物净化技术研究与应用

时间: 2021-08-03 11:00 浏览次数: 来源:江苏电流火灾探测器

陈盼

安科瑞电气股份有限企业  上海嘉定  201801
摘 要:阐述了餐饮油烟污染的产生与危害,综合分析了油烟中颗粒物和挥发性有机物(VOCs)的净化技术现状,指出了现有油烟净化技术存在的主要问题,并对油烟治理技术进行了展望和建议。
关键词:餐饮油烟;颗粒物;VOCs;餐饮油烟监测云平台;安科瑞
 
前言
      随着我国经济的飞速发展,人们对于美食追求 更加强烈,一方面是饮食业迅速崛起,另一方面是家庭厨房、学校、单位食堂等烹饪量的增加,但是其带来的油烟污染问题也逐渐凸显[1]。烹饪过程产生的污染物以油烟气的形式排入大气环境,根据其形态一般可分为颗粒物质和气体物质2类[2]。其中,油烟颗粒物主要来源于烹饪过程中油脂的挥发凝结以及食材的分解、裂解等,统称油烟,气体物质主要指挥发性有机物(VOCs)。餐饮业油烟及VOCs的排放严重降低空气质量、危害人类身体健康,迫切需要寻求切实的治理方法控制油烟污染。
 
1 餐饮油烟污染物的产生及危害
1.1 油烟污染物的产生
      食物烹饪、加工过程中油脂、有机质的挥发及其加热过程中的产物,均是油烟及VOCs的主要来源。而在材料烹制的不同阶段,污染物排放种类有所不同。具体表现为:①炒锅加热,锅体表面油膜蒸发产生直径≤1μm的油烟颗粒物;②加入食油,温度上升至100℃,水和低沸点油料气化,散发出小分子物质,温度持续升高至260℃,高沸点油料气化,出现肉眼可见的油烟颗粒物(3-11μm;③食材入锅初期,伴随着剧烈的化学反应,油烟浓度达到峰值,产生的油烟气溶胶粒径在纳米至毫米之间,伴随着翻炒温度下降,产生油水混合的粗颗粒物,以及成分极为复杂的VOCs。 此外,气体离开锅体之后, 环境温度与湿度均发生变化,逐渐形成由各种冷凝物及气体物质构成的混合物。
 
1.2 油烟污染物的危害
      烹饪过程排放的污染物主要是气、液、固三态混 合的油烟颗粒物和VOCs,其中油烟颗粒物包括液态和固态产物,粒径一般小于10μm,而PM2.5占到PM10的80%以上,是空气中PM2.5的重要排放源之一,与工业废气、机动车尾气共同被称作现代城市大气污染的“三大杀手”。气态污染物主要是VOCs,是指在常压下沸点低于260℃的各种有机化合物。VOCs的排放会使得大气0H自由基、O3和 二次有机气溶胶的生成,从而易导致光化学烟雾污染事件的发生。多个城市VOCs排放清单研究表明,餐饮源已成为城市大气环境中VOCs的重要来源之一。
另一方面,油烟颗粒物和VOCs中包含大量有毒有害物质,如重金属、醛酮类和PAHs(多环芳烃) 等,长期暴露在餐饮油烟浓度较高的环境中,会给人体健康造成严重危害,增加呼吸系统病发生率,甚至可能引起基因突变、DNA或染色体损伤等。而“煎炒炸”式中国烹饪方式 产生的大量油烟颗粒物和VOCs也是增加我国非吸烟女性患支气管炎概率、中年失眠人群数量的主要原因之一。为此,近年来北京、深圳、河南等多个地市相继出台了更为严格的餐饮油烟治理标准和技术规范,而国家生态环境部2019年新修订的《餐 饮业油烟污染物排放标准》中也新增设非甲烷总烃作为VOCs污染控制项目,与居民生活密切相关的餐饮油烟排放逐渐成为空气污染治理的重要部分。
 
2 餐饮油烟污染物净化技术
2.1 国外油烟净化技术
     在国外,尤其是西方国家饮食以生吃或加工成半成品为主,使其厨房油烟浓度较低,采用的净化方法主要是氧化焚烧法和催化氧化法。
2.1.1 氧化焚烧法
      氧化焚烧法是在氧化反应的热推进作用下,将颗粒物和VOCs燃烧转换成无害物质。常见的是直燃式燃烧炉技术,主要是将污染物和其他气体混合后通入炉内进行充分燃烧,实现颗粒物减排。但是该技术进行油烟净化时,需确保通入氧气量的充足性,促使燃烧过程热量充分利用。目前氧化焚烧法的应用范围较小,适合大型油炸食品加工厂和西餐店,对于烹饪方式多种多样的中餐厅并不适用,而该技术设备庞大、造价较高的缺点也 限制了其在中小型餐馆的应用。
2.1.2 催化氧化法
      催化氧化法是在相对较低的温度环境下( 200-400 °C)利用有自净化功能的催化剂催化油烟污染物发生氧化还原反应,生成对环境无害的CO2 和H2O。催化氧化法净化油烟气目前在国内尚处于实验室研究阶段,该技术的关键在于开发低温高活性、良好稳定性的优良催化剂,在油烟净化中应用较多的是非贵金属氧化物催化剂,包括简单金属氧化物、复合氧化物、钙钛矿型和尖晶石型等,与贵金属类相比,非贵金属催化剂价格较便宜、催化性能较好。在国外,此方法多用于大型工业或商业集中处理烟气,由于催化氧化能耗高、反应时间长,应用 于家用小型化烟机比较难,且目前只能去除VOCs, 难以去除大分子的颗粒物。
2.2 国内油烟净化技术
      在我国的饮食习惯中,烹饪方式主要包括煎、炒、烹、炸等,这也是我国餐厨产生的油烟浓度要比国外高的原因,而多样的烹调方法也使得我国油烟组分复杂、治理难度增加。 目前国内常见的油烟废气净化方法主要有机械分离法、高压静电法、过滤 法、液体洗涤法、光解氧化法、生物降解法、等离子体法、 复合法等。
2.2.1 机械分离法
      机械分离法是一种物理分离处理法,按照油烟 分离原理的不同又可分为重力分离法、惯性分离法、离心分离法。重力分离法即油烟颗粒在自身重力的作用下下沉,实现油烟净化的目的,如空气沉降器;惯性分离法常采用设置折板式、滤网式、蜂窝波纹式的滤油栅方法,通过改变气流方向,使油烟颗粒由于惯性与管道发生碰撞、黏附而从气流中分离;离心分离法是利用离心分离的原理净化油烟,常见的是旋风分离技术。
多数机械分离法设备都具有价格便宜、工艺流 程简单、耗电量小、阻力小的优点。但是机械分离的油烟净化设备实际应用于餐饮业的很少,主要原因是净化效率较低,只适用于去除10μm以上的油烟污染物,难以除去粒径较小的颗粒物,更无法去除VOCs。因此,此类的油烟机多用于家庭厨房油烟的排出,一般不适用于大型餐饮企业的废气净化。 
2.2.2 高压静电法
     高压静电法又叫静电沉积法,是在高压直流电作用下产生一个足以使气体电离的静电场,油烟气通过静电场后,油烟颗粒物被荷电,向极性相反的极 板运动,并吸附在极板上形成油烟微粒层,从而达到净化油烟的目的。该技术优点在于设备紧凑、安装灵活、占地面积小、对油烟的去除效率高、支撑多级串联等。高压静电净化技术出现较早但是发展较晚,由于其对于亚微米级颗粒物的油烟净化效果较好,其重要地位不言而喻,越来越多的油烟净化设备都结合了静电式油烟净化器,目前已占据较大的市场份额。
但是,静电式油烟净化设备集尘极板上沉积的油垢黏度较高,不易清洗,若用普通清洗剂清洗会产生二次污染,长期使用会在集尘极表面形成油膜层,使去除效率大幅下降。另外,高压静电法投资费用高、运行时耗电量大且不能去除VOCs,使其发展受到一定限制。
2.2.3 过滤法
      过滤法又分为普通过滤法和过滤吸附法,普通过滤法的原理是采用亲油性的高分子复合材料,如海绵、无纺布、纤维垫等多孔或球型材料等作为滤层,使油烟颗粒物在碰撞、拦截和扩散作用下被捕集于滤料中得到净化。影响普通过滤技术去除效 率主要因素有滤料孔隙大小、厚度、颗粒物粒径以及过滤风速等。过滤吸附法是使用活性炭或其他吸附剂同时实现油烟的气味控制,需与其他净化装置配合使用。
过滤法净化设备具有投资小、装置简单易装卸的优点,与机械式相比净化率略高,能达到80%-90%。但在实际应用中也存在一些问题,例如长期使用导致滤层阻力逐渐变大,引发风机的噪声加重;频繁更换或吸附材料,增加运维成本,且滤料的处理还可能造成二次污染; 部分滤料如活性碳、 纤维滤料具有可燃性,易引发火灾。
2.2.4 液体洗涤法
      液体洗涤法是目前市场上运用较多的一种湿式净化法,该技术主要是利用添加了表面活性剂、碱 液、乳化剂等改变油水混合性的洗涤液吸取油烟中的油性颗粒物和部分气态污染物,达到污染物从气相转移到液相的目的。同时通过在净化设备内设置隔板、流化床等方式增加气液接触面积和接触时间,以达到更好的净化效果。常见的有运水烟罩、洗涤塔等净化设备。
液体洗涤法对油烟颗粒物、VOCs均有一定的去除效果,对直径大于2μm的油烟颗粒去除效率 可达90%以上f而对直径小于1 (xm的油烟颗粒净化效果较差,在洗涤液中加入适当的化学试剂可以去除辣椒、胡椒等刺激性味道。该净化技术设备占地面积小、运行费用低、易于操作维护且无消防隐患;但是洗涤废液若不能较好解决,直接排入下水道容易产生二次污染,洗涤液的消耗也会增加运行费用。
2.2.5 光解氧化法
       紫外线是波长100-400nm的电磁辐射,其实质是电磁波。波长小于280nm的紫外线是深紫外光,代表波段主要有254、222、185、172 nm,不同波长的紫外线大小也不同,应用领域也不同。其中185nm主要应用于分解有机物,油烟光解氧化法就是利用发射该波长的专用紫外线灯,将油脂分子链切断,形成小的油脂分子,同时利用该紫外光与空气中氧气反应产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,对油烟异味也有一定的 去除效果。
目前光解氧化法的应用主要是在集气罩内安装紫外光净化设备和在排烟管道安装箱式紫外光解净化设备。该技术具有阻力小、处理风量大、工艺 流程短、使用时间长、不产生二次污染、操作简易等优点。但是,在实际运用中由于烟气污染物受紫外光照射处理时间很短,其不足以完全氧化分解VOCs为CO2和H20,特别是大分子VOCs。如果紫外光解净化设备前端安装机械式处理装置,预先截留较大油滴,则可以同时实现高效除油除味,且避免了管道油污问题,省去了烦琐的清洗过程。
2.2.6 生物降解法 
     生物降解法是目前污染治理领域研究的热点, 受到水、气、固废各类学者的青睐。该技术主要将一些已经过特殊驯化的微生物进行批量培养,然后以挂膜的型式置于填料塔中,利用微生物将油烟 中的有机物分解。
生物法降解法对油烟颗粒物和VOCs均有较高去除率,且在处理过程中能够得到充分利用,不需要过高的处理成本,还避免了二次污染的产生。但是该技术中微生物分解效果受温度和气体成分影响较大,温度过高过低、气体成分改变都影响去除效果,使该技术工作状态不稳定;另外,由于操作相对复杂,生物分解作用时间较长,降低净化工作效率,不能够满足处理要求。 因此该技术的应用推广还具有一定的局限性,尤其是在国内间歇性、暴发式排出的油烟后端应用生物降解法处理的难度很大,目前没有实际应用。
2.2.7 等离子体法
      常见的物质基本存在形式有3种,即固体、液体和气体,等离子体是这3种之外的第四种。 当对气体分子放电时,随着系统内能的增加,会使原子摆脱相互间的作用力,从而形成相互独立的个体,当大量分子或原子被电离后,就形成等离子体。因此,等离子体是由大量高能电子、离子、分子、中性原子、激发态原子、光子和自由基组成,总正负电荷数相等,宏观上保持电中性,但表现出很高的化学活性。
油烟废气中颗粒物和VOCs的主要成分是碳氢化合物,利用对含氧和水气体放电产生的等离子体,可以生成活性氧原子和羟基自由基,相比氧气分子来说,更容易氧化碳氢化合物。 杨忠连等利用低温等离子体( NTP) 复合改性过滤膜净化油烟废气,结果显示,在实验条件下,采用NTP复合过滤技术的油烟去除效率高于70%。姚鑫等进行了等离子体协同负载于蜂窝陶瓷上的Ce复合氧化物催化剂去除油烟中VOCs的实验,发现可以解决反应中间副产物问题,进一步提高VOCs去除率与CO2选择性。
等离子体技术由于净化效率高、装置简单、能耗低、抗干扰能力强等特点而受到广泛关注,已成为一种成熟的控制颗粒物和VOCs排放的技术。
 
 
2.2.8 复合法 
      复合法就是采用2种及2种以上技术原理组合成的油烟净化设备。由于餐饮油烟是多种污染物的混合,成分复杂,不同的净化方式去除的主要污染物和效率不同,单一净化技术难以实现多种污染物的同时高效去除,复合法净化技术将不同技术的优势进行互补,形成一个高效的控制系统。 常见的复合表1各种油式技术有机械式与静电式相结合、湿式与静电式相 结合、等离子体式与静电式等。去除油烟颗粒物使 用较多的是机械式和静电式复合净化设备,先通过机械式预处理,去除绝大多数油烟颗粒物,以减少后续处理的负荷,剩余组分大部分被静电法去除。新兴复合技术是先运用等离子体技术去除大部分VOCs、氧化部分颗粒物,再用静电沉积技术去除剩余的大部分颗粒物,实现油烟颗粒物和VOCs的高效净化。
表1对各种油烟净化技术参数进行对比,发现复合式的净化率相对较高,且能同时去除大分子颗粒物和小分子VOCs,但是设备组合起来复杂,清洗程序也多,占地面积大、噪音大、耗电多等问题亟待解决。
 
表 1 各种油烟净化技术参数对比
 
 
3 存在的主要问题
      目前困扰餐饮油烟治理领域的主要问题有2个:一是监管难,二是净化难。 由于技术、资金以及环境意识薄弱等原因,部分餐饮店并未安装油烟净化器,而已安装油烟净化器的部分餐饮店存在不定期清洗维护、擅自拆卸、停运设施的问题,油烟净化设施形同虚设;而家庭餐厨油烟治理则因责任主体 不清晰、运行维护难等实际问题而成为大气治理的盲点 。
虽然现在市场上的油烟净化装置种类繁多,但 普遍存在设备结构复杂、占地面积大、安装及运维成本高、后期运行效率低、操作维修要求高、二次污染等问题。 而且很多设备往往只注重颗粒物的去除,忽略了油烟VOCs的净化。
 
4 安科瑞AcrelCloud3500餐饮油烟监测云平台
     为了弥补现存餐饮行业在烟油监测上的漏洞,同时便利监管部门的监察,安科瑞油烟监测云平台应运而生。油烟监测模块通过2G/4G与云端平台进行通信和数据交互,系统能够对企业餐饮设备的开机状态、运行状态进行监控;实现开机率监测,净化效率监测,设施停运告警,待清洗告警,异常告警等功能;对采集数据进行统计分析、排名等统计功能;较之传统的静电监测方案,更具实效性。平台预留与其他应用系统、设备交互对接接口,具有很好的扩展性。
4.1 平台结构
      平台GIS地图采集餐饮油烟处理设备运行状态和油烟排放的浓度数据,自动对超标排放及异常企业进行提示预警,监管部门可迅速进行处理,督促餐饮企业整改设备,并定期清洗、维护,实现减排环保,不扰民等目的。现场安装监测终端,持续监测油烟净化器的工作状态,包括设备运行的电流、电压、功率、耗电量等等,同时结合排烟口的挥发性物质、颗粒物浓度等进行对比分析,一旦排放超标,系统会发出异常信号。
 
■ 油烟监测设备用来监测油烟、颗粒物、NmHc等数据
■ 净化器和风机配合对油烟进行净化处理,同时对净化设备的电流、电压进行监测 
■ 设备通过4G网络将采集的数据上传至远程云端服务器
4.2 平台主要功能
   (1)在线监测
     对油烟排污数据的监测,包括油烟排放浓度,颗粒物,NmHc等数值采集监测;同时对监控风机和净化器的启停状态、运行数据进行监测。
 
 
(2)告警数据监测
     系统根据采集的油烟数值大小,产生对应的排放超标告警;对净化器的运行数据分析,上传净化设备对应的运行、停机、故障等告警事件。
(3)数据分析
     运行时长分析,离线分析;告警占比、排名分析;历史数据统计等。
 
 
 
(4)隐患管理
     系统对采集的告警数据分析,产生对应的隐患记录,派发、处理隐患,及时处理告警,形成闭环。
 
 
 
(5)统计分析
     包括时长分析、超标分析、历史数据、分析报告等模块。
 
 
 
(6)基础数据维护
     个人信息、权限维护,企业信息录入,对应测点信息录入等。
(7)数据服务
     数据采集,短信提醒,数据存储和解析。
4.3 油烟监测主机
     油烟监控主机是现场的管理设备,实时采集油烟浓度探测器和工况传感器的信号,进行数据处理,通过有线或无线网络通讯将数据传输到服务器平台。同时,对本地数据进行存储,监控现场设备状态,提供人机操作界面。
 
 
 
 
 具体技术参数如下:
 
 
 
4.4 设备选型方案
 
 
注:双探头适合双排烟通道的场合,每路探头监测1路排烟通道。
 
5 结束语
     (1)餐饮油烟的净化技术类型较多且基本成熟,但是应针对不同餐饮类型根据其排放特征和经济条件,开发适用的净化技术及设备。如对于烧烤等含碳颗粒物的烟气净化,建议开发针对碳颗粒物的净化技术及设备。
     (2)现有的污染物去除技术主要针对油烟颗粒物,缺乏适用于餐饮的VOCs净化技术及设备,而目前工业用途的RCO、RTO等净化设备的购置和使用费用过于昂贵,不适用于餐饮业,应尽快开发适用于餐饮业的低成本VOCs净化技术及设备。
     (3)餐饮油烟颗粒物及VOCs净化技术的研发应充分考虑建设及使用成本,减少维护或免维护,避免油烟净化产生二次污染,设备可以长期稳定高效运行,同时做到设备噪音零污染、使用方便、占地面积小、能源消耗少。
     (4)为了解决“监管难”的问题,需要加强油烟 在线监测及网络平台的建设,实现餐饮油烟的在线监管,减少人力、实现油烟净化。
     综上所述,未来餐饮油烟净化将趋向于建设净化与监管的系统化解决方案,即需要兼具除VOCs、净化油烟颗粒物、自动清洗(或免清洗)、在线监测、网络监管为一体的综合系统,解决油烟污染问题。
 
【参考文献】
[1]黄滨辉,司传海,王玉红,等.我国餐饮业的油烟污染与净化技术[J].中国环保产业,2018,246(12):39-41.
[2]褚艳玲,班远冲,田翠翠,等.深圳中心城区餐饮油烟污染贡献率分析及其控制对策[A] .海口:中国环境科学学会2016年学术年会,2016:746-750.
[3] 张洋,支国瑞,薛志钢,等.餐饮行业活动水平调查及大气污染物排放清单编制研究[J].环境科学研究,2019,32(6):929-937.
[4]张欢欢,杨海健 ,王深冬,张云鹏,李丹,张长森.餐饮油烟污染物净化技术研究进展[J].现代化工.2020.
[5]安科瑞AcrelCloud-3500餐饮油烟监测云平台.2020.05版.
 
编辑概况
陈盼,女,本科。任职单位:现任职于安科瑞电气股份有限企业,联系电话:021-69156059,
手机:18702112032,QQ:2880956079  企业网址:http://www.acrel-dyh.cn/

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