餐飲油煙凈化技術中紫外光解和高壓靜電產生臭氧的實證研究

楊超，林子吟，鄔堅平，張鋼鋒，何校初

上海市環境科學研究院

近年來，隨著國民消費水平不斷提高，餐飲行業發展持續保持平穩的增長態勢，根據國家統計局公布的《國民經濟和社會發展統計公報》，2019 年餐飲收入額達46 721 億元，同比增長9.4%，占全年社會消費品零售總額的11.3%，餐飲行業成為拉動國內消費市場的重要力量[1]。餐飲行業高速發展的背后，商居矛盾、異味投訴等一系列餐飲油煙污染問題日益凸顯，2018 年上海市油煙污染信訪投訴在大氣污染信訪投訴中占比高達36%[2]，相對密集的中心城區投訴數量比郊區更多，餐飲油煙已成為繼工業排放和機動車尾氣排放之后的重要大氣污染源[3]，餐飲油煙污染高效凈化與有效管理值得關注與深思。

餐飲油煙污染實質是指食物在高溫烹飪加工過程中揮發的油脂、有機物以及熱氧化和裂解產生的固、液、氣三相混合物[4]，其主要成分是烴類、脂類、醇類和芳香、雜環化合物[5-6]。餐飲油煙產生的異味嚴重影響居民的舒適感，同時會引發呼吸道疾病，損害人體健康[7-8]，而油煙溫度降低后又會凝結成細顆粒物排放至環境中[9]，影響大氣環境質量[10-11]。目前餐飲企業在治理餐飲油煙方面選用的凈化設施類型較多，有安裝在廚房煙罩內的初級油煙凈化設施，如機械過濾器、旋網過濾器、紫外光解燈以及運水煙罩等。有安裝在排風出口處的二級油煙凈化設施，如高壓靜電凈化器、洗滌噴淋塔、活性炭吸附凈化器和紫外光解凈化器等。

基于初級、二級油煙凈化設施原理及類型，廚房煙罩安裝紫外光解搭配排口高壓靜電成為綜合治理油煙的推薦性組合技術，根據中國環境保護產業協會的統計，紫外光解+高壓靜電的復合式產品在油煙凈化市場上占據主導地位，2017 年和2018 年占比分別為65%和72%[12]。紫外光解的原理是其內部安裝的紫外線燈產生特定波長的紫外線光束，通過光化學反應，對油煙顆粒物進行高能斷鍵，改變油煙的分子鏈結構，從高分子有機化合物逐漸降解為低分子鏈有機化合物，紫外光解一般使用汞燈作為紫外輻射光源，波長主要為185、254 和365 nm 3 種[13]；高壓靜電的原理是將進入高壓靜電場的油煙顆粒進行荷電，帶電顆粒進入后端收集區后，在電場力的作用下吸附在電極板上，從而達到凈化油煙的目的[14]。但是，紫外光解中的紫外線光與空氣中的氧氣反應會產生臭氧[15]，高壓靜電在電場放電過程中也會產生臭氧[16-17]，甚至隨著電場強度的升高，平級電板產生的臭氧量逐漸增大[18]。

近年來，我國環境空氣質量明顯改善，重污染天氣發生頻次顯著減少，但在分析全國各城市超標天數的首要污染物占比時發現，臭氧占比41.7%，僅低于PM2.5；且在PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 污染物濃度持平或降低的同時，臭氧濃度卻同比上升6.5%[19-20]。臭氧已成為影響我國環境空氣質量的重要污染物[21-22]。環保治理設施所帶來的臭氧二次污染問題逐漸引起關注，在餐飲油煙污染治理領域，紫外光解與高壓靜電的臭氧產生情況值得分析與探究[23-24]。

筆者通過對實際應用場景中紫外光解和高壓靜電不同開關組合情況下產生的臭氧濃度進行實測，分析不同餐飲油煙治理技術及組合下的臭氧產生情況，以期為油煙治理過程中如何有效減少臭氧二次污染提供思路。

1 材料與方法

1.1 測試儀器

臭氧濃度選用美國2B 公司生產的Model205 臭氧分析儀測定。該儀器采用254 nm 雙光束紫外光度法，同時測量光強度I0（臭氧被凈化的空氣）和I（臭氧沒有凈化的空氣），再根據朗伯-比爾定律公式計算出臭氧濃度。該儀器的測試原理與HJ 590—2010《環境空氣 臭氧的測定 紫外光度法》[25]一致。儀器可分析量程為2 μg/m3～200 mg/m3，分辨率為0.2 μg/m3，測量間隔為2 s，采樣流量為1.8 L/min。

1.2 測試場所

實際應用場景為某單位食堂油煙排放現場，該單位食堂廚房共有4 個灶頭及2 個蒸箱，灶頭及蒸箱上方安裝帶有新風腔體、紫外線燈以及自動清洗功能的集成煙罩，后端配有高壓靜電凈化器，試驗系統如圖1 所示。

圖1 試驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

測試對象為集成煙罩中的紫外線燈和高壓靜電凈化器。該食堂每天供應早餐、午餐和晚餐，食堂烹飪時同步開啟凈化器，每天凈化器運行時長約4 h，按照平均每月20 d 工作日計算，測試時該集成煙罩已運行約240 h。運維單位每季度對紫外線燈的照明狀態、輸出功率以及高壓靜電凈化器的靜電極板、輸出電壓作油煙清洗、設備維護和機械保養，測試時紫外線燈和高壓靜電處正常狀態。

1.3 配置參數

測試對象集成煙罩中共有14 根紫外線燈，產生波長為185～280 nm 的紫外射線，紫外線燈的詳細參數見表1。14 根紫外線燈總功率為1 050 W，額定處理風量為10 000 m3/h。

表1 紫外線燈參數Table 1 Parameters of ultraviolet lamps

高壓靜電尺寸為2 340 mm×1 956 mm×859 mm（長×寬×高），額定處理風量為20 000 m3/h，設備本體漏風率為3.9%，詳細參數見表2。

表2 高壓靜電參數Table 2 High-voltage electrostatic parameters

1.4 測試方案

測試點位選擇在凈化設施后（圖1）。采用在線連續測量，儀器進樣管采用聚四氟乙烯材質，管路長度約60 cm，進樣管一端連接儀器，另一端放置在排風煙道中間位置。通過紫外線燈和高壓靜電不同開關的組合方式，將測試方案分為A、B、C、D 共4 組：A 組為雙開組，同時開啟紫外線燈和高壓靜電；B 組和C 組為單開組，分別僅開啟高壓靜電和紫外線燈；D 組為空白組，同時關閉紫外線燈和高壓靜電（表3）。為了解紫外線燈不同數量開啟狀態下的臭氧產生情況，在開啟14 根與10 根紫外線燈的狀態下，分別實施A、B、C、D 與A1、B1、C1、D14 組測試方案。測試時間段選擇在烹飪高峰期（09：00—11：00），每組測試時長為10 min。

表3 測試方案Table 3 Test scenarios

1.5 烹飪狀態記錄

測試過程中，安排1 名試驗記錄者，對廚房烹飪及菜品動態進行實時記錄，包括菜品下鍋、翻炒、起鍋和蒸箱開關等時間記錄，為后續分析臭氧濃度起伏波動提供工況參照依據。

2 數據與分析

2.1 紫外線燈和高壓靜電雙開或雙關時的臭氧濃度

廚房烹飪工作時，同時開啟紫外線燈和高壓靜電，A 組臭氧濃度為668.8～1 414.1 μg/m3（剔除極低濃度段），A1組臭氧濃度為538.7～1 374.0 μg/m3（圖2）。

圖2 紫外線燈和高壓靜電雙開時的臭氧濃度Fig.2 Ozone concentration with operation of both UV lamps and high-voltage static electricity

廚房停止烹飪時，同時關閉紫外線燈和高壓靜電，D 組臭氧濃度為25.1～96.9 μg/m3，D1組臭氧濃度為39.0～62.1 μg/m3（圖3）。

圖3 紫外線燈和高壓靜電雙關時的臭氧濃度Fig.3 Ozone concentration with both UV lamps and high-voltage static electricity turned off

用箱形圖反映臭氧濃度分散情況，結果見圖4。從圖4 可以看出，A 組臭氧濃度主要分布在1 076.4～1 243.4 μg/m3，中位數為1 215.3 μg/m3；D 組臭氧濃度主要分布在34.1～57.9 μg/m3，中位數為44.8 μg/m3。A 組中位數比D 組高96.31%。A1組臭氧濃度主要分布在717.5～962.6 μg/m3，中位數為855.8 μg/m3；D1組臭氧濃度主要分布在46.5～52.0 μg/m3，中位數為49.1 μg/m3。A1組中位數比D1組高94.26%。此外，A 組中位數比A1組高29.58%。

圖4 紫外線燈和高壓靜電雙開和雙關情況下臭氧濃度對比Fig.4 Comparison of ozone concentration between double-on and double-off conditions of UV lamp and high-voltage static electricity

2.2 高壓靜電單獨開啟時的臭氧濃度

廚房烹飪工作時，單獨開啟高壓靜電，B 組臭氧濃度為34.9～73.6 μg/m3，B1組臭氧濃度為23.8～184.3 μg/m3（圖5）。

圖5 高壓靜電單獨開啟時的臭氧濃度Fig.5 Ozone concentration with high-voltage static electricity operating alone

用箱形圖反映臭氧濃度分散情況，結果見圖6。

圖6 高壓靜電單獨開啟和雙關情況下臭氧濃度對比Fig.6 Comparison of ozone concentration between high-voltage static electricity turned on alone and double turned off

從圖6 可以看出，B 組臭氧濃度主要分布在50.3～61.1 μg/m3，中位數為55.8 μg/m3。B 組中位數比D 組高19.71%。B1組臭氧濃度主要分布在46.1～70.4 μg/m3，中位數為49.8 μg/m3。B1組中位數比D1組高1.41%。此外，B 組中位數比B1組高10.75%。

2.3 紫外線燈單獨開啟時的臭氧濃度

廚房烹飪工作時，單獨開啟紫外線燈，C 組開啟14 根紫外線燈的臭氧濃度為557.4～1 296.2 μg/m3，C1組開啟10 根紫外線燈的臭氧濃度為145.7～848.4 μg/m3（圖7）。

圖7 紫外線燈單獨開啟臭氧濃度Fig.7 Ozone concentration with UV lamps operating alone

用箱形圖顯示臭氧濃度分散情況，結果見圖8。從圖8 可以看出，C 組臭氧濃度主要分布在617.4～740.1 μg/m3，中位數為653.3 μg/m3；C1組臭氧濃度主要分布在469.2～636.2 μg/m3，中位數為543.2 μg/m3。C 組中位數比C1組高16.85%。

圖8 14 根和10 根紫外線燈單獨開啟時的臭氧濃度對比Fig.8 Comparison of ozone concentration between 14 and 10 UV lamps operating separately

2.4 高壓靜電和紫外線燈單獨開啟時的臭氧濃度對比

根據圖6 和圖8 可知，C 組紫外線燈單開臭氧濃度中位數比B 組高壓靜電單開高91.46%。C1組紫外線燈單開臭氧濃度中位數比B1高壓靜電單開高90.83%。

參照《上海市餐飲油煙污染控制技術規范（試行）》[26]附錄A 中各類型油煙凈化設施的性能參數，對紫外線燈和高壓靜電額定風量2 000 m3/h 的臭氧濃度進行折算。以B 組和C 組為例，高壓靜電產生的臭氧濃度均值為5.6 μg/m3，紫外線燈產生的臭氧濃度均值為146.9 μg/m3，紫外線燈產生的臭氧濃度比高壓靜電高96.19%。

2.5 烹飪狀態與臭氧濃度的相關性

根據每組臭氧濃度起伏波動情況，對照廚房烹飪工況記錄發現：A 組中09:22—09:23 臭氧濃度下降，該時間段內蒸箱打開，大量水蒸氣排出；A1組中09:41—09:46 臭氧濃度下降，該時間段烹飪菠蘿咕咾肉，烹飪過程以煎炸為主；B1組中10:00—10:04 臭氧濃度上升，該時間段烹飪毛豆冬瓜，烹飪過程以溫燉為主；C1組中10:30—10:34 臭氧濃度下降，該時間段烹飪豌豆炒蛋，烹飪過程以煎炒為主。推測是由于爆炒、煎炸等烹飪作業中產生的油煙較多，消耗了大部分臭氧，而蒸煮、煨燉等烹飪作業中產生的油煙較少，從而造成未消耗的過量臭氧的殘留。

3 結論與展望

（1）煙罩紫外線燈與末端高壓靜電同時開啟的組合方式下，會產生一定的臭氧。高壓靜電荷電器直流工作電壓為12 kV，紫外線燈功率為1 050 W時，產生的臭氧濃度為668.8～1 414.1 μg/m3。

（2）煙罩紫外線燈與末端高壓靜電均關閉情況下，測得臭氧濃度為39.0～62.1 μg/m3。高壓靜電單開時，產生的臭氧濃度為23.8～184.3 μg/m3，高壓靜電單獨使用僅比同時關閉高出1.41%。由于試驗過程配合廚房烹飪工序，測試時間為緊接關閉后的10 min，未停留足夠的吹掃時間，推測測試的臭氧濃度受紫外線燈（C 組）關閉后煙道內殘留的臭氧影響。

（3）煙罩紫外線燈與末端高壓靜電單獨使用時均會產生臭氧。本實測案例中，高壓靜電荷電器直流工作電壓為12 kV 時，產生的臭氧濃度為23.8～184.3 μg/m3；紫外線燈功率為1 050 W 時，產生的臭氧濃度為557.4～1 296.2 μg/m3。

（4）經折算，額定風量為2 000 m3/h 時，對應紫外線燈與高壓靜電產生的臭氧濃度均值分別為146.9和5.6 μg/m3，紫外線燈產生的臭氧濃度比高壓靜電高96%以上。

（5）相同參數的紫外線燈使用數量越多，其產生的臭氧濃度就越高。單獨開啟14 根紫外線燈的臭氧濃度為557.4～1 296.2 μg/m3，單獨開啟10 根紫外線燈的臭氧濃度為145.7～848.4 μg/m3，14 根紫外線燈產生的臭氧濃度中位數比10 根紫外線燈高16%以上。在紫外線燈和高壓靜電同時開啟時，14 根紫外線燈產生的臭氧濃度中位數比10 根紫外線燈高29%以上。但考慮由于基于實際烹飪條件，每組測試時的菜品不同，對應的臭氧濃度也會有所差異。

（6）臭氧濃度的波動與烹飪工況有一定的相關性。在爆炒和煎炸烹飪過程，臭氧濃度會呈下降趨勢，在蒸煮和煨燉烹飪過程，臭氧濃度會呈上升趨勢。在廚房油煙凈化設備的方案選型中，應結合烹飪菜系、灶頭規模、設計風量、其他凈化設備等情況綜合考慮，選擇適當的紫外線燈功率，或采用智能控制手段，依據不同烹飪狀態自動調節紫外線燈開啟數量，以達到減少臭氧二次污染的目的。

由于本研究的結論基于真實的烹飪條件，非標準油煙發生的試驗臺架，不具有普遍代表性，且不同的烹飪工況與菜品均會對測試結果產生一定的影響。在進一步的研究中，可以從以下幾方面持續深入研究。

（1）利用標準油煙發生的試驗臺架，通過對不同品牌、不同構造的紫外光解與高壓靜電產生的臭氧濃度進行測試，分析臭氧污染物的排放水平。

（2）基于標準油煙發生的實驗臺架，研究不同性能參數的紫外線燈和高壓靜電對臭氧產生的影響，包括紫外線波長、燈管管徑、燈管長度和紫外線燈安裝位置（煙罩內或高壓靜電后端），高壓靜電的電流電壓、極板間距和收集器長度等，便于通過控制關鍵參數，達到控制臭氧產生的目的。

（3）利用臭氧具有氧化性的特點，可考慮研究與常溫催化氧化技術相結合，去除油煙中非甲烷總烴類污染物的同時，解決臭氧產生的二次污染問題。