餐饮油烟净化技术中紫外光解和高压静电产生臭氧的实证研究

杨超，林子吟，邬坚平，张钢锋，何校初

上海市环境科学研究院

近年来，随着国民消费水平不断提高，餐饮行业发展持续保持平稳的增长态势，根据国家统计局公布的《国民经济和社会发展统计公报》，2019 年餐饮收入额达46 721 亿元，同比增长9.4%，占全年社会消费品零售总额的11.3%，餐饮行业成为拉动国内消费市场的重要力量[1]。餐饮行业高速发展的背后，商居矛盾、异味投诉等一系列餐饮油烟污染问题日益凸显，2018 年上海市油烟污染信访投诉在大气污染信访投诉中占比高达36%[2]，相对密集的中心城区投诉数量比郊区更多，餐饮油烟已成为继工业排放和机动车尾气排放之后的重要大气污染源[3]，餐饮油烟污染高效净化与有效管理值得关注与深思。

餐饮油烟污染实质是指食物在高温烹饪加工过程中挥发的油脂、有机物以及热氧化和裂解产生的固、液、气三相混合物[4]，其主要成分是烃类、脂类、醇类和芳香、杂环化合物[5-6]。餐饮油烟产生的异味严重影响居民的舒适感，同时会引发呼吸道疾病，损害人体健康[7-8]，而油烟温度降低后又会凝结成细颗粒物排放至环境中[9]，影响大气环境质量[10-11]。目前餐饮企业在治理餐饮油烟方面选用的净化设施类型较多，有安装在厨房烟罩内的初级油烟净化设施，如机械过滤器、旋网过滤器、紫外光解灯以及运水烟罩等。有安装在排风出口处的二级油烟净化设施，如高压静电净化器、洗涤喷淋塔、活性炭吸附净化器和紫外光解净化器等。

基于初级、二级油烟净化设施原理及类型，厨房烟罩安装紫外光解搭配排口高压静电成为综合治理油烟的推荐性组合技术，根据中国环境保护产业协会的统计，紫外光解+高压静电的复合式产品在油烟净化市场上占据主导地位，2017 年和2018 年占比分别为65%和72%[12]。紫外光解的原理是其内部安装的紫外线灯产生特定波长的紫外线光束，通过光化学反应，对油烟颗粒物进行高能断键，改变油烟的分子链结构，从高分子有机化合物逐渐降解为低分子链有机化合物，紫外光解一般使用汞灯作为紫外辐射光源，波长主要为185、254 和365 nm 3 种[13]；高压静电的原理是将进入高压静电场的油烟颗粒进行荷电，带电颗粒进入后端收集区后，在电场力的作用下吸附在电极板上，从而达到净化油烟的目的[14]。但是，紫外光解中的紫外线光与空气中的氧气反应会产生臭氧[15]，高压静电在电场放电过程中也会产生臭氧[16-17]，甚至随着电场强度的升高，平级电板产生的臭氧量逐渐增大[18]。

近年来，我国环境空气质量明显改善，重污染天气发生频次显著减少，但在分析全国各城市超标天数的首要污染物占比时发现，臭氧占比41.7%，仅低于PM2.5；且在PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO 污染物浓度持平或降低的同时，臭氧浓度却同比上升6.5%[19-20]。臭氧已成为影响我国环境空气质量的重要污染物[21-22]。环保治理设施所带来的臭氧二次污染问题逐渐引起关注，在餐饮油烟污染治理领域，紫外光解与高压静电的臭氧产生情况值得分析与探究[23-24]。

笔者通过对实际应用场景中紫外光解和高压静电不同开关组合情况下产生的臭氧浓度进行实测，分析不同餐饮油烟治理技术及组合下的臭氧产生情况，以期为油烟治理过程中如何有效减少臭氧二次污染提供思路。

1 材料与方法

1.1 测试仪器

臭氧浓度选用美国2B 公司生产的Model205 臭氧分析仪测定。该仪器采用254 nm 双光束紫外光度法，同时测量光强度I0（臭氧被净化的空气）和I（臭氧没有净化的空气），再根据朗伯-比尔定律公式计算出臭氧浓度。该仪器的测试原理与HJ 590—2010《环境空气 臭氧的测定 紫外光度法》[25]一致。仪器可分析量程为2 µg/m3～200 mg/m3，分辨率为0.2 µg/m3，测量间隔为2 s，采样流量为1.8 L/min。

1.2 测试场所

实际应用场景为某单位食堂油烟排放现场，该单位食堂厨房共有4 个灶头及2 个蒸箱，灶头及蒸箱上方安装带有新风腔体、紫外线灯以及自动清洗功能的集成烟罩，后端配有高压静电净化器，试验系统如图1 所示。

图1 试验系统示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

测试对象为集成烟罩中的紫外线灯和高压静电净化器。该食堂每天供应早餐、午餐和晚餐，食堂烹饪时同步开启净化器，每天净化器运行时长约4 h，按照平均每月20 d 工作日计算，测试时该集成烟罩已运行约240 h。运维单位每季度对紫外线灯的照明状态、输出功率以及高压静电净化器的静电极板、输出电压作油烟清洗、设备维护和机械保养，测试时紫外线灯和高压静电处正常状态。

1.3 配置参数

测试对象集成烟罩中共有14 根紫外线灯，产生波长为185～280 nm 的紫外射线，紫外线灯的详细参数见表1。14 根紫外线灯总功率为1 050 W，额定处理风量为10 000 m3/h。

表1 紫外线灯参数Table 1 Parameters of ultraviolet lamps

高压静电尺寸为2 340 mm×1 956 mm×859 mm（长×宽×高），额定处理风量为20 000 m3/h，设备本体漏风率为3.9%，详细参数见表2。

表2 高压静电参数Table 2 High-voltage electrostatic parameters

1.4 测试方案

测试点位选择在净化设施后（图1）。采用在线连续测量，仪器进样管采用聚四氟乙烯材质，管路长度约60 cm，进样管一端连接仪器，另一端放置在排风烟道中间位置。通过紫外线灯和高压静电不同开关的组合方式，将测试方案分为A、B、C、D 共4 组：A 组为双开组，同时开启紫外线灯和高压静电；B 组和C 组为单开组，分别仅开启高压静电和紫外线灯；D 组为空白组，同时关闭紫外线灯和高压静电（表3）。为了解紫外线灯不同数量开启状态下的臭氧产生情况，在开启14 根与10 根紫外线灯的状态下，分别实施A、B、C、D 与A1、B1、C1、D14 组测试方案。测试时间段选择在烹饪高峰期（09：00—11：00），每组测试时长为10 min。

表3 测试方案Table 3 Test scenarios

1.5 烹饪状态记录

测试过程中，安排1 名试验记录者，对厨房烹饪及菜品动态进行实时记录，包括菜品下锅、翻炒、起锅和蒸箱开关等时间记录，为后续分析臭氧浓度起伏波动提供工况参照依据。

2 数据与分析

2.1 紫外线灯和高压静电双开或双关时的臭氧浓度

厨房烹饪工作时，同时开启紫外线灯和高压静电，A 组臭氧浓度为668.8～1 414.1 µg/m3（剔除极低浓度段），A1组臭氧浓度为538.7～1 374.0 µg/m3（图2）。

图2 紫外线灯和高压静电双开时的臭氧浓度Fig.2 Ozone concentration with operation of both UV lamps and high-voltage static electricity

厨房停止烹饪时，同时关闭紫外线灯和高压静电，D 组臭氧浓度为25.1～96.9 µg/m3，D1组臭氧浓度为39.0～62.1 µg/m3（图3）。

图3 紫外线灯和高压静电双关时的臭氧浓度Fig.3 Ozone concentration with both UV lamps and high-voltage static electricity turned off

用箱形图反映臭氧浓度分散情况，结果见图4。从图4 可以看出，A 组臭氧浓度主要分布在1 076.4～1 243.4 µg/m3，中位数为1 215.3 µg/m3；D 组臭氧浓度主要分布在34.1～57.9 µg/m3，中位数为44.8 µg/m3。A 组中位数比D 组高96.31%。A1组臭氧浓度主要分布在717.5～962.6 µg/m3，中位数为855.8 µg/m3；D1组臭氧浓度主要分布在46.5～52.0 µg/m3，中位数为49.1 µg/m3。A1组中位数比D1组高94.26%。此外，A 组中位数比A1组高29.58%。

图4 紫外线灯和高压静电双开和双关情况下臭氧浓度对比Fig.4 Comparison of ozone concentration between double-on and double-off conditions of UV lamp and high-voltage static electricity

2.2 高压静电单独开启时的臭氧浓度

厨房烹饪工作时，单独开启高压静电，B 组臭氧浓度为34.9～73.6 µg/m3，B1组臭氧浓度为23.8～184.3 µg/m3（图5）。

图5 高压静电单独开启时的臭氧浓度Fig.5 Ozone concentration with high-voltage static electricity operating alone

用箱形图反映臭氧浓度分散情况，结果见图6。

图6 高压静电单独开启和双关情况下臭氧浓度对比Fig.6 Comparison of ozone concentration between high-voltage static electricity turned on alone and double turned off

从图6 可以看出，B 组臭氧浓度主要分布在50.3～61.1 µg/m3，中位数为55.8 µg/m3。B 组中位数比D 组高19.71%。B1组臭氧浓度主要分布在46.1～70.4 µg/m3，中位数为49.8 µg/m3。B1组中位数比D1组高1.41%。此外，B 组中位数比B1组高10.75%。

2.3 紫外线灯单独开启时的臭氧浓度

厨房烹饪工作时，单独开启紫外线灯，C 组开启14 根紫外线灯的臭氧浓度为557.4～1 296.2 µg/m3，C1组开启10 根紫外线灯的臭氧浓度为145.7～848.4 µg/m3（图7）。

图7 紫外线灯单独开启臭氧浓度Fig.7 Ozone concentration with UV lamps operating alone

用箱形图显示臭氧浓度分散情况，结果见图8。从图8 可以看出，C 组臭氧浓度主要分布在617.4～740.1 µg/m3，中位数为653.3 µg/m3；C1组臭氧浓度主要分布在469.2～636.2 µg/m3，中位数为543.2 µg/m3。C 组中位数比C1组高16.85%。

图8 14 根和10 根紫外线灯单独开启时的臭氧浓度对比Fig.8 Comparison of ozone concentration between 14 and 10 UV lamps operating separately

2.4 高压静电和紫外线灯单独开启时的臭氧浓度对比

根据图6 和图8 可知，C 组紫外线灯单开臭氧浓度中位数比B 组高压静电单开高91.46%。C1组紫外线灯单开臭氧浓度中位数比B1高压静电单开高90.83%。

参照《上海市餐饮油烟污染控制技术规范（试行）》[26]附录A 中各类型油烟净化设施的性能参数，对紫外线灯和高压静电额定风量2 000 m3/h 的臭氧浓度进行折算。以B 组和C 组为例，高压静电产生的臭氧浓度均值为5.6 µg/m3，紫外线灯产生的臭氧浓度均值为146.9 µg/m3，紫外线灯产生的臭氧浓度比高压静电高96.19%。

2.5 烹饪状态与臭氧浓度的相关性

根据每组臭氧浓度起伏波动情况，对照厨房烹饪工况记录发现：A 组中09:22—09:23 臭氧浓度下降，该时间段内蒸箱打开，大量水蒸气排出；A1组中09:41—09:46 臭氧浓度下降，该时间段烹饪菠萝咕咾肉，烹饪过程以煎炸为主；B1组中10:00—10:04 臭氧浓度上升，该时间段烹饪毛豆冬瓜，烹饪过程以温炖为主；C1组中10:30—10:34 臭氧浓度下降，该时间段烹饪豌豆炒蛋，烹饪过程以煎炒为主。推测是由于爆炒、煎炸等烹饪作业中产生的油烟较多，消耗了大部分臭氧，而蒸煮、煨炖等烹饪作业中产生的油烟较少，从而造成未消耗的过量臭氧的残留。

3 结论与展望

（1）烟罩紫外线灯与末端高压静电同时开启的组合方式下，会产生一定的臭氧。高压静电荷电器直流工作电压为12 kV，紫外线灯功率为1 050 W时，产生的臭氧浓度为668.8～1 414.1 µg/m3。

（2）烟罩紫外线灯与末端高压静电均关闭情况下，测得臭氧浓度为39.0～62.1 µg/m3。高压静电单开时，产生的臭氧浓度为23.8～184.3 µg/m3，高压静电单独使用仅比同时关闭高出1.41%。由于试验过程配合厨房烹饪工序，测试时间为紧接关闭后的10 min，未停留足够的吹扫时间，推测测试的臭氧浓度受紫外线灯（C 组）关闭后烟道内残留的臭氧影响。

（3）烟罩紫外线灯与末端高压静电单独使用时均会产生臭氧。本实测案例中，高压静电荷电器直流工作电压为12 kV 时，产生的臭氧浓度为23.8～184.3 µg/m3；紫外线灯功率为1 050 W 时，产生的臭氧浓度为557.4～1 296.2 µg/m3。

（4）经折算，额定风量为2 000 m3/h 时，对应紫外线灯与高压静电产生的臭氧浓度均值分别为146.9和5.6 µg/m3，紫外线灯产生的臭氧浓度比高压静电高96%以上。

（5）相同参数的紫外线灯使用数量越多，其产生的臭氧浓度就越高。单独开启14 根紫外线灯的臭氧浓度为557.4～1 296.2 µg/m3，单独开启10 根紫外线灯的臭氧浓度为145.7～848.4 µg/m3，14 根紫外线灯产生的臭氧浓度中位数比10 根紫外线灯高16%以上。在紫外线灯和高压静电同时开启时，14 根紫外线灯产生的臭氧浓度中位数比10 根紫外线灯高29%以上。但考虑由于基于实际烹饪条件，每组测试时的菜品不同，对应的臭氧浓度也会有所差异。

（6）臭氧浓度的波动与烹饪工况有一定的相关性。在爆炒和煎炸烹饪过程，臭氧浓度会呈下降趋势，在蒸煮和煨炖烹饪过程，臭氧浓度会呈上升趋势。在厨房油烟净化设备的方案选型中，应结合烹饪菜系、灶头规模、设计风量、其他净化设备等情况综合考虑，选择适当的紫外线灯功率，或采用智能控制手段，依据不同烹饪状态自动调节紫外线灯开启数量，以达到减少臭氧二次污染的目的。

由于本研究的结论基于真实的烹饪条件，非标准油烟发生的试验台架，不具有普遍代表性，且不同的烹饪工况与菜品均会对测试结果产生一定的影响。在进一步的研究中，可以从以下几方面持续深入研究。

（1）利用标准油烟发生的试验台架，通过对不同品牌、不同构造的紫外光解与高压静电产生的臭氧浓度进行测试，分析臭氧污染物的排放水平。

（2）基于标准油烟发生的实验台架，研究不同性能参数的紫外线灯和高压静电对臭氧产生的影响，包括紫外线波长、灯管管径、灯管长度和紫外线灯安装位置（烟罩内或高压静电后端），高压静电的电流电压、极板间距和收集器长度等，便于通过控制关键参数，达到控制臭氧产生的目的。

（3）利用臭氧具有氧化性的特点，可考虑研究与常温催化氧化技术相结合，去除油烟中非甲烷总烃类污染物的同时，解决臭氧产生的二次污染问题。