張云鵬 張歡歡,2 楊海健,2 王深冬

(1. 河南博聯(lián)慧綠科技集團有限公司 鄭州 450046；2. 河南藍眼環(huán)境科學研究院有限公司 鄭州 450046)

0 引言

以“炒”為主的中式烹飪是餐飲油煙產(chǎn)生的主要來源方式[1]。隨著經(jīng)濟水平的提高，餐飲行業(yè)的迅速增長，大眾化餐飲占全國餐飲市場的比重提高到85%以上[2]；另一方面，由于城市人口數(shù)量激增，多層住宅和高層住宅逐漸成為城市住宅的主要形式，居民廚房的油煙排放也由分散式向集中式轉(zhuǎn)變，使得單位地域廚房的烹飪油煙成為一項不得忽略的大氣污染物排放源[3-4]。

1 油煙污染特征及現(xiàn)狀

食物烹飪加工過程中揮發(fā)的油脂、有機質(zhì)及其加熱過程中的產(chǎn)物統(tǒng)稱為油煙[5]，根據(jù)油煙形態(tài)一般可分為顆粒態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)兩類[6-7]，其主要成分為THC(總碳氫)、VOCs(揮發(fā)性有機物)、氣味物質(zhì)和PM2.5[8]。餐飲油煙排放對城市一次有機碳細顆粒的貢獻可達21%，其與工業(yè)廢氣、機動車尾氣共同構(gòu)成現(xiàn)代城市大氣污染的“三大殺手”[9-10]。餐飲油煙排放的氣態(tài)物質(zhì)主要指VOCs，可促進大氣OH自由基、O3和二次有機氣溶膠的生成，從而導致光化學煙霧污染事件的發(fā)生[11]。

然而從技術(shù)層面來看，靜電沉積法凈化器使用最廣，但需定期拆卸清洗，運維成本較高；現(xiàn)有工業(yè)用途的VOCs凈化設(shè)備購置和使用費用過于昂貴，不適用于餐飲油煙治理；從監(jiān)管層面來看，缺乏有效的油煙污染物濃度、凈化設(shè)備運行狀況實時監(jiān)控技術(shù)，相關(guān)部門執(zhí)法困難。單一的凈化設(shè)備和凈化單元已不能滿足更為嚴苛的油煙濃度、非甲烷總烴(NMHC)等檢測因子的要求，多種凈化方式的復合、矩陣式的組合需求更為迫切，高度集成各種凈化設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備，智能化、一體化的發(fā)展成為一種必然的趨勢。

2 基于“智慧監(jiān)管”理念的五段式一體化油煙凈化系統(tǒng)設(shè)計方案

本研究針對當前餐飲油煙治理存在的污染物凈化效率低、凈化設(shè)備清洗困難、缺乏有效監(jiān)管技術(shù)等問題，基于“智慧監(jiān)管”的理念，開發(fā)出餐飲油煙五段式一體化綜合治理系統(tǒng)，包括等離子體氧化分解VOCs凈化器(BL-PDP25除味器)、“三段式ESP”顆粒物凈化器(BL-JD油煙凈化器)、凈化器自動清洗機、油煙在線監(jiān)測儀以及云平臺智慧監(jiān)管系統(tǒng)(如圖1所示)，最終實現(xiàn)智動除味、智動凈化、智動清洗、智慧監(jiān)管的功能。適用于餐廳、酒樓等餐飲業(yè)油煙，學校、醫(yī)院、工礦企事業(yè)單位食堂油煙，食品加工廠及居民區(qū)油煙的污染凈化及治理。

圖1 餐飲油煙五段式一體化綜合治理系統(tǒng)

系統(tǒng)工作流程為：在風機的動力作用下，油煙通過集煙罩及排煙管道被收集，首先經(jīng)過第一段的等離子體氧化分解VOCs凈化器，去除油煙中的VOCs和異味；再經(jīng)防火閥進入“三段式ESP”顆粒物凈化器，攔截油煙中的顆粒物；最后經(jīng)過油煙在線監(jiān)測儀監(jiān)測達標后由煙囪排放。油煙在線監(jiān)測儀可對油煙排放濃度、NMHC濃度、凈化器運行狀態(tài)、風機運行狀態(tài)等指標進行在線監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳送至“智慧監(jiān)管”云平臺，為環(huán)保執(zhí)法提供直接有效且真實的油煙排放狀況。

3 五段式一體化油煙凈化系統(tǒng)設(shè)備及云平臺

3.1 第一段：等離子體氧化分解VOCs凈化器

根據(jù)河南、深圳、北京等地方標準規(guī)定非甲烷總烴(NMHC)濃度不超過10.0 mg/m3，然而調(diào)研結(jié)果顯示，95%以上的餐飲單位沒有任何針對VOCs的凈化、治理裝置或設(shè)施。為此，開發(fā)出高效凈化VOCs的等離子體凈化器。

等離子體是除固體、液體和氣體以外又一種基本物質(zhì)的存在形式，具有很高的化學活性。等離子體氧化分解VOCs凈化器內(nèi)部通過并接4～6片等離子體放電板，可以形成多個均勻放電場。等離子體放電板能夠在通電的情況下一直工作，具有很高的實用性，且使用周期長，質(zhì)量可靠，保證設(shè)備穩(wěn)定運行。該技術(shù)在常溫常壓下，對VOCs的去除效率高達60%～85%，且適應(yīng)性較強。等離子體氧化分解VOCs凈化器作為五段式餐飲油煙凈化系統(tǒng)的第一段，能夠第一時間對油煙中VOCs進行去除；且管道長于20 m，能夠有充分的反應(yīng)時間，使VOCs凈化完全；同時等離子體可氧化去除一部分可分解的油煙，減輕第二段顆粒物凈化器靜電場的壓力。

3.2 第二段： “三段式ESP”顆粒物凈化器

五段式餐飲油煙凈化系統(tǒng)的第二段為“三段式ESP”顆粒物凈化器，第一段即第一電離層屬于輝光放電方式，在迎風面使油煙的小顆粒物凝聚并吸附；第二段即第二電離層屬于電暈放電方式，由一系列“鋸齒+鎢絲”組成，安裝在接地板中間，并通給高壓直流電，油煙氣中的微粒在通過電離器的強力靜電場時，被電離并帶有正或負電荷，主要是對顆粒物進行再次的凝并，同時起到穩(wěn)定電場的作用；第三段為收集段，由多組相同的平行板組成，通以高壓直流電(極性與電離段一致，電壓減半)以形成電場，經(jīng)過前兩段的電離以后，油煙已經(jīng)變成了帶電物質(zhì)的顆粒性，在8 000 V的靜電作用下，帶電微粒被接地板吸引的同時也受到帶電板的驅(qū)趕，從而在極板上被收集；最后再經(jīng)過蜂窩過濾器過濾進一步捕集未被收集的顆粒物。濾網(wǎng)收集組件同時可保證氣流平穩(wěn)分布且勻速通過，在收集組件后端設(shè)風機為空氣流動提供能量，確保氣體流速穩(wěn)定。

“三段式ESP”顆粒物凈化器采用獨特的雙高壓包技術(shù)，即兩個互不相干的高、低壓輸出模塊，有效優(yōu)化了供電結(jié)構(gòu)，使核心部件故障率降低至每年千分之一以下，大大提升了產(chǎn)品正常運轉(zhuǎn)的時間。

3.3 第三段：顆粒物凈化器自動清洗裝置

油煙凈化設(shè)施的有效、穩(wěn)定運行是污染物達標排放的前提和保證，在我國最新的2019年《餐飲油煙污染物排放標準(征求意見稿)》中，增加了油煙凈化設(shè)施應(yīng)與排風機聯(lián)動和定期維護保養(yǎng)的要求，但人工清洗油煙凈化器導致急性砷化氫中毒事故時有發(fā)生[12]，因此開發(fā)可自動清洗的裝置至關(guān)重要。

油煙凈化系統(tǒng)中第三段為凈化器自動清洗裝置，該裝置采用高壓蒸汽微泡清洗技術(shù)，可根據(jù)凈化器自身運行情況設(shè)置定期自動清洗程序；基于“相似相溶”原理，采用生物酶油煙清洗劑，具有高效去除油污且廢水對環(huán)境無害的特點；同時該裝置具備自動加熱功能，使清洗管內(nèi)流出的是具有一定溫度的水和清洗劑泡沫，提升清洗效果，最終實現(xiàn)高效定時免拆卸、自動清洗去除凈化設(shè)備內(nèi)部黏附的油煙的功能，解決了因油煙殘留導致的去除率下降的“頑疾”，使凈化系統(tǒng)可以長期高效運行。

3.4 第四段：油煙在線監(jiān)測儀

第四段的油煙在線監(jiān)測儀可對油煙濃度和凈化器工況進行在線監(jiān)控，有效解決了執(zhí)法部門“監(jiān)管難”的問題，減少人力，提高效率，真正實現(xiàn)油煙凈化。油煙在線監(jiān)測儀由采集器主機和油煙探頭兩部分組成，釆集器通過控制探頭采集油煙原始數(shù)據(jù)，并由采集器主機進行綜合計算，最終得到油煙污染物濃度值，再由GPRS無線通信模塊(可選CDMA)實時在線、自動上報至云平臺。

由于油煙成分復雜，探頭容易受污染，所以油煙在線監(jiān)測儀的探頭的設(shè)計，不僅需滿足對多種油煙成分進行綜合分析，得到最準確的油煙排放數(shù)據(jù)，而且能有效及時地自動清潔探頭內(nèi)傳感器，使其能有效抵抗油煙污染，延長探頭的使用壽命。針對餐飲業(yè)油煙排放時煙道的實際情況，以及實時采樣的要求，探頭的設(shè)計必須安裝方便，穩(wěn)定可靠。此外，探頭帶有智能檢測風機和凈化器開關(guān)信號，采集器帶有擴展的開關(guān)量輸入和繼電器輸出接口，可用于監(jiān)控風機和凈化器的工作狀態(tài)，并可根據(jù)油煙濃度狀態(tài)自動控制凈化器和風機的開停機，從而達到自動控制目的。

3.5 第五段：“智慧監(jiān)管”云平臺

第五段“智慧監(jiān)管”云平臺，集數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、傳輸、存儲、應(yīng)用為一體，從底層向上分為污染源在線監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云中心和智能應(yīng)用4個層次，如圖2所示。

圖2 “智慧監(jiān)管”云平臺總體框架

(1)污染源在線監(jiān)測：對油煙、非甲烷總烴污染源實時排放數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)、報警和巡檢等指標信息進行在線監(jiān)控。

(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸：采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼和打包處理，使之成為能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，傳輸網(wǎng)絡(luò)將污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

(3)云中心：數(shù)據(jù)包可通過公有云、私有云等途徑傳輸至數(shù)據(jù)云平臺，以云計算、虛擬化和高性能計算等技術(shù)手段，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實時處理、深度挖掘和模型分析。

(4)智能應(yīng)用：經(jīng)過數(shù)據(jù)監(jiān)控、統(tǒng)計、分析后，對數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)進行集成，形成完整的軟件集成系統(tǒng)，在應(yīng)用層體現(xiàn)出監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、運維管理、報警管理、執(zhí)法管理、征信管理等功能，為行政主管部門等提供監(jiān)管、決策、執(zhí)法依據(jù)。

“智慧監(jiān)管”云平臺可實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備云監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)云分析、設(shè)備故障云報警、實時維保云派工、軟件升級云推送。管理人員可利用電腦、手機、數(shù)據(jù)中心大屏等終端監(jiān)控管理系統(tǒng)運行實況。

4 油煙凈化效果評價

參照《飲食業(yè)油煙排放標準》(GB 18483—2001)附錄C：油煙去除效率的測定方法中規(guī)定的安裝在油煙排煙管道中的油煙凈化設(shè)施，通過同時測定凈化前后油煙排放濃度與風量，并按照下式計算凈化效率。

油煙去除效率：

在本次檢測中，分別在油煙凈化設(shè)備的前端、后端各裝1臺油煙濃度在線監(jiān)控儀，進行實時監(jiān)控。參照《河南餐飲業(yè)油煙污染物排放標準》(DB 41/1604—2018)中5.2規(guī)定的污染物監(jiān)測要求，選取餐飲作業(yè)高峰期時典型油煙數(shù)據(jù)進行分析計算，采樣次數(shù)為連續(xù)采樣3次，每次10 min。3次采樣分析結(jié)果之間，其中任何1個數(shù)據(jù)與最大值比較，若該數(shù)據(jù)小于最大值的25%，則該數(shù)據(jù)為無效值，不能參與平均值計算。

選取湯陰一中安裝點上午10:51—11:21時餐飲作業(yè)高峰期。采集安裝在油煙凈化設(shè)備的前端、后端的油煙在線監(jiān)測實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)(油煙在線監(jiān)測儀每1 min左右監(jiān)測1次數(shù)據(jù))，見表1和圖3。

表1 湯陰一中安裝點餐飲作業(yè)高峰期時典型油煙數(shù)據(jù)

圖3 五段式一體化餐飲油煙凈化系統(tǒng)應(yīng)用案例

表1中數(shù)據(jù)為連續(xù)采樣3次，每次10 min，設(shè)備前端均值分別為1.548、1.176、2.021 mg/m3，3次均值為1.596 mg/m3。設(shè)備后端均值分別為0.042、0.027、0.065 mg/m3，3次均值為0.045 mg/m3，小于1 mg/m3，符合DB 41/1604—2018排放要求。

凈化設(shè)備前、后端煙道截面積相同，均為0.32 m2，前、后端風速分別為12、16 m/s，計算得凈化效率為96.24%，大于95%，符合DB 41/1604—2018中大型餐飲服務(wù)單位油煙去除效率要求。

5 結(jié)語

五段式餐飲油煙凈化系統(tǒng)可實現(xiàn)餐飲油煙污染物的高效去除，污染物排放滿足相關(guān)國家標準和地方標準要求；通過自動清洗技術(shù)，可確保凈化設(shè)施的穩(wěn)定運行，大幅度降低凈化設(shè)施的運行維護工作量和成本；依靠在線監(jiān)測系統(tǒng)和“智慧監(jiān)管”云平臺，實現(xiàn)餐飲油煙排放的遠程監(jiān)控，極大的提高環(huán)保執(zhí)法的便利性，降低監(jiān)管成本。