中国中式烹饪室内空气污染的垂直分布

环境科学与生态技术12（2022）100200原创研究中国烹饪过程中空气污染的垂直分辨室内测量郑淑秀a，沈惠忠b，c，*，沈国锋a，陈依林b，c，马建民a，郑和发a、舒涛a、b、ca北京大学城市与环境学院、中法地球系统科学研究所地球表面过程实验室中国北京，100871b南方科技大学环境科学与工程学院，深圳，518055c广东省大湾区沿海大气气候观测研究站，南方科技大学，深圳，518055我的天啊N F O文章历史记录：接收日期：2022年3月22日接收日期：2022年2022年6月28日接受保留字：室内空气污染中式烹饪垂直分布颗粒物A B S T R A C T中国烹饪有几个独特的过程，例如，炒菜和煎，这是家庭空气污染的重要来源。然而，影响家庭空气污染的因素以及中式烹饪过程中室内污染物的垂直变化尚不清楚。在这里，我们使用具有高时间分辨率的低成本传感器，在十八种不同的中式烹饪活动中，在厨房的多个高度测量了三种不同尺寸的我们发现，室内气体种类升高了21%至 106%，在烹饪过程中，与背景相比，和PM升高了44%至 159%。垂直方向上，污染物浓度变化很大，在烹饪期间。气体种类一般表现出单调增加的高度，而PM的变化更依赖于烹饪活动的强度。强烈的烹饪，例如，炒菜、平底锅油炸或高温烹饪，往往会将PM发射到上层，而中度油炸则会将PM留在呼吸区内。不同身高的人在烹饪时会受到不同高度的垂直变化挑战了目前的室内标准，该标准假定呼吸区内的污染水平均匀，因此对公共卫生和政策制定具有重要意义©2022作者出版社：Elsevier B.V.代表中国环境科学学会这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍中国居民受到严重的家庭空气污染[1e4]，这与不利的健康结果有关-主要是由于直接暴露于室内烹饪和加热释放的空气污染物[5]。2019年，中国约有36万人过早死亡归因于家庭空气污染，在所有环境风险因素中排名第三（仅次于环境颗粒物和非最佳温度）[6]。以前的研究表明，烹饪是家庭空气污染的主要来源之一[7]。在农村地区，烹饪对家庭空气污染暴露的影响，*通讯作者。南方科技大学环境科学与工程学院，深圳，518055。电子邮件地址：shenhz@sustech.edu.cn（H. Shen）。特别是对于使用固体燃料的农村居民（例如，煤和生物质燃料），已经被广泛研究[5，8e14]。然而，对于城市居民来说，烹饪在家庭空气污染中的作用则不太清楚。中国城市人口增长迅速[15]。在城市家庭中，天然气被广泛用于烹饪[16]。据中国城市燃气行业市场调研，2020年初中国城市燃气普及率达97.87%，天然气占燃气总量的70%以上[17]。北京市2020年有1476万人使用天然气作为居民生活能源，占常住人口的65%[17]。天然气的燃烧会通过燃烧过程或气体泄漏释放多种温室气体和空气污染物，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、甲醛（HCHO）、其他挥发性有机化合物（VOC）、一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）[18e21]。中国烹饪的特点是多样化的烹饪技术（例如，pan-https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.1002002666-4984/©2022作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comS. 郑惠南 Shen，G. Shen等人环境科学与生态技术12（2022）1002002油炸和炒菜）和配料/调味品（例如，芳香族化合物），这可能是空气污染物的额外来源[22]。 几项研究已经描述了这些气体种类的室内水平和天然气烹饪过程中产生的PM [23e 26]，但只有少数关注中国烹饪[27e 32]。Ardeh等人，例如，确定天然气的使用是导致室内甲醛和CO浓度大幅飙升的主要原因[20]。参见等人研究发现，中国人用燃气灶做饭时的PM2.5浓度平均比不做饭时高出10倍以上[27]。Wallace等人报告了类似的结果通过长期的室内测量尺寸分辨PM数[25]。Lai等人研究表明，在炒菜和油炸（中国烹饪的两种典型技术）过程中飞溅的油烟除了燃烧烹饪燃料外，还造成了家庭空气污染[22]。烹饪过程中的污染物浓度随烹饪时间、高度、通风条件、烹饪技术（例如，煮、炒、烤等），温度、食物类型（例如，脂肪食物、蔬菜等），油（例如，橄榄油、花生油、葵花籽油等），燃料（例如，天然气、液化石油气、电力等），等[23，27]。尽管过去的一些研究解决了部分影响因素[33，34]，但缺乏对所有这些因素如何影响中式烹饪期间城市室内空气质量的综合评估我国室内空气质量标准采用固定采样法“呼吸区“内的高度然而，由于室内微环境中烹饪引起的强对流，垂直变化可能是实质性的[36，37]。污染物浓度的这种变化在个人的实际暴露中起着重要作用[38，39]。因此，烹饪过程中垂直变化的知识具有重要的政策和健康重要性，但目前尚不清楚。在这项研究中，我们使用了光声气体监测器和低成本的PM传感器，每个成本约为44美元，在使用天然气炉灶做饭的典型中国城市公寓中对三种尺寸的五种气体和PM进行连续测量。我们进行了不同的烹饪活动，与不同的通风条件，烹饪技术，温度，以及食物和配料的类型我们测量了在这些烹饪事件中，在不同高度的浓度，从而在中国烹饪的室内气体和PM浓度的2. 方法2.1. 实验设计该实验于2020年3月25日在中国北京的一个典型公寓（面积为88平方米）的厨房中进行。该住宅区位于北京西北部的海淀区，周围环绕着北京大学等大学校园。附近没有重工业。厨房里只有一扇朝西的窗户，配备了通风机，一扇窗户，一个通风机和一个天然气炉的实验厨房是北京居民的典型[8]。使用通风机（ROBAM，CXW 185 - 3012 B）去除厨房烹饪过程中产生的一些空气污染物。地板平面图见图S1。在实验过程中，使用天然气炉灶（ROBAM，JZ（Y/T/R）2- 9 G62）进行烹饪（图S1）。每个烹饪事件的开始和结束时间、烹饪活动的类型（沸水、炒蛋或炒菜）、通风机的状态（强开、弱开或关闭）、加热水平（低、中低、中或高）以及加热燃烧器（左侧或右侧，炉灶面安装在炉灶面上方80 cm处）在每个烹饪事件期间的情况如表1所示。具体而言，于早上进行了七次关上抽油烟机的煮水活动。在第一次烧水活动中，左边的加热炉被点燃两次，以测试照明的影响。下面的六个烧水活动对应于两个燃烧器（左或右）的六种不同组合，具有三个加热水平（低，中或高），而每次燃烧器仅点燃一次。这组实验旨在测试燃料燃烧对家庭空气污染的贡献以及通风机关闭时加热水平对家庭空气污染的影响。在中午，以10- 20 min的间隔依次进行3次配料烹饪活动，包括在左侧燃烧器上加热蒜苗，并分别在右侧燃烧器上加热蒜苗和炒鸡蛋，并分别在打开和关闭厨房通风机的情况下加热蒜苗和炒鸡蛋。下午，我们又进行了六次煮水活动，以测试在通风机开启的情况下，暖气水平对家居空气污染的影响。在这些水沸腾的活动，一个完整的烹饪多种成分（法案。表1中列出的No.19）在高加热水平下分两步进行，即，用平底锅炒辣椒和洋葱，然后用通风机炒卷心菜。同样的油炸烹饪事件（法案。表1中列出的编号20），但关闭呼吸机。实验中的烹饪技术，即，水煮、加热、炒、炒和煎是中国北方的典型做法[27，28，30，32，40]。厨房的窗户在做饭的时候是关着的确保在每次烹饪活动开始时的背景污染水平，我们打开通风机（处于强开状态），并在烹饪活动之间的间隔期间保持窗户打开。每个间隔持续至少15分钟。在最后一次烹饪活动之后（即，在没有通风设备的情况下，我们把窗户关上，关掉通风设备，以调查烹饪对家庭空气污染的影响会持续多久。2.2.测量公寓的地面平面图、室内场地的位置和监控设备的布置如图所示。S1.光声气体监测器（INNOVA 1512 ，LumaSense Tech. A/S，Ballerup ， Denmark ） 与六 通道 多点 采 样器 （INNOVA 1409，LumaSense Tech. A/S，Ballerup，Denmark）用于监测五种气体，包括甲醛、CO 2、CO、总VOC（TVOC）和甲烷。此处TVOC的浓度被确定为甲苯当量总浓度。该监测仪预先对样品空气中的温度、压力波动、水蒸气干扰以及其它已知气体的干扰进行补偿，使监测仪能够自动校正温度、压力、水蒸气以及其它已知气体对被测气体浓度的影响。在标定过程中，采用标准高纯干氮气（纯度大于99.9999%）确定各气体的零点，然后采用更高浓度(13.2甲醛为1400 mg m-3，CO为 50 mg m-3，甲苯为75.8 mg m-3，CH4为202 mg m-3），根据先前的研究[41 ]，考虑到信号强度随特定气体种类的浓度线性变化，确定信号强度和每种气体种类的浓度的转换系数。利用光声红外技术对不同气体组分的浓度进行了检测。当感兴趣的样气暴露于特定的S. 郑惠南 Shen，G. Shen等人环境科学与生态技术12（2022）1002003表1室内监测活动摘要。表中列出了每个烹饪活动的开始和结束时间、烹饪活动的类型、通风机的状态、加热水平以及每个烹饪活动的燃烧器位置对于每个烹饪事件，通风机保持打开或关闭在烹饪过程中，通风机的状态不会窗口在所有烹饪事件期间保持关闭，并且在两个烹饪事件的间隔期间打开至少10分钟，使得前一烹饪事件对进行中的烹饪事件的影响可以最小化。在间歇期间，将呼吸机打开至强开状态。活动编号开始时间结束时间活动呼吸机燃烧器热1七点五十七点五十五分通风强2七点五十五分八点整两个人在厨房强3八点二十五分八点二十八分开水（两次打火）关闭左低4八点四十九分八点五十二分沸水关闭权低5九点十五分九点二十分沸水关闭左低6九点三十九分九点四十四分沸水关闭权介质7十点零六分十点十一分沸水关闭左介质8十点半十点三十五分沸水关闭权高9十点五十五分十一点零六分沸水关闭左高10十一点二十二分十一点二十八分加热蒜苗强左中低11十一点四十分十一点四十五分炒鸡蛋强权中低12十二点零四分十二点零九分炒鸡蛋关闭权中低13十二点五十九分13点04分沸水关闭左低14十三点四十六分十三点五十一分沸水开-弱左低15十四点二十四分十四点二十九分沸水开-弱权低16十五点二十六分十五点三十四分沸水开-弱权介质17十六点十二分十六点十七分沸水开-弱左高18十六点五十六分十七点零一分沸水开-弱权高19十八点三十九分十八点四十六分炒完辣椒和洋葱强左高20十九点十七分十九点二十六分炒完辣椒和洋葱关闭左高由于光声气体监测器的工作波长为红外光的波长（上述五种气体的中心波长分别为3.6、4.4、4.7、3.4和8.0 nm），它会吸收与其浓度成正比的红外光，并且由激活气体分子的额外压力引起的可听脉冲可以被极其灵敏的监测器光声气体监测器检测到甲醛、CO2、CO、TVOCs和甲烷的检出限分别为0.04、8.75、0.2、0.05和0.05。0.4 mg m-3，具有可接受的不确定性（表S21）。将多点采样器的六个通道设置为六个不同的高度（即，19、40、78、119、147和199 cm），以获得垂直信息（图S1）。在呼吸区（0.5 e 1.5 m）内设置了三个高度（78、119和147 cm），这是大多数人群的暴露高度。两个高度（19和40cm）设置在0.5 m以下以监测屋顶上方的浓度变化，屋顶下方设置一个高度（199 cm）以监测更高高度处的气体种类浓度。通过同一检测器交替测量来自六个通道的气体流因此，每个通道的时间分辨率为6 min。鉴于不同通道之间存在微小差异，通过将6个通道聚集在同一高度并同步测量浓度，进行因子校正以调整6个通道的读数调整详情见补充材料（正文S1和表S3）。11个定制的在线PM监测器均匀分布在20和 220厘米的高度，以提供PM浓度的详细垂直变化，同时确保传感器不会相互影响。气体种类和PM的采样高度之间存在一定的差异（五个高度为1 e2 cm），以确保气体采样器在固定时不会干扰PM传感器。PM监测器由在线颗粒计数器（Green Built EnvMent.，北京，中国）和激光散射传感器（Plantower PMS 3003，北京，中国）（图S1）。颗粒传感器基于颗粒物质对激光的散射光强度来反演颗粒物质的浓度。因此，原则上，水蒸气不影响散射，除非通过非均质成核发生液体颗粒的形成和现有颗粒的生长。显示器的尺寸约为3× 4× 5 cm3（图S1），风扇以恒定的速度速度工作时，风扇周围有一个小的局部循环局部环流远小于两个相邻显示器之间的距离，使得相邻显示器不会相互影响在线监测器自动将单位从数密度转换为质量密度所有PM监测器均通过混合环境实时颗粒监测器（型号5030 SHARP，同步混合环境实时颗粒监测器，Thermo Scientic）进行预校准。11台监护仪的详细校准过程和校准系数见补充材料（正文S2和表S4）。PM传感器和气体监测器都在以前的研究中用于检测室内空气污染，与参考监测系统一致性良好，与传统监测系统相比更容易部署[3，4，42]。2.3.数据分析使用RStudio（版本1.2.5001）进行描述性统计推导，所有统计检验的显著性水平设定为0.01 [43]。烹饪时段被定义为进行烹饪的时段代表同步背景浓度的非烹饪时间段被定义为窗口打开至少10分钟后两次烹饪活动之间的间隔的一部分考虑到我们在间隔期间进行了强通风（两台冰箱被打开到强开状态，窗户被大开），在10分钟通风之后，正在进行的烹饪事件对非烹饪时段的影响应该很小。我们进一步研究了在每次烹饪活动期间的气体种类和PM的垂直传输，通过比较我们采用了北京市常规监测站的PM2.5浓度的时间序列，在万柳，最近的监测站实验地点，作为室外PM2.5浓度的参考。S. 郑惠南 Shen，G. Shen等人环境科学与生态技术12（2022）10020043. 结果和讨论3.1. 室内气体种类和PM在整个监测期内（包括烹饪和非烹饪期）甲醛、 CO2 、CO、TVOCs和甲烷的平均浓度分别为0.31、1862、6.75、3.69和2.69。6.60mg m-3。 CO2和CO水平接近中国室内空气质量标准（CO2为1750 mg m-3，CO为10 mg m-3），CO2比标准高6%，CO比标准低34%[35]。另一方面，甲醛的含量远高于其室内标准（0.1 mg m-3）[35]，超过210%，表明存在高水平的有机化合物在实验过程中对于其他两种气体，甲烷不在国家室内空气质量标准的清单中，也不在WHO指南中[44]; TVOCs的浓度是操作性定义的，并根据甲苯进行校准，TVOCs的分析方法与国家室内空气质量标准定义的方法不同，因此它们不具有可比性。此外，世卫组织室内空气质量指南中没有提供TVOCs的健康标准[44]。五种气体的浓度频率分布（垂直平均以反映所有层的平均水平）是右偏和尖峰的（图S2和表S5），这意味着分布比相应的正态分布具有更尖锐和右偏的峰值。此外，据Lilliefors检验（p0.01），浓度频率分布与正态分布显著不同（表S7）。<后对数转换后，所有物质的分布仍为右偏和尖峰，主要由观察到的几个急剧浓度峰值驱动（表S7和图S8）。 S2）。进一步的调查表明，这些急剧上升发生在烹饪事件的公司。如图1所示，烹调过程中甲醛、CO2、CO、TVOCs和甲烷的中位数分别为0.29、2068.10、6.84、3.76和6.58mgm-3CO2和CO浓度与我国室内空气质量接近结果表明，CO2比标准值高18%，CO比标准值低32%，CO2比标准值高1750 mg m-3，CO比标准值低10然而，甲醛的含量远远高于室内标准(0.1mg m-3），超标190%。此外，烹饪过程中甲醛、CO2、CO、TVOCs和甲烷的中位数水平也在不同的烹饪时段，最大值分别比非烹饪时段高35% 、52% 、181%、47%和36%，最大值的差异更大。例如，甲醛浓度达到2.09 烹 调 期 间 的 最 高 浓 度（ 0.39mgm-3 ） 比 非 烹 调 期 间 的 最 高 浓 度（0.39mgm-3）高432%。t检验显示，烹饪活动期间所有气体种类的浓度在统计学上显著高于非烹饪期间的浓度（p0.01）。

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