化糞池可燃?xì)怏w分析及安全運(yùn)行研究

張茜 趙瑞東 賀潔

［北京市城市管理研究院（生活垃圾檢測(cè)分析與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100028］

1 引言

最早的化糞池起源于19 世紀(jì)的歐洲，距今已有100 多年的歷史［1］。化糞池是利用截留沉淀和厭氧發(fā)酵原理，去除生活污水中懸浮性有機(jī)物的處理裝置，它的主要作用有保障生活環(huán)境衛(wèi)生、過濾沉淀污染物、厭氧腐化滅蟲卵、熟化污泥作肥料等?；S池是相對(duì)密閉的系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中，厭氧反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定量的可燃?xì)怏w（主要是甲烷，其次是氨、硫化氫）。雖然化糞池會(huì)定期清掏，但隨著糞便量的不斷增加，如清掏不夠及時(shí)則糞便板結(jié)容易堵塞導(dǎo)氣管，導(dǎo)致通風(fēng)效果差，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w不能及時(shí)排出，易在化糞池池體上方空間及相鄰窨井內(nèi)積聚，當(dāng)其濃度達(dá)到爆炸極限，一旦遭遇明火種（火星、未滅的煙頭或燃放的鞭炮等）便會(huì)引起爆炸。近年來，化糞池可燃?xì)獗ㄔ斐扇藛T傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的事故時(shí)有報(bào)道。城市中的公共廁所化糞池為了便于吸糞車的進(jìn)出，一般設(shè)置在路邊，有的還設(shè)在人流密集的鬧市區(qū)，一旦發(fā)生爆炸后果不堪設(shè)想?；S池對(duì)城市運(yùn)行安全至關(guān)重要，若管理不善將成為城市中的“定時(shí)炸彈”。因此，對(duì)化糞池內(nèi)可燃?xì)怏w的形成、濃度變化及影響因素進(jìn)行研究，采取針對(duì)性措施以消除安全隱患，對(duì)于保障城市安全運(yùn)行十分必要。

2 檢測(cè)對(duì)象與方法

2.1 化糞池結(jié)構(gòu)

目前我國(guó)主流化糞池主要為三格式，由3 個(gè)相互連通的密封池體組成，分為鋼筋混凝土和磚砌2種結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。糞便由進(jìn)糞管進(jìn)入第一池體，糞渣沉入池底，上清液依此順流至第三池，其中，第一池體主要起截留糞渣、發(fā)酵和沉淀蟲卵作用；第二池體繼續(xù)發(fā)酵；第三池體貯存溢流的上清液，在每個(gè)池體上方分別設(shè)有清掏口。自出糞口流出的上清液已經(jīng)過兩次發(fā)酵，基本不含寄生蟲卵和病原微生物，可直接作為種植有機(jī)肥料或直接排入市政管網(wǎng)。

圖1 三格式化糞池構(gòu)造

化糞池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于管理、不消耗動(dòng)力和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，是污泥處理最初級(jí)的方法。它能截留生活污水中50%的糞便、紙屑、病原蟲等雜質(zhì)，使BOD 濃度降低20%。沉淀下來的污泥經(jīng)3～12 個(gè)月的厭氧分解、酸性發(fā)酵、脫水熟化后，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)可清掏出做肥料［2］?；S池雖然可收集糞便，并初步進(jìn)行無害化處理，但也存在許多缺點(diǎn)，如化糞池去除有機(jī)物的能力有限且必須定期清掏，一般清掏周期為3～12 個(gè)月。如管理不善可能導(dǎo)致溢流污染環(huán)境、滲漏污染地下水源、可燃?xì)庖滓l(fā)爆炸等問題。我國(guó)南方少數(shù)城市已逐步開展取消化糞池試點(diǎn)工作，目前大部分省、市仍規(guī)定在建筑室外排水系統(tǒng)接入市政污水管網(wǎng)前設(shè)置化糞池，只是化糞池的設(shè)置有不同要求，尚無全部取消化糞池做法的地區(qū)［3］。

2.2 化糞池內(nèi)可燃?xì)怏w特性

化糞池中可能存在的可燃?xì)怏w有污水或沉積污泥分解產(chǎn)生的內(nèi)源性生物氣體（化工企業(yè)偷排、油氣儲(chǔ)罐或管線泄漏、居民傾倒液化氣殘?jiān)犬a(chǎn)生的外源性可燃?xì)怏w除外），如甲烷、一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨等，其產(chǎn)量受溫度、污水濃度、水力停留時(shí)間等因素的影響［4］。甲烷主要是由一類包括甲烷桿菌屬（Methanobacterium）、甲烷球菌屬（Methanococus）和甲烷八疊球菌屬（Methanosarci）的專性厭氧微生物產(chǎn)生，它們可以利用氫的厭氧氧化獲取能量，以CO2為電子受體，終產(chǎn)物為甲烷和水。一般情況下，甲烷是無色無味氣體，其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生反應(yīng)，也不容易被捕捉，由于其比重較空氣輕，大部分積聚在化糞池的上部空間，如達(dá)到爆炸極限，遇到明火便引起爆炸。

甲烷發(fā)生爆炸必須具備以下3 個(gè)條件：一是甲烷濃度。甲烷的爆炸極限在濃度5%～15%之間，最強(qiáng)烈的爆炸發(fā)生在甲烷濃度為9.5%左右。二是引火溫度。甲烷的引燃溫度為650～750 ℃，明火、煙頭、電器火花、撞擊摩擦產(chǎn)生的火花等都可以引燃甲烷。甲烷濃度不同，點(diǎn)燃溫度也有所差異，在濃度6.58%時(shí)最易引燃。三是氧氣濃度。隨著氧氣濃度的增加，爆炸極限范圍會(huì)擴(kuò)大，尤其是爆炸上限提高得更快，隨著氧氣濃度降低，甲烷爆炸下限緩慢增高，上限則迅速下降，氧氣濃度降低到12%，甲烷混合氣體即失去爆炸性，遇火也不發(fā)生爆炸，并且化糞池中產(chǎn)生的其他可燃?xì)怏w，如氨、硫化氫氣體在一定濃度下也會(huì)引起爆炸。各種氣體點(diǎn)燃溫度及爆炸極限見表1。

表1 各種氣體點(diǎn)燃溫度及爆炸極限

2.3 檢測(cè)方法

為了解公廁化糞池內(nèi)甲烷等可燃?xì)怏w的情況，研究人員對(duì)北京市朝陽(yáng)區(qū)78 座公共廁所化糞池內(nèi)的氣體進(jìn)行了檢測(cè)。通常檢測(cè)可燃?xì)獾姆椒ㄓ写呋紵图t外兩種手段。熱催化元件易受惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，使用一段時(shí)間后容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、靈敏度下降，需要頻繁人為校正［5］。本文采用手持式甲烷氣體檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。內(nèi)置抽氣泵主動(dòng)將氣體吸入儀器內(nèi)部，通過氣體吸收強(qiáng)度的檢測(cè)，計(jì)算出甲烷氣體的濃度，直接顯示檢測(cè)氣體濃度值，并且激光原理具有不受外界溫度、濕度、壓力的影響，不受其他氣體干擾、長(zhǎng)期使用無漂移的特性。

儀器參數(shù)：測(cè)量對(duì)象甲烷（CH4）；防爆等級(jí)ExiaIICT4；使用環(huán)境溫度-20～50 ℃；相對(duì)濕度≤0～90%RH；儀器類型手持式；檢測(cè)方式內(nèi)置泵吸式，流量800 mL/min；測(cè)量范圍0～25%VOL、0～100%LEL（可燃?xì)怏w在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限，簡(jiǎn)稱“LEL”）、0～1 000 ppm、0～100 ppm；分辨率0.1%VOL、1%LEL、1 ppm、0.1 ppm；測(cè)量精度±3%F.S；工作電源DC3.7 V；數(shù)據(jù)記錄超10 萬組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)間隔10～3 600 s，可調(diào)。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)化糞池內(nèi)甲烷氣體含量進(jìn)行分析研究。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)有效可靠，每座公廁檢測(cè)3次，間隔時(shí)間為2～3 d，取最大值作為標(biāo)準(zhǔn)，取樣點(diǎn)在化糞池窨井口30～40 cm 處。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 總體情況

檢測(cè)結(jié)果顯示，公廁氧氣濃度在20%左右，浮動(dòng)范圍1%；硫化氫的濃度最大到58 ppm（即0.005 8%），遠(yuǎn)達(dá)不到爆炸下限；而甲烷氣體的濃度變化范圍較大。圖2 是78 座化糞池內(nèi)甲烷氣體濃度檢測(cè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總。

圖2 78 座化糞池甲烷濃度及分布

從圖2 中可看出，所有化糞池均有不同濃度的甲烷氣體存在，且大部分在10%～40% LEL 之間。甲烷監(jiān)測(cè)值大于50%LEL 的化糞池有6 座（其中2 座甲烷濃度已接近爆炸下限），甲烷監(jiān)測(cè)值在10%～50%LEL 之間的化糞池有52 座，甲烷監(jiān)測(cè)值大于10%LEL 占所測(cè)化糞池的比例約74.36%。具體分析結(jié)果如下：所測(cè)化糞池內(nèi)氣體，甲烷濃度在10%～20%LEL（低風(fēng)險(xiǎn)，33 座）占42.30%，在20%～50%LEL（一般風(fēng)險(xiǎn)，19 座）占24.36%，超過50%LEL（高風(fēng)險(xiǎn)，6 座）占7.69%。

通常相對(duì)密閉空間內(nèi)，可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20%LEL，就必須采取防爆措施，對(duì)于超過50%LEL 的地方，需要及時(shí)處理，否則就有爆炸的可能。

3.2 化糞池甲烷氣體濃度空間分布

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)距窨井口不同深度的化糞池內(nèi)甲烷氣體濃度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，氣體濃度隨距窨井口深度的變化如圖3 所示。由圖3 可以看出，甲烷濃度隨著窨井口距離的深入濃度逐漸增加，在距離窨井口30～40 cm處濃度最高，之后隨著距離增加濃度開始逐漸降低。

圖3 化糞池內(nèi)甲烷濃度空間變化趨勢(shì)

3.3 化糞池甲烷濃度日變化情況

對(duì)位于不同區(qū)域的3 個(gè)化糞池一天24 h 的甲烷濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)3 次數(shù)值并取平均值。由圖4可以看出，不同區(qū)域化糞池內(nèi)甲烷濃度呈現(xiàn)出規(guī)律的日變化，其中，在04：00 和08：00 甲烷濃度出現(xiàn)明顯小峰值，16：00 以及21：00 甲烷濃度出現(xiàn)高峰值，其他時(shí)間段甲烷濃度均保持低值平緩變動(dòng)。餐飲區(qū)與居民區(qū)峰谷波動(dòng)較大，街區(qū)、公園等公共區(qū)域峰谷波動(dòng)較小。

圖4 化糞池內(nèi)甲烷濃度日變化趨勢(shì)

化糞池內(nèi)甲烷濃度日均變化趨勢(shì)與人們的生活息息相關(guān)。隨著人們一天活動(dòng)的開始，池內(nèi)甲烷濃度逐漸升高，并逐漸達(dá)到峰值濃度；隨著人們密集活動(dòng)的結(jié)束，甲烷濃度又逐漸下降，并保持小幅度變化，直至下一個(gè)高峰時(shí)段。甲烷濃度峰值一般出現(xiàn)在人們?cè)绯科鸫埠蠛惋埡蟮囊欢螘r(shí)間內(nèi)。

3.4 化糞池甲烷濃度季節(jié)變化情況

對(duì)同一化糞池，在每月同一時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)（選擇13：00—14：00 甲烷氣體相對(duì)較高的時(shí)間），間隔15 min檢測(cè)3 組數(shù)據(jù)，取平均值。由圖5 可以看出，甲烷濃度由高到低排序依次是夏季、秋季、春季、冬季。由此可見，甲烷濃度受氣溫影響，溫度越高，甲烷濃度越高。

圖5 化糞池內(nèi)甲烷濃度的季節(jié)變化趨勢(shì)

3.5 小結(jié)

從以上分析可以得出，化糞池內(nèi)甲烷濃度變化受人們的生活活動(dòng)帶來的排污特征、季節(jié)變化等因素影響。白天污水排放量增加，化糞池中有機(jī)物濃度較高，導(dǎo)致甲烷濃度升高，形成白天甲烷濃度的峰值時(shí)段。夜間由于污水排放很少，對(duì)化糞池沖擊擾動(dòng)減少，池內(nèi)糞水發(fā)酵產(chǎn)氣，氣體濃度升高，形成局部氣體高濃度時(shí)間點(diǎn)。經(jīng)過一整夜的時(shí)間，清晨化糞池內(nèi)甲烷量增大，隨著人們起居活動(dòng)，污水的排放沖擊淤泥對(duì)化糞池?cái)_動(dòng)，使得甲烷大量釋放到空氣中，形成了又一個(gè)高濃度時(shí)間點(diǎn)。

甲烷濃度受氣溫影響，溫度越高，甲烷濃度越高，夏季甲烷濃度幾乎是冬季的2 倍以上。因此，對(duì)于不同的公共廁所化糞池，由于檢測(cè)時(shí)的氣溫、化糞池內(nèi)糞便含量差異，甲烷、氨、硫化氫等氣體的濃度均不同，甚至對(duì)同一座公共廁所的化糞池檢測(cè)時(shí)甲烷濃度的最大值也不是每次都一樣。

另外，化糞池清掏周期與甲烷濃度有一定關(guān)系，糞水滯留時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的甲烷濃度就越高。一般情況下，公共廁所的化糞池3～7 d 清掏1 次，檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，同一化糞池剛清掏過其甲烷濃度要低于平時(shí)。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，未通市政管網(wǎng)的化糞池（貯糞池）雖然清掏較頻繁，但甲烷濃度普遍高于通市政管網(wǎng)的化糞池。因此為保障化糞池運(yùn)行安全，一方面要增加其清掏頻次，另一方面可通過增加通風(fēng)手段改善通風(fēng)效果以降低甲烷濃度。

4 結(jié)論與建議

化糞池的安全問題越來越受到人們的重視，對(duì)于其存在的問題需要通過各種有效的途徑去解決，以防止風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，更好地保障人們的正常生活。

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合井蓋、通風(fēng)以及化糞池的構(gòu)造設(shè)計(jì)，合理設(shè)置分格大小、深度，根據(jù)甲烷積聚位置合理布設(shè)通風(fēng)排氣裝置，讓化糞池保持良好通風(fēng)狀態(tài)，避免產(chǎn)生通風(fēng)死角，使產(chǎn)生的可燃?xì)饧皶r(shí)排到大氣中。

（2）定期清掏化糞池。根據(jù)情況評(píng)估合理確定清掏周期，增加清掏頻次，規(guī)范清掏作業(yè)，減少發(fā)酵物的存在。發(fā)酵物減少了，化糞池產(chǎn)生的沼氣也就變少了。

（3）加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)督管理。根據(jù)過往化糞池爆炸的案例，大多數(shù)是因?yàn)榉疟夼诨蚯謇砘S池時(shí)抽煙等導(dǎo)致事故發(fā)生。因此，要建立完善的管理體系，對(duì)各類化糞池登記、建檔，制定清掏計(jì)劃，形成運(yùn)行記錄。加強(qiáng)對(duì)相關(guān)從業(yè)人員的安全教育培訓(xùn)，督促其增強(qiáng)安全意識(shí)，在對(duì)化糞池進(jìn)行清理時(shí)，嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)。同時(shí)加強(qiáng)防范，定期對(duì)化糞池周邊情況進(jìn)行巡邏檢查，對(duì)游客行人的不當(dāng)行為及時(shí)制止，防止意外發(fā)生。

（4）推廣技術(shù)應(yīng)用。應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)化糞池窨井進(jìn)行在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)處理解決，防患于未然。