市政污水檢查井可燃?xì)怏w組分及分布影響因素研究

楊春麗副研究員 劉 艷研究員 楊龍龍 秦 妍高級(jí)工程師

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 職業(yè)危害控制技術(shù)中心，北京 100054)

0 引言

地下污水管網(wǎng)承載著城市排污功能，其安全運(yùn)行是城市經(jīng)濟(jì)繁榮、社會(huì)穩(wěn)定和人民安居樂業(yè)的重要保證。污水管網(wǎng)內(nèi)環(huán)境陰暗、潮濕，污物中攜帶著大量生活垃圾和淤泥，在厭氧條件下受微生物的作用，分解產(chǎn)生甲烷、一氧化碳、氫氣等多種內(nèi)源性可燃?xì)怏w。同時(shí)，管網(wǎng)內(nèi)還可能存在由輸油管線泄漏、偷排等產(chǎn)生的外源性可燃?xì)怏w，如油氣、揮發(fā)性有機(jī)溶劑等。由于管網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)部空氣流通不暢，可燃?xì)怏w不能及時(shí)排出，在管道中不斷積累；加之，管網(wǎng)內(nèi)易堵塞，會(huì)進(jìn)一步加劇氣體積聚程度，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，遇明火極易發(fā)生爆炸事故。幾年來，隨著我國(guó)城市的快速發(fā)展，城市污水管線長(zhǎng)度迅速增長(zhǎng)，爆炸風(fēng)險(xiǎn)大幅增加，氣體爆炸事故時(shí)有發(fā)生。

市政污水管網(wǎng)內(nèi)存在的內(nèi)外源性可燃?xì)怏w成分復(fù)雜，很難全面掌握其內(nèi)所有可燃?xì)怏w組分，由于硫化氫造成的中毒、污水管道壁腐蝕等問題比較嚴(yán)重，對(duì)其組分濃度、產(chǎn)生機(jī)理、影響因素等方面的研究開展較早。近年，由于污水管網(wǎng)內(nèi)甲烷的產(chǎn)排會(huì)對(duì)溫室效應(yīng)帶來影響，國(guó)外學(xué)者開展污水管網(wǎng)甲烷產(chǎn)生影響因素相關(guān)研究。2008年，Albert Guisasola等報(bào)道污水系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷氣體，并且其產(chǎn)量隨著污水的水力停留時(shí)間以及污水管道生物膜比表面積(A/V)的增大而增大；2009年，Jeff Foley等報(bào)道一個(gè)預(yù)估壓力流污水管道內(nèi)甲烷產(chǎn)生量的理論模型，該模型是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定并擬和污水內(nèi)溶解甲烷濃度而建立的；同年，Albert Guisasola等報(bào)道壓力流污水管網(wǎng)甲烷的產(chǎn)生與水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time，HRT)和生物膜比表面積(A/V)具有較高的相關(guān)關(guān)系；2014年，Thitirat Chaosakul等首次報(bào)道重力流污水管道內(nèi)甲烷氣體逸散量與溫度、HRT和生物膜比表面積(A/V)之間的量化關(guān)系式，該關(guān)系式是基于大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)建立的；2015年，Yiwen Liu等報(bào)道污水管道內(nèi)沉積物產(chǎn)生的甲烷量不可忽視，并且溫度對(duì)其產(chǎn)生量有較大影響。近年來，重慶等地區(qū)污水管網(wǎng)燃爆事故高發(fā)，國(guó)內(nèi)研究者開始關(guān)注污水管道內(nèi)的可燃?xì)怏w，并開展分布影響因素等相關(guān)研究，2010年，米莉報(bào)道可燃?xì)怏w的積聚機(jī)理，認(rèn)為可燃?xì)怏w會(huì)存在3種積聚結(jié)果：穩(wěn)定狀態(tài)、擾動(dòng)狀態(tài)、聚集狀態(tài)；2012年，方德瓊報(bào)道不同污水管道內(nèi)甲烷氣體濃度差異很大；2013年，周瑜等報(bào)道COD、硫酸鹽、硫化物、溫度、PH等因素對(duì)市政管道內(nèi)污水甲烷產(chǎn)生的影響；2016年，張遠(yuǎn)報(bào)道污水管道內(nèi)甲烷濃度隨檢查井深度和污水流向的變化規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)外的研究大多針對(duì)內(nèi)源性氣體甲烷和硫化氫氣體的濃度和分布，其內(nèi)可燃?xì)怏w的組分比例還不十分明確，并且國(guó)外的研究主要針對(duì)壓力流污水管網(wǎng)，而我國(guó)的污水管網(wǎng)大多為重力流污水管網(wǎng)，二者內(nèi)部氣體分布存在較大差異，因此有必要更深入研究我國(guó)污水管網(wǎng)內(nèi)可燃?xì)怏w的組分和運(yùn)移分布。

本文以市政污水檢查井為研究對(duì)象，采用大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析污水檢查井內(nèi)主要可燃?xì)怏w的組分比例和濃度范圍，研究影響可燃?xì)怏w分布的主要因素，以期為污水管網(wǎng)燃爆災(zāi)害的防控提供理論依據(jù)。

1 檢測(cè)儀器和方法

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，采用2臺(tái)英思科便攜式MX6 iBRiD復(fù)合式多氣體檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，其中一臺(tái)可以檢測(cè)氧氣、甲烷、硫化氫、一氧化碳、氨氣、二氧化碳6種氣體，另一臺(tái)可以檢測(cè)氫氣和總的可燃?xì)怏w。因此儀器可測(cè)量甲烷、氫氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣共5種可燃?xì)怏w濃度，同時(shí)可測(cè)量總的可燃?xì)怏w濃度。儀器的測(cè)量范圍，見表1。

表1 儀器測(cè)量范圍和精度Tab.1 The measuring range and accuracy of the instrument

檢測(cè)時(shí)每隔0.5m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，且檢測(cè)時(shí)不開井蓋，將軟管從檢查井開啟孔內(nèi)放入，檢測(cè)檢查井內(nèi)不同位置可燃?xì)怏w的濃度，共測(cè)量18個(gè)溝段，18個(gè)溝段污水來源不同，測(cè)量季節(jié)也不同，其中個(gè)別溝段在不同季節(jié)測(cè)量了多次。

2 污水檢查井可燃?xì)怏w組分分析

通過對(duì)18個(gè)溝段126個(gè)檢查井進(jìn)行檢測(cè)，其中總的可燃?xì)怏w和氫氣的濃度來自于其中11個(gè)溝段83個(gè)檢查井，發(fā)現(xiàn)除一個(gè)溝段的檢查井內(nèi)甲烷和總的可燃?xì)怏w超過檢測(cè)儀的測(cè)量范圍，其余的均在測(cè)量范圍內(nèi)，所測(cè)檢查井各類可燃?xì)怏w的濃度范圍，見表2。

表2 所測(cè)檢查井各類可燃?xì)怏w的濃度范圍Tab.2 Distribution of various combustible gases concentration in sewage manhole

從表2可以看出，甲烷是可燃?xì)怏w的主要成分，一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣4種可燃?xì)怏w組分之和小于0.02%vol。

常溫常壓下，甲烷、一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣5種氣體的爆炸極限范圍分別為5%vol～15%vol、12%vol～74.5%vol、4.2%vol～46%vol、4.1%vol～74.1%vol、15.8%vol～28%vol。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，這些溝段內(nèi)一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣4種可燃?xì)怏w的濃度均遠(yuǎn)低于其爆炸極限范圍，發(fā)生爆炸的可能性較小，而個(gè)別溝段內(nèi)甲烷濃度高于爆炸極限范圍，存在甲烷爆炸的可能性，雖然一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣4種氣體濃度不足以引發(fā)爆炸，但這些氣體的存在對(duì)甲烷爆炸極限以及爆炸后的強(qiáng)度和破壞效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生一定影響。研究表明氫氣的存在會(huì)大大降低甲烷爆炸下限，當(dāng)混合氣體中加入濃度為0.5%vol氫氣時(shí)，甲烷濃度為2.4%vol就會(huì)發(fā)生爆炸。另外，檢查井內(nèi)二氧化碳濃度、水蒸氣濃度較高，而這些氣體的存在會(huì)在一定程度上降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)，因此在進(jìn)行爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，應(yīng)綜合考慮多種因素的共同作用，才能獲得正確有效的評(píng)估結(jié)果。

為分析甲烷和總的可燃?xì)怏w之間的關(guān)系，在所測(cè)量的11個(gè)溝段83個(gè)檢查井310個(gè)測(cè)點(diǎn)中，除去甲烷和可燃?xì)怏w檢測(cè)值均為0的測(cè)點(diǎn)，以及甲烷和總的可燃?xì)怏w濃度超測(cè)量范圍的2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共有173組數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得甲烷與總的可燃?xì)怏w之間的關(guān)系，如圖1?？梢钥闯鰧?duì)于大部分測(cè)點(diǎn)，總的可燃?xì)怏w濃度略高于甲烷氣體濃度，在可燃?xì)怏w濃度高的地方，甲烷濃度也較高。

圖1 甲烷氣體濃度和總的可燃?xì)怏w濃度關(guān)系Fig.1 Relationship between methane andtotal of combustible gas

甲烷與總的可燃?xì)怏w之比絕大部分在40%～100%之間，是污水檢查井內(nèi)占比較大的可燃?xì)怏w。由于一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣所占比例較小，因此管網(wǎng)內(nèi)還存在其他可燃性氣體，考慮是外源性可燃?xì)怏w。

把83個(gè)檢查井總的可燃?xì)怏w濃度的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同濃度范圍內(nèi)檢查井?dāng)?shù)量占比，見表3。從表3中可以看出絕大部分檢查井內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度小于0.5%vol(即10%LEL)，極少部分達(dá)到爆炸下限。

表3 檢查井內(nèi)總的可燃?xì)怏w濃度分布范圍Tab.3 Distribution of total combustible gas concentration in sewage manhole

同時(shí)對(duì)18個(gè)溝段126個(gè)檢查井甲烷濃度的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同濃度范圍內(nèi)檢查井?dāng)?shù)量占比，見表4。從表4中可以看出絕大部分檢查井內(nèi)的甲烷濃度小于0.5%vol(即10%LEL)，極少部分達(dá)到爆炸下限。

表4 檢查井內(nèi)甲烷氣體濃度分布范圍Tab.4 Distribution of methane concentration in sewage manhole

3 污水檢查井甲烷濃度分布影響因素

從前面檢測(cè)分析可看出，甲烷是污水檢查井內(nèi)可燃?xì)怏w的主要成分，研究其分布規(guī)律對(duì)燃爆災(zāi)害控制具有重要意義。

3.1 檢查井井深對(duì)甲烷濃度分布的影響

針對(duì)測(cè)出甲烷的檢查井，通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，沿著檢查井高度方向，甲烷分布規(guī)律不盡相同，呈4種分布規(guī)律：規(guī)律1，分布比較均勻(相差小于0.03%vol)；規(guī)律2，隨著深度逐漸降低；規(guī)律3，隨著深度逐漸增大，一般情況下，距離檢查井口1m范圍內(nèi)甲烷濃度變化較大，而大于1m范圍內(nèi)甲烷濃度變化較小；規(guī)律4，隨深度先增大后降低，最大值在中部某一位置。呈不同分布規(guī)律檢查井個(gè)數(shù)和井深情況，見表5。

表5 不同分布規(guī)律檢查井個(gè)數(shù)及井深Tab.5 The number and depth of sewage manholes of different distribution laws

從表5中可以看出，呈規(guī)律1分布的檢查井平均井深最小，而呈規(guī)律4和規(guī)律2分布的檢查井平均井深較大，可以推測(cè)沿檢查井垂直方向上，深度較小的檢查井內(nèi)甲烷濃度易呈均勻分布，而深度較大的檢查井內(nèi)甲烷濃度易呈逐漸降低或先增大后降低的分布規(guī)律；另外，從表5中可以看出，大部分檢查井內(nèi)甲烷濃度沿檢查井垂直深度方向逐漸增大，部分檢查井內(nèi)甲烷濃度分布較為均勻，而沿檢查井垂直深度方向逐漸降低以及先增大后降低的檢查井個(gè)數(shù)較少。究其原因，檢查井內(nèi)氣流受水流流速、外界風(fēng)速、風(fēng)向等多因素的影響，一般情況下，由于檢查井井蓋開啟孔的通氣作用，外部氣流經(jīng)由開啟孔進(jìn)入檢查井內(nèi)，在檢查井上部一定范圍內(nèi)形成氣流循環(huán)，在該處甲烷濃度變化梯度大；而在檢查井下部，由于水流的拖曳作用，在水面上方形成氣流循環(huán)，導(dǎo)致水面上方一定范圍內(nèi)的甲烷濃度分布較為均勻；另外，甲烷的密度比空氣小，受浮力的作用，在檢查井內(nèi)上升，因此：

(1)當(dāng)檢查井井深較小，受內(nèi)外氣流循環(huán)的作用，檢查井內(nèi)甲烷易呈現(xiàn)規(guī)律1的分布。

(2)若檢查井內(nèi)甲烷氣體主要受浮力作用，則甲烷呈現(xiàn)規(guī)律2的分布。

(3)若檢查井上部氣流受外界氣流循環(huán)作用，下部受水流拖曳作用，則甲烷呈現(xiàn)規(guī)律3的分布。

(4)若檢查井上部氣流受外界氣流循環(huán)作用，下部受水流的影響較小，僅受上浮的作用，則甲烷呈現(xiàn)規(guī)律4的分布。

根據(jù)北京市相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在進(jìn)入污水檢查井作業(yè)前，需要檢測(cè)其內(nèi)部氧氣、有毒有害和可燃?xì)怏w的濃度，由于污水管網(wǎng)氣流復(fù)雜，檢查井內(nèi)的甲烷氣體濃度并非都是上部最高，因此，在進(jìn)行有限空間作業(yè)前，不能僅僅檢測(cè)一個(gè)位置的甲烷濃度，以免對(duì)其內(nèi)部作業(yè)環(huán)境判斷錯(cuò)誤。

3.2 季節(jié)對(duì)甲烷濃度分布的影響

以北京市某一污水溝段為研究對(duì)象，選取該溝段上的6個(gè)檢查井，在春、夏、秋、冬四季分別對(duì)該溝段6個(gè)檢查井內(nèi)甲烷氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)當(dāng)天的溫度分別為23、39、25、9℃。圖2是該溝段各檢查井甲烷濃度在不同季節(jié)的測(cè)量結(jié)果，圖2中甲烷濃度取各檢查井甲烷濃度最大值。

圖2 春、夏、秋、冬四季各檢查井甲烷濃度Fig.2 The methane concentration of each manhole in spring，summer， autumn and winter

從圖2中可以看出，甲烷濃度的最大值出現(xiàn)在夏季，且夏秋兩季甲烷濃度相對(duì)較高，春季相對(duì)較低，冬季6個(gè)檢查井中未檢出甲烷。溫度差異是造成甲烷濃度四季變化的主要影響因素，因?yàn)榧淄槭俏鬯芫W(wǎng)生物膜內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌(MA)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，而產(chǎn)甲烷菌是厭氧菌，溫度對(duì)其生長(zhǎng)繁殖有較大影響，研究表明在大于28℃時(shí)，是其適宜的生長(zhǎng)溫度。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，污水檢查井內(nèi)存在的可燃?xì)怏w包括甲烷、氫氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣，且甲烷占比最大，氫氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣所占比例較少，但這些氣體的存在將會(huì)對(duì)甲烷爆炸特性產(chǎn)生影響。

(2)沿檢查井高度方向上，甲烷濃度分布規(guī)律不盡相同，檢查井井深對(duì)甲烷濃度分布有較大影響，深度較小的檢查井內(nèi)甲烷濃度易呈均勻分布，而深度較大的檢查井內(nèi)甲烷濃度易呈逐漸降低或先增大后降低的分布規(guī)律。

(3)檢查井內(nèi)甲烷濃度季節(jié)變化性較為明顯，夏秋兩季濃度較高，秋季相對(duì)較低，冬季未檢出甲烷。