污水井中气体分布规律及影响因素研究

2019-09-04艳研究员杨春丽助理研究员

安全 2019年8期

张悦刘艳研究员杨春丽助理研究员

（北京市劳动保护科学研究所职业危害控制技术中心，北京 100054）

0 引言

排污管网是城市排水系统不可或缺的一部分，其主要功能是承接用户排出的污水并将污水输送到污水处理厂。据城乡统计年鉴，截至2017年北京市排污管网长度已达到约1.68万公里[1]。随着排水管网规模的扩大，污水井作业安全问题也日渐凸显。据统计，2006～2017年，12年间北京市共发生污水井作业事故35起，占北京市有限空间作业事故总起数的58.3%，死亡72人，占死亡总人数的63.2%[2]。为保障有限空间作业安全，我国制定的相关法律、法规与作业标准中明确规定，有限空间作业应遵循“先通风，再检测，后作业”的原则[3]。但在实际操作中，当面对市政污水管沟这类横向作业面较长以及竖井部分较深的市政有限空间时，利用现有的检测设备和检测方式，很难对有限空间内的气体环境进行全面检测，也就无法对其作业环境进行准确的危害辨识。因而，为减少污水井作业事故的发生，提高污水井作业的安全水平，有必要分析其内部气体的分布规律及影响因素。

国外研究人员对污水管网中气体生成机制和控制措施开展了大量研究。早在1946年Pomeroy和Bowlus[4]在污水工程杂志上发表的文章表明，城市排水系统中有硫化氢气体产生，并且是导致管网腐蚀、环境恶臭的主要原因。1988年Nielsen和Thorkild[5]对下水道中硫化氢气体的生成机制进行了研究，研究表明污水中有机质含量对污水中生物膜产生硫化氢气体具有重要影响。澳大利亚昆士兰大学高级水管理中心的江光明、刘义文[6-8]等人对污水中甲烷和硫化氢气体的产生机制以及控制措施做了研究，2009～2015年期间，他们研究了实验室规模下污水中不同硝酸盐投加量对硫转化途径的影响，不同硝酸盐投放量会导致硫化物的氧化程度不同。向污水中投加硝酸盐时，硝酸盐先将硫化物氧化为单质硫，剩余硝酸盐继续将单质硫转化为硫酸盐。对优化硝酸盐投加量以控制污水管中硫化物的产生具有一定指导意义。国内学者对污水管网中气体分布规律研究起步较晚，研究较少。2012年胡学斌、方德琼[9]等对重庆市污水井中有毒有害气体进行研究，研究结果表明污水井中气体以甲烷、硫化氢和二氧化碳为主，并且各气体浓度差异较大。2017年严铁生[10]对某南方城市污水井中硫化氢和甲烷气体分布规律进行研究，研究结果表明不同特征源污水井内硫化氢和甲烷浓度分布具有明显差异。

本文在前人研究的基础上，对北京市某区污水沟段检查井内气体进行了现场实测，通过对不同季节和分区的检测结果进行分析，研究了污水井中气体分布规律及其影响因素，为降低污水井作业风险提供理论依据。

1 检测方法和仪器

大量事故统计分析表明缺氧、中毒和燃爆事故是市政有限空间作业事故的高发类型[11]，其中引发污水井事故的物质为硫化氢、甲烷和二氧化碳。本文采用IBRID MX6气体检测仪对污水井内氧气、二氧化碳、硫化氢、甲烷、一氧化碳和氨气进行了检测。为减少井盖开启后对其内部气体分布的影响，检测时不打开井盖，通过井盖上的开启孔放入软管，采用泵吸式气体检测仪进行检测。检测对象为北京市某区15个沟段共100个污水井。

2 结果与分析

在不同季节对15个污水沟段的污水检查井内氧气、二氧化碳、硫化氢、甲烷、一氧化碳和氨气进行了现场检测，其中对沟段1、沟段8和沟段14进行了多次检测。结合被研究污水沟段的污水井的分布情况与周边环境，根据污水的不同特征来源将研究区域划分为住宅区、商业区和餐饮区。餐饮区污水来源以厨房污水为主，住宅区污水来源以生活污水为主，商业区主要污水来源为周边写字楼。

各沟段不同气体的检测结果，见下表。从表中可以看出，所测沟段整体氧气浓度范围为17.3～21.1%Vol，其中住宅区、商业区、餐饮区氧气浓度最低值分别为19.1%Vol、18%Vol和17.3%Vol，均低于我国标准[12]规定的缺氧限值19.5%Vol，有较高缺氧窒息风险；二氧化碳浓度范围为1000～70000mg/m3，其中住宅区、商业区、餐饮区二氧化碳浓度最高值分别为70000mg/m3、43000mg/m3和54000mg/m3，均高我国标准[13]规定的工作场所短时间接触容许浓度（PCTWA值）9000mg/m3，具有较高窒息作业风险；硫化氢浓度范围为0～153mg/m3，其中住宅区、餐饮区、商业区二硫化氢浓度最高值分别为93mg/m3、153mg/m3和130mg/m3，均超出工作场所最高容许浓度（MAC值）10mg/m3，具有较高中毒作业风险；有少量沟段内检出一氧化碳气体，最高值低于我国标准[13]规定的短时容许接触浓度20mg/m3，大多数沟段有少量氨气检出，浓度均低于我国标准[13]规定的短时容许接触浓度20mg/m3，检出甲烷浓度均低于爆炸下限（5%），下面针对污水井中氧气、二氧化碳和硫化氢气体浓度分布规律进行分析。

表污水沟段气体浓度检测结果Tab. Results of gas concentration test in sewage ditchs

2.1 氧气

同一污水沟段不同位置污水井内氧气含量不同，选取最低值代表该沟段氧气含量进行分析。对15个污水沟段进行的氧气含量检测数据中，氧气含量的最高值为21.1%，最低值为17.3%，平均值为19.5%，不同季节污水井氧气含量，如图1。

图1 污水沟段氧气含量Fig.1 Oxygen content in sewage ditchs

从图1中可看出，污水沟段中氧气含量具有明显季节差异。29.2%的污水沟段中氧含量低于19.5%，这些沟段的检测时间集中分布于夏季和秋季。研究[14]表明污水井内缺氧原因主要为好氧微生物对氧气的消耗和生化反应产生二氧化碳等比重大的气体对氧气空间的挤占。受温度影响，夏季和秋季污水井内好氧菌的代谢活性升高，消耗氧气增多，加之产生的二氧化碳等气体对氧气空间的挤占导致污水井内缺氧较严重。

选取不同分区沟段污水井氧气含量最低值进行计算，得出氧气含量平均值，如图2，从图2可知污水沟段中氧气分布具有分区差异。住宅区和商业区氧气平均浓度分别为19.53%Vol和19.93%Vol，均高于作业场所缺氧限值；餐饮区氧气浓度为18.97%Vol，低于缺氧限值。污水井缺氧原因主要为污水中好氧微生物在降解有机物时对氧气的消耗，并且有研究[15]表明，污水中有机物（如COD、BOD）浓度是影响微生物耗氧速率的因素之一，污水中有机物浓度较高时会导致耗氧速率升高，从而加重污水井中的缺氧情况。餐饮区主要污水来源为厨房污水，厨房污水中COD浓度较高[16]，因而餐饮区污水耗氧速率较大，导致缺氧现象较严重，在餐饮区污水井作业时具有较高缺氧作业风险。

图2 污水沟段氧气含量平均值Fig.2 Average value of oxygen content in sewage ditchs

2.2 二氧化碳

在对污水沟段中二氧化碳含量进行检测时，同一污水沟段不同位置污水井内二氧化碳含量不同，选取最高值代表该沟段二氧化碳含量。共统计分析15个沟段二氧化碳含量，数据显示二氧化碳含量的最高值为70000mg/m3，最低值为5000mg/m3，平均值为26000mg/m3，所检测沟段中CO2浓度均远高于正常大气中二氧化碳含量（约600mg/m3）。检测结果，如图3。我国标准[13]规定，工作场所CO2加权时间平均允许含量为（PC-TWA）9000mg/m3，短时间接触容许含量（PC-STEL）为18000mg/m3，由图3可知，几乎所有沟段的二氧化碳含量均高于我国标准[11]规定的加权时间平均允许含量，进行作业时，具有较高窒息风险。

图3 污水沟段二氧化碳含量Fig.3 Carbon dioxide content in sewage ditchs

图4为不同季节污水沟段CO2含量平均值，由图4可知污水沟段中CO2含量分布具有季节差异，夏季和秋季CO2浓度较高且高于短时接触限值，春季和冬季CO2浓度低于短时接触限值。污水中的好氧微生物分解有机物时会产生水和二氧化碳并释放能量，温度是影响微生物活性的重要因素之一[17]，受气温影响，夏季和秋季微生物反应活性较强，产生了大量CO2，导致污水沟段中CO2浓度较高，具有较高的窒息作业风险。

图4 不同季节污水沟段二氧化碳气体含量平均值Fig.4 Average value of carbon dioxide in sewage ditchs in different seasons

选取不同分区沟段的污水井二氧化碳含量最高值进行计算，得出二氧化碳平均值，如图5。从图5可知3个分区的二氧化碳含量平均值均高于短时间接触容许含量限值，餐饮区污水沟段检查井中二氧化碳含量相对商业区和住宅区较高，具有较高的窒息作业风险。

图5 不同分区污水沟段二氧化碳气体含量平均值Fig.5 Average value of carbon dioxide in sewage ditchs of different zones

2.3 硫化氢

在对同一沟段不同污水井中硫化氢浓度进行检测时，由于每个污水井的硫化氢浓度有所差异，选取硫化氢浓度最高值代表该沟段的硫化氢含量。对污水沟段进行的24次硫化氢浓度检测数据中，硫化氢含量最高值为153mg/m3，最低值为1mg/m3，平均值为51mg/m3，不同污水沟段的硫化氢浓度，如图6。由图6可知，几乎所有沟段的硫化氢含量均高于我国标准[11]规定的职业接触最高容许浓度值（MAC），进行作业时，具有较高硫化氢中毒风险。