市政污水检查井可燃气体组分及分布影响因素研究

2021-02-24杨春丽副研究员艳研究员杨龙龙妍高级工程师

安全 2021年1期

杨春丽副研究员刘艳研究员杨龙龙秦妍高级工程师

(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

地下污水管网承载着城市排污功能，其安全运行是城市经济繁荣、社会稳定和人民安居乐业的重要保证。污水管网内环境阴暗、潮湿，污物中携带着大量生活垃圾和淤泥，在厌氧条件下受微生物的作用，分解产生甲烷、一氧化碳、氢气等多种内源性可燃气体。同时，管网内还可能存在由输油管线泄漏、偷排等产生的外源性可燃气体，如油气、挥发性有机溶剂等。由于管网自身结构特点，内部空气流通不畅，可燃气体不能及时排出，在管道中不断积累；加之，管网内易堵塞，会进一步加剧气体积聚程度，当达到一定浓度时，遇明火极易发生爆炸事故。几年来，随着我国城市的快速发展，城市污水管线长度迅速增长，爆炸风险大幅增加，气体爆炸事故时有发生。

市政污水管网内存在的内外源性可燃气体成分复杂，很难全面掌握其内所有可燃气体组分，由于硫化氢造成的中毒、污水管道壁腐蚀等问题比较严重，对其组分浓度、产生机理、影响因素等方面的研究开展较早。近年，由于污水管网内甲烷的产排会对温室效应带来影响，国外学者开展污水管网甲烷产生影响因素相关研究。2008年，Albert Guisasola等报道污水系统内会产生大量的甲烷气体，并且其产量随着污水的水力停留时间以及污水管道生物膜比表面积(A/V)的增大而增大；2009年，Jeff Foley等报道一个预估压力流污水管道内甲烷产生量的理论模型，该模型是通过现场测定并拟和污水内溶解甲烷浓度而建立的；同年，Albert Guisasola等报道压力流污水管网甲烷的产生与水力停留时间(Hydraulic Retention Time，HRT)和生物膜比表面积(A/V)具有较高的相关关系；2014年，Thitirat Chaosakul等首次报道重力流污水管道内甲烷气体逸散量与温度、HRT和生物膜比表面积(A/V)之间的量化关系式，该关系式是基于大量现场检测数据建立的；2015年，Yiwen Liu等报道污水管道内沉积物产生的甲烷量不可忽视，并且温度对其产生量有较大影响。近年来，重庆等地区污水管网燃爆事故高发，国内研究者开始关注污水管道内的可燃气体，并开展分布影响因素等相关研究，2010年，米莉报道可燃气体的积聚机理，认为可燃气体会存在3种积聚结果：稳定状态、扰动状态、聚集状态；2012年，方德琼报道不同污水管道内甲烷气体浓度差异很大；2013年，周瑜等报道COD、硫酸盐、硫化物、温度、PH等因素对市政管道内污水甲烷产生的影响；2016年，张远报道污水管道内甲烷浓度随检查井深度和污水流向的变化规律。目前国内外的研究大多针对内源性气体甲烷和硫化氢气体的浓度和分布，其内可燃气体的组分比例还不十分明确，并且国外的研究主要针对压力流污水管网，而我国的污水管网大多为重力流污水管网，二者内部气体分布存在较大差异，因此有必要更深入研究我国污水管网内可燃气体的组分和运移分布。

本文以市政污水检查井为研究对象，采用大量现场检测，统计分析污水检查井内主要可燃气体的组分比例和浓度范围，研究影响可燃气体分布的主要因素，以期为污水管网燃爆灾害的防控提供理论依据。

1 检测仪器和方法

现场检测时，采用2台英思科便携式MX6 iBRiD复合式多气体检测仪进行检测，其中一台可以检测氧气、甲烷、硫化氢、一氧化碳、氨气、二氧化碳6种气体，另一台可以检测氢气和总的可燃气体。因此仪器可测量甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢和氨气共5种可燃气体浓度，同时可测量总的可燃气体浓度。仪器的测量范围，见表1。

表1 仪器测量范围和精度Tab.1 The measuring range and accuracy of the instrument

检测时每隔0.5m布置一个测点，且检测时不开井盖，将软管从检查井开启孔内放入，检测检查井内不同位置可燃气体的浓度，共测量18个沟段，18个沟段污水来源不同，测量季节也不同，其中个别沟段在不同季节测量了多次。

2 污水检查井可燃气体组分分析

通过对18个沟段126个检查井进行检测，其中总的可燃气体和氢气的浓度来自于其中11个沟段83个检查井，发现除一个沟段的检查井内甲烷和总的可燃气体超过检测仪的测量范围，其余的均在测量范围内，所测检查井各类可燃气体的浓度范围，见表2。

表2 所测检查井各类可燃气体的浓度范围Tab.2 Distribution of various combustible gases concentration in sewage manhole

从表2可以看出，甲烷是可燃气体的主要成分，一氧化碳、硫化氢、氢气和氨气4种可燃气体组分之和小于0.02%vol。

常温常压下，甲烷、一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气5种气体的爆炸极限范围分别为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。根据检测结果，这些沟段内一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气4种可燃气体的浓度均远低于其爆炸极限范围，发生爆炸的可能性较小，而个别沟段内甲烷浓度高于爆炸极限范围，存在甲烷爆炸的可能性，虽然一氧化碳、硫化氢、氢气和氨气4种气体浓度不足以引发爆炸，但这些气体的存在对甲烷爆炸极限以及爆炸后的强度和破坏效应将会产生一定影响。研究表明氢气的存在会大大降低甲烷爆炸下限，当混合气体中加入浓度为0.5%vol氢气时，甲烷浓度为2.4%vol就会发生爆炸。另外，检查井内二氧化碳浓度、水蒸气浓度较高，而这些气体的存在会在一定程度上降低爆炸风险，因此在进行爆炸风险评估时，应综合考虑多种因素的共同作用，才能获得正确有效的评估结果。

为分析甲烷和总的可燃气体之间的关系，在所测量的11个沟段83个检查井310个测点中，除去甲烷和可燃气体检测值均为0的测点，以及甲烷和总的可燃气体浓度超测量范围的2个测点，共有173组数据。通过对这些数据进行分析，获得甲烷与总的可燃气体之间的关系，如图1。可以看出对于大部分测点，总的可燃气体浓度略高于甲烷气体浓度，在可燃气体浓度高的地方，甲烷浓度也较高。

图1 甲烷气体浓度和总的可燃气体浓度关系Fig.1 Relationship between methane andtotal of combustible gas

甲烷与总的可燃气体之比绝大部分在40%～100%之间，是污水检查井内占比较大的可燃气体。由于一氧化碳、硫化氢、氢气和氨气所占比例较小，因此管网内还存在其他可燃性气体，考虑是外源性可燃气体。

把83个检查井总的可燃气体浓度的最大值进行统计，不同浓度范围内检查井数量占比，见表3。从表3中可以看出绝大部分检查井内的可燃气体浓度小于0.5%vol(即10%LEL)，极少部分达到爆炸下限。

表3 检查井内总的可燃气体浓度分布范围Tab.3 Distribution of total combustible gas concentration in sewage manhole

同时对18个沟段126个检查井甲烷浓度的最大值进行统计，不同浓度范围内检查井数量占比，见表4。从表4中可以看出绝大部分检查井内的甲烷浓度小于0.5%vol(即10%LEL)，极少部分达到爆炸下限。

表4 检查井内甲烷气体浓度分布范围Tab.4 Distribution of methane concentration in sewage manhole

3 污水检查井甲烷浓度分布影响因素

从前面检测分析可看出，甲烷是污水检查井内可燃气体的主要成分，研究其分布规律对燃爆灾害控制具有重要意义。

3.1 检查井井深对甲烷浓度分布的影响

针对测出甲烷的检查井，通过统计分析发现，沿着检查井高度方向，甲烷分布规律不尽相同，呈4种分布规律：规律1，分布比较均匀(相差小于0.03%vol)；规律2，随着深度逐渐降低；规律3，随着深度逐渐增大，一般情况下，距离检查井口1m范围内甲烷浓度变化较大，而大于1m范围内甲烷浓度变化较小；规律4，随深度先增大后降低，最大值在中部某一位置。呈不同分布规律检查井个数和井深情况，见表5。

表5 不同分布规律检查井个数及井深Tab.5 The number and depth of sewage manholes of different distribution laws

从表5中可以看出，呈规律1分布的检查井平均井深最小，而呈规律4和规律2分布的检查井平均井深较大，可以推测沿检查井垂直方向上，深度较小的检查井内甲烷浓度易呈均匀分布，而深度较大的检查井内甲烷浓度易呈逐渐降低或先增大后降低的分布规律；另外，从表5中可以看出，大部分检查井内甲烷浓度沿检查井垂直深度方向逐渐增大，部分检查井内甲烷浓度分布较为均匀，而沿检查井垂直深度方向逐渐降低以及先增大后降低的检查井个数较少。究其原因，检查井内气流受水流流速、外界风速、风向等多因素的影响，一般情况下，由于检查井井盖开启孔的通气作用，外部气流经由开启孔进入检查井内，在检查井上部一定范围内形成气流循环，在该处甲烷浓度变化梯度大；而在检查井下部，由于水流的拖曳作用，在水面上方形成气流循环，导致水面上方一定范围内的甲烷浓度分布较为均匀；另外，甲烷的密度比空气小，受浮力的作用，在检查井内上升，因此：

(1)当检查井井深较小，受内外气流循环的作用，检查井内甲烷易呈现规律1的分布。

(2)若检查井内甲烷气体主要受浮力作用，则甲烷呈现规律2的分布。

(3)若检查井上部气流受外界气流循环作用，下部受水流拖曳作用，则甲烷呈现规律3的分布。

(4)若检查井上部气流受外界气流循环作用，下部受水流的影响较小，仅受上浮的作用，则甲烷呈现规律4的分布。

根据北京市相关标准要求，在进入污水检查井作业前，需要检测其内部氧气、有毒有害和可燃气体的浓度，由于污水管网气流复杂，检查井内的甲烷气体浓度并非都是上部最高，因此，在进行有限空间作业前，不能仅仅检测一个位置的甲烷浓度，以免对其内部作业环境判断错误。

3.2 季节对甲烷浓度分布的影响

以北京市某一污水沟段为研究对象，选取该沟段上的6个检查井，在春、夏、秋、冬四季分别对该沟段6个检查井内甲烷气体浓度进行检测，检测当天的温度分别为23、39、25、9℃。图2是该沟段各检查井甲烷浓度在不同季节的测量结果，图2中甲烷浓度取各检查井甲烷浓度最大值。

图2 春、夏、秋、冬四季各检查井甲烷浓度Fig.2 The methane concentration of each manhole in spring，summer， autumn and winter

从图2中可以看出，甲烷浓度的最大值出现在夏季，且夏秋两季甲烷浓度相对较高，春季相对较低，冬季6个检查井中未检出甲烷。温度差异是造成甲烷浓度四季变化的主要影响因素，因为甲烷是污水管网生物膜内的产甲烷菌(MA)厌氧发酵的产物，而产甲烷菌是厌氧菌，温度对其生长繁殖有较大影响，研究表明在大于28℃时，是其适宜的生长温度。