地下式城镇污水处理厂气体在线监测设计

2023-03-09马建河何思源

自动化与仪表 2023年2期

马建河，何思源

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000）

随着城市化进程的快速推进以及人们对于环境质量要求的不断提高，地下式城镇污水处理厂（后文简称为地下污水厂）在我国得到了越来越广泛的建设。污水处理会产生H2S、NH3等有毒气体，CH4等易爆气体；地下式污水厂因空间封闭、空气流动性差，有毒有害气体易聚集，给污水厂运行带来了巨大的安全隐患，如何合理又经济的设计气体在线监测系统尤为重要。

1 监测气体种类选择

地下污水厂常规工艺流程为预处理（粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池、除沉池），生物处理（厌氧区、缺氧区、好氧区），深度处理，消毒及外排，污泥脱水系统，加药系统，鼓风曝气系统，臭氧制备投加系统等部分，根据有毒有害气体产生来源，可分为以下三类。

1.1 污水、污泥方向

污水、污泥会产生大量臭气，以H2S、NH3最为常见（H2S、NH3有毒，吸入少量H2S 可短时间内致命）[1]。

经污水管网的污水、生物池厌氧区、长时间堆积的污泥均会产生沼气，其主要成分为CH4，占比约为50%～80%，空气中如含有8.6%～20.8%（按体积计）的沼气，即可形成爆炸性的混合气体[1]。

地下式污水厂虽设置除臭、通风措施，但考虑到其空间封闭，泄露、未及时排出的气体经长时间聚集，可能会导致局部空间的有毒有害气体浓度超过标准值。通过分析臭气、沼气的主要组成，地下污水厂需重点监测H2S、NH3、CH43 种气体。

1.2 处理工艺方向

常规污水厂处理工艺投加的药剂（如：NaClO、O3等）分解、泄露会产生以下有毒有害气体。

O3：设置O3接触池时，O3投加管、O3接触池、尾气破坏器等处可能会有O3泄露。O3有毒，在320 μg/m3O3环境中活动1 h 就会引起咳嗽、呼吸困难及肺功能下降。

Cl2：NaClO 药液与空气中的CO2反应生成Cl2。Cl2有毒，在30 ppm 环境中，引起剧烈咳嗽；在40～60 ppm 环境中，接触30～60 min 可能引起严重损害。

本文仅针对常规处理工艺投加的药剂，地下厂重点监测O3、Cl22 种气体；实际设计时，应根据处理工艺投加的药剂，重点监测相应气体。

1.3 运行维护方向

污泥车间、加药间位于地下时，在运行维护阶段，泥车、送药储罐车频繁出入地下箱体，产生的气体尾气以CO 为主。

地下污水厂设备、巡检人员均在地下环境工作，应设置环境监测（如：温湿度、O2浓度等），方便管理人员了解地下箱体内部环境。

综上所述，地下污水厂地下箱体应监测H2S、NH3、CH4、CO、O3、Cl26 种气体（根据处理工艺投加的药剂，监测相应气体）；有条件时，设置O2监测。

2 气体在线监测系统设计

污水处理过程中，短时间产生的H2S、NH3、CH4、CO、Cl2等气体远不会对人员造成危害，只要及时排出即可，故污水厂气体在线监测系统设计应不同于化工企业。

现有规范、标准均要求地下污水厂需监测H2S、NH3、CH4等气体，但未对气体探测器安装位置、设置间距做具体要求，笔者从气体探测器选型、布置位置、系统设计3 个方面介绍气体在线监测系统的设计。

2.1 气体探测器选型

气体探测器的选型、测量范围、报警阈值设定参照《工作场所有害因素职业接触限值第1 部分：化学有害因素》 GBZ 2.1—2019 要求，并根据污水厂的特点分析确定，具体要求如下：

（1）H2S 气体探测器的主要技术参数[2]：

（a）监测范围：0～15 mg/m3；

（b）设置两级报警，第一级报警阈值不应大于5 mg/m3，第二级报警阈值不应大于10 mg/m3；响应时间不超过60 s；

（c）电气设备防爆结构：防爆型或本质安全型。

（2）CH4气体探测器的主要技术参数[2]：

（a）监测原理：宜采用催化燃烧法；

（b）监测范围应为0～100% LEL；

（c）设置两级报警，第一级报警阈值不应大于10% LEL，第二级报警阈值不应大于25% LEL；响应时间不超过30 s。

（3）NH3气体探测器的主要技术参数[2]：

（a）监测范围应为30 mg/m3；

（b）设置两级报警，第一级报警阈值不应大于10 mg/m3，第二级报警阈值不应大于20 mg/m3；响应时间不超过30 s。

（4）CO 气体探测器的主要技术参数[3]：

（a）监测范围应为30 mg/m3（非高原地区）；

（b）设置两级报警，第一级报警阈值不应大于10 mg/m3，第二级报警阈值不应大于20 mg/m3；响应时间不超过30 s。

（5）O3气体探测器的主要技术参数：

（a）监测范围应为0～0.50 mg/m3；

（b）设置两级报警，第一级报警阈值不应大于0.15 mg/m3，第二级报警阈值不应大于0.3 mg/m3。（O3浓度达到0.15 mg/m3时，应自动开启机械通风装置同时进行预报报警；当室内环境空气O3含量达到0.3 mg/m3时，应进行警报报警并应及时关闭O3发生装置）。

（6）Cl 气体探测器的主要技术参数[4]：

（a）监测范围应为0～1.5 mg/m3；

（b）设置两级报警，第一级报警阈值不应大于0.5 mg/m3，第二级报警阈值不应大于1.0 mg/m3。

（7）环境氧气气体探测器的主要技术参数：

（a）监测范围应为0～25% VOL；

（b）环境氧气的过氧报警设定值为23.5% VOL，环境欠氧报警设定值宜为19.5% VOL。

笔者建议有毒有害气体探测器均需设置两级报警，第一级报警阈值宜设置成工作场所危害浓度限定值50%，且达到第一级报警阈值时需联动进排风机，加大箱体换气次数；第二级报警阈值宜设置成工作场所危害浓度的限定值，且达到第二级报警阈值时，进行声光报警，非事故处理人员，不得位于地下箱体。

2.2 气体探测器布置位置

根据污水厂短时间产生的H2S、NH3、CH4、CO、Cl2等气体远不会对人员造成危害的特点，气体探测器应装于有毒有害气体产生较多区域、空气流通差易聚集区域。

笔者就对地下污水厂的理解，将预处理区域、生物处理区域、除臭装置区域、污泥存储及处理区、负二层区域、NaClO 储罐区域、O3接触池区域等几处区域列为重点监测区域。

（1）气体探测器安装位置[5-6]：

（a）地下箱体负二层，多为管廊、放空、污泥管道泵房区域，且属于通风效果较差、气体易聚集区域。至少监测H2S、CH42 种气体，建议将变送器设置在负二层楼梯间前室，便于运行人员进入负二层区域前了解负二层环境；当负二层单个防火分区较大或较长时，建议增设1 处或几处监测点；

（b）预处理区域、生物处理区域、除臭装置区域、污泥存储及处理区等区域，是有害气体产生较多区域，应设置气体探测器，至少可以监测H2S、NH3、CH43 种气体；当单个防火分区较大或较长时，建议增设1 处或几处监测点；

（c）为了解地下箱体空气质量，在每个防火分区至少设置1 处CO、O2气体探测器，当单个防火分区较大或较长时，建议增设1 处或几处监测点；车辆停留时间较长区域建议增设1 处CO 气体探测器；

（d）地下箱体设置电梯时，考虑到电梯井较为密闭，建议监测电梯井中H2S、NH3、CH4、CO、O2的气体浓度；

（e）考虑到H2S 较重且属于低浓度毒性较大，在泥库、设备坑等低洼处设置独立的H2S 探测器，在粗格栅、细格栅、膜格栅除臭罩外设置独立的H2S探测器；

（f）O3接触池区域、O3投加管途径区域需设置O3气体探测器；

（g）NaClO 储罐旁需设置Cl2气体探测器。

（2）气体探测器安装高度如表1所示。

表1 气体探测器安装高度Tab.1 Installation height of gas detector

2.3 气体监测报警系统设计

常规地上污水厂，气体探测器数量较少，信号接入就近现场控制站（PLC 柜）。地下式污水厂，气体探测器数量较多，从气体监测的可靠性、稳定性、整体性、经济性考虑，笔者建议在每个防火分区设置气体报警控制器，负责本防火分区的气体探测器、声光报警器信号采集与供电，实现本区域的气体探测器的管理、报警等任务，系统接线如图1所示。