化粪池可燃气体分析及安全运行研究

张茜 赵瑞东 贺洁

［北京市城市管理研究院（生活垃圾检测分析与评价北京市重点实验室），北京 100028］

1 引言

最早的化粪池起源于19 世纪的欧洲，距今已有100 多年的历史［1］。化粪池是利用截留沉淀和厌氧发酵原理，去除生活污水中悬浮性有机物的处理装置，它的主要作用有保障生活环境卫生、过滤沉淀污染物、厌氧腐化灭虫卵、熟化污泥作肥料等。化粪池是相对密闭的系统，在运行过程中，厌氧反应会产生一定量的可燃气体（主要是甲烷，其次是氨、硫化氢）。虽然化粪池会定期清掏，但随着粪便量的不断增加，如清掏不够及时则粪便板结容易堵塞导气管，导致通风效果差，产生的可燃气体不能及时排出，易在化粪池池体上方空间及相邻窨井内积聚，当其浓度达到爆炸极限，一旦遭遇明火种（火星、未灭的烟头或燃放的鞭炮等）便会引起爆炸。近年来，化粪池可燃气爆炸造成人员伤亡及财产损失的事故时有报道。城市中的公共厕所化粪池为了便于吸粪车的进出，一般设置在路边，有的还设在人流密集的闹市区，一旦发生爆炸后果不堪设想。化粪池对城市运行安全至关重要，若管理不善将成为城市中的“定时炸弹”。因此，对化粪池内可燃气体的形成、浓度变化及影响因素进行研究，采取针对性措施以消除安全隐患，对于保障城市安全运行十分必要。

2 检测对象与方法

2.1 化粪池结构

目前我国主流化粪池主要为三格式，由3 个相互连通的密封池体组成，分为钢筋混凝土和砖砌2种结构，如图1 所示。粪便由进粪管进入第一池体，粪渣沉入池底，上清液依此顺流至第三池，其中，第一池体主要起截留粪渣、发酵和沉淀虫卵作用；第二池体继续发酵；第三池体贮存溢流的上清液，在每个池体上方分别设有清掏口。自出粪口流出的上清液已经过两次发酵，基本不含寄生虫卵和病原微生物，可直接作为种植有机肥料或直接排入市政管网。

图1 三格式化粪池构造

化粪池具有结构简单、便于管理、不消耗动力和造价低的优点，是污泥处理最初级的方法。它能截留生活污水中50%的粪便、纸屑、病原虫等杂质，使BOD 浓度降低20%。沉淀下来的污泥经3～12 个月的厌氧分解、酸性发酵、脱水熟化后，转化为稳定状态可清掏出做肥料［2］。化粪池虽然可收集粪便，并初步进行无害化处理，但也存在许多缺点，如化粪池去除有机物的能力有限且必须定期清掏，一般清掏周期为3～12 个月。如管理不善可能导致溢流污染环境、渗漏污染地下水源、可燃气易引发爆炸等问题。我国南方少数城市已逐步开展取消化粪池试点工作，目前大部分省、市仍规定在建筑室外排水系统接入市政污水管网前设置化粪池，只是化粪池的设置有不同要求，尚无全部取消化粪池做法的地区［3］。

2.2 化粪池内可燃气体特性

化粪池中可能存在的可燃气体有污水或沉积污泥分解产生的内源性生物气体（化工企业偷排、油气储罐或管线泄漏、居民倾倒液化气残渣等产生的外源性可燃气体除外），如甲烷、一氧化碳、硫化氢、氢气、氨等，其产量受温度、污水浓度、水力停留时间等因素的影响［4］。甲烷主要是由一类包括甲烷杆菌属（Methanobacterium）、甲烷球菌属（Methanococus）和甲烷八叠球菌属（Methanosarci）的专性厌氧微生物产生，它们可以利用氢的厌氧氧化获取能量，以CO2为电子受体，终产物为甲烷和水。一般情况下，甲烷是无色无味气体，其结构比较稳定，不容易发生反应，也不容易被捕捉，由于其比重较空气轻，大部分积聚在化粪池的上部空间，如达到爆炸极限，遇到明火便引起爆炸。

甲烷发生爆炸必须具备以下3 个条件：一是甲烷浓度。甲烷的爆炸极限在浓度5%～15%之间，最强烈的爆炸发生在甲烷浓度为9.5%左右。二是引火温度。甲烷的引燃温度为650～750 ℃，明火、烟头、电器火花、撞击摩擦产生的火花等都可以引燃甲烷。甲烷浓度不同，点燃温度也有所差异，在浓度6.58%时最易引燃。三是氧气浓度。随着氧气浓度的增加，爆炸极限范围会扩大，尤其是爆炸上限提高得更快，随着氧气浓度降低，甲烷爆炸下限缓慢增高，上限则迅速下降，氧气浓度降低到12%，甲烷混合气体即失去爆炸性，遇火也不发生爆炸，并且化粪池中产生的其他可燃气体，如氨、硫化氢气体在一定浓度下也会引起爆炸。各种气体点燃温度及爆炸极限见表1。

表1 各种气体点燃温度及爆炸极限

2.3 检测方法

为了解公厕化粪池内甲烷等可燃气体的情况，研究人员对北京市朝阳区78 座公共厕所化粪池内的气体进行了检测。通常检测可燃气的方法有催化燃烧和红外两种手段。热催化元件易受恶劣现场环境影响，使用一段时间后容易出现零点漂移、灵敏度下降，需要频繁人为校正［5］。本文采用手持式甲烷气体检测仪进行检测。内置抽气泵主动将气体吸入仪器内部，通过气体吸收强度的检测，计算出甲烷气体的浓度，直接显示检测气体浓度值，并且激光原理具有不受外界温度、湿度、压力的影响，不受其他气体干扰、长期使用无漂移的特性。

仪器参数：测量对象甲烷（CH4）；防爆等级ExiaIICT4；使用环境温度-20～50 ℃；相对湿度≤0～90%RH；仪器类型手持式；检测方式内置泵吸式，流量800 mL/min；测量范围0～25%VOL、0～100%LEL（可燃气体在空气中遇明火种爆炸的最低浓度，称为爆炸下限，简称“LEL”）、0～1 000 ppm、0～100 ppm；分辨率0.1%VOL、1%LEL、1 ppm、0.1 ppm；测量精度±3%F.S；工作电源DC3.7 V；数据记录超10 万组存储数据，存储间隔10～3 600 s，可调。

根据检测结果对化粪池内甲烷气体含量进行分析研究。为保证检测数据有效可靠，每座公厕检测3次，间隔时间为2～3 d，取最大值作为标准，取样点在化粪池窨井口30～40 cm 处。

3 数据分析

3.1 总体情况

检测结果显示，公厕氧气浓度在20%左右，浮动范围1%；硫化氢的浓度最大到58 ppm（即0.005 8%），远达不到爆炸下限；而甲烷气体的浓度变化范围较大。图2 是78 座化粪池内甲烷气体浓度检测的数据统计汇总。

图2 78 座化粪池甲烷浓度及分布

从图2 中可看出，所有化粪池均有不同浓度的甲烷气体存在，且大部分在10%～40% LEL 之间。甲烷监测值大于50%LEL 的化粪池有6 座（其中2 座甲烷浓度已接近爆炸下限），甲烷监测值在10%～50%LEL 之间的化粪池有52 座，甲烷监测值大于10%LEL 占所测化粪池的比例约74.36%。具体分析结果如下：所测化粪池内气体，甲烷浓度在10%～20%LEL（低风险，33 座）占42.30%，在20%～50%LEL（一般风险，19 座）占24.36%，超过50%LEL（高风险，6 座）占7.69%。

通常相对密闭空间内，可燃气体浓度达到20%LEL，就必须采取防爆措施，对于超过50%LEL 的地方，需要及时处理，否则就有爆炸的可能。

3.2 化粪池甲烷气体浓度空间分布

现场对距窨井口不同深度的化粪池内甲烷气体浓度进行连续检测，气体浓度随距窨井口深度的变化如图3 所示。由图3 可以看出，甲烷浓度随着窨井口距离的深入浓度逐渐增加，在距离窨井口30～40 cm处浓度最高，之后随着距离增加浓度开始逐渐降低。

图3 化粪池内甲烷浓度空间变化趋势

3.3 化粪池甲烷浓度日变化情况

对位于不同区域的3 个化粪池一天24 h 的甲烷浓度进行检测，检测3 次数值并取平均值。由图4可以看出，不同区域化粪池内甲烷浓度呈现出规律的日变化，其中，在04：00 和08：00 甲烷浓度出现明显小峰值，16：00 以及21：00 甲烷浓度出现高峰值，其他时间段甲烷浓度均保持低值平缓变动。餐饮区与居民区峰谷波动较大，街区、公园等公共区域峰谷波动较小。

图4 化粪池内甲烷浓度日变化趋势

化粪池内甲烷浓度日均变化趋势与人们的生活息息相关。随着人们一天活动的开始，池内甲烷浓度逐渐升高，并逐渐达到峰值浓度；随着人们密集活动的结束，甲烷浓度又逐渐下降，并保持小幅度变化，直至下一个高峰时段。甲烷浓度峰值一般出现在人们早晨起床后和饭后的一段时间内。

3.4 化粪池甲烷浓度季节变化情况

对同一化粪池，在每月同一时间进行检测（选择13：00—14：00 甲烷气体相对较高的时间），间隔15 min检测3 组数据，取平均值。由图5 可以看出，甲烷浓度由高到低排序依次是夏季、秋季、春季、冬季。由此可见，甲烷浓度受气温影响，温度越高，甲烷浓度越高。

图5 化粪池内甲烷浓度的季节变化趋势

3.5 小结

从以上分析可以得出，化粪池内甲烷浓度变化受人们的生活活动带来的排污特征、季节变化等因素影响。白天污水排放量增加，化粪池中有机物浓度较高，导致甲烷浓度升高，形成白天甲烷浓度的峰值时段。夜间由于污水排放很少，对化粪池冲击扰动减少，池内粪水发酵产气，气体浓度升高，形成局部气体高浓度时间点。经过一整夜的时间，清晨化粪池内甲烷量增大，随着人们起居活动，污水的排放冲击淤泥对化粪池扰动，使得甲烷大量释放到空气中，形成了又一个高浓度时间点。

甲烷浓度受气温影响，温度越高，甲烷浓度越高，夏季甲烷浓度几乎是冬季的2 倍以上。因此，对于不同的公共厕所化粪池，由于检测时的气温、化粪池内粪便含量差异，甲烷、氨、硫化氢等气体的浓度均不同，甚至对同一座公共厕所的化粪池检测时甲烷浓度的最大值也不是每次都一样。

另外，化粪池清掏周期与甲烷浓度有一定关系，粪水滞留时间越长，产生的甲烷浓度就越高。一般情况下，公共厕所的化粪池3～7 d 清掏1 次，检测数据发现，同一化粪池刚清掏过其甲烷浓度要低于平时。调查还发现，未通市政管网的化粪池（贮粪池）虽然清掏较频繁，但甲烷浓度普遍高于通市政管网的化粪池。因此为保障化粪池运行安全，一方面要增加其清掏频次，另一方面可通过增加通风手段改善通风效果以降低甲烷浓度。

4 结论与建议

化粪池的安全问题越来越受到人们的重视，对于其存在的问题需要通过各种有效的途径去解决，以防止风险的发生，更好地保障人们的正常生活。

（1）优化结构设计。结合井盖、通风以及化粪池的构造设计，合理设置分格大小、深度，根据甲烷积聚位置合理布设通风排气装置，让化粪池保持良好通风状态，避免产生通风死角，使产生的可燃气及时排到大气中。

（2）定期清掏化粪池。根据情况评估合理确定清掏周期，增加清掏频次，规范清掏作业，减少发酵物的存在。发酵物减少了，化粪池产生的沼气也就变少了。

（3）加强运行监督管理。根据过往化粪池爆炸的案例，大多数是因为放鞭炮或清理化粪池时抽烟等导致事故发生。因此，要建立完善的管理体系，对各类化粪池登记、建档，制定清掏计划，形成运行记录。加强对相关从业人员的安全教育培训，督促其增强安全意识，在对化粪池进行清理时，严格规范作业。同时加强防范，定期对化粪池周边情况进行巡逻检查，对游客行人的不当行为及时制止，防止意外发生。

（4）推广技术应用。应用在线监测技术，利用物联网、大数据、监控等先进技术，对化粪池窨井进行在线实时数据监测，一旦发现问题应及时处理解决，防患于未然。