城市污水管道甲烷爆炸防控對策研究現狀及展望

張 遠，呂淑然，楊 凱，張司邈（.首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京00070；.首都經濟貿易大學外語系，北京00070）

城市污水管道甲烷爆炸防控對策研究現狀及展望

張 遠1，呂淑然1，楊 凱1，張司邈2
（1.首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京100070；2.首都經濟貿易大學外語系，北京100070）

城市污水管道甲烷爆炸的事故屢有發生，給城市居民的人身和財產安全帶來了嚴重的威脅，因而研究污水管道甲烷氣體爆炸的防控對策具有重要意義。通過對大量國內外相關文獻進行分析，總結了關于城市污水管道甲烷爆炸防控對策研究的不足:①沒有對城市污水管道內甲烷氣體開展系統性檢測分析，過往監測也未考慮外界環境因素對甲烷氣體檢測的影響；②沒有對污水管道內甲烷氣體聚集和運移規律開展研究，過往研究以污水管道內可燃性氣體預警和風險評估為主；③國內關于污水管道內甲烷爆炸的防控對策研究仍是不完善的，沒有從控制污水管道內甲烷形成、減少污水管道內甲烷聚集方面提出技術性措施。基于此三方面的問題，最后提出城市污水管道甲烷氣體爆炸防控措施在今后的研究方向。

城市污水管道；甲烷爆炸；檢測；聚集規律；預防和控制

城市污水管道是城市排水管網的重要組成部分，用于收集、凈化和輸送區域降雨、居民產生的生活污水以及工業生產的廢水。城市污水管道內環境陰暗、潮濕，空氣流通不暢，污水中攜帶著大量的生活垃圾和淤泥，這些生活垃圾和淤泥在污水管道內流動淤積過程中被微生物分解，產生大量有毒有害、易燃易爆的氣體，如甲烷（CH4）、硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等。這些有毒有害、易燃易爆氣體充斥在城市污水管道內，加之廢棄化石燃料的傾倒和流入，以及污水管道建設受地理條件限制和輸油輸氣管道近距離布置等原因，許多城市污水管道已成為居民身邊的“炸彈”，嚴重威脅著居民的生命和財產安全。

近幾年來，國內關于城市污水管道（窨井）爆炸的事故屢有發生，如2013年2月9日上午，河南省駐馬店市中華大道東段一處下水道發生意外爆炸，現場導致一死一傷，經查明事故原因是燃放鞭炮時引燃了下水道內的沼氣從而引發意外爆炸；2014年2月20日，武漢市硚口區長豐大道與古田二路交匯路口下水道發生爆炸，造成2人輕傷、6車受損、路面破損，經查明爆炸原因是由沼氣聚集引起；2015 年1月14日，內蒙呼和浩特某小區一名9歲男孩向下水道井蓋內扔爆竹引起爆炸。從上面的幾起事故可以看出，城市污水管道內存在到達爆炸濃度的沼氣是造成以上事故的主要原因之一。

沼氣的成分較為復雜，其主要成分是甲烷，城市污水管道內的甲烷是由于污水管道內的有機物在厭氧條件下發酵而來，甲烷在空氣中的爆炸極限范圍（體積比）為5%～16%，當空氣中甲烷濃度為9.5%時，此時化學反應最完全，爆炸最劇烈［1］。值得注意的是，甲烷的爆炸極限不是固定的，它受很多因素影響，當污水管道內的甲烷遇到可燃性氣體（H2S、H2、CO）、泄漏的天然氣、石油蒸汽等將會增加爆炸的可能性。基于以上分析，有必要對預防和控制城市污水管道內沼氣（甲烷）爆炸展開研究，從而提出切實可行的對策措施，進而保障城市居民的生命和財產安全，促進城市化建設安全快速的進行。

1　國內外研究現狀

1.1污水管道內甲烷形成機理與影響因素研究

國外在污水管道設計建設方面安全要求非常高，甚至給污水管道安裝專門的通風設備［2］，企業和居民環保意識較強且排污也比較規范，因而很少見國外城市污水管道因沼氣聚集而爆炸的相關報到，但鑒于甲烷是溫室氣體，國外學者更注重研究污水管道內甲烷形成機理與影響因素。如Bryant［3］通過研究產甲烷菌和產氫產乙酸菌，提出了有機物被微生物分解發酵產生甲烷的三階段理論:水解發酵階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段；Gutierrez［4-5］團隊通過分析p H值對污水生物膜上厭氧硫酸鹽還原菌和產甲烷菌的影響，結果表明將p H值提高到8.6～9.0能抑制甲烷的產生，從而提出了通過堿度控制能更加有效地抑制甲烷的產生和排放，并通過試驗指出可通過升高污水管道中的p H值，將污水管道中的甲烷產量控制在25%以下；Mohanakrishnan等［6］研究了亞硝酸鹽對污水管道實驗室模型中硫化氫和甲烷產量的抑制效果，連續25 d對試驗模型中加入20～140 mg N/L的亞硝酸鹽，亞硝酸鹽存在的情況下沒有觀察到反應器中硫化氫和甲烷的積累，生物膜上的硫酸鹽還原和產甲烷能力顯著降低，當停止加入亞硝酸鹽后，硫酸鹽還原能力和甲烷產量逐漸恢復，表明亞硝酸鹽可以間歇地控制污水管道中硫化氫和甲烷的形成，亞硝酸鹽可以作為一個有前途的和有效的策略控制下水道中硫化氫和甲烷形成；Jiang等［7-8］研究了亞硝酸鹽的濃度和接觸時間對下水道系統中硫化氫和甲烷形成的影響，試驗表明亞硝酸鹽的加入能有效、間歇性地減少污水管道內硫化氫和甲烷的生成，并研究了實驗室污水管道模型中通過改變加入的亞硝酸鹽劑量、時間長短以及時間間隔對控制污水管道內生成甲烷和硫化氫的影響，試驗結果表明接觸低至0.26 mg N/L的亞硝酸鹽12 h后能夠有效抑制硫化氫的生成，接觸0.09 mg N/L的亞硝酸鹽6 h足夠有效抑制甲烷的生成。Sudarjanto等［9］通過試驗評價了澳大利亞市場上新興的三種生物制品對控制下水道系統中甲烷和硫化氫排放的效果，結果表明這三種生物制品與傳統的硝酸鹽、鐵鹽和氫氧化鎂相比對控制污水管道中硫化氫和甲烷的排放沒有影響；Liu等［10-11］研究了實驗室污水管道沉積物模型中硫化氫和甲烷的產生方式，結果表明評估下水道中硫化氫和甲烷的排放不能忽略下水道中沉積物的貢獻，實驗室條件下增加亞硝酸鹽對污水管道中沉積物的作用，大量測試結果表明增加亞硝酸鹽不會抑制污水管道沉積物中硫化氫的產生，而在亞硝酸鹽頻繁出現的區域甲烷的生成活動則被完全抑制，甲烷的產生區域出現在污水管道沉積物中亞硝酸鹽少見的更深處；Sun等［12］研究了減少用水量對污水管道中硫化氫和甲烷形成的影響，大量試驗結果表明減少用水量的情況下，沒有改變污水管道中生物膜上硫酸鹽還原活性，但產甲烷菌活性增加了，隨著較長的水力停留時間（HRT），甲烷的產量會增加，而且減少用水量的條件下溶解的甲烷濃度超過了正常流動條件下的兩倍，總的甲烷排放量約為正常流動條件下的1.5倍，潛在地導致更高的溫室氣體排放。

從以上研究可以看出，國外研究了污水管道內甲烷產生的影響因素，通過向污水管道內加入硝酸鹽或改變污水管道內p H值的方法來控制污水管道內甲烷的產生和排放。而國內關于這方面的研究相對較少，污水管道沼氣爆炸事故多發的城市應該借鑒這些方法來控制污水管道內甲烷的形成，同時應該加強污水管道內甲烷產生機理與影響因素研究，從而為控制污水管道的內甲烷形成提供理論依據。

1.2污水管道內甲烷檢測研究

由于國內城市化進程加快，城市人口越來越多，城市的污水管道排污量加劇，污水管道內氣體發生爆炸和中毒事故頻繁發生，從成分和濃度來分析污水管道內導致事故的氣體就顯得尤為重要。2009 年4月7日，我國住房和城鄉建設部首次發布城鎮建設行業標準——《城鎮排水設施的氣體檢測方法》（CJ/T307—2009）［13］，該標準從2009年10月1日開始實施，本標準規定了城鎮下水道中的可燃性氣體、H2S、O2、氨氣、CO、SO2、Cl2、CO2和總揮發性有機物氣體的實驗室檢測方法和現場快速檢測方法，同時規定了甲烷采樣高度為檢查井空間垂直高度自下往上的五分之四處，甲烷實驗室測定方法為氣相色譜法，現場便攜式測定方法為催化燃燒法。

現場便攜式檢測儀分為單一氣體檢測儀（如甲烷檢測儀、硫化氫檢測儀等）和多氣體檢測儀（能夠同時檢測兩種以上氣體），國內市場上研發的便攜式甲烷檢測儀主要用于礦山，俗稱瓦檢儀。目前市場上甲烷便攜式檢測儀種類比較多，一般由采樣器、檢測器、指示器、報警顯示器和電源幾個部分組成，其甲烷檢測原理主要為催化燃燒式和光干涉式。催化燃燒式便攜甲烷檢測儀是礦井專用瓦斯檢測儀器，光干涉式便攜甲烷檢測儀屬本質安全型，被廣泛應用于礦井、環境保護、公共場所等易燃、易爆、溫度在-10～+40℃范圍內變化較大的場所的甲烷等氣體濃 度 的測 定［14］。

國外則開發了比較先進的針對地鐵、下水道等地下空間的便攜式多氣體檢測儀，該檢測儀同時可以檢測空間中的多種氣體濃度，如美國開發的 M40復合式多氣體檢測儀、MX4復合式4氣體檢測儀、QRAE（PGM-50Q）五合一氣體檢測儀、VRAE （PGM-7800）五合一氣體檢測儀等，美國英思科公司更是開發了MX6型復合式6氣體檢測儀。楊靜等［15］通過分析下水道內可燃有毒性氣體的成因，指出城市下水道由于相對封閉，容易造成可燃性氣體蓄積遇明火發生爆炸，可采用美國QRAE（PGM-50Q）五合一氣體檢測儀對污水管道內可燃有毒氣體進行測定；方德瓊［16］采用美國VRAE（PGM-7800）五合一氣體檢測儀進行測定并研究了山地城市污水管道中有毒有害氣體分布規律。但由于MX6型復合式6氣體檢測儀更是能同時方便地安裝電化學、催化燃燒、紅外以及PID傳感器，用戶可以根據自己研究污水管道內氣體的需要選擇搭配，同時儀器還支持在線圖表來顯示即時讀數和數據記錄，因而國內許多學者［17-21］在研究下水道易燃有毒有害氣體時多采用該檢測儀。如季俊青［18］使用MX6型多氣體檢測儀對蘭州市典型生活排水系統進行了實測，研究了蘭州市生活排水系統中CH4、H2S、CO2等廢氣產排規律，并評估了其對蘭州城市大氣環境的影響；周瑜［19］使用MX6型多氣體檢測儀對昆明市典型下水道進行了實測，研究了下水管道中CH4的產排系數，并評估了其對大氣污染的貢獻；黃建洪［20］使用MX6型多氣體檢測儀對典型城市生活排水系統進行了實測，研究了昆明市城市生活排水系統中CH4、H2S、CO2等廢氣的產排系數，為城市溫室氣體核算提供了基礎數據。

從以上研究可以看出，我國出臺了污水管道內氣體檢測標準，國內學者從環境保護的角度采用國外先進的便攜式儀器對污水管道內甲烷進行了檢測研究，但是沒有從安全的角度系統地對日常生活狀態下城市污水管道內甲烷的濃度變化范圍開展檢測分析，也未通過檢測研究污水管道爆炸是甲烷聚集到爆炸極限濃度而發生的爆炸還是低于爆炸極限濃度的甲烷遇到管道內其他可燃性氣體或化石油氣等引發的爆炸，也未對污水管道內甲烷濃度隨時間、溫度等因素的變化開展系統性檢測研究。

1.3污水管道內可燃性氣體預警以及風險評估研究

由于重慶獨特的地形和生活習性等原因，重慶市發生污水管道爆炸的事故比全國其他城市更為頻繁，而這些事故大多數都是因為污水管道內可燃性氣體（主要是甲烷）濃度過高引起的，為有效緩解這一狀況并控制事故的發生，重慶大學相關學者做了大量的研究工作。如馮洋［22］對開發下水道可燃性氣體預警系統的關鍵技術進行了相關研究，指出了城市下水道可燃性氣體預警系統開發的關鍵和難點在于可燃性氣體濃度信息采集的準確性、數據傳輸的可靠性以及報警的即時性，研究可行的方案解決了技術難點，實現了系統預期功能；寶亮［23］在對重慶市下水道、化糞池存在的安全影響調查基礎上，首次提出將無線傳感器網絡技術運用于市政排水管道可燃氣體監測并設計研制了城市下水道、化糞池可燃氣體監控預警系統，對保障市政設施的安全使用具有積極的意義；米莉［24］通過現場調研和研究重慶市下水道和化糞池氣體爆炸事故安全隱患，從機理上研究可燃氣體的積聚現象，分析氣體爆炸誘因，構建了城市下水道和化糞池氣體爆炸風險評估模型，并提出了氣體爆炸預警模式，為城市下水道和化糞池按風險級別分級管理以及提高預警系統的安全性和有效性提供了技術依據；彭述娟［25］對山地城市污水管道氣體爆炸風險評估和預警進行了研究，并通過檢測對重慶典型城市區域污水管道內有害氣體進行了成分分析以及對污水管道多元氣體二維湍流爆炸模型進行驗證和校對，確定了污水管道CH4爆炸閾值為5.5%；胡修穩［26］通過對污水管道氣體爆炸理論以及試驗研究，分析出影響污水管道氣體安全的影響因素和危害程度，并指出CH4是造成污水管道爆炸事件的主要原因，最終建立了基于風險矩陣的污水管道氣體安全風險評估模型。澳大利亞學者Guisasola等［27］建立了攀升型下水道內CH4形成的評估模型，并通過模擬試驗研究表明污水管道內CH4的產出與水力停留時間（HRT）和污水管道面積與體積（A/V）的比值相關，污水管道內的HRT越長或A/V值越大，污水管道內CH4濃度越高。

綜上研究可以看出，目前國內外針對污水管道內可燃性氣體主要通過實時監測來開展預警控制，同時對其開展風險評估，可見對污水管道內可燃性氣體進行監測預警和開展風險評估是一種有效的管理措施，因此我國各地城市排水集團和相關政府部門應采用這種管理措施，對各自轄區內污水管道可燃性氣體進行監測預警和開展風險評估，預防污水管道氣體爆炸事故的發生，同時還應積極組織開展減少污水管道內甲烷產生和聚集的相關研究，并采取相應技術措施從根本上預防污水管道內可燃性氣體發生爆炸。

1.4污水管道氣體爆炸防止對策研究

1985年重慶市中區大溪溝羅家院一帶發生過死亡26人、傷200余人的下水道特大惡性爆炸事故，事故原因是下水道內油類漂浮物和積存的沼氣不能外泄，造成易燃易爆氣體濃度增大，與空氣混合，遇火后引起爆炸［28］。近年來我國城市污水管道因化石燃料流入或是高濃度沼氣發生爆炸事故更是屢見不鮮，大量城市污水管道爆炸事故的發生已引起了相關部門和學者的關注，并采取了相應措施和開展了相關研究。如廣州市城市排水監測站于2003年設定了40個監測點對城市污水管道中的可燃有毒有害氣體進行每月一次的監測，并對污水管道確立了定期檢查井巡回檢查制度，一旦發現隱患立即處理；北京市政工程管理處于2004年通過井下氣體自動監測儀、流動氣體監測車以及人工隊伍每月對全市200多處污水管道進行易燃毒有害氣體檢測，一旦發現氣體超標問題，即時通報有關部門進行處理，并于2008年在奧運會場館等城市重點區域建成了48個城市排水系統內易燃有毒有害氣體的監測站，對城市排水系統中的相關氣體進行了有效的監控和預警；重慶2008年開始建設城區下水道氣體安全檢測預警系統，并于2012年實現對加油站、餐飲場所、商業重地等重要地方的污水管道內的氣體進行實時監控［16］；謝振輝等［29］通過分析下水道爆炸事故及其管理狀況，提出可從加強對下水道用戶的管理、強化下水道日常維護管理工作、嚴格控制下水道水位以及加強對下水道中氣體、污水、污泥的定期監測工作等方面采取有效措施來防止下水道沼氣爆炸事故的發生；李代明［30］研究了城市下水道爆炸的原因和特點，提出可從禁絕火源、打開下水道井蓋等方面采取措施防止下水道沼氣發生爆炸；靳菊紅［31］通過分析一起污水管道檢查井爆炸事故的原因，指出可從設施管理、公共安全宣傳教育、施工管理等方面采取措施來防止污水管道沼氣爆炸事故的發生。

綜上研究可以看出，防止城市污水管道氣體爆炸目前以檢測預防為主，但氣體檢測監控是一種相對被動的方法，如果能通過對污水管道內甲烷的擴散流動行為開展研究，掌握其運移聚集規律，進而有針對性地改善污水管道內通風、井蓋設計等，最終達到從技術設計上來預防污水管道內氣體爆炸的發生不失為一種更為有效的方法；同時通過宣傳教育讓居民意識到污水管道接觸到火源存在爆炸的嚴重危險，并控制污水管道接觸火源，這將是更為主動有效的避免污水管道內甲烷聚集發生爆炸的對策。

2　展 望

本文針對目前城市污水管道甲烷爆炸防控對策研究的不足，即缺乏對城市污水管道內甲烷開展系統檢測，缺乏對污水管道內甲烷運移聚集規律開展研究以及污水管道內甲烷爆炸的防控對策研究仍不完善等事實，提出了今后開展預防城市污水管道內甲烷發生爆炸事故應該重點研究的方向如下:

（1）對日常生活狀態下城市污水管道內的甲烷開展長時間連續的系統性檢測，考慮氣溫、壓力、時段以及污水管道埋深、形狀等多種影響因素，通過對大量的數據進行統計分析，掌握污水管道內甲烷的濃度水平，以及甲烷隨季節、時間等因素變化的規律。

（2）構建城市污水管道數值模型，對污水管道內甲烷的運移聚集規律進行研究［32］。在前期數據實測的基礎上建立污水管道數值模型，并通過改變污水管道的坡度、斷面形狀、彎曲變化、窨井蓋通氣孔大小和數量等物理參數，模擬參數變化對管道內氣體運移聚集的影響，找出城市污水管道內甲烷聚集運移的規律。

（3）基于甲烷產生的影響因素和聚集運移規律的分析，開展污水管道內甲烷爆炸預防對策研究。通過對污水管道形狀、井蓋設計優化以及污水管道合理建設防止甲烷聚集，為有效防止污水管道內甲烷聚集爆炸提供理論支持。

（4）甲烷是一種熱值高的清潔能源，開展對城市污水管道中甲烷等可燃性氣體收集技術的研究，并加以綜合利用，這對減少溫室氣體的排放以及環境保護和預防城市污水管道甲烷爆炸事故的發生都具有重要的意義。

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Research and Prospects of the Prevention and Control Measures of Methane Explosion in City Sewers

ZHANG Yuan1，LV Shuran1，YANG kai1ZHANG Simiao2
（1.College of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China；2.Foreign Languages Department，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

Methane explosion accidents occur frequently in city sewers，which bring a great threat to the personal and property safety of urban residents，so it is of great importance to study the measures for preventing and controlling methane explosion in city sewers.Based on analyzing a large number of domestic and overseas related literatures，this paper summarizes the deficiencies of studying the prevention measures for methane explosion in city sewers:①Systematic analysis for detecting methane in urban sewers has not been carried out，and the influence of environmental factors for methane detection is not considered in past monitoring experiments；②The previous research mainly focuses on fore-warning and risk assessment for flammable gas in sewers while researches on the law of accumulation and migration for methane is relatively few；③Domestic research on the measures for preventing and controlling methane explosion in city sewers is still imperfect，and there is no technical measures to control the formation of methane and reduce the accumulation of methane in city sewers.Based on these three problems，this paper puts forward the directions for studying the measures of preventing and controlling methane explosion in city sewers in the future.

urban sewers；methane explosion；detecting；accumulation law；prevention and control

X932；TU992

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.024

1671-1556（2015）05-0134-05

2015-05-07

2015-08-05

國家自然科學基金項目（51474151）；首都經濟貿易大學研究生科技創新項目

張 遠（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為安全技術。E-mail:zhangyuan6304@126.com

呂淑然（1964—），男，教授，主要從事安全技術方面的研究。E-mail:lsr22088@163.com