市政污水檢查井可燃氣體組分及分布影響因素研究

楊春麗副研究員 劉 艷研究員 楊龍龍 秦 妍高級工程師

(北京市勞動保護科學研究所 職業危害控制技術中心，北京 100054)

0 引言

地下污水管網承載著城市排污功能，其安全運行是城市經濟繁榮、社會穩定和人民安居樂業的重要保證。污水管網內環境陰暗、潮濕，污物中攜帶著大量生活垃圾和淤泥，在厭氧條件下受微生物的作用，分解產生甲烷、一氧化碳、氫氣等多種內源性可燃氣體。同時，管網內還可能存在由輸油管線泄漏、偷排等產生的外源性可燃氣體，如油氣、揮發性有機溶劑等。由于管網自身結構特點，內部空氣流通不暢，可燃氣體不能及時排出，在管道中不斷積累；加之，管網內易堵塞，會進一步加劇氣體積聚程度，當達到一定濃度時，遇明火極易發生爆炸事故。幾年來，隨著我國城市的快速發展，城市污水管線長度迅速增長，爆炸風險大幅增加，氣體爆炸事故時有發生。

市政污水管網內存在的內外源性可燃氣體成分復雜，很難全面掌握其內所有可燃氣體組分，由于硫化氫造成的中毒、污水管道壁腐蝕等問題比較嚴重，對其組分濃度、產生機理、影響因素等方面的研究開展較早。近年，由于污水管網內甲烷的產排會對溫室效應帶來影響，國外學者開展污水管網甲烷產生影響因素相關研究。2008年，Albert Guisasola等報道污水系統內會產生大量的甲烷氣體，并且其產量隨著污水的水力停留時間以及污水管道生物膜比表面積(A/V)的增大而增大；2009年，Jeff Foley等報道一個預估壓力流污水管道內甲烷產生量的理論模型，該模型是通過現場測定并擬和污水內溶解甲烷濃度而建立的；同年，Albert Guisasola等報道壓力流污水管網甲烷的產生與水力停留時間(Hydraulic Retention Time，HRT)和生物膜比表面積(A/V)具有較高的相關關系；2014年，Thitirat Chaosakul等首次報道重力流污水管道內甲烷氣體逸散量與溫度、HRT和生物膜比表面積(A/V)之間的量化關系式，該關系式是基于大量現場檢測數據建立的；2015年，Yiwen Liu等報道污水管道內沉積物產生的甲烷量不可忽視，并且溫度對其產生量有較大影響。近年來，重慶等地區污水管網燃爆事故高發，國內研究者開始關注污水管道內的可燃氣體，并開展分布影響因素等相關研究，2010年，米莉報道可燃氣體的積聚機理，認為可燃氣體會存在3種積聚結果：穩定狀態、擾動狀態、聚集狀態；2012年，方德瓊報道不同污水管道內甲烷氣體濃度差異很大；2013年，周瑜等報道COD、硫酸鹽、硫化物、溫度、PH等因素對市政管道內污水甲烷產生的影響；2016年，張遠報道污水管道內甲烷濃度隨檢查井深度和污水流向的變化規律。目前國內外的研究大多針對內源性氣體甲烷和硫化氫氣體的濃度和分布，其內可燃氣體的組分比例還不十分明確，并且國外的研究主要針對壓力流污水管網，而我國的污水管網大多為重力流污水管網，二者內部氣體分布存在較大差異，因此有必要更深入研究我國污水管網內可燃氣體的組分和運移分布。

本文以市政污水檢查井為研究對象，采用大量現場檢測，統計分析污水檢查井內主要可燃氣體的組分比例和濃度范圍，研究影響可燃氣體分布的主要因素，以期為污水管網燃爆災害的防控提供理論依據。

1 檢測儀器和方法

現場檢測時，采用2臺英思科便攜式MX6 iBRiD復合式多氣體檢測儀進行檢測，其中一臺可以檢測氧氣、甲烷、硫化氫、一氧化碳、氨氣、二氧化碳6種氣體，另一臺可以檢測氫氣和總的可燃氣體。因此儀器可測量甲烷、氫氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣共5種可燃氣體濃度，同時可測量總的可燃氣體濃度。儀器的測量范圍，見表1。

表1 儀器測量范圍和精度Tab.1 The measuring range and accuracy of the instrument

檢測時每隔0.5m布置一個測點，且檢測時不開井蓋，將軟管從檢查井開啟孔內放入，檢測檢查井內不同位置可燃氣體的濃度，共測量18個溝段，18個溝段污水來源不同，測量季節也不同，其中個別溝段在不同季節測量了多次。

2 污水檢查井可燃氣體組分分析

通過對18個溝段126個檢查井進行檢測，其中總的可燃氣體和氫氣的濃度來自于其中11個溝段83個檢查井，發現除一個溝段的檢查井內甲烷和總的可燃氣體超過檢測儀的測量范圍，其余的均在測量范圍內，所測檢查井各類可燃氣體的濃度范圍，見表2。

表2 所測檢查井各類可燃氣體的濃度范圍Tab.2 Distribution of various combustible gases concentration in sewage manhole

從表2可以看出，甲烷是可燃氣體的主要成分，一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣4種可燃氣體組分之和小于0.02%vol。

常溫常壓下，甲烷、一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣5種氣體的爆炸極限范圍分別為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。根據檢測結果，這些溝段內一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣4種可燃氣體的濃度均遠低于其爆炸極限范圍，發生爆炸的可能性較小，而個別溝段內甲烷濃度高于爆炸極限范圍，存在甲烷爆炸的可能性，雖然一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣4種氣體濃度不足以引發爆炸，但這些氣體的存在對甲烷爆炸極限以及爆炸后的強度和破壞效應將會產生一定影響。研究表明氫氣的存在會大大降低甲烷爆炸下限，當混合氣體中加入濃度為0.5%vol氫氣時，甲烷濃度為2.4%vol就會發生爆炸。另外，檢查井內二氧化碳濃度、水蒸氣濃度較高，而這些氣體的存在會在一定程度上降低爆炸風險，因此在進行爆炸風險評估時，應綜合考慮多種因素的共同作用，才能獲得正確有效的評估結果。

為分析甲烷和總的可燃氣體之間的關系，在所測量的11個溝段83個檢查井310個測點中，除去甲烷和可燃氣體檢測值均為0的測點，以及甲烷和總的可燃氣體濃度超測量范圍的2個測點，共有173組數據。通過對這些數據進行分析，獲得甲烷與總的可燃氣體之間的關系，如圖1。可以看出對于大部分測點，總的可燃氣體濃度略高于甲烷氣體濃度，在可燃氣體濃度高的地方，甲烷濃度也較高。

圖1 甲烷氣體濃度和總的可燃氣體濃度關系Fig.1 Relationship between methane andtotal of combustible gas

甲烷與總的可燃氣體之比絕大部分在40%～100%之間，是污水檢查井內占比較大的可燃氣體。由于一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣所占比例較小，因此管網內還存在其他可燃性氣體，考慮是外源性可燃氣體。

把83個檢查井總的可燃氣體濃度的最大值進行統計，不同濃度范圍內檢查井數量占比，見表3。從表3中可以看出絕大部分檢查井內的可燃氣體濃度小于0.5%vol(即10%LEL)，極少部分達到爆炸下限。

表3 檢查井內總的可燃氣體濃度分布范圍Tab.3 Distribution of total combustible gas concentration in sewage manhole

同時對18個溝段126個檢查井甲烷濃度的最大值進行統計，不同濃度范圍內檢查井數量占比，見表4。從表4中可以看出絕大部分檢查井內的甲烷濃度小于0.5%vol(即10%LEL)，極少部分達到爆炸下限。

表4 檢查井內甲烷氣體濃度分布范圍Tab.4 Distribution of methane concentration in sewage manhole

3 污水檢查井甲烷濃度分布影響因素

從前面檢測分析可看出，甲烷是污水檢查井內可燃氣體的主要成分，研究其分布規律對燃爆災害控制具有重要意義。

3.1 檢查井井深對甲烷濃度分布的影響

針對測出甲烷的檢查井，通過統計分析發現，沿著檢查井高度方向，甲烷分布規律不盡相同，呈4種分布規律：規律1，分布比較均勻(相差小于0.03%vol)；規律2，隨著深度逐漸降低；規律3，隨著深度逐漸增大，一般情況下，距離檢查井口1m范圍內甲烷濃度變化較大，而大于1m范圍內甲烷濃度變化較小；規律4，隨深度先增大后降低，最大值在中部某一位置。呈不同分布規律檢查井個數和井深情況，見表5。

表5 不同分布規律檢查井個數及井深Tab.5 The number and depth of sewage manholes of different distribution laws

從表5中可以看出，呈規律1分布的檢查井平均井深最小，而呈規律4和規律2分布的檢查井平均井深較大，可以推測沿檢查井垂直方向上，深度較小的檢查井內甲烷濃度易呈均勻分布，而深度較大的檢查井內甲烷濃度易呈逐漸降低或先增大后降低的分布規律；另外，從表5中可以看出，大部分檢查井內甲烷濃度沿檢查井垂直深度方向逐漸增大，部分檢查井內甲烷濃度分布較為均勻，而沿檢查井垂直深度方向逐漸降低以及先增大后降低的檢查井個數較少。究其原因，檢查井內氣流受水流流速、外界風速、風向等多因素的影響，一般情況下，由于檢查井井蓋開啟孔的通氣作用，外部氣流經由開啟孔進入檢查井內，在檢查井上部一定范圍內形成氣流循環，在該處甲烷濃度變化梯度大；而在檢查井下部，由于水流的拖曳作用，在水面上方形成氣流循環，導致水面上方一定范圍內的甲烷濃度分布較為均勻；另外，甲烷的密度比空氣小，受浮力的作用，在檢查井內上升，因此：

(1)當檢查井井深較小，受內外氣流循環的作用，檢查井內甲烷易呈現規律1的分布。

(2)若檢查井內甲烷氣體主要受浮力作用，則甲烷呈現規律2的分布。

(3)若檢查井上部氣流受外界氣流循環作用，下部受水流拖曳作用，則甲烷呈現規律3的分布。

(4)若檢查井上部氣流受外界氣流循環作用，下部受水流的影響較小，僅受上浮的作用，則甲烷呈現規律4的分布。

根據北京市相關標準要求，在進入污水檢查井作業前，需要檢測其內部氧氣、有毒有害和可燃氣體的濃度，由于污水管網氣流復雜，檢查井內的甲烷氣體濃度并非都是上部最高，因此，在進行有限空間作業前，不能僅僅檢測一個位置的甲烷濃度，以免對其內部作業環境判斷錯誤。

3.2 季節對甲烷濃度分布的影響

以北京市某一污水溝段為研究對象，選取該溝段上的6個檢查井，在春、夏、秋、冬四季分別對該溝段6個檢查井內甲烷氣體濃度進行檢測，檢測當天的溫度分別為23、39、25、9℃。圖2是該溝段各檢查井甲烷濃度在不同季節的測量結果，圖2中甲烷濃度取各檢查井甲烷濃度最大值。

圖2 春、夏、秋、冬四季各檢查井甲烷濃度Fig.2 The methane concentration of each manhole in spring，summer， autumn and winter

從圖2中可以看出，甲烷濃度的最大值出現在夏季，且夏秋兩季甲烷濃度相對較高，春季相對較低，冬季6個檢查井中未檢出甲烷。溫度差異是造成甲烷濃度四季變化的主要影響因素，因為甲烷是污水管網生物膜內的產甲烷菌(MA)厭氧發酵的產物，而產甲烷菌是厭氧菌，溫度對其生長繁殖有較大影響，研究表明在大于28℃時，是其適宜的生長溫度。

4 結論

(1)根據現場檢測結果，污水檢查井內存在的可燃氣體包括甲烷、氫氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣，且甲烷占比最大，氫氣、一氧化碳、硫化氫和氨氣所占比例較少，但這些氣體的存在將會對甲烷爆炸特性產生影響。

(2)沿檢查井高度方向上，甲烷濃度分布規律不盡相同，檢查井井深對甲烷濃度分布有較大影響，深度較小的檢查井內甲烷濃度易呈均勻分布，而深度較大的檢查井內甲烷濃度易呈逐漸降低或先增大后降低的分布規律。

(3)檢查井內甲烷濃度季節變化性較為明顯，夏秋兩季濃度較高，秋季相對較低，冬季未檢出甲烷。