地下式城鎮污水處理廠氣體在線監測設計

馬建河，何思源

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000）

隨著城市化進程的快速推進以及人們對于環境質量要求的不斷提高，地下式城鎮污水處理廠（后文簡稱為地下污水廠）在我國得到了越來越廣泛的建設。污水處理會產生H2S、NH3等有毒氣體，CH4等易爆氣體；地下式污水廠因空間封閉、空氣流動性差，有毒有害氣體易聚集，給污水廠運行帶來了巨大的安全隱患，如何合理又經濟的設計氣體在線監測系統尤為重要。

1 監測氣體種類選擇

地下污水廠常規工藝流程為預處理（粗格柵、進水泵房、細格柵、沉砂池、除沉池），生物處理（厭氧區、缺氧區、好氧區），深度處理，消毒及外排，污泥脫水系統，加藥系統，鼓風曝氣系統，臭氧制備投加系統等部分，根據有毒有害氣體產生來源，可分為以下三類。

1.1 污水、污泥方向

污水、污泥會產生大量臭氣，以H2S、NH3最為常見（H2S、NH3有毒，吸入少量H2S 可短時間內致命）[1]。

經污水管網的污水、生物池厭氧區、長時間堆積的污泥均會產生沼氣，其主要成分為CH4，占比約為50%～80%，空氣中如含有8.6%～20.8%（按體積計）的沼氣，即可形成爆炸性的混合氣體[1]。

地下式污水廠雖設置除臭、通風措施，但考慮到其空間封閉，泄露、未及時排出的氣體經長時間聚集，可能會導致局部空間的有毒有害氣體濃度超過標準值。通過分析臭氣、沼氣的主要組成，地下污水廠需重點監測H2S、NH3、CH43 種氣體。

1.2 處理工藝方向

常規污水廠處理工藝投加的藥劑（如：NaClO、O3等）分解、泄露會產生以下有毒有害氣體。

O3：設置O3接觸池時，O3投加管、O3接觸池、尾氣破壞器等處可能會有O3泄露。O3有毒，在320 μg/m3O3環境中活動1 h 就會引起咳嗽、呼吸困難及肺功能下降。

Cl2：NaClO 藥液與空氣中的CO2反應生成Cl2。Cl2有毒，在30 ppm 環境中，引起劇烈咳嗽；在40～60 ppm 環境中，接觸30～60 min 可能引起嚴重損害。

本文僅針對常規處理工藝投加的藥劑，地下廠重點監測O3、Cl22 種氣體；實際設計時，應根據處理工藝投加的藥劑，重點監測相應氣體。

1.3 運行維護方向

污泥車間、加藥間位于地下時，在運行維護階段，泥車、送藥儲罐車頻繁出入地下箱體，產生的氣體尾氣以CO 為主。

地下污水廠設備、巡檢人員均在地下環境工作，應設置環境監測（如：溫濕度、O2濃度等），方便管理人員了解地下箱體內部環境。

綜上所述，地下污水廠地下箱體應監測H2S、NH3、CH4、CO、O3、Cl26 種氣體（根據處理工藝投加的藥劑，監測相應氣體）；有條件時，設置O2監測。

2 氣體在線監測系統設計

污水處理過程中，短時間產生的H2S、NH3、CH4、CO、Cl2等氣體遠不會對人員造成危害，只要及時排出即可，故污水廠氣體在線監測系統設計應不同于化工企業。

現有規范、標準均要求地下污水廠需監測H2S、NH3、CH4等氣體，但未對氣體探測器安裝位置、設置間距做具體要求，筆者從氣體探測器選型、布置位置、系統設計3 個方面介紹氣體在線監測系統的設計。

2.1 氣體探測器選型

氣體探測器的選型、測量范圍、報警閾值設定參照《工作場所有害因素職業接觸限值 第1 部分：化學有害因素》 GBZ 2.1—2019 要求，并根據污水廠的特點分析確定，具體要求如下：

（1）H2S 氣體探測器的主要技術參數[2]：

（a）監測范圍：0～15 mg/m3；

（b）設置兩級報警，第一級報警閾值不應大于5 mg/m3，第二級報警閾值不應大于10 mg/m3；響應時間不超過60 s；

（c）電氣設備防爆結構：防爆型或本質安全型。

（2）CH4氣體探測器的主要技術參數[2]：

（a）監測原理：宜采用催化燃燒法；

（b）監測范圍應為0～100% LEL；

（c）設置兩級報警，第一級報警閾值不應大于10% LEL，第二級報警閾值不應大于25% LEL；響應時間不超過30 s。

（3）NH3氣體探測器的主要技術參數[2]：

（a）監測范圍應為30 mg/m3；

（b）設置兩級報警，第一級報警閾值不應大于10 mg/m3，第二級報警閾值不應大于20 mg/m3；響應時間不超過30 s。

（4）CO 氣體探測器的主要技術參數[3]：

（a）監測范圍應為30 mg/m3（非高原地區）；

（b）設置兩級報警，第一級報警閾值不應大于10 mg/m3，第二級報警閾值不應大于20 mg/m3；響應時間不超過30 s。

（5）O3氣體探測器的主要技術參數：

（a）監測范圍應為0～0.50 mg/m3；

（b）設置兩級報警，第一級報警閾值不應大于0.15 mg/m3，第二級報警閾值不應大于0.3 mg/m3。（O3濃度達到0.15 mg/m3時，應自動開啟機械通風裝置同時進行預報報警；當室內環境空氣O3含量達到0.3 mg/m3時，應進行警報報警并應及時關閉O3發生裝置）。

（6）Cl 氣體探測器的主要技術參數[4]：

（a）監測范圍應為0～1.5 mg/m3；

（b）設置兩級報警，第一級報警閾值不應大于0.5 mg/m3，第二級報警閾值不應大于1.0 mg/m3。

（7）環境氧氣氣體探測器的主要技術參數：

（a）監測范圍應為0～25% VOL；

（b）環境氧氣的過氧報警設定值為23.5% VOL，環境欠氧報警設定值宜為19.5% VOL。

筆者建議有毒有害氣體探測器均需設置兩級報警，第一級報警閾值宜設置成工作場所危害濃度限定值50%，且達到第一級報警閾值時需聯動進排風機，加大箱體換氣次數；第二級報警閾值宜設置成工作場所危害濃度的限定值，且達到第二級報警閾值時，進行聲光報警，非事故處理人員，不得位于地下箱體。

2.2 氣體探測器布置位置

根據污水廠短時間產生的H2S、NH3、CH4、CO、Cl2等氣體遠不會對人員造成危害的特點，氣體探測器應裝于有毒有害氣體產生較多區域、空氣流通差易聚集區域。

筆者就對地下污水廠的理解，將預處理區域、生物處理區域、除臭裝置區域、污泥存儲及處理區、負二層區域、NaClO 儲罐區域、O3接觸池區域等幾處區域列為重點監測區域。

（1）氣體探測器安裝位置[5-6]：

（a）地下箱體負二層，多為管廊、放空、污泥管道泵房區域，且屬于通風效果較差、氣體易聚集區域。至少監測H2S、CH42 種氣體，建議將變送器設置在負二層樓梯間前室，便于運行人員進入負二層區域前了解負二層環境；當負二層單個防火分區較大或較長時，建議增設1 處或幾處監測點；

（b）預處理區域、生物處理區域、除臭裝置區域、污泥存儲及處理區等區域，是有害氣體產生較多區域，應設置氣體探測器，至少可以監測H2S、NH3、CH43 種氣體；當單個防火分區較大或較長時，建議增設1 處或幾處監測點；

（c）為了解地下箱體空氣質量，在每個防火分區至少設置1 處CO、O2氣體探測器，當單個防火分區較大或較長時，建議增設1 處或幾處監測點；車輛停留時間較長區域建議增設1 處CO 氣體探測器；

（d）地下箱體設置電梯時，考慮到電梯井較為密閉，建議監測電梯井中H2S、NH3、CH4、CO、O2的氣體濃度；

（e）考慮到H2S 較重且屬于低濃度毒性較大，在泥庫、設備坑等低洼處設置獨立的H2S 探測器，在粗格柵、細格柵、膜格柵除臭罩外設置獨立的H2S探測器；

（f）O3接觸池區域、O3投加管途徑區域需設置O3氣體探測器；

（g）NaClO 儲罐旁需設置Cl2氣體探測器。

（2）氣體探測器安裝高度如表1所示。

表1 氣體探測器安裝高度Tab.1 Installation height of gas detector

2.3 氣體監測報警系統設計

常規地上污水廠，氣體探測器數量較少，信號接入就近現場控制站（PLC 柜）。地下式污水廠，氣體探測器數量較多，從氣體監測的可靠性、穩定性、整體性、經濟性考慮，筆者建議在每個防火分區設置氣體報警控制器，負責本防火分區的氣體探測器、聲光報警器信號采集與供電，實現本區域的氣體探測器的管理、報警等任務，系統接線如圖1所示。

圖1 氣體監測報警系統設備接線示意圖Fig.1 Wiring diagram of gas detection and alarm system

3 結語

氣體監測系統設計時，需分析污水污泥、處理工藝、運行維護可能產生的有毒有害氣體，并根據氣體產生特點，合理選擇氣體探測器量程、布置位置、系統結構設計，在保護工作環境、污水廠正常運行的同時，提高穩定性、經濟性。