張 悅 劉 艷研究員 楊春麗助理研究員

（北京市勞動保護科學(xué)研究所 職業(yè)危害控制技術(shù)中心，北京 100054）

0 引言

排污管網(wǎng)是城市排水系統(tǒng)不可或缺的一部分，其主要功能是承接用戶排出的污水并將污水輸送到污水處理廠。據(jù)城鄉(xiāng)統(tǒng)計年鑒，截至2017年北京市排污管網(wǎng)長度已達到約1.68萬公里[1]。隨著排水管網(wǎng)規(guī)模的擴大，污水井作業(yè)安全問題也日漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計，2006～2017年，12年間北京市共發(fā)生污水井作業(yè)事故35起，占北京市有限空間作業(yè)事故總起數(shù)的58.3%，死亡72人，占死亡總?cè)藬?shù)的63.2%[2]。為保障有限空間作業(yè)安全，我國制定的相關(guān)法律、法規(guī)與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，有限空間作業(yè)應(yīng)遵循“先通風(fēng)，再檢測，后作業(yè)”的原則[3]。但在實際操作中，當(dāng)面對市政污水管溝這類橫向作業(yè)面較長以及豎井部分較深的市政有限空間時，利用現(xiàn)有的檢測設(shè)備和檢測方式，很難對有限空間內(nèi)的氣體環(huán)境進行全面檢測，也就無法對其作業(yè)環(huán)境進行準(zhǔn)確的危害辨識。因而，為減少污水井作業(yè)事故的發(fā)生，提高污水井作業(yè)的安全水平，有必要分析其內(nèi)部氣體的分布規(guī)律及影響因素。

國外研究人員對污水管網(wǎng)中氣體生成機制和控制措施開展了大量研究。早在1946年P(guān)omeroy和Bowlus[4]在污水工程雜志上發(fā)表的文章表明，城市排水系統(tǒng)中有硫化氫氣體產(chǎn)生，并且是導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕、環(huán)境惡臭的主要原因。1988年Nielsen和Thorkild[5]對下水道中硫化氫氣體的生成機制進行了研究，研究表明污水中有機質(zhì)含量對污水中生物膜產(chǎn)生硫化氫氣體具有重要影響。澳大利亞昆士蘭大學(xué)高級水管理中心的江光明、劉義文[6-8]等人對污水中甲烷和硫化氫氣體的產(chǎn)生機制以及控制措施做了研究，2009～2015年期間，他們研究了實驗室規(guī)模下污水中不同硝酸鹽投加量對硫轉(zhuǎn)化途徑的影響，不同硝酸鹽投放量會導(dǎo)致硫化物的氧化程度不同。向污水中投加硝酸鹽時，硝酸鹽先將硫化物氧化為單質(zhì)硫，剩余硝酸鹽繼續(xù)將單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。對優(yōu)化硝酸鹽投加量以控制污水管中硫化物的產(chǎn)生具有一定指導(dǎo)意義。國內(nèi)學(xué)者對污水管網(wǎng)中氣體分布規(guī)律研究起步較晚，研究較少。2012年胡學(xué)斌、方德瓊[9]等對重慶市污水井中有毒有害氣體進行研究，研究結(jié)果表明污水井中氣體以甲烷、硫化氫和二氧化碳為主，并且各氣體濃度差異較大。2017年嚴(yán)鐵生[10]對某南方城市污水井中硫化氫和甲烷氣體分布規(guī)律進行研究，研究結(jié)果表明不同特征源污水井內(nèi)硫化氫和甲烷濃度分布具有明顯差異。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對北京市某區(qū)污水溝段檢查井內(nèi)氣體進行了現(xiàn)場實測，通過對不同季節(jié)和分區(qū)的檢測結(jié)果進行分析，研究了污水井中氣體分布規(guī)律及其影響因素，為降低污水井作業(yè)風(fēng)險提供理論依據(jù)。

1 檢測方法和儀器

大量事故統(tǒng)計分析表明缺氧、中毒和燃爆事故是市政有限空間作業(yè)事故的高發(fā)類型[11]，其中引發(fā)污水井事故的物質(zhì)為硫化氫、甲烷和二氧化碳。本文采用IBRID MX6氣體檢測儀對污水井內(nèi)氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化碳和氨氣進行了檢測。為減少井蓋開啟后對其內(nèi)部氣體分布的影響，檢測時不打開井蓋，通過井蓋上的開啟孔放入軟管，采用泵吸式氣體檢測儀進行檢測。檢測對象為北京市某區(qū)15個溝段共100個污水井。

2 結(jié)果與分析

在不同季節(jié)對15個污水溝段的污水檢查井內(nèi)氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化碳和氨氣進行了現(xiàn)場檢測，其中對溝段1、溝段8和溝段14進行了多次檢測。結(jié)合被研究污水溝段的污水井的分布情況與周邊環(huán)境，根據(jù)污水的不同特征來源將研究區(qū)域劃分為住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和餐飲區(qū)。餐飲區(qū)污水來源以廚房污水為主，住宅區(qū)污水來源以生活污水為主，商業(yè)區(qū)主要污水來源為周邊寫字樓。

各溝段不同氣體的檢測結(jié)果，見下表。從表中可以看出，所測溝段整體氧氣濃度范圍為17.3～21.1%Vol，其中住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、餐飲區(qū)氧氣濃度最低值分別為19.1%Vol、18%Vol和17.3%Vol，均低于我國標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的缺氧限值19.5%Vol，有較高缺氧窒息風(fēng)險；二氧化碳濃度范圍為1000～70000mg/m3，其中住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、餐飲區(qū)二氧化碳濃度最高值分別為70000mg/m3、43000mg/m3和54000mg/m3，均高我國標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定的工作場所短時間接觸容許濃度（PCTWA值）9000mg/m3，具有較高窒息作業(yè)風(fēng)險；硫化氫濃度范圍為0～153mg/m3，其中住宅區(qū)、餐飲區(qū)、商業(yè)區(qū)二硫化氫濃度最高值分別為93mg/m3、153mg/m3和130mg/m3，均超出工作場所最高容許濃度（MAC值）10mg/m3，具有較高中毒作業(yè)風(fēng)險；有少量溝段內(nèi)檢出一氧化碳氣體，最高值低于我國標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定的短時容許接觸濃度20mg/m3，大多數(shù)溝段有少量氨氣檢出，濃度均低于我國標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定的短時容許接觸濃度20mg/m3，檢出甲烷濃度均低于爆炸下限（5%），下面針對污水井中氧氣、二氧化碳和硫化氫氣體濃度分布規(guī)律進行分析。

表 污水溝段氣體濃度檢測結(jié)果Tab. Results of gas concentration test in sewage ditchs

2.1 氧氣

同一污水溝段不同位置污水井內(nèi)氧氣含量不同，選取最低值代表該溝段氧氣含量進行分析。對15個污水溝段進行的氧氣含量檢測數(shù)據(jù)中，氧氣含量的最高值為21.1%，最低值為17.3%，平均值為19.5%，不同季節(jié)污水井氧氣含量，如圖1。

圖1 污水溝段氧氣含量Fig.1 Oxygen content in sewage ditchs

從圖1中可看出，污水溝段中氧氣含量具有明顯季節(jié)差異。29.2%的污水溝段中氧含量低于19.5%，這些溝段的檢測時間集中分布于夏季和秋季。研究[14]表明污水井內(nèi)缺氧原因主要為好氧微生物對氧氣的消耗和生化反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳等比重大的氣體對氧氣空間的擠占。受溫度影響，夏季和秋季污水井內(nèi)好氧菌的代謝活性升高，消耗氧氣增多，加之產(chǎn)生的二氧化碳等氣體對氧氣空間的擠占導(dǎo)致污水井內(nèi)缺氧較嚴(yán)重。

選取不同分區(qū)溝段污水井氧氣含量最低值進行計算，得出氧氣含量平均值，如圖2，從圖2可知污水溝段中氧氣分布具有分區(qū)差異。住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)氧氣平均濃度分別為19.53%Vol和19.93%Vol，均高于作業(yè)場所缺氧限值；餐飲區(qū)氧氣濃度為18.97%Vol，低于缺氧限值。污水井缺氧原因主要為污水中好氧微生物在降解有機物時對氧氣的消耗，并且有研究[15]表明，污水中有機物（如COD、BOD）濃度是影響微生物耗氧速率的因素之一，污水中有機物濃度較高時會導(dǎo)致耗氧速率升高，從而加重污水井中的缺氧情況。餐飲區(qū)主要污水來源為廚房污水，廚房污水中COD濃度較高[16]，因而餐飲區(qū)污水耗氧速率較大，導(dǎo)致缺氧現(xiàn)象較嚴(yán)重，在餐飲區(qū)污水井作業(yè)時具有較高缺氧作業(yè)風(fēng)險。

圖2 污水溝段氧氣含量平均值Fig.2 Average value of oxygen content in sewage ditchs

2.2 二氧化碳

在對污水溝段中二氧化碳含量進行檢測時，同一污水溝段不同位置污水井內(nèi)二氧化碳含量不同，選取最高值代表該溝段二氧化碳含量。共統(tǒng)計分析15個溝段二氧化碳含量，數(shù)據(jù)顯示二氧化碳含量的最高值為70000mg/m3，最低值為5000mg/m3，平均值為26000mg/m3，所檢測溝段中CO2濃度均遠高于正常大氣中二氧化碳含量（約600mg/m3）。檢測結(jié)果，如圖3。我國標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定，工作場所CO2加權(quán)時間平均允許含量為（PC-TWA）9000mg/m3，短時間接觸容許含量（PC-STEL）為18000mg/m3，由圖3可知，幾乎所有溝段的二氧化碳含量均高于我國標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定的加權(quán)時間平均允許含量，進行作業(yè)時，具有較高窒息風(fēng)險。

圖3 污水溝段二氧化碳含量Fig.3 Carbon dioxide content in sewage ditchs

圖4為不同季節(jié)污水溝段CO2含量平均值，由圖4可知污水溝段中CO2含量分布具有季節(jié)差異，夏季和秋季CO2濃度較高且高于短時接觸限值，春季和冬季CO2濃度低于短時接觸限值。污水中的好氧微生物分解有機物時會產(chǎn)生水和二氧化碳并釋放能量，溫度是影響微生物活性的重要因素之一[17]，受氣溫影響，夏季和秋季微生物反應(yīng)活性較強，產(chǎn)生了大量CO2，導(dǎo)致污水溝段中CO2濃度較高，具有較高的窒息作業(yè)風(fēng)險。

圖4 不同季節(jié)污水溝段二氧化碳氣體含量平均值Fig.4 Average value of carbon dioxide in sewage ditchs in different seasons

選取不同分區(qū)溝段的污水井二氧化碳含量最高值進行計算，得出二氧化碳平均值，如圖5。從圖5可知3個分區(qū)的二氧化碳含量平均值均高于短時間接觸容許含量限值，餐飲區(qū)污水溝段檢查井中二氧化碳含量相對商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)較高，具有較高的窒息作業(yè)風(fēng)險。

圖5 不同分區(qū)污水溝段二氧化碳氣體含量平均值Fig.5 Average value of carbon dioxide in sewage ditchs of different zones

2.3 硫化氫

在對同一溝段不同污水井中硫化氫濃度進行檢測時，由于每個污水井的硫化氫濃度有所差異，選取硫化氫濃度最高值代表該溝段的硫化氫含量。對污水溝段進行的24次硫化氫濃度檢測數(shù)據(jù)中，硫化氫含量最高值為153mg/m3，最低值為1mg/m3，平均值為51mg/m3，不同污水溝段的硫化氫濃度，如圖6。由圖6可知，幾乎所有溝段的硫化氫含量均高于我國標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定的職業(yè)接觸最高容許濃度值（MAC），進行作業(yè)時，具有較高硫化氫中毒風(fēng)險。

圖6 污水溝段硫化氫含量Fig.6 Hydrogen sulfide content in sewage ditchs

圖7為不同季節(jié)污水溝段硫化氫含量平均值，由圖7可知四季硫化氫濃度均達到職業(yè)接觸最高容許濃度值（MAC），不同季節(jié)污水溝段中硫化氫含量分布有所差異，相對而言，春、夏、秋季節(jié)污水井中硫化氫濃度較高，冬季硫化氫濃度較低。

圖7 不同季節(jié)污水溝段硫化氫氣體含量平均值Fig.7 Average value of hydrogen sulfide in sewage ditchs in different seasons

選取不同分區(qū)溝段的污水井硫化氫含量最高值進行計算，得出硫化氫氣體平均值，如圖8。從圖8可知污水井中硫化氫含量均高于職業(yè)接觸最高容許濃度值（MAC），不同分區(qū)污水溝段中硫化氫含量分布有所差異，相對而言餐飲區(qū)污水井中硫化氫濃度較高，住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)硫化氫濃度較低。

圖8 不同分區(qū)污水溝段硫化氫氣體含量平均值Fig.8 Average value of hydrogen sulfide in sewage ditchs of different zones

3 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場檢測研究了不同污水溝段井內(nèi)氣體分布規(guī)律與影響因素，得出以下結(jié)論：

（1）受氣溫影響，污水溝段內(nèi)氧氣分布具有夏季和秋季含量較低，春季和冬季含量較高的季節(jié)特性。相對住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)，餐飲區(qū)污水溝段內(nèi)氧氣含量較低，具有較高缺氧窒息作業(yè)風(fēng)險。

（2）污水溝段中二氧化碳分布具有在商業(yè)區(qū)和餐飲區(qū)含量較高，住宅區(qū)含量較低，夏季和秋季濃度高于春季和冬季的特點。

（3）大部分污水溝段硫化氫含量超標(biāo)，冬季相對春、夏、秋3個季節(jié)硫化氫含量較低，餐飲區(qū)污水井硫化氫含量超標(biāo)最嚴(yán)重。