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(hù)科學(xué)研究所 職業(yè)危害控制技術(shù)中心,北京 100054)
地下污水管網(wǎng)承載著城市排污功能,其安全運(yùn)行是城市經(jīng)濟(jì)繁榮、社會穩(wěn)定和人民安居樂業(yè)的重要保證。污水管網(wǎng)內(nèi)環(huán)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(chǎn)生甲烷、一氧化碳、氫氣等多種內(nèi)源性可燃?xì)怏w。同時(shí),管網(wǎng)內(nèi)還可能存在由輸油管線泄漏、偷排等產(chǎn)生的外源性可燃?xì)怏w,如油氣、揮發(fā)性有機(jī)溶劑等。由于管網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),內(nèi)部空氣流通不暢,可燃?xì)怏w不能及時(shí)排出,在管道中不斷積累;加之,管網(wǎng)內(nèi)易堵塞,會進(jìn)一步加劇氣體積聚程度,當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí),遇明火極易發(fā)生爆炸事故。幾年來,隨著我國城市的快速發(fā)展,城市污水管線長度迅速增長,爆炸風(fēng)險(xiǎn)大幅增加,氣體爆炸事故時(shí)有發(fā)生。
市政污水管網(wǎng)內(nèi)存在的內(nèi)外源性可燃?xì)怏w成分復(fù)雜,很難全面掌握其內(nèi)所有可燃?xì)怏w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(yán)重,對其組分濃度、產(chǎn)生機(jī)理、影響因素等方面的研究開展較早。近年,由于污水管網(wǎng)內(nèi)甲烷的產(chǎn)排會對溫室效應(yīng)帶來影響,國外學(xué)者開展污水管網(wǎng)甲烷產(chǎn)生影響因素相關(guān)研究。2008年,Albert Guisasola等報(bào)道污水系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生大量的甲烷氣體,并且其產(chǎn)量隨著污水的水力停留時(shí)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(bào)道一個(gè)預(yù)估壓力流污水管道內(nèi)甲烷產(chǎn)生量的理論模型,該模型是通過現(xiàn)場測定并擬和污水內(nèi)溶解甲烷濃度而建立的;同年,Albert Guisasola等報(bào)道壓力流污水管網(wǎng)甲烷的產(chǎn)生與水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time,HRT)和生物膜比表面積(A/V)具有較高的相關(guān)關(guān)系;2014年,Thitirat Chaosakul等首次報(bào)道重力流污水管道內(nèi)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(guān)系式,該關(guān)系式是基于大量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)建立的;2015年,Yiwen Liu等報(bào)道污水管道內(nèi)沉積物產(chǎn)生的甲烷量不可忽視,并且溫度對其產(chǎn)生量有較大影響。近年來,重慶等地區(qū)污水管網(wǎng)燃爆事故高發(fā),國內(nèi)研究者開始關(guān)注污水管道內(nèi)的可燃?xì)怏w,并開展分布影響因素等相關(guān)研究,2010年,米莉報(bào)道可燃?xì)怏w的積聚機(jī)理,認(rèn)為可燃?xì)怏w會存在3種積聚結(jié)果:穩(wěn)定狀態(tài)、擾動狀態(tài)、聚集狀態(tài);2012年,方德瓊報(bào)道不同污水管道內(nèi)甲烷氣體濃度差異很大;2013年,周瑜等報(bào)道COD、硫酸鹽、硫化物、溫度、PH等因素對市政管道內(nèi)污水甲烷產(chǎn)生的影響;2016年,張遠(yuǎn)報(bào)道污水管道內(nèi)甲烷濃度隨檢查井深度和污水流向的變化規(guī)律。目前國內(nèi)外的研究大多針對內(nèi)源性氣體甲烷和硫化氫氣體的濃度和分布,其內(nèi)可燃?xì)怏w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(wǎng),而我國的污水管網(wǎng)大多為重力流污水管網(wǎng),二者內(nèi)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(wǎng)內(nèi)可燃?xì)怏w的組分和運(yùn)移分布。
本文以市政污水檢查井為研究對象,采用大量現(xiàn)場檢測,統(tǒng)計(jì)分析污水檢查井內(nèi)主要可燃?xì)怏w的組分比例和濃度范圍,研究影響可燃?xì)怏w分布的主要因素,以期為污水管網(wǎng)燃爆災(zāi)害的防控提供理論依據(jù)。
現(xiàn)場檢測時(shí),采用2臺英思科便攜式MX6 iBRiD復(fù)合式多氣體檢測儀進(jìn)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?xì)怏w。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?xì)怏w濃度,同時(shí)可測量總的可燃?xì)怏w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(shí)每隔0.5m布置一個(gè)測點(diǎn),且檢測時(shí)不開井蓋,將軟管從檢查井開啟孔內(nèi)放入,檢測檢查井內(nèi)不同位置可燃?xì)怏w的濃度,共測量18個(gè)溝段,18個(gè)溝段污水來源不同,測量季節(jié)也不同,其中個(gè)別溝段在不同季節(jié)測量了多次。
通過對18個(gè)溝段126個(gè)檢查井進(jìn)行檢測,其中總的可燃?xì)怏w和氫氣的濃度來自于其中11個(gè)溝段83個(gè)檢查井,發(fā)現(xiàn)除一個(gè)溝段的檢查井內(nèi)甲烷和總的可燃?xì)怏w超過檢測儀的測量范圍,其余的均在測量范圍內(nèi),所測檢查井各類可燃?xì)怏w的濃度范圍,見表2。
表2 所測檢查井各類可燃?xì)怏w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?xì)怏w的主要成分,一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣4種可燃?xì)怏w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(jù)檢測結(jié)果,這些溝段內(nèi)一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣4種可燃?xì)怏w的濃度均遠(yuǎn)低于其爆炸極限范圍,發(fā)生爆炸的可能性較小,而個(gè)別溝段內(nèi)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(fā)爆炸,但這些氣體的存在對甲烷爆炸極限以及爆炸后的強(qiáng)度和破壞效應(yīng)將會產(chǎn)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(dāng)混合氣體中加入濃度為0.5%vol氫氣時(shí),甲烷濃度為2.4%vol就會發(fā)生爆炸。另外,檢查井內(nèi)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(fēng)險(xiǎn),因此在進(jìn)行爆炸風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí),應(yīng)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(jié)果。
為分析甲烷和總的可燃?xì)怏w之間的關(guān)系,在所測量的11個(gè)溝段83個(gè)檢查井310個(gè)測點(diǎn)中,除去甲烷和可燃?xì)怏w檢測值均為0的測點(diǎn),以及甲烷和總的可燃?xì)怏w濃度超測量范圍的2個(gè)測點(diǎn),共有173組數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得甲烷與總的可燃?xì)怏w之間的關(guān)系,如圖1??梢钥闯鰧τ诖蟛糠譁y點(diǎn),總的可燃?xì)怏w濃度略高于甲烷氣體濃度,在可燃?xì)怏w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?xì)怏w濃度關(guān)系Fig.1 Relationship between methane andtotal of combustible gas
甲烷與總的可燃?xì)怏w之比絕大部分在40%~100%之間,是污水檢查井內(nèi)占比較大的可燃?xì)怏w。由于一氧化碳、硫化氫、氫氣和氨氣所占比例較小,因此管網(wǎng)內(nèi)還存在其他可燃性氣體,考慮是外源性可燃?xì)怏w。
把83個(gè)檢查井總的可燃?xì)怏w濃度的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),不同濃度范圍內(nèi)檢查井?dāng)?shù)量占比,見表3。從表3中可以看出絕大部分檢查井內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度小于0.5%vol(即10%LEL),極少部分達(dá)到爆炸下限。
表3 檢查井內(nèi)總的可燃?xì)怏w濃度分布范圍Tab.3 Distribution of total combustible gas concentration in sewage manhole
同時(shí)對18個(gè)溝段126個(gè)檢查井甲烷濃度的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),不同濃度范圍內(nèi)檢查井?dāng)?shù)量占比,見表4。從表4中可以看出絕大部分檢查井內(nèi)的甲烷濃度小于0.5%vol(即10%LEL),極少部分達(dá)到爆炸下限。
表4 檢查井內(nèi)甲烷氣體濃度分布范圍Tab.4 Distribution of methane concentration in sewage manhole
從前面檢測分析可看出,甲烷是污水檢查井內(nèi)可燃?xì)怏w的主要成分,研究其分布規(guī)律對燃爆災(zāi)害控制具有重要意義。
針對測出甲烷的檢查井,通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),沿著檢查井高度方向,甲烷分布規(guī)律不盡相同,呈4種分布規(guī)律:規(guī)律1,分布比較均勻(相差小于0.03%vol);規(guī)律2,隨著深度逐漸降低;規(guī)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(nèi)甲烷濃度變化較大,而大于1m范圍內(nèi)甲烷濃度變化較小;規(guī)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(guī)律檢查井個(gè)數(shù)和井深情況,見表5。
表5 不同分布規(guī)律檢查井個(gè)數(shù)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(guī)律1分布的檢查井平均井深最小,而呈規(guī)律4和規(guī)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(nèi)甲烷濃度易呈均勻分布,而深度較大的檢查井內(nèi)甲烷濃度易呈逐漸降低或先增大后降低的分布規(guī)律;另外,從表5中可以看出,大部分檢查井內(nèi)甲烷濃度沿檢查井垂直深度方向逐漸增大,部分檢查井內(nèi)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(gè)數(shù)較少。究其原因,檢查井內(nèi)氣流受水流流速、外界風(fēng)速、風(fēng)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(jīng)由開啟孔進(jìn)入檢查井內(nèi),在檢查井上部一定范圍內(nèi)形成氣流循環(huán),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(huán),導(dǎo)致水面上方一定范圍內(nèi)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(nèi)上升,因此:
(1)當(dāng)檢查井井深較小,受內(nèi)外氣流循環(huán)的作用,檢查井內(nèi)甲烷易呈現(xiàn)規(guī)律1的分布。
(2)若檢查井內(nèi)甲烷氣體主要受浮力作用,則甲烷呈現(xiàn)規(guī)律2的分布。
(3)若檢查井上部氣流受外界氣流循環(huán)作用,下部受水流拖曳作用,則甲烷呈現(xiàn)規(guī)律3的分布。
(4)若檢查井上部氣流受外界氣流循環(huán)作用,下部受水流的影響較小,僅受上浮的作用,則甲烷呈現(xiàn)規(guī)律4的分布。
根據(jù)北京市相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,在進(jìn)入污水檢查井作業(yè)前,需要檢測其內(nèi)部氧氣、有毒有害和可燃?xì)怏w的濃度,由于污水管網(wǎng)氣流復(fù)雜,檢查井內(nèi)的甲烷氣體濃度并非都是上部最高,因此,在進(jìn)行有限空間作業(yè)前,不能僅僅檢測一個(gè)位置的甲烷濃度,以免對其內(nèi)部作業(yè)環(huán)境判斷錯(cuò)誤。
以北京市某一污水溝段為研究對象,選取該溝段上的6個(gè)檢查井,在春、夏、秋、冬四季分別對該溝段6個(gè)檢查井內(nèi)甲烷氣體濃度進(jìn)行檢測,檢測當(dāng)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(jié)的測量結(jié)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(xiàn)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(gè)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?yàn)榧淄槭俏鬯芫W(wǎng)生物膜內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌(MA)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物,而產(chǎn)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(shí),是其適宜的生長溫度。
(1)根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果,污水檢查井內(nèi)存在的可燃?xì)怏w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(chǎn)生影響。
(2)沿檢查井高度方向上,甲烷濃度分布規(guī)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(nèi)甲烷濃度易呈均勻分布,而深度較大的檢查井內(nèi)甲烷濃度易呈逐漸降低或先增大后降低的分布規(guī)律。
(3)檢查井內(nèi)甲烷濃度季節(jié)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。