污水井中氣體分布規(guī)律及影響因素研究

張 悅 劉 艷研究員 楊春麗助理研究員

（北京市勞動(dòng)保護(hù)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(jì)年鑒，截至2017年北京市排污管網(wǎng)長(zhǎng)度已達(dá)到約1.68萬(wàn)公里[1]。隨著排水管網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，污水井作業(yè)安全問(wèn)題也日漸凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guó)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(cè)，后作業(yè)”的原則[3]。但在實(shí)際操作中，當(dāng)面對(duì)市政污水管溝這類橫向作業(yè)面較長(zhǎng)以及豎井部分較深的市政有限空間時(shí)，利用現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方式，很難對(duì)有限空間內(nèi)的氣體環(huán)境進(jìn)行全面檢測(cè)，也就無(wú)法對(duì)其作業(yè)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的危害辨識(shí)。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(guó)外研究人員對(duì)污水管網(wǎng)中氣體生成機(jī)制和控制措施開(kāi)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(duì)下水道中硫化氫氣體的生成機(jī)制進(jìn)行了研究，研究表明污水中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)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(jí)水管理中心的江光明、劉義文[6-8]等人對(duì)污水中甲烷和硫化氫氣體的產(chǎn)生機(jī)制以及控制措施做了研究，2009～2015年期間，他們研究了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下污水中不同硝酸鹽投加量對(duì)硫轉(zhuǎn)化途徑的影響，不同硝酸鹽投放量會(huì)導(dǎo)致硫化物的氧化程度不同。向污水中投加硝酸鹽時(shí)，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(duì)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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)重慶市污水井中有毒有害氣體進(jìn)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(duì)某南方城市污水井中硫化氫和甲烷氣體分布規(guī)律進(jìn)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(duì)北京市某區(qū)污水溝段檢查井內(nèi)氣體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)對(duì)不同季節(jié)和分區(qū)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)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(xiǎn)提供理論依據(jù)。

1 檢測(cè)方法和儀器

大量事故統(tǒng)計(jì)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(cè)儀對(duì)污水井內(nèi)氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化碳和氨氣進(jìn)行了檢測(cè)。為減少井蓋開(kāi)啟后對(duì)其內(nèi)部氣體分布的影響，檢測(cè)時(shí)不打開(kāi)井蓋，通過(guò)井蓋上的開(kāi)啟孔放入軟管，采用泵吸式氣體檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象為北京市某區(qū)15個(gè)溝段共100個(gè)污水井。

2 結(jié)果與分析

在不同季節(jié)對(duì)15個(gè)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其中對(duì)溝段1、溝段8和溝段14進(jìn)行了多次檢測(cè)。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(lái)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(lái)源以廚房污水為主，住宅區(qū)污水來(lái)源以生活污水為主，商業(yè)區(qū)主要污水來(lái)源為周邊寫字樓。

各溝段不同氣體的檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)下表。從表中可以看出，所測(cè)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(guó)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(xiǎn)；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(guó)標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定的工作場(chǎng)所短時(shí)間接觸容許濃度（PCTWA值）9000mg/m3，具有較高窒息作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；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(chǎng)所最高容許濃度（MAC值）10mg/m3，具有較高中毒作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；有少量溝段內(nèi)檢出一氧化碳?xì)怏w，最高值低于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定的短時(shí)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定的短時(shí)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(duì)污水井中氧氣、二氧化碳和硫化氫氣體濃度分布規(guī)律進(jìn)行分析。

表 污水溝段氣體濃度檢測(cè)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(jìn)行分析。對(duì)15個(gè)污水溝段進(jìn)行的氧氣含量檢測(cè)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(cè)時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(jìn)行計(jì)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(chǎng)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(jī)物時(shí)對(duì)氧氣的消耗，并且有研究[15]表明，污水中有機(jī)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(jī)物濃度較高時(shí)會(huì)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(lái)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(shí)具有較高缺氧作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

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(duì)污水溝段中二氧化碳含量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，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(jì)分析15個(gè)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(cè)溝段中CO2濃度均遠(yuǎn)高于正常大氣中二氧化碳含量（約600mg/m3）。檢測(cè)結(jié)果，如圖3。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[13]規(guī)定，工作場(chǎng)所CO2加權(quán)時(shí)間平均允許含量為（PC-TWA）9000mg/m3，短時(shí)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定的加權(quán)時(shí)間平均允許含量，進(jìn)行作業(yè)時(shí)，具有較高窒息風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)接觸限值，春季和冬季CO2濃度低于短時(shí)接觸限值。污水中的好氧微生物分解有機(jī)物時(shí)會(huì)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(qiáng)，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(xiǎn)。

圖4 不同季節(jié)污水溝段二氧化碳?xì)怏w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(jìn)行計(jì)算，得出二氧化碳平均值，如圖5。從圖5可知3個(gè)分區(qū)的二氧化碳含量平均值均高于短時(shí)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(duì)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(xiǎn)。

圖5 不同分區(qū)污水溝段二氧化碳?xì)怏w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(duì)同一溝段不同污水井中硫化氫濃度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于每個(gè)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(duì)污水溝段進(jìn)行的24次硫化氫濃度檢測(cè)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定的職業(yè)接觸最高容許濃度值（MAC），進(jìn)行作業(yè)時(shí)，具有較高硫化氫中毒風(fēng)險(xiǎn)。

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(dá)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(duì)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(jìn)行計(jì)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(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(duì)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(xiǎn)。

（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(diǎn)。

（3）大部分污水溝段硫化氫含量超標(biāo)，冬季相對(duì)春、夏、秋3個(gè)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。