城市污水管道甲烷爆炸防控对策研究现状及展望

张 远，吕淑然，杨 凯，张司邈（.首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京00070；.首都经济贸易大学外语系，北京00070）

城市污水管道甲烷爆炸防控对策研究现状及展望

张 远1，吕淑然1，杨 凯1，张司邈2
（1.首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070；2.首都经济贸易大学外语系，北京100070）

城市污水管道甲烷爆炸的事故屡有发生，给城市居民的人身和财产安全带来了严重的威胁，因而研究污水管道甲烷气体爆炸的防控对策具有重要意义。通过对大量国内外相关文献进行分析，总结了关于城市污水管道甲烷爆炸防控对策研究的不足:①没有对城市污水管道内甲烷气体开展系统性检测分析，过往监测也未考虑外界环境因素对甲烷气体检测的影响；②没有对污水管道内甲烷气体聚集和运移规律开展研究，过往研究以污水管道内可燃性气体预警和风险评估为主；③国内关于污水管道内甲烷爆炸的防控对策研究仍是不完善的，没有从控制污水管道内甲烷形成、减少污水管道内甲烷聚集方面提出技术性措施。基于此三方面的问题，最后提出城市污水管道甲烷气体爆炸防控措施在今后的研究方向。

城市污水管道；甲烷爆炸；检测；聚集规律；预防和控制

城市污水管道是城市排水管网的重要组成部分，用于收集、净化和输送区域降雨、居民产生的生活污水以及工业生产的废水。城市污水管道内环境阴暗、潮湿，空气流通不畅，污水中携带着大量的生活垃圾和淤泥，这些生活垃圾和淤泥在污水管道内流动淤积过程中被微生物分解，产生大量有毒有害、易燃易爆的气体，如甲烷（CH4）、硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等。这些有毒有害、易燃易爆气体充斥在城市污水管道内，加之废弃化石燃料的倾倒和流入，以及污水管道建设受地理条件限制和输油输气管道近距离布置等原因，许多城市污水管道已成为居民身边的“炸弹”，严重威胁着居民的生命和财产安全。

近几年来，国内关于城市污水管道（窨井）爆炸的事故屡有发生，如2013年2月9日上午，河南省驻马店市中华大道东段一处下水道发生意外爆炸，现场导致一死一伤，经查明事故原因是燃放鞭炮时引燃了下水道内的沼气从而引发意外爆炸；2014年2月20日，武汉市硚口区长丰大道与古田二路交汇路口下水道发生爆炸，造成2人轻伤、6车受损、路面破损，经查明爆炸原因是由沼气聚集引起；2015 年1月14日，内蒙呼和浩特某小区一名9岁男孩向下水道井盖内扔爆竹引起爆炸。从上面的几起事故可以看出，城市污水管道内存在到达爆炸浓度的沼气是造成以上事故的主要原因之一。

沼气的成分较为复杂，其主要成分是甲烷，城市污水管道内的甲烷是由于污水管道内的有机物在厌氧条件下发酵而来，甲烷在空气中的爆炸极限范围（体积比）为5%～16%，当空气中甲烷浓度为9.5%时，此时化学反应最完全，爆炸最剧烈［1］。值得注意的是，甲烷的爆炸极限不是固定的，它受很多因素影响，当污水管道内的甲烷遇到可燃性气体（H2S、H2、CO）、泄漏的天然气、石油蒸汽等将会增加爆炸的可能性。基于以上分析，有必要对预防和控制城市污水管道内沼气（甲烷）爆炸展开研究，从而提出切实可行的对策措施，进而保障城市居民的生命和财产安全，促进城市化建设安全快速的进行。

1　国内外研究现状

1.1污水管道内甲烷形成机理与影响因素研究

国外在污水管道设计建设方面安全要求非常高，甚至给污水管道安装专门的通风设备［2］，企业和居民环保意识较强且排污也比较规范，因而很少见国外城市污水管道因沼气聚集而爆炸的相关报到，但鉴于甲烷是温室气体，国外学者更注重研究污水管道内甲烷形成机理与影响因素。如Bryant［3］通过研究产甲烷菌和产氢产乙酸菌，提出了有机物被微生物分解发酵产生甲烷的三阶段理论:水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段；Gutierrez［4-5］团队通过分析p H值对污水生物膜上厌氧硫酸盐还原菌和产甲烷菌的影响，结果表明将p H值提高到8.6～9.0能抑制甲烷的产生，从而提出了通过碱度控制能更加有效地抑制甲烷的产生和排放，并通过试验指出可通过升高污水管道中的p H值，将污水管道中的甲烷产量控制在25%以下；Mohanakrishnan等［6］研究了亚硝酸盐对污水管道实验室模型中硫化氢和甲烷产量的抑制效果，连续25 d对试验模型中加入20～140 mg N/L的亚硝酸盐，亚硝酸盐存在的情况下没有观察到反应器中硫化氢和甲烷的积累，生物膜上的硫酸盐还原和产甲烷能力显著降低，当停止加入亚硝酸盐后，硫酸盐还原能力和甲烷产量逐渐恢复，表明亚硝酸盐可以间歇地控制污水管道中硫化氢和甲烷的形成，亚硝酸盐可以作为一个有前途的和有效的策略控制下水道中硫化氢和甲烷形成；Jiang等［7-8］研究了亚硝酸盐的浓度和接触时间对下水道系统中硫化氢和甲烷形成的影响，试验表明亚硝酸盐的加入能有效、间歇性地减少污水管道内硫化氢和甲烷的生成，并研究了实验室污水管道模型中通过改变加入的亚硝酸盐剂量、时间长短以及时间间隔对控制污水管道内生成甲烷和硫化氢的影响，试验结果表明接触低至0.26 mg N/L的亚硝酸盐12 h后能够有效抑制硫化氢的生成，接触0.09 mg N/L的亚硝酸盐6 h足够有效抑制甲烷的生成。Sudarjanto等［9］通过试验评价了澳大利亚市场上新兴的三种生物制品对控制下水道系统中甲烷和硫化氢排放的效果，结果表明这三种生物制品与传统的硝酸盐、铁盐和氢氧化镁相比对控制污水管道中硫化氢和甲烷的排放没有影响；Liu等［10-11］研究了实验室污水管道沉积物模型中硫化氢和甲烷的产生方式，结果表明评估下水道中硫化氢和甲烷的排放不能忽略下水道中沉积物的贡献，实验室条件下增加亚硝酸盐对污水管道中沉积物的作用，大量测试结果表明增加亚硝酸盐不会抑制污水管道沉积物中硫化氢的产生，而在亚硝酸盐频繁出现的区域甲烷的生成活动则被完全抑制，甲烷的产生区域出现在污水管道沉积物中亚硝酸盐少见的更深处；Sun等［12］研究了减少用水量对污水管道中硫化氢和甲烷形成的影响，大量试验结果表明减少用水量的情况下，没有改变污水管道中生物膜上硫酸盐还原活性，但产甲烷菌活性增加了，随着较长的水力停留时间（HRT），甲烷的产量会增加，而且减少用水量的条件下溶解的甲烷浓度超过了正常流动条件下的两倍，总的甲烷排放量约为正常流动条件下的1.5倍，潜在地导致更高的温室气体排放。

从以上研究可以看出，国外研究了污水管道内甲烷产生的影响因素，通过向污水管道内加入硝酸盐或改变污水管道内p H值的方法来控制污水管道内甲烷的产生和排放。而国内关于这方面的研究相对较少，污水管道沼气爆炸事故多发的城市应该借鉴这些方法来控制污水管道内甲烷的形成，同时应该加强污水管道内甲烷产生机理与影响因素研究，从而为控制污水管道的内甲烷形成提供理论依据。

1.2污水管道内甲烷检测研究

由于国内城市化进程加快，城市人口越来越多，城市的污水管道排污量加剧，污水管道内气体发生爆炸和中毒事故频繁发生，从成分和浓度来分析污水管道内导致事故的气体就显得尤为重要。2009 年4月7日，我国住房和城乡建设部首次发布城镇建设行业标准——《城镇排水设施的气体检测方法》（CJ/T307—2009）［13］，该标准从2009年10月1日开始实施，本标准规定了城镇下水道中的可燃性气体、H2S、O2、氨气、CO、SO2、Cl2、CO2和总挥发性有机物气体的实验室检测方法和现场快速检测方法，同时规定了甲烷采样高度为检查井空间垂直高度自下往上的五分之四处，甲烷实验室测定方法为气相色谱法，现场便携式测定方法为催化燃烧法。

现场便携式检测仪分为单一气体检测仪（如甲烷检测仪、硫化氢检测仪等）和多气体检测仪（能够同时检测两种以上气体），国内市场上研发的便携式甲烷检测仪主要用于矿山，俗称瓦检仪。目前市场上甲烷便携式检测仪种类比较多，一般由采样器、检测器、指示器、报警显示器和电源几个部分组成，其甲烷检测原理主要为催化燃烧式和光干涉式。催化燃烧式便携甲烷检测仪是矿井专用瓦斯检测仪器，光干涉式便携甲烷检测仪属本质安全型，被广泛应用于矿井、环境保护、公共场所等易燃、易爆、温度在-10～+40℃范围内变化较大的场所的甲烷等气体浓 度 的测 定［14］。

国外则开发了比较先进的针对地铁、下水道等地下空间的便携式多气体检测仪，该检测仪同时可以检测空间中的多种气体浓度，如美国开发的 M40复合式多气体检测仪、MX4复合式4气体检测仪、QRAE（PGM-50Q）五合一气体检测仪、VRAE （PGM-7800）五合一气体检测仪等，美国英思科公司更是开发了MX6型复合式6气体检测仪。杨静等［15］通过分析下水道内可燃有毒性气体的成因，指出城市下水道由于相对封闭，容易造成可燃性气体蓄积遇明火发生爆炸，可采用美国QRAE（PGM-50Q）五合一气体检测仪对污水管道内可燃有毒气体进行测定；方德琼［16］采用美国VRAE（PGM-7800）五合一气体检测仪进行测定并研究了山地城市污水管道中有毒有害气体分布规律。但由于MX6型复合式6气体检测仪更是能同时方便地安装电化学、催化燃烧、红外以及PID传感器，用户可以根据自己研究污水管道内气体的需要选择搭配，同时仪器还支持在线图表来显示即时读数和数据记录，因而国内许多学者［17-21］在研究下水道易燃有毒有害气体时多采用该检测仪。如季俊青［18］使用MX6型多气体检测仪对兰州市典型生活排水系统进行了实测，研究了兰州市生活排水系统中CH4、H2S、CO2等废气产排规律，并评估了其对兰州城市大气环境的影响；周瑜［19］使用MX6型多气体检测仪对昆明市典型下水道进行了实测，研究了下水管道中CH4的产排系数，并评估了其对大气污染的贡献；黄建洪［20］使用MX6型多气体检测仪对典型城市生活排水系统进行了实测，研究了昆明市城市生活排水系统中CH4、H2S、CO2等废气的产排系数，为城市温室气体核算提供了基础数据。

从以上研究可以看出，我国出台了污水管道内气体检测标准，国内学者从环境保护的角度采用国外先进的便携式仪器对污水管道内甲烷进行了检测研究，但是没有从安全的角度系统地对日常生活状态下城市污水管道内甲烷的浓度变化范围开展检测分析，也未通过检测研究污水管道爆炸是甲烷聚集到爆炸极限浓度而发生的爆炸还是低于爆炸极限浓度的甲烷遇到管道内其他可燃性气体或化石油气等引发的爆炸，也未对污水管道内甲烷浓度随时间、温度等因素的变化开展系统性检测研究。

1.3污水管道内可燃性气体预警以及风险评估研究

由于重庆独特的地形和生活习性等原因，重庆市发生污水管道爆炸的事故比全国其他城市更为频繁，而这些事故大多数都是因为污水管道内可燃性气体（主要是甲烷）浓度过高引起的，为有效缓解这一状况并控制事故的发生，重庆大学相关学者做了大量的研究工作。如冯洋［22］对开发下水道可燃性气体预警系统的关键技术进行了相关研究，指出了城市下水道可燃性气体预警系统开发的关键和难点在于可燃性气体浓度信息采集的准确性、数据传输的可靠性以及报警的即时性，研究可行的方案解决了技术难点，实现了系统预期功能；宝亮［23］在对重庆市下水道、化粪池存在的安全影响调查基础上，首次提出将无线传感器网络技术运用于市政排水管道可燃气体监测并设计研制了城市下水道、化粪池可燃气体监控预警系统，对保障市政设施的安全使用具有积极的意义；米莉［24］通过现场调研和研究重庆市下水道和化粪池气体爆炸事故安全隐患，从机理上研究可燃气体的积聚现象，分析气体爆炸诱因，构建了城市下水道和化粪池气体爆炸风险评估模型，并提出了气体爆炸预警模式，为城市下水道和化粪池按风险级别分级管理以及提高预警系统的安全性和有效性提供了技术依据；彭述娟［25］对山地城市污水管道气体爆炸风险评估和预警进行了研究，并通过检测对重庆典型城市区域污水管道内有害气体进行了成分分析以及对污水管道多元气体二维湍流爆炸模型进行验证和校对，确定了污水管道CH4爆炸阈值为5.5%；胡修稳［26］通过对污水管道气体爆炸理论以及试验研究，分析出影响污水管道气体安全的影响因素和危害程度，并指出CH4是造成污水管道爆炸事件的主要原因，最终建立了基于风险矩阵的污水管道气体安全风险评估模型。澳大利亚学者Guisasola等［27］建立了攀升型下水道内CH4形成的评估模型，并通过模拟试验研究表明污水管道内CH4的产出与水力停留时间（HRT）和污水管道面积与体积（A/V）的比值相关，污水管道内的HRT越长或A/V值越大，污水管道内CH4浓度越高。

综上研究可以看出，目前国内外针对污水管道内可燃性气体主要通过实时监测来开展预警控制，同时对其开展风险评估，可见对污水管道内可燃性气体进行监测预警和开展风险评估是一种有效的管理措施，因此我国各地城市排水集团和相关政府部门应采用这种管理措施，对各自辖区内污水管道可燃性气体进行监测预警和开展风险评估，预防污水管道气体爆炸事故的发生，同时还应积极组织开展减少污水管道内甲烷产生和聚集的相关研究，并采取相应技术措施从根本上预防污水管道内可燃性气体发生爆炸。

1.4污水管道气体爆炸防止对策研究

1985年重庆市中区大溪沟罗家院一带发生过死亡26人、伤200余人的下水道特大恶性爆炸事故，事故原因是下水道内油类漂浮物和积存的沼气不能外泄，造成易燃易爆气体浓度增大，与空气混合，遇火后引起爆炸［28］。近年来我国城市污水管道因化石燃料流入或是高浓度沼气发生爆炸事故更是屡见不鲜，大量城市污水管道爆炸事故的发生已引起了相关部门和学者的关注，并采取了相应措施和开展了相关研究。如广州市城市排水监测站于2003年设定了40个监测点对城市污水管道中的可燃有毒有害气体进行每月一次的监测，并对污水管道确立了定期检查井巡回检查制度，一旦发现隐患立即处理；北京市政工程管理处于2004年通过井下气体自动监测仪、流动气体监测车以及人工队伍每月对全市200多处污水管道进行易燃毒有害气体检测，一旦发现气体超标问题，即时通报有关部门进行处理，并于2008年在奥运会场馆等城市重点区域建成了48个城市排水系统内易燃有毒有害气体的监测站，对城市排水系统中的相关气体进行了有效的监控和预警；重庆2008年开始建设城区下水道气体安全检测预警系统，并于2012年实现对加油站、餐饮场所、商业重地等重要地方的污水管道内的气体进行实时监控［16］；谢振辉等［29］通过分析下水道爆炸事故及其管理状况，提出可从加强对下水道用户的管理、强化下水道日常维护管理工作、严格控制下水道水位以及加强对下水道中气体、污水、污泥的定期监测工作等方面采取有效措施来防止下水道沼气爆炸事故的发生；李代明［30］研究了城市下水道爆炸的原因和特点，提出可从禁绝火源、打开下水道井盖等方面采取措施防止下水道沼气发生爆炸；靳菊红［31］通过分析一起污水管道检查井爆炸事故的原因，指出可从设施管理、公共安全宣传教育、施工管理等方面采取措施来防止污水管道沼气爆炸事故的发生。

综上研究可以看出，防止城市污水管道气体爆炸目前以检测预防为主，但气体检测监控是一种相对被动的方法，如果能通过对污水管道内甲烷的扩散流动行为开展研究，掌握其运移聚集规律，进而有针对性地改善污水管道内通风、井盖设计等，最终达到从技术设计上来预防污水管道内气体爆炸的发生不失为一种更为有效的方法；同时通过宣传教育让居民意识到污水管道接触到火源存在爆炸的严重危险，并控制污水管道接触火源，这将是更为主动有效的避免污水管道内甲烷聚集发生爆炸的对策。

2　展 望

本文针对目前城市污水管道甲烷爆炸防控对策研究的不足，即缺乏对城市污水管道内甲烷开展系统检测，缺乏对污水管道内甲烷运移聚集规律开展研究以及污水管道内甲烷爆炸的防控对策研究仍不完善等事实，提出了今后开展预防城市污水管道内甲烷发生爆炸事故应该重点研究的方向如下:

（1）对日常生活状态下城市污水管道内的甲烷开展长时间连续的系统性检测，考虑气温、压力、时段以及污水管道埋深、形状等多种影响因素，通过对大量的数据进行统计分析，掌握污水管道内甲烷的浓度水平，以及甲烷随季节、时间等因素变化的规律。

（2）构建城市污水管道数值模型，对污水管道内甲烷的运移聚集规律进行研究［32］。在前期数据实测的基础上建立污水管道数值模型，并通过改变污水管道的坡度、断面形状、弯曲变化、窨井盖通气孔大小和数量等物理参数，模拟参数变化对管道内气体运移聚集的影响，找出城市污水管道内甲烷聚集运移的规律。

（3）基于甲烷产生的影响因素和聚集运移规律的分析，开展污水管道内甲烷爆炸预防对策研究。通过对污水管道形状、井盖设计优化以及污水管道合理建设防止甲烷聚集，为有效防止污水管道内甲烷聚集爆炸提供理论支持。

（4）甲烷是一种热值高的清洁能源，开展对城市污水管道中甲烷等可燃性气体收集技术的研究，并加以综合利用，这对减少温室气体的排放以及环境保护和预防城市污水管道甲烷爆炸事故的发生都具有重要的意义。

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Research and Prospects of the Prevention and Control Measures of Methane Explosion in City Sewers

ZHANG Yuan1，LV Shuran1，YANG kai1ZHANG Simiao2
（1.College of Safety and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China；2.Foreign Languages Department，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China）

Methane explosion accidents occur frequently in city sewers，which bring a great threat to the personal and property safety of urban residents，so it is of great importance to study the measures for preventing and controlling methane explosion in city sewers.Based on analyzing a large number of domestic and overseas related literatures，this paper summarizes the deficiencies of studying the prevention measures for methane explosion in city sewers:①Systematic analysis for detecting methane in urban sewers has not been carried out，and the influence of environmental factors for methane detection is not considered in past monitoring experiments；②The previous research mainly focuses on fore-warning and risk assessment for flammable gas in sewers while researches on the law of accumulation and migration for methane is relatively few；③Domestic research on the measures for preventing and controlling methane explosion in city sewers is still imperfect，and there is no technical measures to control the formation of methane and reduce the accumulation of methane in city sewers.Based on these three problems，this paper puts forward the directions for studying the measures of preventing and controlling methane explosion in city sewers in the future.

urban sewers；methane explosion；detecting；accumulation law；prevention and control

X932；TU992

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.024

1671-1556（2015）05-0134-05

2015-05-07

2015-08-05

国家自然科学基金项目（51474151）；首都经济贸易大学研究生科技创新项目

张 远（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为安全技术。E-mail:zhangyuan6304@126.com

吕淑然（1964—），男，教授，主要从事安全技术方面的研究。E-mail:lsr22088@163.com