閆帥軍 樊龍

中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，中國·陜西 西安 710018

通過對污水管內(nèi)氣體溢出規(guī)律分析，檢測了中國西安市城區(qū)部分污水管內(nèi)甲烷、硫化氫氣體溢出量，結(jié)果表明污水管內(nèi)流速增大，甲烷含量增加，氧氣逐漸減少；支管和坡度變化時(shí)甲烷含量呈增加趨勢，管內(nèi)氧氣減少；井內(nèi)有跌水時(shí)上游甲烷含量減少下游增大，而氧氣含量基本不變。

污水管道；有害氣體；紊動(dòng)動(dòng)能

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市排水系統(tǒng)帶來的管道爆炸事故、人員中毒、惡臭彌漫等現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[1]。對于排水管道的研究主要集中于水力學(xué)方面如管道坡度、斷面流速、流量設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以確保污水有效輸送[2-3]。對排水設(shè)施銜接處如新舊管道連接、支管接入、跌水等現(xiàn)象引起成水流的紊動(dòng)，引發(fā)管內(nèi)氣體溢出水面并集聚在管道凈空區(qū)域研究鮮見。

利用多氣體檢測儀對西安市城區(qū)部分污水管內(nèi)CH4、H2S、O2現(xiàn)場檢測，分析了管內(nèi)氣體溢出流動(dòng)規(guī)律，初步探討了管內(nèi)紊動(dòng)動(dòng)能對管內(nèi)氣體分布的影響，為污水管內(nèi)有毒爆炸現(xiàn)象預(yù)測提供了參考。

2 管內(nèi)污水中氣體溢出因素分析

厭氧條件下管內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體溶于污水中，在適當(dāng)?shù)奈鬯魉?.61～1.07m/s 能有效抑制氣體溢出水面，同時(shí)影響污水中氣體釋放速率[4]。污水紊動(dòng)動(dòng)能過大則會(huì)有大量溶解氣體溢出。

（1）新舊管道銜接：新舊管道銜接處管徑變化，坡度變大等導(dǎo)致水流速改變，水中懸浮顆粒沉降速率引發(fā)淤泥沉積。水流紊動(dòng)動(dòng)能改變，溶解氣體溢出并釋放至管道凈空區(qū)域向上下游擴(kuò)散[5]。

（2）支管接入：在街區(qū)干道、主干道中有多條支管匯入，支管匯入后改變管內(nèi)原有水流流態(tài)。另一方面支管匯流量隨居民生活規(guī)律有關(guān)，在排水高峰期流量大、流速快，對干管內(nèi)淤泥沖擊嚴(yán)重，大量懸浮物緩慢沉積在管底。

（3）坡度變化：污水管道順坡布置，地形坡度變化較大區(qū)域難免需要改變管徑、坡度，減小水流速。當(dāng)管道坡度變小時(shí)溶解氣體溢出速率減緩，坡度變大時(shí)溶解氣體溢出速率將增大。

（4）檢查井內(nèi)跌水：穿越地下障礙物時(shí)采用跌水井連接管道，跌落水流沖擊井底攪動(dòng)底部沉積淤泥，推動(dòng)污水管內(nèi)氣體流通速率，進(jìn)而影響管內(nèi)氣體釋放速率。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

參照《城鎮(zhèn)排水設(shè)施氣體的檢測方法》（CJ/T307-2009）規(guī)定的各種氣體檢測辦法，利用氣體檢測儀對西安市部分污水檢查井內(nèi)CH4、H2S、O2現(xiàn)場檢測。CH4檢測位置為檢查井垂直高度自上而下的五分之四處，H2S 與O2為二分之一處，管道設(shè)計(jì)坡度、流量、流速等參考相關(guān)設(shè)計(jì)資料。

3.1 流速變化對管內(nèi)氣體分布影響

在新舊管道銜接處，兩支不同管徑匯入新管道如圖1所示，2#、3#井內(nèi)水流匯流后經(jīng)1#井；2#井下游管道設(shè)計(jì)流速1.15m/s，流量為58.74L/s；3#井下游管道設(shè)計(jì)流速為1.15 m/s，設(shè)計(jì)流量為52.31 L/s；1#井上游管道設(shè)計(jì)流速為0.86 m/s，設(shè)計(jì)流量為101.05 L/s。井內(nèi)甲烷與氧氣分布如圖2所示。

圖1 檢測位置示意圖

圖2 流速對管內(nèi)氣體分布影響

從圖中看出，舊管道相連檢查井2#、3#井上下游管道設(shè)計(jì)流速較大，井內(nèi)甲烷含量分別為19.21、18.16%vol，遠(yuǎn)高于甲烷爆炸上限15.6% vol，在下游1#井內(nèi)甲烷含量相對較低約為15.40% vol；在上游2#、3#內(nèi)氧氣含量較低，均低于最低安全濃度19.5% vol 且在所有井內(nèi)均未檢測出硫化氫氣體。上游2#、3#井連接管內(nèi)污水流速較大，管內(nèi)水流紊動(dòng)導(dǎo)致溶解氣體逐漸溢出水體，而在下游管內(nèi)污水流速較小，溶解氣體不易溢出，同時(shí)管內(nèi)流速較小，水流表層拖拽力對氣體牽引作用較弱，因此在下游1#井內(nèi)甲烷濃度較低。

3.2 支管匯流對管內(nèi)氣體分布影響

測試管段全長204 m，相鄰檢查井間隔51 m，管道坡度i=0.0015，沿水流方向1～5#井如圖3所示。其中3#井有支管匯流，流量為30.16 L/s，1#、2#管段流量為153.6 L/s。井內(nèi)氣體分布如圖4所示。

圖3 檢測位置示意圖

圖4 支管匯流對井內(nèi)氣體分布影響

結(jié)果表明：其中在3#井內(nèi)甲烷濃度達(dá)到5% vol，在3#井上下游井內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)甲烷氣體超過爆炸下限，并呈遞減的趨勢；在上游井內(nèi)甲烷含量遞減趨勢相對較慢，而在下游井內(nèi)甲烷含量變最低約為0.2% vol；在3#井內(nèi)氧氣含量最低為15.9% vol，尤其在下游5#井內(nèi)氧氣含量約為20.1% vol。調(diào)查表明在3#井內(nèi)檢測出硫化氫氣體約為2.5 ppm。由于污水表層拖拽力影響管內(nèi)凈空區(qū)域氣體隨水流向上下游緩慢擴(kuò)散，因此在上下游檢查井內(nèi)甲烷含量呈遞減趨勢。

污水管道內(nèi)有害氣體的產(chǎn)生與多種因素有關(guān)，而已產(chǎn)生氣體在管道內(nèi)主要受水流表層拖拽力影響，在檢查井內(nèi)大流量匯入對上下游管道內(nèi)氣體流通有一定的推動(dòng)作用，上游管內(nèi)氣體向下游流動(dòng)，可能在匯流井內(nèi)出現(xiàn)氣體集聚現(xiàn)象。

3.3 坡度變化對管內(nèi)氣體分布的影響

全長270 m，相鄰檢查井間距為54m的連續(xù)五個(gè)井，如圖5所示。其中3#井上游管道坡度0.001，下游坡度為0.0015，上下游道直徑分別為d=1000、d=1200 mm，設(shè)計(jì)流速為1.29m/s 設(shè)計(jì)流量為442.82L/s.

圖5 檢測位置示意圖

圖6 坡度對管道內(nèi)氣體分布影響

如圖6所示，結(jié)果表明：在3#內(nèi)甲烷含量最高且超過5%vol，而在上下游井內(nèi)甲烷含量呈遞減趨勢，尤其在下游5#井內(nèi)甲烷含量降低至0.2% vol；在3#井內(nèi)氧氣含量最少約為1.2% vol，在上下游井內(nèi)氧氣含量均較高且呈遞增趨勢，尤其在下游5#井內(nèi)氧氣含量約為20.1% vol。管道坡度變化，管徑變化對管內(nèi)水流流態(tài)有一定影響，而在變化區(qū)域由于污水表層拖拽力的改變，導(dǎo)致凈空區(qū)域氣體流通情況改變，在變化區(qū)域氣體極有可能集聚，引發(fā)爆炸現(xiàn)象發(fā)生。調(diào)查表明在3#井內(nèi)檢測出硫化氫氣體，約為2.5 ppm。因此，在實(shí)際中管道坡度變化影響井內(nèi)氣體的流通，同時(shí)對管道底部沉淀物堆積有一定影響。

3.4 井內(nèi)跌水對管內(nèi)氣體分布影響

管長220m，居民區(qū)周邊管徑400mm，坡度0.002，設(shè)計(jì)流量28.16L/S，跌水井深5.5m，跌水高度2.5m，跌水流量14.12 L/S，流速1.09m/s。其中3#井為跌水井，井內(nèi)氣體分布如圖7所示。

從圖中看出：起始井內(nèi)氧氣含量為13.6%vol，沿水流方向逐漸增加，在3#井下游井內(nèi)氧氣含量基本不變，末端井內(nèi)氧氣含量約為20.04%vol。在3#上游井內(nèi)甲烷含量逐漸增加，起始井內(nèi)甲烷含量約為0.34%vol，而在3#井下游井內(nèi)甲烷含量緩慢增加，末端井內(nèi)甲烷含量約為0.13%vol。在所有井內(nèi)均未檢測出硫化氫氣體。由于井內(nèi)跌落水流沖擊底部墊層，導(dǎo)致底部淤泥層堆積微弱，水流急速，部分溶解氣體釋放后隨水流向下游擴(kuò)散。另一方面，井內(nèi)跌落水流擾動(dòng)井內(nèi)氣體由檢查井蓋邊緣縫隙及開啟孔溢出，因此在跌水井內(nèi)甲烷濃度較低。

圖7 跌水現(xiàn)象對井內(nèi)氣體分布影響

4 結(jié)語

通過對污水管內(nèi)氣體溢出規(guī)律分析，對污水管內(nèi)CH4、H2S、O2現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)：污水管道內(nèi)溶解氣體釋放與多種因素有關(guān)，具體結(jié)論如下。

（1）在新舊管道銜接處管內(nèi)流速聚變，上下游管內(nèi)污水流速分別為1.15、0.86 m/s，甲烷濃度分別為19.20%、15.41%vol，管內(nèi)內(nèi)氧氣分別為16.9%、18.9%vol；管內(nèi)流速越大污水紊動(dòng)越劇烈，溶解氣體從水中溢出量越多。

（2）在全長為204m，中間有30.6L/s 流量匯入時(shí)，匯流井內(nèi)甲烷含量超過爆炸下限（5%vol）上下游管內(nèi)甲烷含量呈遞減趨勢，匯流井內(nèi)氧氣為15.9%vol，上下游井內(nèi)氧氣呈遞增趨勢。匯流污水流速變化頻繁，井內(nèi)淤泥沉積嚴(yán)重加之側(cè)入水流加速管內(nèi)污水流動(dòng)，因此溶解氣體溢出量較大。

（3）在長240m 上下游管道坡度分別為0.001、0.0015，坡度變化井內(nèi)甲烷達(dá)5%vol，上下游管內(nèi)甲烷呈遞減趨勢，井內(nèi)氧氣含量最低約為1.2%vol，上下游井內(nèi)氧氣含量呈遞增趨勢。坡度變化影響井內(nèi)污水流速，導(dǎo)致井內(nèi)淤泥沉積嚴(yán)重，厭氧條件下有害氣體產(chǎn)生量較大并隨水流向上下游擴(kuò)散。