污水管内气体溢出规律研究

闫帅军 樊龙

中国市政工程华北设计研究总院有限公司，中国·陕西 西安 710018

通过对污水管内气体溢出规律分析，检测了中国西安市城区部分污水管内甲烷、硫化氢气体溢出量，结果表明污水管内流速增大，甲烷含量增加，氧气逐渐减少；支管和坡度变化时甲烷含量呈增加趋势，管内氧气减少；井内有跌水时上游甲烷含量减少下游增大，而氧气含量基本不变。

污水管道；有害气体；紊动动能

1 引言

随着城镇化快速发展，城市排水系统带来的管道爆炸事故、人员中毒、恶臭弥漫等现象日趋严重[1]。对于排水管道的研究主要集中于水力学方面如管道坡度、断面流速、流量设计及优化，以确保污水有效输送[2-3]。对排水设施衔接处如新旧管道连接、支管接入、跌水等现象引起成水流的紊动，引发管内气体溢出水面并集聚在管道净空区域研究鲜见。

利用多气体检测仪对西安市城区部分污水管内CH4、H2S、O2现场检测，分析了管内气体溢出流动规律，初步探讨了管内紊动动能对管内气体分布的影响，为污水管内有毒爆炸现象预测提供了参考。

2 管内污水中气体溢出因素分析

厌氧条件下管内产生的有害气体溶于污水中，在适当的污水流速0.61～1.07m/s 能有效抑制气体溢出水面，同时影响污水中气体释放速率[4]。污水紊动动能过大则会有大量溶解气体溢出。

（1）新旧管道衔接：新旧管道衔接处管径变化，坡度变大等导致水流速改变，水中悬浮颗粒沉降速率引发淤泥沉积。水流紊动动能改变，溶解气体溢出并释放至管道净空区域向上下游扩散[5]。

（2）支管接入：在街区干道、主干道中有多条支管汇入，支管汇入后改变管内原有水流流态。另一方面支管汇流量随居民生活规律有关，在排水高峰期流量大、流速快，对干管内淤泥冲击严重，大量悬浮物缓慢沉积在管底。

（3）坡度变化：污水管道顺坡布置，地形坡度变化较大区域难免需要改变管径、坡度，减小水流速。当管道坡度变小时溶解气体溢出速率减缓，坡度变大时溶解气体溢出速率将增大。

（4）检查井内跌水：穿越地下障碍物时采用跌水井连接管道，跌落水流冲击井底搅动底部沉积淤泥，推动污水管内气体流通速率，进而影响管内气体释放速率。

3 实验与结果讨论

参照《城镇排水设施气体的检测方法》（CJ/T307-2009）规定的各种气体检测办法，利用气体检测仪对西安市部分污水检查井内CH4、H2S、O2现场检测。CH4检测位置为检查井垂直高度自上而下的五分之四处，H2S 与O2为二分之一处，管道设计坡度、流量、流速等参考相关设计资料。

3.1 流速变化对管内气体分布影响

在新旧管道衔接处，两支不同管径汇入新管道如图1所示，2#、3#井内水流汇流后经1#井；2#井下游管道设计流速1.15m/s，流量为58.74L/s；3#井下游管道设计流速为1.15 m/s，设计流量为52.31 L/s；1#井上游管道设计流速为0.86 m/s，设计流量为101.05 L/s。井内甲烷与氧气分布如图2所示。

图1 检测位置示意图

图2 流速对管内气体分布影响

从图中看出，旧管道相连检查井2#、3#井上下游管道设计流速较大，井内甲烷含量分别为19.21、18.16%vol，远高于甲烷爆炸上限15.6% vol，在下游1#井内甲烷含量相对较低约为15.40% vol；在上游2#、3#内氧气含量较低，均低于最低安全浓度19.5% vol 且在所有井内均未检测出硫化氢气体。上游2#、3#井连接管内污水流速较大，管内水流紊动导致溶解气体逐渐溢出水体，而在下游管内污水流速较小，溶解气体不易溢出，同时管内流速较小，水流表层拖拽力对气体牵引作用较弱，因此在下游1#井内甲烷浓度较低。

3.2 支管汇流对管内气体分布影响

测试管段全长204 m，相邻检查井间隔51 m，管道坡度i=0.0015，沿水流方向1～5#井如图3所示。其中3#井有支管汇流，流量为30.16 L/s，1#、2#管段流量为153.6 L/s。井内气体分布如图4所示。

图3 检测位置示意图

图4 支管汇流对井内气体分布影响

结果表明：其中在3#井内甲烷浓度达到5% vol，在3#井上下游井内均未发现甲烷气体超过爆炸下限，并呈递减的趋势；在上游井内甲烷含量递减趋势相对较慢，而在下游井内甲烷含量变最低约为0.2% vol；在3#井内氧气含量最低为15.9% vol，尤其在下游5#井内氧气含量约为20.1% vol。调查表明在3#井内检测出硫化氢气体约为2.5 ppm。由于污水表层拖拽力影响管内净空区域气体随水流向上下游缓慢扩散，因此在上下游检查井内甲烷含量呈递减趋势。

污水管道内有害气体的产生与多种因素有关，而已产生气体在管道内主要受水流表层拖拽力影响，在检查井内大流量汇入对上下游管道内气体流通有一定的推动作用，上游管内气体向下游流动，可能在汇流井内出现气体集聚现象。

3.3 坡度变化对管内气体分布的影响

全长270 m，相邻检查井间距为54m的连续五个井，如图5所示。其中3#井上游管道坡度0.001，下游坡度为0.0015，上下游道直径分别为d=1000、d=1200 mm，设计流速为1.29m/s 设计流量为442.82L/s.

图5 检测位置示意图

图6 坡度对管道内气体分布影响

如图6所示，结果表明：在3#内甲烷含量最高且超过5%vol，而在上下游井内甲烷含量呈递减趋势，尤其在下游5#井内甲烷含量降低至0.2% vol；在3#井内氧气含量最少约为1.2% vol，在上下游井内氧气含量均较高且呈递增趋势，尤其在下游5#井内氧气含量约为20.1% vol。管道坡度变化，管径变化对管内水流流态有一定影响，而在变化区域由于污水表层拖拽力的改变，导致净空区域气体流通情况改变，在变化区域气体极有可能集聚，引发爆炸现象发生。调查表明在3#井内检测出硫化氢气体，约为2.5 ppm。因此，在实际中管道坡度变化影响井内气体的流通，同时对管道底部沉淀物堆积有一定影响。

3.4 井内跌水对管内气体分布影响

管长220m，居民区周边管径400mm，坡度0.002，设计流量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#井为跌水井，井内气体分布如图7所示。

从图中看出：起始井内氧气含量为13.6%vol，沿水流方向逐渐增加，在3#井下游井内氧气含量基本不变，末端井内氧气含量约为20.04%vol。在3#上游井内甲烷含量逐渐增加，起始井内甲烷含量约为0.34%vol，而在3#井下游井内甲烷含量缓慢增加，末端井内甲烷含量约为0.13%vol。在所有井内均未检测出硫化氢气体。由于井内跌落水流冲击底部垫层，导致底部淤泥层堆积微弱，水流急速，部分溶解气体释放后随水流向下游扩散。另一方面，井内跌落水流扰动井内气体由检查井盖边缘缝隙及开启孔溢出，因此在跌水井内甲烷浓度较低。

图7 跌水现象对井内气体分布影响

4 结语

通过对污水管内气体溢出规律分析，对污水管内CH4、H2S、O2现场检测发现：污水管道内溶解气体释放与多种因素有关，具体结论如下。

（1）在新旧管道衔接处管内流速聚变，上下游管内污水流速分别为1.15、0.86 m/s，甲烷浓度分别为19.20%、15.41%vol，管内内氧气分别为16.9%、18.9%vol；管内流速越大污水紊动越剧烈，溶解气体从水中溢出量越多。

（2）在全长为204m，中间有30.6L/s 流量汇入时，汇流井内甲烷含量超过爆炸下限（5%vol）上下游管内甲烷含量呈递减趋势，汇流井内氧气为15.9%vol，上下游井内氧气呈递增趋势。汇流污水流速变化频繁，井内淤泥沉积严重加之侧入水流加速管内污水流动，因此溶解气体溢出量较大。

（3）在长240m 上下游管道坡度分别为0.001、0.0015，坡度变化井内甲烷达5%vol，上下游管内甲烷呈递减趋势，井内氧气含量最低约为1.2%vol，上下游井内氧气含量呈递增趋势。坡度变化影响井内污水流速，导致井内淤泥沉积严重，厌氧条件下有害气体产生量较大并随水流向上下游扩散。