废水厌氧处理过程中的安全问题探讨汲传军

54中国环保产业2009.7交流平台CommunicationPlatform废水厌氧处理过程中的安全问题探讨汲传军1，马春强2(1.山东山大能源环境有限公司，济南250014；2.深圳华夏强汀环境工程有限公司，深圳518040)摘■要:介绍了废水厌氧处理过程中H2S中毒和CO2窒息、沼气（甲烷）爆炸、腐蚀、结垢、气柜置换以及检修中需采取的安全措施。关键词:废水厌氧处理;H2S中毒;CO2窒息;沼气（甲烷）;安全措施中图分类号:X703文献标志码:A文章编号:1006-5377（2009）07-0054-04污水处理厂在进行废水厌氧处理的过程中会产生大量的沼气（甲烷）、CO2、N2和微量H2S，在综合利用沼气的过程中，若对其安全问题重视不够，或采取的安全措施不到位，极易导致发生事故。关于废水处理厂的操作人员在作业时发生中毒、窒息、爆炸等安全事故均有报道。本文对污水处理厂（站）废水厌氧处理过程中必须注意和应采取的安全措施进行了探讨。1沼气的组成、特性及其危害1.1沼气的组成沼气的主要成分为甲烷（CH4），约占45%～70%（v）。甲烷属易燃易爆危险性气体。沼气的次要成分是CO2和N2；另外，沼气中的H2S含量为几十至几百个ppm。甲烷比空气轻。H2S和CO2比空气重，易在低洼处沉积。污水处理厂凡有厌氧污泥存在的地方（包括地窖、管道），就会有沼气存在。（1）甲烷的主要特性甲烷，别名沼气，无色无臭气体，微溶于水，溶于醇、乙醚，闪点-188℃，相对比重为0.55（空气=1），在空气中自燃点为632℃，在氧气中自燃点为556℃。甲烷对人基本无毒。但浓度过高时，会使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷含量达25%～30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、运动失调。若不及时脱离该环境，就会窒息死亡。（2）H2S气体的主要特性硫化氢来自于污泥中蛋白质和废水中硫化物的转化。在开挖和整治沼泽地、沟渠、下水道、隧道以及清除垃圾、粪便等作业时都会遇到硫化氢。硫化氢为无色有恶臭气味的气体，闪点＜-50℃，溶于水或乙醇，是强烈的神经毒物，对粘膜有强烈的刺激作用。硫化氢具有危险性，易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸；与浓硝酸、发烟硫酸或其它强氧化剂混合可产生剧烈反应，发生爆55CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2009.7交流平台CommunicationPlatform炸；H2S气体比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引起回燃。1.2沼气的燃烧特性沼气中的甲烷易燃，燃烧需具备三个条件：可燃物；助燃物、氧或氧化剂；火源（如撞击、摩擦、明火、高温表面、发热自燃、绝热压缩、电火花、光等）。有时，即使这三个条件都存在，但在某些条件下，如可燃物浓度不够、助燃物数量不够（一般可燃物在含氧量低于14%的空气中不能燃烧）、点火源不具备足够的温度或热量时，也不会发生燃烧。沼气通入锅炉燃烧时，若沼气中的CO2含量高于70%、CH4含量低于30%，或沼气产量很少、气压低于40mmH2O柱，沼气便不会燃烧或燃烧不稳定。1.3沼气的危险特性在新鲜空气中，甲烷的爆炸极限为5.3%-14%（v）。在此区域内，甲烷遇热源和明火会发生爆炸。甲烷与强氧化剂接触会产生剧烈反应。沼气的最大燃烧速度为0.34m/s，最小着火能量为0.28mJ。一般存在650℃～750℃高温火源及一定浓度的甲烷和足够浓度的氧时，沼气会发生爆炸；明火、电气火花、吸烟（烟头的中心温度在750℃左右），也都足以引爆沼气，甚至撞击或磨擦产生的火花等，也都有可能引爆沼气。甲烷的爆炸极限与氧浓度也有密切关系，这种关系如下图所示。由图可知，甲烷的爆炸极限随着混合气体中氧浓度的降低而减小，当氧浓度降低时，甲烷的爆炸下限缓慢增高，上限则迅速下降。氧浓度降低到约12%时，混合气体即失去爆炸性，遇火也不会爆炸。当甲烷浓度低于爆炸下限时，遇火不爆炸，但会在火焰外围形成燃烧层（某纸厂已酸化的造纸中段废水管道，在停用数小时后，在U形管中间上面动火时曾出现过燃烧现象）。氧含量一般应控制在1%（v）以下，氧含量越低越安全。甲烷的爆炸极限并不是固定不变的，影响甲烷爆炸的因素有：（1）原始温度较高，爆炸极限范围大。（2）原始压力较高，爆炸极限范围大。当原始压力降至一定值时，爆炸上下限重合，此时压力称为临界压力。原始压力小于临界压力时，系统不能爆炸。（3）加入惰性气体可使甲烷的爆炸极限范围缩小，对爆炸上限影响最大，当惰性气体浓度达一定值后，可使混合物不发生爆炸。沼气混合气体中混入惰性气体，可降低沼气爆炸的危险性。（4）无论在什么情况下，甲烷遇100V、1A的电火花都不会发生爆炸。但当电流强度为2A时，则甲烷的爆炸极限为5.9%～13.6%（v）。2沼气对设备的腐蚀问题沼气中含有H2S和CO2，遇水会生成氢硫酸和碳酸，因此厌氧反应器内气水接触的界面位置腐蚀最严重；厌氧反应器钢顶盖、气柜钟罩、汽水分离器和管道也很容易被腐蚀。所以必须对这些设备进行定期防腐。3管道及泵的结垢问题沼气中因有CO2，所以容易结垢，特别是厌氧反应器中CO2含量在55%以上时，结垢最为严重。厌氧反应器在正常运行过程中，为控制反应器内的污泥不发生酸化，反应器中的pH一般控制在6.5～7.6，控制在7.0以下可减少结垢。厌氧反应器出水管道和内循环污泥管道、泵是最易发生严重结垢的地方，如DN200的管道，有时仅半年时间就会被结垢堵的只剩下DN50左右，所以必须定期清洗。结垢的成分与废水的组成有关，一般结垢的成分为CaSO4、CaSO3、CaCO3、MgCO3和鸟粪石。4其它安全问题及解决措施（1）在一般情况下，建议厌氧反应器不设顶盖。虽然不设顶盖会减少收集约10%的沼气，但可以节省投资，并且可以减小顶盖泄漏和腐蚀带来的安全问题。厌氧反应器若设顶盖，安全附件必须齐全好用，反应器顶必须加装安全阀或安全水封。由于一些低压安全阀质量不稳沼气-空气混合气体爆炸界限与氧浓度的关系曲线图爆炸区混入新鲜空气后可能爆炸区不爆炸区O2（%）0246810121416182022ABCD2468101214161820CH4（%）E56中国环保产业2009.7交流平台CommunicationPlatform定，不便维修校验，因此建议反应器顶使用安全水封。（2）带顶盖的厌氧反应器的顶部周边即使采用了马蹄脂或沥青密封，但或多或少总会有一些沼气泄漏，且厌氧反应器的使用时间越长沼气泄漏越厉害，因而也存在事故隐患。通常采取的预防措施是在厌氧反应器附近安装硫化氢在线检测报警仪。（3）在厌氧反应器的沼气出口管线上，由于安全水封加水会增大气阻，造成沼气送不出去，因此安全水封可不加水。安全水封不加水就是将其当成汽水分离器使用，每小时排1次冷凝水。但在检修及开停车时，必须正确使用安全水封。（4）气柜沼气进出口管必须加装阻火器，为减少堵塞，阻火器的直径可选大一些的。沼气管线上的阻火器需定期更换滤芯，以确保阻火器畅通、阻火；并且至少半年要检查清洗一次。（5）厌氧反应器和气柜要防止产生负压。正常情况下，气柜水槽内的水要保持溢流状态，气柜放净阀不能打开。沼气柜水槽放水前一定要打开气柜钟罩上部的放空阀，防止放水时将钟罩抽瘪。（6）厌氧反应器排泥时不能太快，要慢慢进行，保持厌氧反应器正压，防止厌氧反应器产生负压吸入空气而影响沼气系统安全。（7）沼气脱硫时要注意防止脱硫剂再生过程中FeS的自燃。5气柜储存沼气前的置换与检修置换5.1沼气输送前的准备（1）气柜试压和气密要试验合格，气柜水槽要加满水并保持溢流。（2）UASB产生的沼气中O2＜1%、CO2＜45%、CH4＞55%。（3）UASB、沼气管道试压和气密试验合格。5.2沼气系统置换沼气系统是指厌氧反应器沼气出口管至气柜出口水封之间的所有设备和管道。条件具备时可直接用N2置换。（1）检查沼气系统各处阀门关闭，气柜出口水封要加满水。（2）打开UASB沼气管出气阀，向气柜通沼气，气柜升到设计高度时，打开气柜钟罩排空阀将气放掉后关闭阀门。（3）打开气柜进气阀置换气柜内的空气，然后放空，反复数次。（4）气柜出口管道也必须置换。沼气取样分析O2＜1%为置换合格。（5）关闭气柜放空阀升气柜气量至设计值，待用。5.3气柜停车检修置换（1）将UASB和气柜出口管道安全水封水位加至设计高度，将气柜放空阀打开，放掉气柜内的沼气，并将UASB反应器顶部放空阀打开，或将沼气出口管放空阀门打开，反应器内保持正压。（2）打开气柜顶部的放空阀，将气柜内的气放完。气柜进出口加盲板隔开。打开放净阀放完水后再关闭顶部防空阀。将气柜再加满水，这时气柜自动上升至顶部，再将气放掉。重复上述操作几次，直至检测18%＜O2＜23%、CH4＜0.5%、H2S＜15ppm合格为止。取样一定要有代表性。另一办法是在第二次加满水后，打开顶部入孔，用1万m3/h的轴流风机向气柜内强制通风8～24h，风机直径要与人孔直径一致。必要时可将气柜内的水全部放掉置换。置换要彻底，不能留有死角。注意周围环境，雷雨天最好不要置换。6检修作业6.1动火分析从理论上讲，只要可燃物浓度在爆炸限以下，动火就是安全的，但考虑防取样的代表性及分析仪器的误差等因素，应留有安全余量，动火分析合格的标准为：爆炸下限CH4＜4%（v），动火地点空气中可燃物含量＜0.2%（v）为合格；爆炸下限CH4＞4%（v），可燃物含量＜0.5%为合格。进入气柜、罐、塔、沉井内作业前，18%＜O2＜23%、CH4＜0.5%、H2S＜15ppm为合格。外面必须有2名以上的监护人员，落实安全措施（如氧气呼吸器、长管呼吸器、防毒面具、低压安全防爆行灯等），经申请并得到批准后才能进行。6.2动火时间动火时间不宜过迟，一般应在分析合格后半小时以内进行。6.3动火要求动火应做到“三不动火”，即：没有动（用）火证57CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY2009.7交流平台CommunicationPlatform不动火，防火措施不落实不动火，监护人不在现场不动火。动火手续过期的应重新办理。7主要安全管理规定（1）防火防爆区域设立安全警示牌。（2）严禁携带香烟火种，禁打手机和禁穿带铁钉的工作鞋。（3）机动车进入禁火区必须配戴阻火器。（4）操作人员必须穿防静电工作服、鞋和手套。（5）现场操作时必须使用防火防爆工具，如防爆手电、扳手、F扳手等。（6）防雷接地电阻按有关规定定期测试。参考文献：[1]曾科，卜秋平，陆少鸣.污水处理厂设计与运行[M].北京：化学工业出版社，2001.[2]周忠元，陈桂琴.化工安全技术与管理[M].北京：化学工业出版社，2002.[3]叶忠贵.石油化工安全技术[M].北京：石油工业出版社，1988.[4]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1999.OnSecurityProblemsinWastewaterAnaerobicTreatmentJIChuan-jun1,MAChun-qiang2(ShangdongShandaEnergy&EnvironmentCO.,LTD,Jinan250014;2.ShenzhenHuaxiaQiangtingEnvironmentalEngineeringCO.,LTD,Shenzhen518040,China)Abstract:ThepaperpresentstheH2StoxicosisandCO2asphyxiation,marshgasexplosion,erosion,filth,replacementofgastankinthecourseofwastewateranaerobictreatmentandsecuritymeasurestobetakeninmaintenance.Keywords:anaerobictreatment;H2Stoxicosis;CO2asphyxiation;marshgas;securitymeasures6结论（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