地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)分析

倪 明

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程和生態(tài)文明建設(shè)的快速推進(jìn)，許多城市的污水處理廠已被住宅、商業(yè)區(qū)層層“包圍”，傳統(tǒng)污水處理廠產(chǎn)生的臭味、噪聲等環(huán)境污染及與景觀不協(xié)調(diào)等問題已引起人們的高度關(guān)注。因此，具有節(jié)省土地資源、視覺美觀、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)的地下式污水處理廠越來越受到各大城市的青睞。據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)已建或在建的大型地下式污水處理廠(設(shè)計(jì)規(guī)模≥10萬m3/d)已經(jīng)超過40座，但地下式污水處理廠作為“新興建設(shè)型式”，在設(shè)計(jì)過程中仍有諸多環(huán)節(jié)尚無據(jù)可循[1-2]，尤其是消防設(shè)計(jì)，既無設(shè)計(jì)規(guī)范可依,也無成熟經(jīng)驗(yàn)可參，是地下式污水處理設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。本文通過昆明市某地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)，針對(duì)該難點(diǎn)進(jìn)行了分析與討論。

1 污水處理廠基本概況

昆明市某地下式污水處理廠位于主城北片區(qū)，設(shè)計(jì)規(guī)模為20.0萬m3/d。分期建設(shè)，一期土建規(guī)模為20.0萬m3/d，設(shè)備規(guī)模為10.0萬m3/d；配套建設(shè)一級(jí)強(qiáng)化處理設(shè)施，處理規(guī)模為40.0萬m3/d。出水水質(zhì)達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類(除TN外)后作為河道生態(tài)補(bǔ)水。

廠區(qū)占地面積為7.83×104m2。地面分為廠前區(qū)及公共開放區(qū)，其中廠前區(qū)占地1.90×104m2，布置有集中控制中心、綜合樓、變配電間及加氯間、門衛(wèi)室，公共開放區(qū)占地5.93×104m2，為市民休閑活動(dòng)公園。

廠區(qū)下部為污水處理廠地下箱體(生廠區(qū))，總面積為62 350.22 m2。由預(yù)處理區(qū)、生物處理區(qū)、深度處理及再生水處理區(qū)、污泥處理區(qū)、一級(jí)強(qiáng)化處理區(qū)等污水、污泥處理構(gòu)(建)筑物組成。

污水處理廠豎向分為四個(gè)部分，分別為景觀綠化層(地面層)、覆土層、操作層及池體層。覆土層厚度為2.0 m，滿足綠化種植要求；操作層以輔助公用建筑為主，承擔(dān)污水處理廠的正常巡視和設(shè)備檢修功能。池體層以水處理構(gòu)筑物為主(水池)，綜合管廊為輔，一般情況下無人員活動(dòng)。

污水處理廠總平面布置、箱體布置、豎向功能分區(qū)分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 昆明市某地下式污水處理廠總平面圖Fig.1 General Layout of the Underground WWTP in Kunming City

圖3 昆明市某地下式污水處理廠豎向功能分區(qū)示意圖Fig.3 Vertical Functional Zone of the Underground WWTP in Kunming City

圖2 昆明市某地下式污水處理廠箱體布置圖Fig.2 Box Layout of the Underground WWTP in Kunming City

2 地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)分析

2.1 火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

地下式污水處理廠是以污水為主要生產(chǎn)介質(zhì)、以鋼筋混凝土為主要建筑材料的地下大空間箱體，按照其生產(chǎn)特點(diǎn)，地下箱體可能發(fā)生火災(zāi)的有可燃?xì)怏w、藥劑、設(shè)備、電力電纜等。

城鎮(zhèn)污水中散發(fā)的可燃性氣體有硫化氫、氨氣、甲硫醚、甲硫醇、二甲二硫等，在厭氧條件下還會(huì)產(chǎn)生甲烷。上述氣體當(dāng)濃度達(dá)到一定范圍時(shí)，在明火條件下會(huì)有火災(zāi)危險(xiǎn)。但城鎮(zhèn)污水處理廠中上述可燃性氣體的濃度水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它們的爆炸(燃燒)極限。以污水處理廠產(chǎn)生的惡臭可燃?xì)怏w中濃度最高的成分硫化氫和氨氣為例，表1是城鎮(zhèn)污水處理廠典型處理區(qū)域中產(chǎn)生的硫化氫和氨氣的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，表2是可燃?xì)怏w性質(zhì)。有較嚴(yán)重安全隱患的甲烷，來源于污水處理過程中的厭氧反應(yīng)，而一般城鎮(zhèn)污水處理廠的污水、污泥處理工藝，均不具備絕對(duì)厭氧的條件，不會(huì)有甲烷大量溢出，其濃度水平根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)顯示僅為微量，且可以通過除臭與通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排出地下箱體外。

表1 污水處理廠典型處理區(qū)域臭氣污染物濃度[3]Tab.1 Concentration of Odor Pollutant in the Typical Treatment Area of WWTP[3]

表2 可燃?xì)怏w性質(zhì)Tab.2 Properties of Combustible Gas

本工程污水處理過程中使用的藥劑主要有除磷藥劑聚合氯化鋁、污泥脫水藥劑聚丙烯酰胺、外加碳源乙酸鈉、消毒藥劑次氯酸鈉，且基本以液體形式儲(chǔ)存和使用。這些藥劑均為不可燃，無爆炸危險(xiǎn)。

地下箱體內(nèi)安裝的工藝、通風(fēng)等設(shè)備主要材料為金屬，且絕大部分為水下安裝，電動(dòng)機(jī)是可能的火源點(diǎn)，部分設(shè)備內(nèi)部有少量潤(rùn)滑油可能造成局部起火，但因可燃物(潤(rùn)滑油)很少，設(shè)備位置相對(duì)獨(dú)立，火災(zāi)不會(huì)蔓延、持續(xù)。

地下箱體內(nèi)電氣設(shè)備主要有變壓器、開關(guān)柜和配電柜、控制柜和相應(yīng)電纜，其中變壓器設(shè)計(jì)為干式變壓器，電纜為阻燃(耐火)電纜。電氣設(shè)備因觸點(diǎn)接觸、瞬間過載等因素可能引發(fā)瞬間火源，電纜本身無可燃物質(zhì)，火源不會(huì)蔓延和持續(xù)；變配電室、控制室設(shè)置氣體自動(dòng)滅火裝置，阻止火災(zāi)蔓延至室外。因此，電氣系統(tǒng)難以產(chǎn)生影響地下箱體的火災(zāi)。

此外，從廠內(nèi)人員活動(dòng)分析，地下式污水處理廠已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，無人值守。廠內(nèi)人員的值班、維修等活動(dòng)均在地上進(jìn)行，地下箱體內(nèi)活動(dòng)僅為定時(shí)巡視，而且廠內(nèi)人員均經(jīng)過了嚴(yán)格的培訓(xùn)，熟悉地下箱體消防設(shè)施操控、疏散路線、疏散口位置，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)快速滅火及疏散。因此，地下式污水處理廠不屬于人員密集型火災(zāi)危險(xiǎn)場(chǎng)所。

綜上，地下式污水處理廠可燃物少，無常駐人員活動(dòng)，火災(zāi)危險(xiǎn)性小。

2.2 消防設(shè)計(jì)主要問題

對(duì)于地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)尚無專門的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。目前主要參考《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中關(guān)于地下或半地下廠房的防火要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本工程地下箱體消防設(shè)計(jì)若嚴(yán)格按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中關(guān)于火災(zāi)危險(xiǎn)性為戊類的地下廠房進(jìn)行，則地下箱體將要設(shè)置至少63個(gè)以上的防火分區(qū)，即使加設(shè)自動(dòng)噴淋也需設(shè)置至少32個(gè)防火分區(qū)[4]。大量的防火分區(qū)將對(duì)地下箱體的工藝布置、行車運(yùn)輸、操作管理帶來極大的不便。每個(gè)防火分區(qū)均需在地上設(shè)置疏散口、通風(fēng)排煙口等附屬建(構(gòu))筑物，嚴(yán)重限制了污水處理廠地面用地的綜合開發(fā)。

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》適用的地下廠房為密集的人員生產(chǎn)活動(dòng)區(qū)域，發(fā)生火災(zāi)后將造成較大的人員、財(cái)產(chǎn)損失，這與高度自動(dòng)化運(yùn)行、人員稀少且訓(xùn)練有素、以污水為主要生產(chǎn)對(duì)象的地下式污水處理廠有著巨大的差異。

因此，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)地下廠房的規(guī)定并不完全適用于地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)，應(yīng)針對(duì)地下式污水處理廠的消防特點(diǎn)，對(duì)其消防設(shè)計(jì)予以適當(dāng)簡(jiǎn)化。

3 國(guó)內(nèi)類似工程消防設(shè)計(jì)概況

據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)已建或在建的地下(半地下)污水處理廠為解決上述問題，在地下箱體防火分區(qū)的劃分上通常采用兩種方式：一種是根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定[4]，廠房?jī)?nèi)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)，防火分區(qū)最大面積可由1 000 m2增至2 000 m2，如昆明第九、十污水處理廠、廣州京溪污水處理廠；另一種方法是突破《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，適度擴(kuò)大防火分區(qū)面積，并由消防主管部門會(huì)同消防咨詢機(jī)構(gòu)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行消防專項(xiàng)審查。如昆明第十一污水處理廠，最大防火分區(qū)面積為3 950 m2；鄭州南三環(huán)污水處理廠，最大防火分區(qū)面積為3 930 m2；青島高新區(qū)污水處理廠，最大防火分區(qū)面積為3 300 m2。

上述工程防火分區(qū)的劃分均是將污水處理廠地下箱體視為一個(gè)火災(zāi)危險(xiǎn)性無差別的整體來進(jìn)行，即使按照第二種方式，大型地下式污水處理廠地下箱體的防火分區(qū)數(shù)量仍偏多，以本工程為例，按4 000 m2計(jì)，需劃分防火分區(qū)至少16個(gè)，且每個(gè)防火分區(qū)均需配置完善的消防設(shè)施。實(shí)際地下箱體不同功能區(qū)的火災(zāi)危險(xiǎn)性存在較大差異：輔助公用建筑區(qū)(如鼓風(fēng)機(jī)房、變配電間、脫水機(jī)房等)，空間封閉狹小，但卻集中布置有大量工藝、電氣設(shè)備，又是人員巡視的重點(diǎn)區(qū)域，火災(zāi)危險(xiǎn)性較高；處理構(gòu)筑物區(qū)，空間開放寬敞，設(shè)備布置相對(duì)分散，火災(zāi)危險(xiǎn)性極低。因此，各區(qū)域可以利用這種差異進(jìn)行防火分區(qū)劃分及消防設(shè)施配置的設(shè)計(jì)，做到“寬嚴(yán)相濟(jì)”。

4 本工程消防設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

將火災(zāi)危險(xiǎn)性較高的構(gòu)(建)筑物布置在地下箱體以外，作為地面構(gòu)(建)筑物設(shè)計(jì)。

污水處理廠地上部分嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行消防設(shè)計(jì)規(guī)范。構(gòu)(建)筑物布置滿足防火間距要求；設(shè)置環(huán)形消防車道及出入口；設(shè)置室(內(nèi))外消火栓、滅火器、消防水箱、消防水泵等消防設(shè)施設(shè)備。

地下箱體按照功能的不同分為廠房和構(gòu)筑物。預(yù)處理區(qū)、生物反應(yīng)池、深度處理區(qū)、一級(jí)強(qiáng)化處理區(qū)等區(qū)域按構(gòu)筑物考慮。鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間、變配電間及控制室、污泥處理車間等有生產(chǎn)設(shè)備且為人員巡視重點(diǎn)的部位按廠房考慮，并將廠房及處理構(gòu)筑物分別集中布置，操作巡視層劃分為廠房區(qū)域和構(gòu)筑物空倉(cāng)區(qū)域。構(gòu)筑物空倉(cāng)區(qū)域不劃分防火分區(qū)，僅設(shè)置必要的安全出口。廠房區(qū)域按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》丁、戊類地下廠房劃分防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)建筑面積不超過1 000 m2(其中變配電間為丁類)；每個(gè)防火分區(qū)均設(shè)有2處直通室外的安全出口；在任一防火分區(qū)中任意一點(diǎn)到達(dá)安全出口的距離均小于60 m。底層管廊空間可劃分為一個(gè)防火分區(qū)，最遠(yuǎn)疏散距離為200 m，滿足《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)的要求[5]。

4.2 防火分區(qū)劃分

按照總體設(shè)計(jì)要求，本工程地下箱體負(fù)一層操作巡視層中的廠房區(qū)域共劃分為10個(gè)防火分區(qū)(丁戊類)，負(fù)二層管廊空間劃分為一個(gè)防火分區(qū)。構(gòu)筑物空倉(cāng)區(qū)域不再劃分防火分區(qū)，但均勻地布置了三個(gè)消防疏散樓梯，三個(gè)消防疏散樓梯延伸至管廊間，采取了必要的通風(fēng)換氣措施，并布置了消火栓。構(gòu)筑物區(qū)域任一點(diǎn)到安全出口的距離不大于95 m。地下箱體防火分區(qū)布置如圖4所示。

圖4 昆明市某地下式污水處理廠地下箱體防火分區(qū)布置圖Fig.4 Box Layout of Fire Compartment of the Underground WWTP in Kunming City

該方案在充分保證地下污水廠消防安全的前提下，有效兼顧了污水處理工藝布置需求和操作管理要求，實(shí)現(xiàn)了地上空間的充分利用。

4.3 消火栓、滅火器、自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地下箱體負(fù)一層操作巡視層劃定防火分區(qū)區(qū)域內(nèi)設(shè)置室內(nèi)消火栓。消火栓布置需保證同層有兩支水槍的充實(shí)水柱能同時(shí)到達(dá)室內(nèi)任何部位，消火栓布置間距不大于30 m[6]。

地下箱體車道及人員通行通道設(shè)置室內(nèi)消火栓，但考慮其通行車輛少且人員活動(dòng)少，消火栓布置需保證有一支水槍的充實(shí)水柱能到達(dá)室內(nèi)任何部位，間距不大于50 m[6]。

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[4]和《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014)[6]未對(duì)無火災(zāi)危險(xiǎn)的構(gòu)筑物提出消防設(shè)計(jì)要求。因此，地下箱體構(gòu)筑物區(qū)域可不設(shè)置室內(nèi)消火栓。

地下箱體應(yīng)按《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50140—2005)[7]要求全面配備手提式滅火器，用以有效地?fù)錅绯跗诨馂?zāi)。

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第8.3條要求，對(duì)于火災(zāi)危險(xiǎn)性大、容易發(fā)生火災(zāi)的場(chǎng)所，人員密集、發(fā)生火災(zāi)后可能造成較大的人員傷亡的場(chǎng)所，發(fā)生火災(zāi)后施救難度較大的場(chǎng)所；發(fā)生火災(zāi)后導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失大的場(chǎng)所，應(yīng)設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)并宜采用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)[2]?；诘叵率轿鬯幚韽S消防設(shè)計(jì)分析，地下箱體一般無需設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。故本工程不設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，僅在電氣設(shè)備及電纜相對(duì)較多的區(qū)域(變配電間、控制室等)設(shè)置七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用柜式七氟丙烷滅火裝置，氣體滅火設(shè)計(jì)濃度為9%，噴放時(shí)間不大于10 s，浸漬時(shí)間為5 min。

4.4 消防電氣設(shè)計(jì)

消防用電采用二級(jí)負(fù)荷，確?；馂?zāi)時(shí)消防設(shè)施可即時(shí)啟動(dòng)。設(shè)置疏散照明和火災(zāi)備用照明，確?；馂?zāi)時(shí)人員疏散有指引。

消防用電線路采用無鹵低煙阻燃耐火電纜，其余采用無鹵低煙阻燃電纜。消防電纜吊頂敷設(shè)，穿越隔墻、孔洞采用防火泥、防火堵包等做防火隔斷。管廊間不敷設(shè)電纜，消除火災(zāi)危險(xiǎn)性。

4.5 通風(fēng)及防排煙設(shè)計(jì)

地下箱體操作巡視層構(gòu)筑物區(qū)域，不劃分防火分區(qū)；工藝設(shè)備廠房火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為戊類；管廊間無可燃物且無人員經(jīng)常停留，三處不設(shè)機(jī)械防排煙設(shè)施，僅按規(guī)范要求設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，保證人員工作環(huán)境安全。

地下箱體車行通道結(jié)合自然采光、排煙天窗設(shè)置自然消防通風(fēng)排煙系統(tǒng)。

所有疏散口防煙樓梯間、箱體內(nèi)部疏散走道設(shè)置機(jī)械加壓通風(fēng)系統(tǒng)。

電氣設(shè)備用房設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)，且不常有人員停留，僅設(shè)置災(zāi)后排風(fēng)。

4.6 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)按集中報(bào)警系統(tǒng)設(shè)立。在每個(gè)防火分區(qū)、防煙樓梯間、疏散通道、安全出口、疏散走道等，設(shè)置火災(zāi)報(bào)警探測(cè)、火災(zāi)顯示盤、報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警器、消防電話、消防應(yīng)急廣播等，并對(duì)消防給水系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、通風(fēng)及防排煙系統(tǒng)等消防設(shè)施實(shí)施聯(lián)動(dòng)控制。

5 運(yùn)行安全監(jiān)控及消防事故疏散

5.1 運(yùn)行安全監(jiān)控

為防止惡臭可燃?xì)怏w聚集引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)，地下式污水處理廠應(yīng)設(shè)置齊全的安全防護(hù)監(jiān)測(cè)儀表。當(dāng)惡臭可燃?xì)怏w聚集產(chǎn)生危害時(shí)，中控室、地下箱體出入口可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。

配置完善的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，相關(guān)火災(zāi)區(qū)域聲光報(bào)警，切斷非消防電源，連鎖啟動(dòng)相應(yīng)的消防設(shè)施。

5.2 消防事故疏散

國(guó)內(nèi)地下式污水處理廠消防系統(tǒng)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)缺乏，在采取上述消防措施之外，必須制定消防事故人員疏散應(yīng)急預(yù)案并組織定期演練，保證火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)有序疏散，火災(zāi)能及時(shí)撲滅。

6 結(jié)論

(1)依據(jù)地下式污水處理廠火災(zāi)危險(xiǎn)性分析和消防設(shè)計(jì)特點(diǎn)，污水處理廠地下箱體消防設(shè)計(jì)可突破現(xiàn)行規(guī)范要求，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

(2)推薦將地下箱體按照功能的不同分為廠房和構(gòu)筑物，并分別予以集中布置，著重對(duì)廠房區(qū)域進(jìn)行防火分區(qū)劃分和消防設(shè)施配置。

(3)地下箱體應(yīng)根據(jù)防火分區(qū)劃分及各區(qū)域消防需求，設(shè)置必要的室內(nèi)消火栓、手提式滅火器和氣體滅火系統(tǒng)。

(4)地下箱體消防用電設(shè)計(jì)、通風(fēng)及防排煙設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足消防設(shè)施即時(shí)啟動(dòng)、人員安全疏散有保障的要求。

(5)地下式污水處理廠應(yīng)設(shè)置完善的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和安全防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(6)地下式污水處理廠運(yùn)營(yíng)單位必須制定消防事故人員疏散應(yīng)急預(yù)案并組織定期演練。

地下式污水處理廠是城市污水治理工程建設(shè)的一個(gè)發(fā)展方向，其消防設(shè)計(jì)應(yīng)給予高度的重視。在確保污水處理廠安全運(yùn)行前提下，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)約投資。