地下式污水處理廠的消防與設(shè)計優(yōu)化
——以MBR工藝為例

鄭 玢,楊 濤,謝小龍

(1.宜昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,湖北宜昌 443000;2.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,湖北武漢 430023)

根據(jù)建造形式,污水處理廠主要分為地上式、半地下式和地下式[1]。其中,全地下式將所有或主要處理設(shè)施置于一個結(jié)構(gòu)箱內(nèi),且結(jié)構(gòu)箱完全位于地面以下,因此,又被稱為地下式。地下式污水處理廠作為污水處理設(shè)施的新興建造模式,在我國應(yīng)用越來越多、發(fā)展越來越快。以我國大陸地區(qū)為例,自2010年首次采用伊始,(半)地下式污水處理廠目前已建設(shè)(含在建)200余座,其中不乏地下式污水處理廠[2]。因此,對其設(shè)計特點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行研究是有必要的,具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

地下式污水處理廠的設(shè)計難點(diǎn)是工藝與結(jié)構(gòu)、建筑和消防(尤其是建筑防火)的交叉處理,最典型的問題就是防火分區(qū)的劃分[3]。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014),耐火等級為一、二級的丁、戊類地下或半地下廠房的單個防火分區(qū)建筑面積不超過1 000 m2,當(dāng)設(shè)有自動滅火系統(tǒng)保護(hù)時單個防火分區(qū)的最大允許建筑面積可增加1.0倍。以北京槐房再生水廠為例,其地下空間的總建筑面積約為1.3×105m2,如果嚴(yán)格執(zhí)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)的要求,將設(shè)置70～140個防火分區(qū),極大地破壞了廠區(qū)地表景觀效果;違背了采用地下式建造形式的初衷;增加了地下空間的使用難度;削弱了運(yùn)行管理的便捷性[4]。因此,經(jīng)與屬地消防主管部門充分溝通并征得其批準(zhǔn),槐房再生水廠采用因區(qū)施策、重點(diǎn)設(shè)防的策略,將單個防火分區(qū)的最大建筑面積做到10 000 m2,但這一劃分標(biāo)準(zhǔn)僅適用于槐房再生水廠。其他不具備此類條件的工程,則需在響應(yīng)建筑防火要求的同時努力兼顧工藝設(shè)計、運(yùn)行維護(hù)和消防救援的合理性、便捷性與安全性。為此,筆者以武漢某地下式污水處理廠膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝的設(shè)計為例,對地下式污水處理廠的消防與優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究,以供探討與交流。

1 概況和基本要求

1.1 工程概況

武漢某污水處理廠近期設(shè)計規(guī)模為7.5×104m3/d,遠(yuǎn)期設(shè)計規(guī)模為1.5×105m3/d。廠址東西兩側(cè)均為鐵路,北側(cè)為規(guī)劃地鐵,南側(cè)為規(guī)劃市政道路,用地十分緊張,如圖1(a)所示。另外,廠區(qū)位于城市濱河地帶,具有較高的休閑娛樂和旅游觀光價值,對地表景觀和使用功能要求高。因此,為集約用地,該廠采用地下式建造形式,所有處理設(shè)施均位于地下箱體內(nèi),地面為管理用房和城市公園,廠區(qū)占地面積僅為67 460 m2。地下箱體的土建工程按遠(yuǎn)期規(guī)模建設(shè),安裝工程按近期規(guī)模實(shí)施,各處理單元分2組平行設(shè)置。污水處理廠設(shè)計出水水質(zhì)在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,將CODCr、BOD5、氨氮、TP提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。污水處理工藝流程如圖1(b)所示,二級處理單元采用“改良厭氧-缺氧-好氧(AAO)+MBR”工藝,消毒單元采用“紫外消毒+次氯酸鈉消毒”組合工藝。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality

圖1 污水處理廠區(qū)位(a)和工藝流程(b)Fig.1 Location (a) and Process Flow (b) of WWTP

1.2 研究區(qū)概況

地下箱體的平面布置如圖2(a)所示,研究區(qū)豎向布置如圖2(b)所示。研究區(qū)包括MBR膜池、膜池設(shè)備間、配電間(含膜系統(tǒng)中控室)、加藥間、消毒區(qū)和尾水泵房。除膜池設(shè)備間為單層結(jié)構(gòu)外,其余均為雙層結(jié)構(gòu)。膜池區(qū)主要布置膜組器及附屬管道系統(tǒng),膜池設(shè)備間主要布置產(chǎn)水、吹掃、排泥、抽真空及膜清洗系統(tǒng)的動力設(shè)備,加藥間主要布置PAC、檸檬酸、次氯酸鈉(膜清洗及消毒)和乙酸鈉加藥系統(tǒng),消毒區(qū)主要有紫外消毒渠、次氯酸鈉接觸消毒渠和巴氏計量槽,尾水泵房主要安裝尾水提升泵和中水加壓泵。

注:標(biāo)高單位為m。圖2 箱體平面布置(a)和研究區(qū)豎向布置(b)Fig.2 Layout of the Box (a) and Vertical Location of Study Area (b)

1.3 基本要求

單臺膜組器產(chǎn)水面積為1 820 m2,外觀(含吊具)尺寸為2 490 mm× 1 780 mm× 3 650 mm。膜池區(qū)電動葫蘆的吊鉤極限高程為-4.2 m,操作平臺的高程為-8.5 m,防護(hù)欄桿的高度為1.2 m。為滿足膜組器吊運(yùn)需求并控制箱體埋深,部分防護(hù)欄桿采用可拆卸式活動欄桿。另外,為確保膜系統(tǒng)產(chǎn)水和吹掃的均勻性,根據(jù)MBR工藝在當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行經(jīng)驗,單格廊道內(nèi)膜組器的安裝數(shù)量不宜超過10臺,名義膜通量不宜超過14 L/(m2·h)。

地下箱體的火災(zāi)危險性類別為戊類,耐火等級為一級。此外,地下箱體內(nèi)設(shè)有專用自動滅火系統(tǒng),單個防火分區(qū)的最大允許建筑面積按2 000 m2控制;膜池設(shè)備間疏散通道為懸挑結(jié)構(gòu)[圖2(b)]并由敞開樓梯下至設(shè)備間底,防火分區(qū)的建筑面積按上、下層相連通的建筑面積疊加計算;相鄰防火分區(qū)之間采用防火墻和甲級防火門分隔。綜合考慮生產(chǎn)、管理和防災(zāi)減災(zāi)等要求,研究區(qū)總體劃分為2個防火分區(qū):膜池區(qū)為1個防火分區(qū),出水區(qū)為1個防火分區(qū)——包括膜池設(shè)備間、配電間、加藥間、消毒區(qū)和尾水泵房。

2 工藝設(shè)計和防火分區(qū)劃分

方案一平面布置如圖3(a)所示,膜池設(shè)備間和配電間、加藥間、消毒區(qū)及尾水泵房水平平行布置。

注:尺寸單位為mm。圖3 方案一(a)和方案二(b)研究區(qū)平面布置Fig.3 Scheme One (a) and Scheme Two (b) Layout of Study Area

膜池單格廊道安裝9臺膜組器,為應(yīng)對未預(yù)見的突發(fā)情況,各廊道起端另外預(yù)留1個安裝機(jī)位。每組膜池分14格廊道并聯(lián)運(yùn)行,總計提供140個機(jī)位、126臺組器,名義膜通量為13.63 L/(m2·h)。膜池區(qū)建筑面積為2 188.8 m2,大于防火分區(qū)最大允許建筑面積,因此,膜池區(qū)需分為2個防火分區(qū)。將21-25軸、A-B軸圍合區(qū)域劃入其他防火分區(qū)后,膜池區(qū)剩余部分的建筑面積為1 987.2 m2,滿足防火分區(qū)劃分要求。膜組器的吊裝和運(yùn)輸采用電動葫蘆,廊道兩端1.5 m范圍內(nèi)的護(hù)欄均采用活動欄桿。

出水區(qū)建筑面積為1 944 m2,疏散通道直線拉通時投影面積為189.4 m2,防火分區(qū)建筑面積為2 133.4 m2。因此,該防火分區(qū)內(nèi)的部分設(shè)施需做特殊處理:次氯酸鈉、乙酸鈉等成品藥液的溶液池設(shè)計成封閉空間,相應(yīng)的建筑面積予以扣除;疏散通道在中間斷開,相應(yīng)的面積在疊加計算時予以減少。調(diào)整后出水區(qū)防火分區(qū)建筑面積為1 987.9 m2。次氯酸鈉消毒渠接觸時間為30 min。

方案二平面布置如圖3(b)所示,膜池設(shè)備間和配電間、加藥間、消毒區(qū)及尾水泵房上下錯層布置。

膜池單格廊道安裝9臺膜組器,為應(yīng)對未預(yù)見的突發(fā)情況,每組膜池預(yù)留1格廊道。每組膜池分15格廊道并聯(lián)運(yùn)行,總計提供135個機(jī)位、126臺組器,名義膜通量為13.63 L/(m2·h)。膜池區(qū)建筑面積為1 962.7 m2,滿足防火分區(qū)劃分要求。

出水區(qū)建筑面積為1 654.7 m2,疏散通道投影面積為189.4 m2,防火分區(qū)建筑面積為1 884.1 m2,滿足防火分區(qū)劃分要求。膜組器的吊裝和運(yùn)輸采用電動葫蘆和平板車接力完成——先由電動葫蘆吊運(yùn)至平板車上,然后再由平板車運(yùn)送至清洗區(qū),僅廊道起端的護(hù)欄采用活動欄桿。次氯酸鈉消毒渠接觸時間為40～60 min。

綜合生產(chǎn)、運(yùn)維、安全、投資等各方面因素(表2),研究區(qū)設(shè)計方案推薦采用方案二。

表2 方案比選Tab.2 Comparison of Schemes

3 消防設(shè)計

3.1 滅火系統(tǒng)設(shè)計

研究區(qū)的滅火設(shè)施有消火栓滅火系統(tǒng)、噴淋滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)和滅火器。地下箱體體積大于25 000 m3,根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014),室內(nèi)消火栓滅火系統(tǒng)用水量為40 L/s,火災(zāi)延續(xù)時間為2 h。研究區(qū)除膜池設(shè)備間凈空超過8.0 m外,其余區(qū)間操作層凈空均不超過8.0 m。根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB 50084—2017),研究區(qū)火災(zāi)危險等級為中危險I級,膜池設(shè)備間噴水強(qiáng)度按8 L/(min·m2)考慮,其余均為6 L/(min·m2),噴淋滅火系統(tǒng)用水量為40 L/s,火災(zāi)延續(xù)時間為1 h。氣體滅火系統(tǒng)用于膜池配電間,采用七氟丙烷全淹沒滅火,設(shè)計體積分?jǐn)?shù)為9%。滅火器采用磷酸銨鹽干粉滅火器,共設(shè)置21處,其中膜池區(qū)8處、出水區(qū)13處,每處均配置2具手提式滅火器。

3.2 通風(fēng)和防排煙設(shè)計

根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50019—2015),膜池區(qū)和出水區(qū)均采用機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)換氣方案。其中,膜池區(qū)換氣頻率為2次/h、出水區(qū)換氣頻率為4次/h,疏散樓梯間、消防電梯前室設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)系統(tǒng)。

市政污水處理過程中可能會產(chǎn)生硫化氫、氨氣、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫等有害氣體,在特定條件下有時也會產(chǎn)生甲烷[5]。膜池內(nèi)存在吹掃曝氣系統(tǒng),屬于典型的富氧環(huán)境,因此,膜池區(qū)可能存在的有害氣體主要為硫化氫和氨氣,且濃度水平遠(yuǎn)低于其爆炸極限(表3)[6-7]。出水區(qū)可能存在的有害氣體主要為次氯酸鈉存儲期間產(chǎn)生的氯氣,但不屬于易燃易爆氣體。另外,MBR工藝自動化程度高,無需人員頻繁巡視和長期值守。由此可見,研究區(qū)既并無較多可燃物,也無人員長時間停留,根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51251—2017),研究區(qū)未做排煙系統(tǒng)。

表3 污水處理工段硫化氫和氨氣特性Tab.3 Features of Hydrogen Sulfide and Ammonia in Wastewater Treatment

4 其他優(yōu)化設(shè)計

4.1 排漬和防淹

受地下箱體豎向高程限制,溢入雨水、地下滲水和消防廢水、外溢污水等無法重力自排接入下游受納設(shè)施,因此,地下箱體需考慮排漬和防淹設(shè)計。根據(jù)“高水高排、低水低排、嚴(yán)防外水”的原則,外水主要通過廠區(qū)豎向、擋雨棚、截水溝、結(jié)構(gòu)防滲等措施消納,因此,地下箱體的防淹設(shè)計主要應(yīng)對污水處理系統(tǒng)故障導(dǎo)致的“內(nèi)水”外溢,如MBR工藝產(chǎn)水泵“停車”導(dǎo)致膜池滿溢[8-9]。地下箱體內(nèi)布局緊湊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,排漬泵和排澇泵組的設(shè)置點(diǎn)需結(jié)合地下箱體的平面及豎向布置選定,并宜選在地下箱體的最低點(diǎn),本工程共設(shè)3處。MBR膜池設(shè)備間為單層結(jié)構(gòu),室內(nèi)地坪即為其操作平臺,高程低、易積水,為排漬泵和排澇泵的設(shè)置點(diǎn)之一。由消防設(shè)計可知,地下箱體內(nèi)消火栓滅火系統(tǒng)用水量為40 L/s,自動噴淋滅火系統(tǒng)用水量為40 L/s。因此,研究區(qū)的消防廢水排放量取80 L/s,排漬泵組采用2臺200 m3/h的潛污泵(互為備用)。排澇泵組采用3臺700 m3/h的潛污泵(互為備用),將外溢污水以及超標(biāo)降雨情景中可能溢入箱體的雨水抽排至廠外河道。另外,膜池設(shè)備間允許積水深度不得超過設(shè)備基礎(chǔ)高度,當(dāng)漬水量較大、積水深度上升較快時,各泵組所有潛污泵應(yīng)能夠同時啟用。

4.2 ?；贩雷o(hù)

加藥間為藥液集中存儲區(qū),如PAC、次氯酸鈉、檸檬酸等,均具有一定的腐蝕性。為避免腐蝕性藥液的泄漏引發(fā)安全事故,除設(shè)置廢液收集渠(管)外,加藥間就近設(shè)置盥洗池和洗眼器。另外,為避免次氯酸鈉產(chǎn)生的氯氣引發(fā)安全事故,除及時通風(fēng)外,加藥間內(nèi)部、入口和廠區(qū)管理間各設(shè)置一套搶救工具柜,含防毒面具、正壓式空氣呼吸器、防護(hù)鞋服、防護(hù)手套、搶修工具等。

4.3 卸料和加藥系統(tǒng)

借鑒消防水泵接合器的做法,卸料系統(tǒng)在便于槽罐車駐車的地方設(shè)置兩處卸料口,一處位于臨近加藥間的地下箱體消防通道側(cè)墻,另一處位于地面行車道路邊。一般而言,藥劑濃度越低,與污水的混合均勻程度越高,但是相同用量下的存儲體積越大、占用空間越多。因此,在允許范圍內(nèi),投加濃度宜低、存儲濃度宜高。為平衡二者之間的關(guān)系,本工程加藥系統(tǒng)采用在線稀釋技術(shù),加藥時在加藥泵組出口管同步加入自來水或中水,將藥劑存儲濃度稀釋至投加濃度,既節(jié)約了藥劑存儲空間,又改善了藥劑混合效果。PAC卸料和投加系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 PAC卸料和投加系統(tǒng)Fig.4 PAC Unloading and Dosing System

5 結(jié)論

(1)地下式污水處理廠將主要的處理設(shè)施集中設(shè)置在地下箱體內(nèi),將地表空間釋放出來用于復(fù)合利用,具有占地少、空間利用率高、景觀效果好等顯著優(yōu)點(diǎn),有助于土地的集約開發(fā),應(yīng)用越來越多。

(2)地下箱體的火災(zāi)危險性類別為戊類,耐火等級為一級,單個防火分區(qū)的最大允許建筑面積不超過1 000 m2,當(dāng)設(shè)有自動滅火系統(tǒng)保護(hù)時則可按2 000 m2控制。相較于龐大的污水處理設(shè)施而言,單個防火分區(qū)的最大允許建筑面積偏小,對工藝設(shè)計造成較大約束。因此,其設(shè)計應(yīng)綜合考慮工藝需求、結(jié)構(gòu)安全、防火要求以及運(yùn)行維護(hù)和消防救援的便捷性、安全性等多方面因素。

(3)武漢某污水處理廠采用地下式建造形式,二級處理采用“改良AAO+MBR”工藝,消毒單元采用“紫外消毒+次氯酸鈉消毒”組合工藝。結(jié)合該廠MBR工藝(含膜池、設(shè)備間、配電間、加藥間、消毒區(qū)和尾水泵房等)的設(shè)計,介紹了在現(xiàn)行規(guī)范體系下平衡建筑防火設(shè)計和工藝設(shè)計的方法,并針對箱體內(nèi)的防淹、?；贩雷o(hù)、藥劑卸載與投加系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示,在防火分區(qū)建筑面積不超過2 000 m2的前提下,相關(guān)優(yōu)化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了地下空間的最大化、最優(yōu)化利用,對該類工程的設(shè)計具有借鑒意義。