倪 明

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程和生態(tài)文明建設的快速推進，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，目前國內(nèi)已建或在建的大型地下式污水處理廠(設計規(guī)?！?0萬m3/d)已經(jīng)超過40座，但地下式污水處理廠作為“新興建設型式”，在設計過程中仍有諸多環(huán)節(jié)尚無據(jù)可循[1-2]，尤其是消防設計，既無設計規(guī)范可依,也無成熟經(jīng)驗可參，是地下式污水處理設計的一大難點。本文通過昆明市某地下式污水處理廠的消防設計，針對該難點進行了分析與討論。

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)，設計規(guī)模為20.0萬m3/d。分期建設，一期土建規(guī)模為20.0萬m3/d，設備規(guī)模為10.0萬m3/d；配套建設一級強化處理設施，處理規(guī)模為40.0萬m3/d。出水水質達《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類(除TN外)后作為河道生態(tài)補水。

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)、一級強化處理區(qū)等污水、污泥處理構(建)筑物組成。

污水處理廠豎向分為四個部分，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，承擔污水處理廠的正常巡視和設備檢修功能。池體層以水處理構筑物為主(水池)，綜合管廊為輔，一般情況下無人員活動。

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計分析

2.1 火災危險性分析

地下式污水處理廠是以污水為主要生產(chǎn)介質、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，地下箱體可能發(fā)生火災的有可燃氣體、藥劑、設備、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，在厭氧條件下還會產(chǎn)生甲烷。上述氣體當濃度達到一定范圍時，在明火條件下會有火災危險。但城鎮(zhèn)污水處理廠中上述可燃性氣體的濃度水平要遠遠低于它們的爆炸(燃燒)極限。以污水處理廠產(chǎn)生的惡臭可燃氣體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計標準值，表2是可燃氣體性質。有較嚴重安全隱患的甲烷，來源于污水處理過程中的厭氧反應，而一般城鎮(zhèn)污水處理廠的污水、污泥處理工藝，均不具備絕對厭氧的條件，不會有甲烷大量溢出，其濃度水平根據(jù)相關監(jiān)測顯示僅為微量，且可以通過除臭與通風系統(tǒng)達標排出地下箱體外。

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 可燃氣體性質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存和使用。這些藥劑均為不可燃，無爆炸危險。

地下箱體內(nèi)安裝的工藝、通風等設備主要材料為金屬，且絕大部分為水下安裝，電動機是可能的火源點，部分設備內(nèi)部有少量潤滑油可能造成局部起火，但因可燃物(潤滑油)很少，設備位置相對獨立，火災不會蔓延、持續(xù)。

地下箱體內(nèi)電氣設備主要有變壓器、開關柜和配電柜、控制柜和相應電纜，其中變壓器設計為干式變壓器，電纜為阻燃(耐火)電纜。電氣設備因觸點接觸、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，火源不會蔓延和持續(xù)；變配電室、控制室設置氣體自動滅火裝置，阻止火災蔓延至室外。因此，電氣系統(tǒng)難以產(chǎn)生影響地下箱體的火災。

此外，從廠內(nèi)人員活動分析，地下式污水處理廠已實現(xiàn)自動化運行，無人值守。廠內(nèi)人員的值班、維修等活動均在地上進行，地下箱體內(nèi)活動僅為定時巡視，而且廠內(nèi)人員均經(jīng)過了嚴格的培訓，熟悉地下箱體消防設施操控、疏散路線、疏散口位置，可實現(xiàn)火災時快速滅火及疏散。因此，地下式污水處理廠不屬于人員密集型火災危險場所。

綜上，地下式污水處理廠可燃物少，無常駐人員活動，火災危險性小。

2.2 消防設計主要問題

對于地下式污水處理廠消防設計，國內(nèi)尚無專門的規(guī)范作為設計依據(jù)。目前主要參考《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中關于地下或半地下廠房的防火要求進行設計。

本工程地下箱體消防設計若嚴格按照《建筑設計防火規(guī)范》中關于火災危險性為戊類的地下廠房進行，則地下箱體將要設置至少63個以上的防火分區(qū)，即使加設自動噴淋也需設置至少32個防火分區(qū)[4]。大量的防火分區(qū)將對地下箱體的工藝布置、行車運輸、操作管理帶來極大的不便。每個防火分區(qū)均需在地上設置疏散口、通風排煙口等附屬建(構)筑物，嚴重限制了污水處理廠地面用地的綜合開發(fā)。

《建筑設計防火規(guī)范》適用的地下廠房為密集的人員生產(chǎn)活動區(qū)域，發(fā)生火災后將造成較大的人員、財產(chǎn)損失，這與高度自動化運行、人員稀少且訓練有素、以污水為主要生產(chǎn)對象的地下式污水處理廠有著巨大的差異。

因此，《建筑設計防火規(guī)范》對地下廠房的規(guī)定并不完全適用于地下式污水處理廠消防設計，應針對地下式污水處理廠的消防特點，對其消防設計予以適當簡化。

3 國內(nèi)類似工程消防設計概況

據(jù)調(diào)研，目前國內(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)《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定[4]，廠房內(nèi)設置自動滅火系統(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《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，適度擴大防火分區(qū)面積，并由消防主管部門會同消防咨詢機構對項目進行消防專項審查。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火災危險性無差別的整體來進行，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，需劃分防火分區(qū)至少16個，且每個防火分區(qū)均需配置完善的消防設施。實際地下箱體不同功能區(qū)的火災危險性存在較大差異：輔助公用建筑區(qū)(如鼓風機房、變配電間、脫水機房等)，空間封閉狹小，但卻集中布置有大量工藝、電氣設備，又是人員巡視的重點區(qū)域，火災危險性較高；處理構筑物區(qū)，空間開放寬敞，設備布置相對分散，火災危險性極低。因此，各區(qū)域可以利用這種差異進行防火分區(qū)劃分及消防設施配置的設計，做到“寬嚴相濟”。

4 本工程消防設計

4.1 總體設計

將火災危險性較高的構(建)筑物布置在地下箱體以外，作為地面構(建)筑物設計。

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

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

4.2 防火分區(qū)劃分

按照總體設計要求，本工程地下箱體負一層操作巡視層中的廠房區(qū)域共劃分為10個防火分區(qū)(丁戊類)，負二層管廊空間劃分為一個防火分區(qū)。構筑物空倉區(qū)域不再劃分防火分區(qū)，但均勻地布置了三個消防疏散樓梯，三個消防疏散樓梯延伸至管廊間，采取了必要的通風換氣措施，并布置了消火栓。構筑物區(qū)域任一點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，實現(xiàn)了地上空間的充分利用。

4.3 消火栓、滅火器、自動滅火系統(tǒng)設計

地下箱體負一層操作巡視層劃定防火分區(qū)區(qū)域內(nèi)設置室內(nèi)消火栓。消火栓布置需保證同層有兩支水槍的充實水柱能同時到達室內(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置室內(nèi)消火栓，但考慮其通行車輛少且人員活動少，消火栓布置需保證有一支水槍的充實水柱能到達室內(nèi)任何部位，間距不大于50 m[6]。

《建筑設計防火規(guī)范》[4]和《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》(GB 50974—2014)[6]未對無火災危險的構筑物提出消防設計要求。因此，地下箱體構筑物區(qū)域可不設置室內(nèi)消火栓。

地下箱體應按《建筑滅火器配置設計規(guī)范》(GB 50140—2005)[7]要求全面配備手提式滅火器，用以有效地撲滅初期火災。

根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》第8.3條要求，對于火災危險性大、容易發(fā)生火災的場所，人員密集、發(fā)生火災后可能造成較大的人員傷亡的場所，發(fā)生火災后施救難度較大的場所；發(fā)生火災后導致的經(jīng)濟損失大的場所，應設置自動滅火系統(tǒng)并宜采用自動噴水滅火系統(tǒng)[2]?；诘叵率轿鬯幚韽S消防設計分析，地下箱體一般無需設置自動噴水滅火系統(tǒng)。故本工程不設置自動噴水滅火系統(tǒng)，僅在電氣設備及電纜相對較多的區(qū)域(變配電間、控制室等)設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，氣體滅火設計濃度為9%，噴放時間不大于10 s，浸漬時間為5 min。

4.4 消防電氣設計

消防用電采用二級負荷，確?；馂臅r消防設施可即時啟動。設置疏散照明和火災備用照明，確保火災時人員疏散有指引。

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，穿越隔墻、孔洞采用防火泥、防火堵包等做防火隔斷。管廊間不敷設電纜，消除火災危險性。

4.5 通風及防排煙設計

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

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

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

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

4.6 火災自動報警系統(tǒng)設計

火災自動報警系統(tǒng)按集中報警系統(tǒng)設立。在每個防火分區(qū)、防煙樓梯間、疏散通道、安全出口、疏散走道等，設置火災報警探測、火災顯示盤、報警按鈕、聲光報警器、消防電話、消防應急廣播等，并對消防給水系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、通風及防排煙系統(tǒng)等消防設施實施聯(lián)動控制。

5 運行安全監(jiān)控及消防事故疏散

5.1 運行安全監(jiān)控

為防止惡臭可燃氣體聚集引發(fā)火災危險，地下式污水處理廠應設置齊全的安全防護監(jiān)測儀表。當惡臭可燃氣體聚集產(chǎn)生危害時，中控室、地下箱體出入口可實現(xiàn)聲光報警，并啟動通風機進行通風。

配置完善的火災報警系統(tǒng)，當火災發(fā)生時，及時發(fā)出報警信號，相關火災區(qū)域聲光報警，切斷非消防電源，連鎖啟動相應的消防設施。

5.2 消防事故疏散

國內(nèi)地下式污水處理廠消防系統(tǒng)運行管理經(jīng)驗缺乏，在采取上述消防措施之外，必須制定消防事故人員疏散應急預案并組織定期演練，保證火災事故發(fā)生時有序疏散，火災能及時撲滅。

6 結論

(1)依據(jù)地下式污水處理廠火災危險性分析和消防設計特點，污水處理廠地下箱體消防設計可突破現(xiàn)行規(guī)范要求，簡化設計。

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

(3)地下箱體應根據(jù)防火分區(qū)劃分及各區(qū)域消防需求，設置必要的室內(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計、通風及防排煙設計，應滿足消防設施即時啟動、人員安全疏散有保障的要求。

(5)地下式污水處理廠應設置完善的火災報警系統(tǒng)和安全防護監(jiān)測系統(tǒng)。

(6)地下式污水處理廠運營單位必須制定消防事故人員疏散應急預案并組織定期演練。

地下式污水處理廠是城市污水治理工程建設的一個發(fā)展方向，其消防設計應給予高度的重視。在確保污水處理廠安全運行前提下，簡化設計，節(jié)約投資。