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0 引言
城鎮(zhèn)污水處理廠是防止水污染、改善水環(huán)境質(zhì)量的重要市政基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)污水處理廠建設(shè)在地上，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市邊緣不斷向外擴(kuò)張，早期建設(shè)的地上式污水處理廠已逐漸被城區(qū)包圍，臭氣、噪聲等二次污染的“鄰避”效應(yīng)逐漸凸顯，與現(xiàn)代城市生態(tài)文明的矛盾日益突出。因此，傳統(tǒng)地上式污水處理廠已難以滿足城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)的需求。隨著土地價(jià)值的不斷提升，地下式污水處理廠在新建污水處理廠中的比例急劇增加，部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)甚至提出新建污水處理廠全部采用地下式。
地下式污水處理廠將污水處理設(shè)施轉(zhuǎn)移到地下，可有效節(jié)省土地的地上空間，同時(shí)可進(jìn)行園林綠化、公共服務(wù)、商業(yè)娛樂等設(shè)施建設(shè)，從而改善環(huán)境質(zhì)量，提升土地價(jià)值，將“鄰避”變成“鄰利”，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
然而，地下式污水處理廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理等很多方面大大有別于傳統(tǒng)地上式污水處理廠。特別是在消防設(shè)計(jì)方面，由于地下式污水處理廠一旦發(fā)生火災(zāi)，熱量不易散失，溫度高、煙霧濃、通風(fēng)差，燃燒時(shí)間長，疏散和撲救難度大，故對消防設(shè)計(jì)的安全性與合理性要求較高。
消防行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范在地下式污水處理廠方面尚缺少設(shè)計(jì)依據(jù)，容易造成防火分區(qū)劃分過小，通風(fēng)及防排煙設(shè)計(jì)復(fù)雜，避難通道和逃生口眾多，影響土地資源的二次開發(fā)利用。同時(shí)大量的消防和噴淋管道也會(huì)造成安裝工程量增大，維修保養(yǎng)不便等諸多問題。
目前國內(nèi)尚無針對地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，國內(nèi)已建或在建地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)大多采用“一事一議”的審批原則，易出現(xiàn)安全隱患或過度設(shè)計(jì)，因此非常有必要尋求科學(xué)簡潔的消防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
為此，本文在系統(tǒng)梳理上海市首座全地下式污水處理廠——南翔污水處理廠工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)邊界條件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，針對危險(xiǎn)源進(jìn)行了全面識(shí)別，并提出相應(yīng)解決方案，同時(shí)從建筑消防設(shè)計(jì)、防排煙設(shè)計(jì)、電氣消防設(shè)計(jì)、消防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)介紹了本工程的消防設(shè)計(jì)方案，最后結(jié)合類似工程案例的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)方案的不斷完善提供參考和依據(jù)。
1 項(xiàng)目概況
上海南翔污水處理廠位于上海市嘉定區(qū)，其采用了全地下式建設(shè)型式。南翔污水處理廠建成后上部形成一片開放的景觀綠地，為市民提供了一個(gè)環(huán)境優(yōu)美的休閑公園，同時(shí)成為宣傳城市水文化知識(shí)的教育基地。
南翔污水處理廠總占地面積11.32 hm2，總處理規(guī)模15萬m3/d，其中一期工程采用全地下建設(shè)模式，處理規(guī)模5萬m3/d（土建按10萬m3/d建設(shè)），其工藝流程如圖1所示。出水標(biāo)準(zhǔn)為《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)，部分出水滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）娛樂性水景類景觀用水標(biāo)準(zhǔn)。地下箱體占地約3 hm2，其平面布置圖如圖2所示。
地下箱體在豎向空間布置上分為四層，由上至下分別為景觀公園層、覆土層、操作層（負(fù)一層）及池體層（負(fù)二層），其豎向布置如圖3所示。景觀公園層為開放式的景觀綠地和休閑公園；覆土層根據(jù)景觀公園功能設(shè)計(jì)及植被對土層厚度的要求覆土，厚度約10 m；操作層以生產(chǎn)和輔助用房為主，承擔(dān)巡檢功能；池體層以處理構(gòu)筑物和管廊為主，承擔(dān)處理功能。
2 消防設(shè)計(jì)邊界條件分析
2.1 地下箱體空間功能分析
2.1.1 操作層功能分析
位于景觀公園層和覆土層以下的操作層又分為構(gòu)筑物區(qū)域（約25 000 m2）和建筑物區(qū)域（約5 000 m2）。構(gòu)筑物區(qū)域主要包括水池蓋板、檢修走道以及用于通風(fēng)和除臭的風(fēng)機(jī)設(shè)備用房。水池蓋板上無可燃物，除巡檢外幾乎不到達(dá)該區(qū)域，故無火災(zāi)安全隱患。建筑物區(qū)域主要為各類生產(chǎn)用房（如鼓風(fēng)機(jī)房、脫水機(jī)房、加藥間、泵房等）和輔助用房（如變配電間、控制室、儀表間、機(jī)修間等）。
總體而言，操作層空間較大，設(shè)置了東西向車行通道，便于運(yùn)行巡視和設(shè)備檢修。車行通道與箱體外部道路相連通，供日常巡視人員和設(shè)備故障檢修車（僅大型設(shè)備故障時(shí)需要）通行。
2.1.2 池體層功能分析
位于操作層以下的池體層則以處理構(gòu)筑物（污水、污泥）和管廊（污水、污泥、空氣、藥劑等管線）為主，一般情況下無人員活動(dòng)。
2.1.3 地下箱體運(yùn)行管理
本工程采用自動(dòng)化管理，地下箱體內(nèi)無固定辦公人員，僅有工作人員定時(shí)進(jìn)入巡檢和設(shè)備維修。地下箱體每天定時(shí)巡檢的工作人員一般小于3人，每次巡檢時(shí)間小于≤60 min。
2.2 危險(xiǎn)源識(shí)別及其防范措施
2.2.1 可燃性氣體及濃度水平
為探明南翔污水處理廠的消防設(shè)計(jì)邊界條件，有必要對地下箱體中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)性有害氣體的來源、濃度水平、除臭處理措施等作系統(tǒng)分析。一般來說，市政污水中散發(fā)的可燃?xì)怏w成分有硫化氫（H2S）、甲硫醇（CH4S）、甲硫醚（C2H6S）、二甲二硫（C2H6S2）、氨氣（NH3）等，而這些成分又是造成污水具有惡臭氣味的主要來源。因此將上述氣體物質(zhì)統(tǒng)稱為臭氣。根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠臭氣處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 243-2016）市政污水處理廠典型處理區(qū)域中發(fā)生H2S、NH3及臭氣濃度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。具有普遍的指導(dǎo)性意義。
另外，某些特定的處理環(huán)節(jié)（如污泥消化）還會(huì)產(chǎn)生甲烷（CH4）。CH4是一種具有嚴(yán)重安全隱患的無色無味的可燃性氣體，當(dāng)其濃度達(dá)到某一極限時(shí)，遇到明火條件就會(huì)發(fā)生爆炸（燃燒）。CH4在污水處理過程中生成可能性及濃度水平與污水處理工藝有著直接關(guān)系。污水處理廠本工程地下箱體的污水和污泥處理工藝不具備甲烷產(chǎn)生的條件，即使在儲(chǔ)泥池內(nèi)CH4的濃度僅為微量，且可以通過通風(fēng)系統(tǒng)排出廠外，不至產(chǎn)生聚集。參考類似工程監(jiān)測報(bào)告（見表2），在厭缺氧池、儲(chǔ)泥池、脫水機(jī)房等部位監(jiān)測到的CH4無組織排放含量最大值為7.7×10-4%，遠(yuǎn)低于爆炸極限值4.9～16%。
另外，本工程中CH4、H2S和NH3的濃度水平均遠(yuǎn)低于《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）中規(guī)定的“可不按物質(zhì)危險(xiǎn)特性確定生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性類別的最大允許值”，故可不按照甲/乙類考慮。
2.2.2 可燃性氣體的去除措施
為了消除可燃性氣體對操作人員和處理設(shè)施帶來的不利影響和安全隱患，地下箱體內(nèi)除了設(shè)置一套完善的通風(fēng)和除臭系統(tǒng)，其對產(chǎn)生可燃性氣體的設(shè)施進(jìn)行密封抽吸外，還在操作層空間進(jìn)行了機(jī)械通風(fēng)換氣設(shè)計(jì)，確保對上述可燃性氣體的去除，從而有效消除安全隱患。
2.2.3 藥劑危險(xiǎn)性分析
除磷藥劑：本工程以生物除磷為主，化學(xué)除磷為輔。除磷藥劑選用不可燃的PAC溶液，無燃爆危險(xiǎn)。火災(zāi)危險(xiǎn)性等級為戊類。
消毒藥劑：本工程的消毒工藝為加氯消毒，藥劑選用次氯酸鈉溶液，不可燃，無燃爆危險(xiǎn)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級為戊類。
助凝劑：本工程在高效沉淀池中使用的助凝劑為不可燃的PAM（陰離子），無燃爆危險(xiǎn)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級為戊類；PAM（陽離子），用于在污泥脫水環(huán)節(jié)使用的聚合物，不可燃性物質(zhì)，無燃爆危險(xiǎn)，火災(zāi)危險(xiǎn)性等級同樣為戊類。
2.3 消防設(shè)計(jì)邊界條件總結(jié)
南翔污水處理廠產(chǎn)生的可燃性氣體濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該氣體的爆炸燃燒極限，并且在通風(fēng)系統(tǒng)作用下，地下箱體內(nèi)可燃性氣體將維持在一個(gè)更低的濃度水平以至趨近于零，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
上述消防設(shè)計(jì)邊界條件的識(shí)別結(jié)果為南翔污水處理廠地下箱體的消防設(shè)計(jì)方案提供了較為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)依據(jù)。
3 消防設(shè)計(jì)方案
3.1 建筑消防設(shè)計(jì)
通過對消防設(shè)計(jì)邊界條件分析可知，地下箱體內(nèi)建（構(gòu)）筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)性應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)中使用或產(chǎn)生的物質(zhì)性質(zhì)及其數(shù)量等因素分類，并符合表3的規(guī)定。
表3 地下箱體內(nèi)建（構(gòu)）筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)性分類
本工程的耐火等級定為一級，地下箱體中的生物反應(yīng)池、二沉池等池頂操作層構(gòu)筑物區(qū)域的防火分區(qū)面積按工藝要求確定，其中的水面面積不計(jì)入相應(yīng)防火分區(qū)的允許建筑面積。
另外，操作層構(gòu)筑物區(qū)域每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)至最近安全出口的直線距離不大于60 m，可利用通向相鄰防火分區(qū)的甲級防火門作為第二安全出口，但每個(gè)防火分區(qū)至少設(shè)置一處直通室外的獨(dú)立安全出口。
將建筑物區(qū)域劃分為４個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)防火分區(qū)建筑面積均不超過2 000 m2（最小的防火分區(qū)面積為903 m2，最大的防火分區(qū)面積為1 954 m2），設(shè)自動(dòng)噴水滅火設(shè)施。建筑物區(qū)域和構(gòu)筑物區(qū)域應(yīng)按規(guī)定設(shè)置消火栓及滅火器。
3.2 防排煙設(shè)計(jì)
本工程地下箱體的操作層構(gòu)筑物區(qū)域無可燃物且無人員經(jīng)常停留，故不設(shè)置消防排煙系統(tǒng)；變配電間設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)及補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)，并與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備兼用；地下建筑物超過兩層及總高度超過10 m的防煙樓梯間設(shè)置機(jī)械加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)。
通風(fēng)系統(tǒng)送回風(fēng)管穿越機(jī)房及防火分區(qū)隔斷處設(shè)置70 ℃熔斷的防火調(diào)節(jié)閥，通風(fēng)風(fēng)管為不燃材料；系統(tǒng)附件及絕熱材料燃燒性能均符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）和《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251-2017）的有關(guān)規(guī)定，且耐油耐潮耐酸堿腐蝕。排煙風(fēng)機(jī)前設(shè)置排煙防火調(diào)節(jié)閥，當(dāng)煙氣溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，排煙防火調(diào)節(jié)閥熔斷關(guān)閉，相應(yīng)排煙風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖停止運(yùn)行。
兼作防排煙用的通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備受消防系統(tǒng)控制，并在火災(zāi)時(shí)能切換到消防狀態(tài)。
3.3 電氣消防設(shè)計(jì)
本工程的變電所均位于地上一層，主要高低壓設(shè)備及變壓器均設(shè)在地上變電所內(nèi)，地下箱體內(nèi)僅設(shè)設(shè)備控制柜、動(dòng)力配電柜等。變壓器選擇干式，避免油火災(zāi)危險(xiǎn)。消防設(shè)備按二級負(fù)荷供電，控制箱采用二路進(jìn)線，二路電源箱內(nèi)自切。消防水泵、防火卷簾、消防風(fēng)機(jī)、疏散照明和指示、消防控制系統(tǒng)、消防排水泵等設(shè)備均不低于二級負(fù)荷。
地下箱體應(yīng)急照明配電箱根據(jù)防火分區(qū)布置，每個(gè)防火分區(qū)1套，負(fù)責(zé)該分區(qū)內(nèi)的應(yīng)急照明和疏散指示的配電。設(shè)置在同一防火分區(qū)的防火卷簾、消防排水泵等自帶控制箱的設(shè)備，其供電電源由本防火分區(qū)的消防雙電源自動(dòng)切換后單回路供電。消防水泵房、防排煙機(jī)房等火災(zāi)時(shí)仍需工作的房間的備用照明電源，由本房間內(nèi)的應(yīng)急電源配電箱供電。成束敷設(shè)的配電線路的電線和電纜均選用阻燃型。
3.4 消防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本工程的消防報(bào)警系統(tǒng)采用區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、消防聯(lián)動(dòng)控制、消防應(yīng)急廣播及消防電話等。
其中，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用感煙火災(zāi)探測器，出入口及逃生通道設(shè)置聲光報(bào)警器，人行及車行通道內(nèi)設(shè)置應(yīng)急廣播，與廣播系統(tǒng)合用；消防聯(lián)動(dòng)控制器可以手動(dòng)控制與正常通風(fēng)合用的通風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、消防水泵等消防設(shè)備；報(bào)警控制器自動(dòng)控制的設(shè)備包括通風(fēng)系統(tǒng)、防火卷簾、消防廣播、報(bào)警器等；同時(shí)在綜合樓中央控制室樓層位置設(shè)置火災(zāi)顯示盤和報(bào)警裝置。
3.5 消防設(shè)計(jì)方案總結(jié)
《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）對全地下污水處理廠中“地下箱體”布置形式尚無可以完全對號(hào)入座的相應(yīng)條款。因此，本工程消防設(shè)計(jì)時(shí)，除了對規(guī)范進(jìn)行了充分解讀外，我們還深入調(diào)研和借鑒了國內(nèi)外數(shù)座已投入運(yùn)行的全地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本工程地下箱體的工藝布置特點(diǎn)，確定如下消防設(shè)計(jì)方案：優(yōu)化地下箱體布局，按功能不同將地下箱體劃分為建筑物區(qū)域和構(gòu)筑物區(qū)域。建筑物區(qū)域的生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)等級定義為戊類，單個(gè)防火分區(qū)最大面積不超過2 000 m2，構(gòu)筑物區(qū)域不進(jìn)行消防分區(qū)。消防系統(tǒng)由“消火栓＋自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)＋滅火器＋自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)”組成。地下變配電間設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)。
除采取以上工程措施外，投運(yùn)后必須加強(qiáng)消防知識(shí)和技能的培訓(xùn)，并制定消防應(yīng)急預(yù)案，堅(jiān)持“防消結(jié)合，以防為主”的原則，確保地下廠消防安全。
4 相關(guān)工程案例
4.1 深圳布吉污水處理廠
該工程處理規(guī)模20萬m3/d，工藝流程和本工程類似。建設(shè)形式為全地下式污水處理廠，地下箱體頂覆土1.5 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下箱體面積約21 400 m2。消防設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)箱體定義為“地下構(gòu)筑物”，設(shè)置了室內(nèi)消火栓及滅火器，未設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。該項(xiàng)目專門組織了消防安全專題會(huì)議，通過審查。
4.2 北京槐房再生水廠
該工程處理規(guī)模60萬m3/d，工藝流程和本工程類似。建設(shè)型式為全地下式污水處理廠，地下箱體上頂覆土1～2 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下箱體建筑面積為13 hm2。消防設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)箱體劃分為不同區(qū)域，廠房部分按廠房執(zhí)行《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）的有關(guān)規(guī)定。水池頂蓋部分依據(jù)工藝流程分系列劃分，面積突破現(xiàn)行規(guī)范要求。每個(gè)防火分區(qū)均設(shè)有直接通往地面的疏散出口，以及通往相鄰防火分區(qū)的安全出口。每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)設(shè)置了室內(nèi)消火栓及滅火器，同時(shí)在主通道設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。該項(xiàng)目的消防設(shè)計(jì)方案已上報(bào)北京市消防局，并通過審查。
4.3 鄭州南三環(huán)污水處理廠
該工程處理規(guī)模10萬m3/d，工藝流程與本工程類似。建設(shè)型式為半地下式污水處理廠，地下箱體兩長邊放坡與現(xiàn)狀地坪接順，兩短邊敞開，可以開門窗。地下箱體建筑面積為31 432.5 m2，分為11個(gè)防火分區(qū)，最大的防火分區(qū)面積為3 924 m2；每個(gè)防火分區(qū)均設(shè)置了3個(gè)安全出口，其中有1個(gè)直通室外地面。每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)均設(shè)置室內(nèi)消火栓及滅火器，未設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。該項(xiàng)目的消防設(shè)計(jì)方案已上報(bào)鄭州市消防局，通過審查。
4.4 昆明第十一污水處理廠
該工程處理規(guī)模6萬m3/d，工藝流程與本工程類似。建設(shè)型式為全地下式污水處理廠，地下箱體上頂覆土1～2 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下建筑面積約27 033 m2，分為9個(gè)防火分區(qū)，最大的防火分區(qū)面積為3 945 m2，每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置了2個(gè)以上安全出口，其中有1個(gè)直通室外地面。在每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)設(shè)置室內(nèi)消火栓及滅火器，設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。該項(xiàng)目的消防設(shè)計(jì)方案上報(bào)昆明市消防局，通過審查。
4.5 北京稻香湖再生水廠
該工程處理規(guī)模8萬m3/d，工藝流程與本工程類似。建設(shè)形式為全地下式污水處理廠，地下箱體上頂覆土1～2 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下建筑面積約14 220 m2，消防設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)箱體定義為“地下構(gòu)筑物”，設(shè)置7個(gè)防火分區(qū)，設(shè)置了室內(nèi)消火栓及滅火器，未設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。該項(xiàng)目的消防設(shè)計(jì)方案上報(bào)北京市消防局，通過審查。
國外（日本、韓國等）很多地下式污水處理廠防火分區(qū)及逃生口設(shè)置均按相關(guān)部門的專家論證結(jié)果設(shè)置，普遍比國內(nèi)防火分區(qū)面積大，一般地下箱體僅設(shè)置消火栓滅火系統(tǒng)并配置滅火器，不設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。
5 結(jié)語
相比于傳統(tǒng)的地上式污水處理廠，地下式污水處理廠的消防設(shè)計(jì)具有一定特殊性。我國相關(guān)行業(yè)規(guī)范中尚無針對地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，國內(nèi)地下式污水處理廠的設(shè)計(jì)大都處于各設(shè)計(jì)院自我摸索階段，每逢報(bào)建審批需花費(fèi)大量時(shí)間和精力溝通，每個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的要求標(biāo)準(zhǔn)不一，前期審批和后期驗(yàn)收不一，這給設(shè)計(jì)、政府主管部門、參建單位等造成很大困擾。因此有必要針對地下式污水處理廠的特點(diǎn)制定相應(yīng)的消防對策和方案，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。
據(jù)悉該問題已引起國家相關(guān)部門的充分重視，正在組織有關(guān)機(jī)構(gòu)編制地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范），其實(shí)施和執(zhí)行必將有效規(guī)范和保障全國各地?cái)M建地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)的安全性、科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性，切實(shí)保障我國地下式污水處理廠消防設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行的良性發(fā)展。