地下污水处理厂设计重难点研析之消防篇
0引言：城镇污水处理厂是防止水污染、改善水环境质量的重要市政基础设施。传统污水处理厂建设在地上，随着城镇化的快速发展，城市边缘不断向外扩张，早期建设的地上式污水处理厂已逐渐被城区包围，臭气、噪声等二次污染的“邻避”效应逐渐凸显，与现代城市生态文明的矛盾日益突出。因此，传统地上式污水处理厂已难以满足城镇发展建设的需求。随着土地价值的不断提升，地下式污水处理厂在新建污水处理厂中的比例急剧增加，部分经济发达地区甚至提出新建污水处理厂全部采用地下式。
地下式污水处理厂将污水处理设施转移到地下，可有效节省土地的地上空间，同时可进行园林绿化、公共服务、商业娱乐等设施建设，从而改善环境质量，提升土地价值，将“邻避”变成“邻利”，具有巨大的经济、社会和环境效益。
然而，地下式污水处理厂的设计、建设、管理等很多方面大大有别于传统地上式污水处理厂。特别是在消防设计方面，由于地下式污水处理厂一旦发生火灾，热量不易散失，温度高、烟雾浓、通风差，燃烧时间长，疏散和扑救难度大，故对消防设计的安全性与合理性要求较高。
消防行业的相关标准或规范在地下式污水处理厂方面尚缺少设计依据，容易造成防火分区划分过小，通风及防排烟设计复杂，避难通道和逃生口众多，影响土地资源的二次开发利用。同时大量的消防和喷淋管道也会造成安装工程量增大，维修保养不便等诸多问题。
目前国内尚无针对地下式污水处理厂的消防设计标准或规范，国内已建或在建地下式污水处理厂的消防设计大多采用“一事一议”的审批原则，易出现安全隐患或过度设计，因此非常有必要寻求科学简洁的消防设计标准。
为此，本文在系统梳理上海市首座全地下式污水处理厂——南翔污水处理厂工程建设经验的基础上，对地下式污水处理厂的消防设计边界条件进行了系统分析，针对危险源进行了全面识别，并提出相应解决方案，同时从建筑消防设计、防排烟设计、电气消防设计、消防控制系统设计等方面详细介绍了本工程的消防设计方案，最后结合类似工程案例的实践经验总结，为地下式污水处理厂消防设计方案的不断完善提供参考和依据。
1项目概况
上海南翔污水处理厂位于上海市嘉定区，其采用了全地下式建设型式。南翔污水处理厂建成后上部形成一片开放的景观绿地，为市民提供了一个环境优美的休闲公园，同时成为宣传城市水文化知识的教育基地。
南翔污水处理厂总占地面积11.32hm²，总处理规模15万m³/d，其中一期工程采用全地下建设模式，处理规模5万m³/d（土建按10万m³/d建设），其工艺流程如图1所示。出水标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，部分出水满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）娱乐性水景类景观用水标准。地下箱体占地约3hm²，其平面布置图如图2所示。
地下箱体在竖向空间布置上分为四层，由上至下分别为景观公园层、覆土层、操作层（负一层）及池体层（负二层），其竖向布置如图3所示。景观公园层为开放式的景观绿地和休闲公园；覆土层根据景观公园功能设计及植被对土层厚度的要求覆土，厚度约10m；操作层以生产和辅助用房为主，承担巡检功能；池体层以处理构筑物和管廊为主，承担处理功能。
2消防设计边界条件分析
2.1地下箱体空间功能分析
2.1.1操作层功能分析
位于景观公园层和覆土层以下的操作层又分为构筑物区域（约25000m²）和建筑物区域（约5000m²）。构筑物区域主要包括水池盖板、检修走道以及用于通风和除臭的风机设备用房。水池盖板上无可燃物，除巡检外几乎不到达该区域，故无火灾安全隐患。建筑物区域主要为各类生产用房（如鼓风机房、脱水机房、加药间、泵房等）和辅助用房（如变配电间、控制室、仪表间、机修间等）。
总体而言，操作层空间较大，设置了东西向车行通道，便于运行巡视和设备检修。车行通道与箱体外部道路相连通，供日常巡视人员和设备故障检修车（仅大型设备故障时需要）通行。
2.1.2池体层功能分析
位于操作层以下的池体层则以处理构筑物（污水、污泥）和管廊（污水、污泥、空气、药剂等管线）为主，一般情况下无人员活动。
2.1.3地下箱体运行管理
本工程采用自动化管理，地下箱体内无固定办公人员，仅有工作人员定时进入巡检和设备维修。地下箱体每天定时巡检的工作人员一般小于3人，每次巡检时间小于≤60min。
2.2危险源识别及其防范措施
2.2.1可燃性气体及浓度水平
为探明南翔污水处理厂的消防设计边界条件，有必要对地下箱体中可能出现的危险性有害气体的来源、浓度水平、除臭处理措施等作系统分析。一般来说，市政污水中散发的可燃气体成分有硫化氢（H2S）、甲硫醇（CH4S）、甲硫醚（C2H6S）、二甲二硫（C2H6S2）、氨气（NH3）等，而这些成分又是造成污水具有恶臭气味的主要来源。因此将上述气体物质统称为臭气。根据《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》（CJJ/T243-2016）市政污水处理厂典型处理区域中发生H2S、NH3及臭气浓度的设计标准见表1。具有普遍的指导性意义。
另外，某些特定的处理环节（如污泥消化）还会产生甲烷（CH4）。CH4是一种具有严重安全隐患的无色无味的可燃性气体，当其浓度达到某一极限时，遇到明火条件就会发生爆炸（燃烧）。CH4在污水处理过程中生成可能性及浓度水平与污水处理工艺有着直接关系。污水处理厂本工程地下箱体的污水和污泥处理工艺不具备甲烷产生的条件，即使在储泥池内CH4的浓度仅为微量，且可以通过通风系统排出厂外，不至产生聚集。参考类似工程监测报告（见表2），在厌缺氧池、储泥池、脱水机房等部位监测到的CH4无组织排放含量最大值为7.7×10-4%，远低于爆炸极限值4.9～16%。
另外，本工程中CH4、H2S和NH3的浓度水平均远低于《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）中规定的“可不按物质危险特性确定生产火灾危险性类别的最大允许值”，故可不按照甲/乙类考虑。
2.2.2可燃性气体的去除措施
为了消除可燃性气体对操作人员和处理设施带来的不利影响和安全隐患，地下箱体内除了设置一套完善的通风和除臭系统，其对产生可燃性气体的设施进行密封抽吸外，还在操作层空间进行了机械通风换气设计，确保对上述可燃性气体的去除，从而有效消除安全隐患。
2.2.3药剂危险性分析
除磷药剂：本工程以生物除磷为主，化学除磷为辅。除磷药剂选用不可燃的PAC溶液，无燃爆危险。火灾危险性等级为戊类。
消毒药剂：本工程的消毒工艺为加氯消毒，药剂选用次氯酸钠溶液，不可燃，无燃爆危险，火灾危险性等级为戊类。
助凝剂：本工程在高效沉淀池中使用的助凝剂为不可燃的PAM（阴离子），无燃爆危险，火灾危险性等级为戊类；PAM（阳离子），用于在污泥脱水环节使用的聚合物，不可燃性物质，无燃爆危险，火灾危险性等级同样为戊类。
2.3消防设计边界条件总结
南翔污水处理厂产生的可燃性气体浓度远远低于该气体的爆炸燃烧极限，并且在通风系统作用下，地下箱体内可燃性气体将维持在一个更低的浓度水平以至趋近于零，满足相关标准。
上述消防设计边界条件的识别结果为南翔污水处理厂地下箱体的消防设计方案提供了较为关键的设计依据。
3消防设计方案
3.1建筑消防设计
通过对消防设计边界条件分析可知，地下箱体内建（构）筑物的火灾危险性应根据生产中使用或产生的物质性质及其数量等因素分类，并符合表3的规定。
本工程的耐火等级定为一级，地下箱体中的生物反应池、二沉池等池顶操作层构筑物区域的防火分区面积按工艺要求确定，其中的水面面积不计入相应防火分区的允许建筑面积。
另外，操作层构筑物区域每个防火分区内任一点至最近安全出口的直线距离不大于60m，可利用通向相邻防火分区的甲级防火门作为第二安全出口，但每个防火分区至少设置一处直通室外的独立安全出口。
将建筑物区域划分为４个防火分区，每个防火分区建筑面积均不超过2000m²（最小的防火分区面积为903m²，最大的防火分区面积为1954m²），设自动喷水灭火设施。建筑物区域和构筑物区域应按规定设置消火栓及灭火器。
3.2防排烟设计
本工程地下箱体的操作层构筑物区域无可燃物且无人员经常停留，故不设置消防排烟系统；变配电间设置机械排烟系统及补风系统，并与通风系统设备兼用；地下建筑物超过两层及总高度超过10m的防烟楼梯间设置机械加压送风防烟系统。
通风系统送回风管穿越机房及防火分区隔断处设置70℃熔断的防火调节阀，通风风管为不燃材料；系统附件及绝热材料燃烧性能均符合现行国家标准《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）和《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB51251-2017）的有关规定，且耐油耐潮耐酸碱腐蚀。排烟风机前设置排烟防火调节阀，当烟气温度达到280℃时，排烟防火调节阀熔断关闭，相应排烟风机联锁停止运行。
兼作防排烟用的通风、空气调节设备受消防系统控制，并在火灾时能切换到消防状态。
3.3电气消防设计
本工程的变电所均位于地上一层，主要高低压设备及变压器均设在地上变电所内，地下箱体内仅设设备控制柜、动力配电柜等。变压器选择干式，避免油火灾危险。消防设备按二级负荷供电，控制箱采用二路进线，二路电源箱内自切。消防水泵、防火卷帘、消防风机、疏散照明和指示、消防控制系统、消防排水泵等设备均不低于二级负荷。
地下箱体应急照明配电箱根据防火分区布置，每个防火分区1套，负责该分区内的应急照明和疏散指示的配电。设置在同一防火分区的防火卷帘、消防排水泵等自带控制箱的设备，其供电电源由本防火分区的消防双电源自动切换后单回路供电。消防水泵房、防排烟机房等火灾时仍需工作的房间的备用照明电源，由本房间内的应急电源配电箱供电。成束敷设的配电线路的电线和电缆均选用阻燃型。
3.4消防控制系统设计
本工程的消防报警系统采用区域报警系统设计，包括火灾自动报警、消防联动控制、消防应急广播及消防电话等。
其中，火灾自动报警系统采用感烟火灾探测器，出入口及逃生通道设置声光报警器，人行及车行通道内设置应急广播，与广播系统合用；消防联动控制器可以手动控制与正常通风合用的通风机、排烟风机、消防水泵等消防设备；报警控制器自动控制的设备包括通风系统、防火卷帘、消防广播、报警器等；同时在综合楼中央控制室楼层位置设置火灾显示盘和报警装置。
3.5消防设计方案总结
《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）对全地下污水处理厂中“地下箱体”布置形式尚无可以完全对号入座的相应条款。因此，本工程消防设计时，除了对规范进行了充分解读外，我们还深入调研和借鉴了国内外数座已投入运行的全地下式污水处理厂的消防设计经验，并结合本工程地下箱体的工艺布置特点，确定如下消防设计方案：优化地下箱体布局，按功能不同将地下箱体划分为建筑物区域和构筑物区域。建筑物区域的生产火灾危险等级定义为戊类，单个防火分区最大面积不超过2000m²，构筑物区域不进行消防分区。消防系统由“消火栓＋自动喷水灭火系统＋灭火器＋自动报警系统”组成。地下变配电间设置机械排烟系统。
除采取以上工程措施外，投运后必须加强消防知识和技能的培训，并制定消防应急预案，坚持“防消结合，以防为主”的原则，确保地下厂消防安全。
4相关工程案例
4.1深圳布吉污水处理厂
该工程处理规模20万m³/d，工艺流程和本工程类似。建设形式为全地下式污水处理厂，地下箱体顶覆土1.5m，覆土后地坪比周围地坪略高。地下箱体面积约21400m²。消防设计时将整个箱体定义为“地下构筑物”，设置了室内消火栓及灭火器，未设置自动喷水灭火系统。该项目专门组织了消防安全专题会议，通过审查。
4.2北京槐房再生水厂
该工程处理规模60万m³/d，工艺流程和本工程类似。建设型式为全地下式污水处理厂，地下箱体上顶覆土1～2m，覆土后地坪比周围地坪略高。地下箱体建筑面积为13hm²。消防设计时将整个箱体划分为不同区域，厂房部分按厂房执行《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）的有关规定。水池顶盖部分依据工艺流程分系列划分，面积突破现行规范要求。每个防火分区均设有直接通往地面的疏散出口，以及通往相邻防火分区的安全出口。每个防火分区内设置了室内消火栓及灭火器，同时在主通道设置自动喷水灭火系统。该项目的消防设计方案已上报北京市消防局，并通过审查。
4.3郑州南三环污水处理厂
该工程处理规模10万m³/d，工艺流程与本工程类似。建设型式为半地下式污水处理厂，地下箱体两长边放坡与现状地坪接顺，两短边敞开，可以开门窗。地下箱体建筑面积为31432.5m²，分为11个防火分区，最大的防火分区面积为3924m²；每个防火分区均设置了3个安全出口，其中有1个直通室外地面。每个防火分区内均设置室内消火栓及灭火器，未设置自动喷水灭火系统。该项目的消防设计方案已上报郑州市消防局，通过审查。
4.4昆明第十一污水处理厂
该工程处理规模6万m³/d，工艺流程与本工程类似。建设型式为全地下式污水处理厂，地下箱体上顶覆土1～2m，覆土后地坪比周围地坪略高。地下建筑面积约27033m²，分为9个防火分区，最大的防火分区面积为3945m²，每个防火分区设置了2个以上安全出口，其中有1个直通室外地面。在每个防火分区内设置室内消火栓及灭火器，设置自动喷水灭火系统。该项目的消防设计方案上报昆明市消防局，通过审查。
4.5北京稻香湖再生水厂
该工程处理规模8万m³/d，工艺流程与本工程类似。建设形式为全地下式污水处理厂，地下箱体上顶覆土1～2m，覆土后地坪比周围地坪略高。地下建筑面积约14220m²，消防设计时将整个箱体定义为“地下构筑物”，设置7个防火分区，设置了室内消火栓及灭火器，未设置自动喷水灭火系统。该项目的消防设计方案上报北京市消防局，通过审查。
国外（日本、韩国等）很多地下式污水处理厂防火分区及逃生口设置均按相关部门的专家论证结果设置，普遍比国内防火分区面积大，一般地下箱体仅设置消火栓灭火系统并配置灭火器，不设置自动喷水灭火系统。
5结语
相比于传统的地上式污水处理厂，地下式污水处理厂的消防设计具有一定特殊性。我国相关行业规范中尚无针对地下式污水处理厂消防设计的相关要求，国内地下式污水处理厂的设计大都处于各设计院自我摸索阶段，每逢报建审批需花费大量时间和精力沟通，每个项目建设的要求标准不一，前期审批和后期验收不一，这给设计、政府主管部门、参建单位等造成很大困扰。因此有必要针对地下式污水处理厂的特点制定相应的消防对策和方案，形成统一的标准或规范。
据悉该问题已引起国家相关部门的充分重视，正在组织有关机构编制地下式污水处理厂消防设计的相关标准（规范），其实施和执行必将有效规范和保障全国各地拟建地下式污水处理厂消防设计的安全性、科学性、合理性、先进性，切实保障我国地下式污水处理厂消防设计、建设及运行的良性发展。
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