地下式污水处理厂消防设计分析

倪 明

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

近年来，随着我国城镇化进程和生态文明建设的快速推进，许多城市的污水处理厂已被住宅、商业区层层“包围”，传统污水处理厂产生的臭味、噪声等环境污染及与景观不协调等问题已引起人们的高度关注。因此，具有节省土地资源、视觉美观、环境友好等优势的地下式污水处理厂越来越受到各大城市的青睐。据调研，目前国内已建或在建的大型地下式污水处理厂(设计规模≥10万m3/d)已经超过40座，但地下式污水处理厂作为“新兴建设型式”，在设计过程中仍有诸多环节尚无据可循[1-2]，尤其是消防设计，既无设计规范可依,也无成熟经验可参，是地下式污水处理设计的一大难点。本文通过昆明市某地下式污水处理厂的消防设计，针对该难点进行了分析与讨论。

1 污水处理厂基本概况

昆明市某地下式污水处理厂位于主城北片区，设计规模为20.0万m3/d。分期建设，一期土建规模为20.0万m3/d，设备规模为10.0万m3/d；配套建设一级强化处理设施，处理规模为40.0万m3/d。出水水质达《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类(除TN外)后作为河道生态补水。

厂区占地面积为7.83×104m2。地面分为厂前区及公共开放区，其中厂前区占地1.90×104m2，布置有集中控制中心、综合楼、变配电间及加氯间、门卫室，公共开放区占地5.93×104m2，为市民休闲活动公园。

厂区下部为污水处理厂地下箱体(生厂区)，总面积为62 350.22 m2。由预处理区、生物处理区、深度处理及再生水处理区、污泥处理区、一级强化处理区等污水、污泥处理构(建)筑物组成。

污水处理厂竖向分为四个部分，分别为景观绿化层(地面层)、覆土层、操作层及池体层。覆土层厚度为2.0 m，满足绿化种植要求；操作层以辅助公用建筑为主，承担污水处理厂的正常巡视和设备检修功能。池体层以水处理构筑物为主(水池)，综合管廊为辅，一般情况下无人员活动。

污水处理厂总平面布置、箱体布置、竖向功能分区分别如图1、图2、图3所示。

图1 昆明市某地下式污水处理厂总平面图Fig.1 General Layout of the Underground WWTP in Kunming City

图3 昆明市某地下式污水处理厂竖向功能分区示意图Fig.3 Vertical Functional Zone of the Underground WWTP in Kunming City

图2 昆明市某地下式污水处理厂箱体布置图Fig.2 Box Layout of the Underground WWTP in Kunming City

2 地下式污水处理厂消防设计分析

2.1 火灾危险性分析

地下式污水处理厂是以污水为主要生产介质、以钢筋混凝土为主要建筑材料的地下大空间箱体，按照其生产特点，地下箱体可能发生火灾的有可燃气体、药剂、设备、电力电缆等。

城镇污水中散发的可燃性气体有硫化氢、氨气、甲硫醚、甲硫醇、二甲二硫等，在厌氧条件下还会产生甲烷。上述气体当浓度达到一定范围时，在明火条件下会有火灾危险。但城镇污水处理厂中上述可燃性气体的浓度水平要远远低于它们的爆炸(燃烧)极限。以污水处理厂产生的恶臭可燃气体中浓度最高的成分硫化氢和氨气为例，表1是城镇污水处理厂典型处理区域中产生的硫化氢和氨气的设计标准值，表2是可燃气体性质。有较严重安全隐患的甲烷，来源于污水处理过程中的厌氧反应，而一般城镇污水处理厂的污水、污泥处理工艺，均不具备绝对厌氧的条件，不会有甲烷大量溢出，其浓度水平根据相关监测显示仅为微量，且可以通过除臭与通风系统达标排出地下箱体外。

表1 污水处理厂典型处理区域臭气污染物浓度[3]Tab.1 Concentration of Odor Pollutant in the Typical Treatment Area of WWTP[3]

表2 可燃气体性质Tab.2 Properties of Combustible Gas

本工程污水处理过程中使用的药剂主要有除磷药剂聚合氯化铝、污泥脱水药剂聚丙烯酰胺、外加碳源乙酸钠、消毒药剂次氯酸钠，且基本以液体形式储存和使用。这些药剂均为不可燃，无爆炸危险。

地下箱体内安装的工艺、通风等设备主要材料为金属，且绝大部分为水下安装，电动机是可能的火源点，部分设备内部有少量润滑油可能造成局部起火，但因可燃物(润滑油)很少，设备位置相对独立，火灾不会蔓延、持续。

地下箱体内电气设备主要有变压器、开关柜和配电柜、控制柜和相应电缆，其中变压器设计为干式变压器，电缆为阻燃(耐火)电缆。电气设备因触点接触、瞬间过载等因素可能引发瞬间火源，电缆本身无可燃物质，火源不会蔓延和持续；变配电室、控制室设置气体自动灭火装置，阻止火灾蔓延至室外。因此，电气系统难以产生影响地下箱体的火灾。

此外，从厂内人员活动分析，地下式污水处理厂已实现自动化运行，无人值守。厂内人员的值班、维修等活动均在地上进行，地下箱体内活动仅为定时巡视，而且厂内人员均经过了严格的培训，熟悉地下箱体消防设施操控、疏散路线、疏散口位置，可实现火灾时快速灭火及疏散。因此，地下式污水处理厂不属于人员密集型火灾危险场所。

综上，地下式污水处理厂可燃物少，无常驻人员活动，火灾危险性小。

2.2 消防设计主要问题

对于地下式污水处理厂消防设计，国内尚无专门的规范作为设计依据。目前主要参考《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)中关于地下或半地下厂房的防火要求进行设计。

本工程地下箱体消防设计若严格按照《建筑设计防火规范》中关于火灾危险性为戊类的地下厂房进行，则地下箱体将要设置至少63个以上的防火分区，即使加设自动喷淋也需设置至少32个防火分区[4]。大量的防火分区将对地下箱体的工艺布置、行车运输、操作管理带来极大的不便。每个防火分区均需在地上设置疏散口、通风排烟口等附属建(构)筑物，严重限制了污水处理厂地面用地的综合开发。

《建筑设计防火规范》适用的地下厂房为密集的人员生产活动区域，发生火灾后将造成较大的人员、财产损失，这与高度自动化运行、人员稀少且训练有素、以污水为主要生产对象的地下式污水处理厂有着巨大的差异。

因此，《建筑设计防火规范》对地下厂房的规定并不完全适用于地下式污水处理厂消防设计，应针对地下式污水处理厂的消防特点，对其消防设计予以适当简化。

3 国内类似工程消防设计概况

据调研，目前国内已建或在建的地下(半地下)污水处理厂为解决上述问题，在地下箱体防火分区的划分上通常采用两种方式：一种是根据《建筑设计防火规范》规定[4]，厂房内设置自动灭火系统，防火分区最大面积可由1 000 m2增至2 000 m2，如昆明第九、十污水处理厂、广州京溪污水处理厂；另一种方法是突破《建筑设计防火规范》规定，适度扩大防火分区面积，并由消防主管部门会同消防咨询机构对项目进行消防专项审查。如昆明第十一污水处理厂，最大防火分区面积为3 950 m2；郑州南三环污水处理厂，最大防火分区面积为3 930 m2；青岛高新区污水处理厂，最大防火分区面积为3 300 m2。

上述工程防火分区的划分均是将污水处理厂地下箱体视为一个火灾危险性无差别的整体来进行，即使按照第二种方式，大型地下式污水处理厂地下箱体的防火分区数量仍偏多，以本工程为例，按4 000 m2计，需划分防火分区至少16个，且每个防火分区均需配置完善的消防设施。实际地下箱体不同功能区的火灾危险性存在较大差异：辅助公用建筑区(如鼓风机房、变配电间、脱水机房等)，空间封闭狭小，但却集中布置有大量工艺、电气设备，又是人员巡视的重点区域，火灾危险性较高；处理构筑物区，空间开放宽敞，设备布置相对分散，火灾危险性极低。因此，各区域可以利用这种差异进行防火分区划分及消防设施配置的设计，做到“宽严相济”。

4 本工程消防设计

4.1 总体设计

将火灾危险性较高的构(建)筑物布置在地下箱体以外，作为地面构(建)筑物设计。

污水处理厂地上部分严格执行现行消防设计规范。构(建)筑物布置满足防火间距要求；设置环形消防车道及出入口；设置室(内)外消火栓、灭火器、消防水箱、消防水泵等消防设施设备。

地下箱体按照功能的不同分为厂房和构筑物。预处理区、生物反应池、深度处理区、一级强化处理区等区域按构筑物考虑。鼓风机房、加药间、变配电间及控制室、污泥处理车间等有生产设备且为人员巡视重点的部位按厂房考虑，并将厂房及处理构筑物分别集中布置，操作巡视层划分为厂房区域和构筑物空仓区域。构筑物空仓区域不划分防火分区，仅设置必要的安全出口。厂房区域按照《建筑设计防火规范》丁、戊类地下厂房划分防火分区，每个防火分区建筑面积不超过1 000 m2(其中变配电间为丁类)；每个防火分区均设有2处直通室外的安全出口；在任一防火分区中任意一点到达安全出口的距离均小于60 m。底层管廊空间可划分为一个防火分区，最远疏散距离为200 m，满足《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)的要求[5]。

4.2 防火分区划分

按照总体设计要求，本工程地下箱体负一层操作巡视层中的厂房区域共划分为10个防火分区(丁戊类)，负二层管廊空间划分为一个防火分区。构筑物空仓区域不再划分防火分区，但均匀地布置了三个消防疏散楼梯，三个消防疏散楼梯延伸至管廊间，采取了必要的通风换气措施，并布置了消火栓。构筑物区域任一点到安全出口的距离不大于95 m。地下箱体防火分区布置如图4所示。

图4 昆明市某地下式污水处理厂地下箱体防火分区布置图Fig.4 Box Layout of Fire Compartment of the Underground WWTP in Kunming City

该方案在充分保证地下污水厂消防安全的前提下，有效兼顾了污水处理工艺布置需求和操作管理要求，实现了地上空间的充分利用。

4.3 消火栓、灭火器、自动灭火系统设计

地下箱体负一层操作巡视层划定防火分区区域内设置室内消火栓。消火栓布置需保证同层有两支水枪的充实水柱能同时到达室内任何部位，消火栓布置间距不大于30 m[6]。

地下箱体车道及人员通行通道设置室内消火栓，但考虑其通行车辆少且人员活动少，消火栓布置需保证有一支水枪的充实水柱能到达室内任何部位，间距不大于50 m[6]。

《建筑设计防火规范》[4]和《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)[6]未对无火灾危险的构筑物提出消防设计要求。因此，地下箱体构筑物区域可不设置室内消火栓。

地下箱体应按《建筑灭火器配置设计规范》(GB 50140—2005)[7]要求全面配备手提式灭火器，用以有效地扑灭初期火灾。

根据《建筑设计防火规范》第8.3条要求，对于火灾危险性大、容易发生火灾的场所，人员密集、发生火灾后可能造成较大的人员伤亡的场所，发生火灾后施救难度较大的场所；发生火灾后导致的经济损失大的场所，应设置自动灭火系统并宜采用自动喷水灭火系统[2]。基于地下式污水处理厂消防设计分析，地下箱体一般无需设置自动喷水灭火系统。故本工程不设置自动喷水灭火系统，仅在电气设备及电缆相对较多的区域(变配电间、控制室等)设置七氟丙烷气体灭火系统，该系统选用柜式七氟丙烷灭火装置，气体灭火设计浓度为9%，喷放时间不大于10 s，浸渍时间为5 min。

4.4 消防电气设计

消防用电采用二级负荷，确保火灾时消防设施可即时启动。设置疏散照明和火灾备用照明，确保火灾时人员疏散有指引。

消防用电线路采用无卤低烟阻燃耐火电缆，其余采用无卤低烟阻燃电缆。消防电缆吊顶敷设，穿越隔墙、孔洞采用防火泥、防火堵包等做防火隔断。管廊间不敷设电缆，消除火灾危险性。

4.5 通风及防排烟设计

地下箱体操作巡视层构筑物区域，不划分防火分区；工艺设备厂房火灾危险性类别为戊类；管廊间无可燃物且无人员经常停留，三处不设机械防排烟设施，仅按规范要求设置通风系统，保证人员工作环境安全。

地下箱体车行通道结合自然采光、排烟天窗设置自然消防通风排烟系统。

所有疏散口防烟楼梯间、箱体内部疏散走道设置机械加压通风系统。

电气设备用房设置气体灭火系统，且不常有人员停留，仅设置灾后排风。

4.6 火灾自动报警系统设计

火灾自动报警系统按集中报警系统设立。在每个防火分区、防烟楼梯间、疏散通道、安全出口、疏散走道等，设置火灾报警探测、火灾显示盘、报警按钮、声光报警器、消防电话、消防应急广播等，并对消防给水系统、气体灭火系统、通风及防排烟系统等消防设施实施联动控制。

5 运行安全监控及消防事故疏散

5.1 运行安全监控

为防止恶臭可燃气体聚集引发火灾危险，地下式污水处理厂应设置齐全的安全防护监测仪表。当恶臭可燃气体聚集产生危害时，中控室、地下箱体出入口可实现声光报警，并启动通风机进行通风。

配置完善的火灾报警系统，当火灾发生时，及时发出报警信号，相关火灾区域声光报警，切断非消防电源，连锁启动相应的消防设施。

5.2 消防事故疏散

国内地下式污水处理厂消防系统运行管理经验缺乏，在采取上述消防措施之外，必须制定消防事故人员疏散应急预案并组织定期演练，保证火灾事故发生时有序疏散，火灾能及时扑灭。

6 结论

(1)依据地下式污水处理厂火灾危险性分析和消防设计特点，污水处理厂地下箱体消防设计可突破现行规范要求，简化设计。

(2)推荐将地下箱体按照功能的不同分为厂房和构筑物，并分别予以集中布置，着重对厂房区域进行防火分区划分和消防设施配置。

(3)地下箱体应根据防火分区划分及各区域消防需求，设置必要的室内消火栓、手提式灭火器和气体灭火系统。

(4)地下箱体消防用电设计、通风及防排烟设计，应满足消防设施即时启动、人员安全疏散有保障的要求。

(5)地下式污水处理厂应设置完善的火灾报警系统和安全防护监测系统。

(6)地下式污水处理厂运营单位必须制定消防事故人员疏散应急预案并组织定期演练。

地下式污水处理厂是城市污水治理工程建设的一个发展方向，其消防设计应给予高度的重视。在确保污水处理厂安全运行前提下，简化设计，节约投资。