地下式污水处理厂的消防与设计优化——以MBR工艺为例

郑 玢,杨 涛,谢小龙

(1.宜昌市城市规划设计研究院有限责任公司,湖北宜昌 443000;2.武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北武汉 430023)

根据建造形式,污水处理厂主要分为地上式、半地下式和地下式[1]。其中,全地下式将所有或主要处理设施置于一个结构箱内,且结构箱完全位于地面以下,因此,又被称为地下式。地下式污水处理厂作为污水处理设施的新兴建造模式,在我国应用越来越多、发展越来越快。以我国大陆地区为例,自2010年首次采用伊始,(半)地下式污水处理厂目前已建设(含在建)200余座,其中不乏地下式污水处理厂[2]。因此,对其设计特点与难点进行研究是有必要的,具有现实的工程意义。

地下式污水处理厂的设计难点是工艺与结构、建筑和消防(尤其是建筑防火)的交叉处理,最典型的问题就是防火分区的划分[3]。根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014),耐火等级为一、二级的丁、戊类地下或半地下厂房的单个防火分区建筑面积不超过1 000 m2,当设有自动灭火系统保护时单个防火分区的最大允许建筑面积可增加1.0倍。以北京槐房再生水厂为例,其地下空间的总建筑面积约为1.3×105m2,如果严格执行《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)的要求,将设置70～140个防火分区,极大地破坏了厂区地表景观效果;违背了采用地下式建造形式的初衷;增加了地下空间的使用难度;削弱了运行管理的便捷性[4]。因此,经与属地消防主管部门充分沟通并征得其批准,槐房再生水厂采用因区施策、重点设防的策略,将单个防火分区的最大建筑面积做到10 000 m2,但这一划分标准仅适用于槐房再生水厂。其他不具备此类条件的工程,则需在响应建筑防火要求的同时努力兼顾工艺设计、运行维护和消防救援的合理性、便捷性与安全性。为此,笔者以武汉某地下式污水处理厂膜生物反应器(MBR)工艺的设计为例,对地下式污水处理厂的消防与优化设计进行研究,以供探讨与交流。

1 概况和基本要求

1.1 工程概况

武汉某污水处理厂近期设计规模为7.5×104m3/d,远期设计规模为1.5×105m3/d。厂址东西两侧均为铁路,北侧为规划地铁,南侧为规划市政道路,用地十分紧张,如图1(a)所示。另外,厂区位于城市滨河地带,具有较高的休闲娱乐和旅游观光价值,对地表景观和使用功能要求高。因此,为集约用地,该厂采用地下式建造形式,所有处理设施均位于地下箱体内,地面为管理用房和城市公园,厂区占地面积仅为67 460 m2。地下箱体的土建工程按远期规模建设,安装工程按近期规模实施,各处理单元分2组平行设置。污水处理厂设计出水水质在《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准的基础上,将CODCr、BOD5、氨氮、TP提升至《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅳ类水标准,如表1所示。污水处理工艺流程如图1(b)所示,二级处理单元采用“改良厌氧-缺氧-好氧(AAO)+MBR”工艺,消毒单元采用“紫外消毒+次氯酸钠消毒”组合工艺。

表1 设计进出水水质Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality

图1 污水处理厂区位(a)和工艺流程(b)Fig.1 Location (a) and Process Flow (b) of WWTP

1.2 研究区概况

地下箱体的平面布置如图2(a)所示,研究区竖向布置如图2(b)所示。研究区包括MBR膜池、膜池设备间、配电间(含膜系统中控室)、加药间、消毒区和尾水泵房。除膜池设备间为单层结构外,其余均为双层结构。膜池区主要布置膜组器及附属管道系统,膜池设备间主要布置产水、吹扫、排泥、抽真空及膜清洗系统的动力设备,加药间主要布置PAC、柠檬酸、次氯酸钠(膜清洗及消毒)和乙酸钠加药系统,消毒区主要有紫外消毒渠、次氯酸钠接触消毒渠和巴氏计量槽,尾水泵房主要安装尾水提升泵和中水加压泵。

注:标高单位为m。图2 箱体平面布置(a)和研究区竖向布置(b)Fig.2 Layout of the Box (a) and Vertical Location of Study Area (b)

1.3 基本要求

单台膜组器产水面积为1 820 m2,外观(含吊具)尺寸为2 490 mm× 1 780 mm× 3 650 mm。膜池区电动葫芦的吊钩极限高程为-4.2 m,操作平台的高程为-8.5 m,防护栏杆的高度为1.2 m。为满足膜组器吊运需求并控制箱体埋深,部分防护栏杆采用可拆卸式活动栏杆。另外,为确保膜系统产水和吹扫的均匀性,根据MBR工艺在当地的运行经验,单格廊道内膜组器的安装数量不宜超过10台,名义膜通量不宜超过14 L/(m2·h)。

地下箱体的火灾危险性类别为戊类,耐火等级为一级。此外,地下箱体内设有专用自动灭火系统,单个防火分区的最大允许建筑面积按2 000 m2控制;膜池设备间疏散通道为悬挑结构[图2(b)]并由敞开楼梯下至设备间底,防火分区的建筑面积按上、下层相连通的建筑面积叠加计算;相邻防火分区之间采用防火墙和甲级防火门分隔。综合考虑生产、管理和防灾减灾等要求,研究区总体划分为2个防火分区:膜池区为1个防火分区,出水区为1个防火分区——包括膜池设备间、配电间、加药间、消毒区和尾水泵房。

2 工艺设计和防火分区划分

方案一平面布置如图3(a)所示,膜池设备间和配电间、加药间、消毒区及尾水泵房水平平行布置。

注:尺寸单位为mm。图3 方案一(a)和方案二(b)研究区平面布置Fig.3 Scheme One (a) and Scheme Two (b) Layout of Study Area

膜池单格廊道安装9台膜组器,为应对未预见的突发情况,各廊道起端另外预留1个安装机位。每组膜池分14格廊道并联运行,总计提供140个机位、126台组器,名义膜通量为13.63 L/(m2·h)。膜池区建筑面积为2 188.8 m2,大于防火分区最大允许建筑面积,因此,膜池区需分为2个防火分区。将21-25轴、A-B轴围合区域划入其他防火分区后,膜池区剩余部分的建筑面积为1 987.2 m2,满足防火分区划分要求。膜组器的吊装和运输采用电动葫芦,廊道两端1.5 m范围内的护栏均采用活动栏杆。

出水区建筑面积为1 944 m2,疏散通道直线拉通时投影面积为189.4 m2,防火分区建筑面积为2 133.4 m2。因此,该防火分区内的部分设施需做特殊处理:次氯酸钠、乙酸钠等成品药液的溶液池设计成封闭空间,相应的建筑面积予以扣除;疏散通道在中间断开,相应的面积在叠加计算时予以减少。调整后出水区防火分区建筑面积为1 987.9 m2。次氯酸钠消毒渠接触时间为30 min。

方案二平面布置如图3(b)所示,膜池设备间和配电间、加药间、消毒区及尾水泵房上下错层布置。

膜池单格廊道安装9台膜组器,为应对未预见的突发情况,每组膜池预留1格廊道。每组膜池分15格廊道并联运行,总计提供135个机位、126台组器,名义膜通量为13.63 L/(m2·h)。膜池区建筑面积为1 962.7 m2,满足防火分区划分要求。

出水区建筑面积为1 654.7 m2,疏散通道投影面积为189.4 m2,防火分区建筑面积为1 884.1 m2,满足防火分区划分要求。膜组器的吊装和运输采用电动葫芦和平板车接力完成——先由电动葫芦吊运至平板车上,然后再由平板车运送至清洗区,仅廊道起端的护栏采用活动栏杆。次氯酸钠消毒渠接触时间为40～60 min。

综合生产、运维、安全、投资等各方面因素(表2),研究区设计方案推荐采用方案二。

表2 方案比选Tab.2 Comparison of Schemes

3 消防设计

3.1 灭火系统设计

研究区的灭火设施有消火栓灭火系统、喷淋灭火系统、气体灭火系统和灭火器。地下箱体体积大于25 000 m3,根据《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014),室内消火栓灭火系统用水量为40 L/s,火灾延续时间为2 h。研究区除膜池设备间净空超过8.0 m外,其余区间操作层净空均不超过8.0 m。根据《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084—2017),研究区火灾危险等级为中危险I级,膜池设备间喷水强度按8 L/(min·m2)考虑,其余均为6 L/(min·m2),喷淋灭火系统用水量为40 L/s,火灾延续时间为1 h。气体灭火系统用于膜池配电间,采用七氟丙烷全淹没灭火,设计体积分数为9%。灭火器采用磷酸铵盐干粉灭火器,共设置21处,其中膜池区8处、出水区13处,每处均配置2具手提式灭火器。

3.2 通风和防排烟设计

根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019—2015),膜池区和出水区均采用机械排风、自然进风的通风换气方案。其中,膜池区换气频率为2次/h、出水区换气频率为4次/h,疏散楼梯间、消防电梯前室设置机械加压送风系统。

市政污水处理过程中可能会产生硫化氢、氨气、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫等有害气体,在特定条件下有时也会产生甲烷[5]。膜池内存在吹扫曝气系统,属于典型的富氧环境,因此,膜池区可能存在的有害气体主要为硫化氢和氨气,且浓度水平远低于其爆炸极限(表3)[6-7]。出水区可能存在的有害气体主要为次氯酸钠存储期间产生的氯气,但不属于易燃易爆气体。另外,MBR工艺自动化程度高,无需人员频繁巡视和长期值守。由此可见,研究区既并无较多可燃物,也无人员长时间停留,根据《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251—2017),研究区未做排烟系统。

表3 污水处理工段硫化氢和氨气特性Tab.3 Features of Hydrogen Sulfide and Ammonia in Wastewater Treatment

4 其他优化设计

4.1 排渍和防淹

受地下箱体竖向高程限制,溢入雨水、地下渗水和消防废水、外溢污水等无法重力自排接入下游受纳设施,因此,地下箱体需考虑排渍和防淹设计。根据“高水高排、低水低排、严防外水”的原则,外水主要通过厂区竖向、挡雨棚、截水沟、结构防渗等措施消纳,因此,地下箱体的防淹设计主要应对污水处理系统故障导致的“内水”外溢,如MBR工艺产水泵“停车”导致膜池满溢[8-9]。地下箱体内布局紧凑、结构复杂,排渍泵和排涝泵组的设置点需结合地下箱体的平面及竖向布置选定,并宜选在地下箱体的最低点,本工程共设3处。MBR膜池设备间为单层结构,室内地坪即为其操作平台,高程低、易积水,为排渍泵和排涝泵的设置点之一。由消防设计可知,地下箱体内消火栓灭火系统用水量为40 L/s,自动喷淋灭火系统用水量为40 L/s。因此,研究区的消防废水排放量取80 L/s,排渍泵组采用2台200 m3/h的潜污泵(互为备用)。排涝泵组采用3台700 m3/h的潜污泵(互为备用),将外溢污水以及超标降雨情景中可能溢入箱体的雨水抽排至厂外河道。另外,膜池设备间允许积水深度不得超过设备基础高度,当渍水量较大、积水深度上升较快时,各泵组所有潜污泵应能够同时启用。

4.2 危化品防护

加药间为药液集中存储区,如PAC、次氯酸钠、柠檬酸等,均具有一定的腐蚀性。为避免腐蚀性药液的泄漏引发安全事故,除设置废液收集渠(管)外,加药间就近设置盥洗池和洗眼器。另外,为避免次氯酸钠产生的氯气引发安全事故,除及时通风外,加药间内部、入口和厂区管理间各设置一套抢救工具柜,含防毒面具、正压式空气呼吸器、防护鞋服、防护手套、抢修工具等。

4.3 卸料和加药系统

借鉴消防水泵接合器的做法,卸料系统在便于槽罐车驻车的地方设置两处卸料口,一处位于临近加药间的地下箱体消防通道侧墙,另一处位于地面行车道路边。一般而言,药剂浓度越低,与污水的混合均匀程度越高,但是相同用量下的存储体积越大、占用空间越多。因此,在允许范围内,投加浓度宜低、存储浓度宜高。为平衡二者之间的关系,本工程加药系统采用在线稀释技术,加药时在加药泵组出口管同步加入自来水或中水,将药剂存储浓度稀释至投加浓度,既节约了药剂存储空间,又改善了药剂混合效果。PAC卸料和投加系统如图4所示。

图4 PAC卸料和投加系统Fig.4 PAC Unloading and Dosing System

5 结论

(1)地下式污水处理厂将主要的处理设施集中设置在地下箱体内,将地表空间释放出来用于复合利用,具有占地少、空间利用率高、景观效果好等显著优点,有助于土地的集约开发,应用越来越多。

(2)地下箱体的火灾危险性类别为戊类,耐火等级为一级,单个防火分区的最大允许建筑面积不超过1 000 m2,当设有自动灭火系统保护时则可按2 000 m2控制。相较于庞大的污水处理设施而言,单个防火分区的最大允许建筑面积偏小,对工艺设计造成较大约束。因此,其设计应综合考虑工艺需求、结构安全、防火要求以及运行维护和消防救援的便捷性、安全性等多方面因素。

(3)武汉某污水处理厂采用地下式建造形式,二级处理采用“改良AAO+MBR”工艺,消毒单元采用“紫外消毒+次氯酸钠消毒”组合工艺。结合该厂MBR工艺(含膜池、设备间、配电间、加药间、消毒区和尾水泵房等)的设计,介绍了在现行规范体系下平衡建筑防火设计和工艺设计的方法,并针对箱体内的防淹、危化品防护、药剂卸载与投加系统进行了优化设计。结果显示,在防火分区建筑面积不超过2 000 m2的前提下,相关优化设计实现了地下空间的最大化、最优化利用,对该类工程的设计具有借鉴意义。