地下式污水處理廠的消防與設計優化
——以MBR工藝為例

鄭 玢,楊 濤,謝小龍

(1.宜昌市城市規劃設計研究院有限責任公司,湖北宜昌 443000;2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北武漢 430023)

根據建造形式,污水處理廠主要分為地上式、半地下式和地下式[1]。其中,全地下式將所有或主要處理設施置于一個結構箱內,且結構箱完全位于地面以下,因此,又被稱為地下式。地下式污水處理廠作為污水處理設施的新興建造模式,在我國應用越來越多、發展越來越快。以我國大陸地區為例,自2010年首次采用伊始,(半)地下式污水處理廠目前已建設(含在建)200余座,其中不乏地下式污水處理廠[2]。因此,對其設計特點與難點進行研究是有必要的,具有現實的工程意義。

地下式污水處理廠的設計難點是工藝與結構、建筑和消防(尤其是建筑防火)的交叉處理,最典型的問題就是防火分區的劃分[3]。根據《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014),耐火等級為一、二級的丁、戊類地下或半地下廠房的單個防火分區建筑面積不超過1 000 m2,當設有自動滅火系統保護時單個防火分區的最大允許建筑面積可增加1.0倍。以北京槐房再生水廠為例,其地下空間的總建筑面積約為1.3×105m2,如果嚴格執行《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)的要求,將設置70～140個防火分區,極大地破壞了廠區地表景觀效果;違背了采用地下式建造形式的初衷;增加了地下空間的使用難度;削弱了運行管理的便捷性[4]。因此,經與屬地消防主管部門充分溝通并征得其批準,槐房再生水廠采用因區施策、重點設防的策略,將單個防火分區的最大建筑面積做到10 000 m2,但這一劃分標準僅適用于槐房再生水廠。其他不具備此類條件的工程,則需在響應建筑防火要求的同時努力兼顧工藝設計、運行維護和消防救援的合理性、便捷性與安全性。為此,筆者以武漢某地下式污水處理廠膜生物反應器(MBR)工藝的設計為例,對地下式污水處理廠的消防與優化設計進行研究,以供探討與交流。

1 概況和基本要求

1.1 工程概況

武漢某污水處理廠近期設計規模為7.5×104m3/d,遠期設計規模為1.5×105m3/d。廠址東西兩側均為鐵路,北側為規劃地鐵,南側為規劃市政道路,用地十分緊張,如圖1(a)所示。另外,廠區位于城市濱河地帶,具有較高的休閑娛樂和旅游觀光價值,對地表景觀和使用功能要求高。因此,為集約用地,該廠采用地下式建造形式,所有處理設施均位于地下箱體內,地面為管理用房和城市公園,廠區占地面積僅為67 460 m2。地下箱體的土建工程按遠期規模建設,安裝工程按近期規模實施,各處理單元分2組平行設置。污水處理廠設計出水水質在《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的基礎上,將CODCr、BOD5、氨氮、TP提升至《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類水標準,如表1所示。污水處理工藝流程如圖1(b)所示,二級處理單元采用“改良厭氧-缺氧-好氧(AAO)+MBR”工藝,消毒單元采用“紫外消毒+次氯酸鈉消毒”組合工藝。

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Influent and Effluent Quality

圖1 污水處理廠區位(a)和工藝流程(b)Fig.1 Location (a) and Process Flow (b) of WWTP

1.2 研究區概況

地下箱體的平面布置如圖2(a)所示,研究區豎向布置如圖2(b)所示。研究區包括MBR膜池、膜池設備間、配電間(含膜系統中控室)、加藥間、消毒區和尾水泵房。除膜池設備間為單層結構外,其余均為雙層結構。膜池區主要布置膜組器及附屬管道系統,膜池設備間主要布置產水、吹掃、排泥、抽真空及膜清洗系統的動力設備,加藥間主要布置PAC、檸檬酸、次氯酸鈉(膜清洗及消毒)和乙酸鈉加藥系統,消毒區主要有紫外消毒渠、次氯酸鈉接觸消毒渠和巴氏計量槽,尾水泵房主要安裝尾水提升泵和中水加壓泵。

注:標高單位為m。圖2 箱體平面布置(a)和研究區豎向布置(b)Fig.2 Layout of the Box (a) and Vertical Location of Study Area (b)

1.3 基本要求

單臺膜組器產水面積為1 820 m2,外觀(含吊具)尺寸為2 490 mm× 1 780 mm× 3 650 mm。膜池區電動葫蘆的吊鉤極限高程為-4.2 m,操作平臺的高程為-8.5 m,防護欄桿的高度為1.2 m。為滿足膜組器吊運需求并控制箱體埋深,部分防護欄桿采用可拆卸式活動欄桿。另外,為確保膜系統產水和吹掃的均勻性,根據MBR工藝在當地的運行經驗,單格廊道內膜組器的安裝數量不宜超過10臺,名義膜通量不宜超過14 L/(m2·h)。

地下箱體的火災危險性類別為戊類,耐火等級為一級。此外,地下箱體內設有專用自動滅火系統,單個防火分區的最大允許建筑面積按2 000 m2控制;膜池設備間疏散通道為懸挑結構[圖2(b)]并由敞開樓梯下至設備間底,防火分區的建筑面積按上、下層相連通的建筑面積疊加計算;相鄰防火分區之間采用防火墻和甲級防火門分隔。綜合考慮生產、管理和防災減災等要求,研究區總體劃分為2個防火分區:膜池區為1個防火分區,出水區為1個防火分區——包括膜池設備間、配電間、加藥間、消毒區和尾水泵房。

2 工藝設計和防火分區劃分

方案一平面布置如圖3(a)所示,膜池設備間和配電間、加藥間、消毒區及尾水泵房水平平行布置。

注:尺寸單位為mm。圖3 方案一(a)和方案二(b)研究區平面布置Fig.3 Scheme One (a) and Scheme Two (b) Layout of Study Area

膜池單格廊道安裝9臺膜組器,為應對未預見的突發情況,各廊道起端另外預留1個安裝機位。每組膜池分14格廊道并聯運行,總計提供140個機位、126臺組器,名義膜通量為13.63 L/(m2·h)。膜池區建筑面積為2 188.8 m2,大于防火分區最大允許建筑面積,因此,膜池區需分為2個防火分區。將21-25軸、A-B軸圍合區域劃入其他防火分區后,膜池區剩余部分的建筑面積為1 987.2 m2,滿足防火分區劃分要求。膜組器的吊裝和運輸采用電動葫蘆,廊道兩端1.5 m范圍內的護欄均采用活動欄桿。

出水區建筑面積為1 944 m2,疏散通道直線拉通時投影面積為189.4 m2,防火分區建筑面積為2 133.4 m2。因此,該防火分區內的部分設施需做特殊處理:次氯酸鈉、乙酸鈉等成品藥液的溶液池設計成封閉空間,相應的建筑面積予以扣除;疏散通道在中間斷開,相應的面積在疊加計算時予以減少。調整后出水區防火分區建筑面積為1 987.9 m2。次氯酸鈉消毒渠接觸時間為30 min。

方案二平面布置如圖3(b)所示,膜池設備間和配電間、加藥間、消毒區及尾水泵房上下錯層布置。

膜池單格廊道安裝9臺膜組器,為應對未預見的突發情況,每組膜池預留1格廊道。每組膜池分15格廊道并聯運行,總計提供135個機位、126臺組器,名義膜通量為13.63 L/(m2·h)。膜池區建筑面積為1 962.7 m2,滿足防火分區劃分要求。

出水區建筑面積為1 654.7 m2,疏散通道投影面積為189.4 m2,防火分區建筑面積為1 884.1 m2,滿足防火分區劃分要求。膜組器的吊裝和運輸采用電動葫蘆和平板車接力完成——先由電動葫蘆吊運至平板車上,然后再由平板車運送至清洗區,僅廊道起端的護欄采用活動欄桿。次氯酸鈉消毒渠接觸時間為40～60 min。

綜合生產、運維、安全、投資等各方面因素(表2),研究區設計方案推薦采用方案二。

表2 方案比選Tab.2 Comparison of Schemes

3 消防設計

3.1 滅火系統設計

研究區的滅火設施有消火栓滅火系統、噴淋滅火系統、氣體滅火系統和滅火器。地下箱體體積大于25 000 m3,根據《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974—2014),室內消火栓滅火系統用水量為40 L/s,火災延續時間為2 h。研究區除膜池設備間凈空超過8.0 m外,其余區間操作層凈空均不超過8.0 m。根據《自動噴水滅火系統設計規范》(GB 50084—2017),研究區火災危險等級為中危險I級,膜池設備間噴水強度按8 L/(min·m2)考慮,其余均為6 L/(min·m2),噴淋滅火系統用水量為40 L/s,火災延續時間為1 h。氣體滅火系統用于膜池配電間,采用七氟丙烷全淹沒滅火,設計體積分數為9%。滅火器采用磷酸銨鹽干粉滅火器,共設置21處,其中膜池區8處、出水區13處,每處均配置2具手提式滅火器。

3.2 通風和防排煙設計

根據《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50019—2015),膜池區和出水區均采用機械排風、自然進風的通風換氣方案。其中,膜池區換氣頻率為2次/h、出水區換氣頻率為4次/h,疏散樓梯間、消防電梯前室設置機械加壓送風系統。

市政污水處理過程中可能會產生硫化氫、氨氣、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫等有害氣體,在特定條件下有時也會產生甲烷[5]。膜池內存在吹掃曝氣系統,屬于典型的富氧環境,因此,膜池區可能存在的有害氣體主要為硫化氫和氨氣,且濃度水平遠低于其爆炸極限(表3)[6-7]。出水區可能存在的有害氣體主要為次氯酸鈉存儲期間產生的氯氣,但不屬于易燃易爆氣體。另外,MBR工藝自動化程度高,無需人員頻繁巡視和長期值守。由此可見,研究區既并無較多可燃物,也無人員長時間停留,根據《建筑防煙排煙系統技術標準》(GB 51251—2017),研究區未做排煙系統。

表3 污水處理工段硫化氫和氨氣特性Tab.3 Features of Hydrogen Sulfide and Ammonia in Wastewater Treatment

4 其他優化設計

4.1 排漬和防淹

受地下箱體豎向高程限制,溢入雨水、地下滲水和消防廢水、外溢污水等無法重力自排接入下游受納設施,因此,地下箱體需考慮排漬和防淹設計。根據“高水高排、低水低排、嚴防外水”的原則,外水主要通過廠區豎向、擋雨棚、截水溝、結構防滲等措施消納,因此,地下箱體的防淹設計主要應對污水處理系統故障導致的“內水”外溢,如MBR工藝產水泵“停車”導致膜池滿溢[8-9]。地下箱體內布局緊湊、結構復雜,排漬泵和排澇泵組的設置點需結合地下箱體的平面及豎向布置選定,并宜選在地下箱體的最低點,本工程共設3處。MBR膜池設備間為單層結構,室內地坪即為其操作平臺,高程低、易積水,為排漬泵和排澇泵的設置點之一。由消防設計可知,地下箱體內消火栓滅火系統用水量為40 L/s,自動噴淋滅火系統用水量為40 L/s。因此,研究區的消防廢水排放量取80 L/s,排漬泵組采用2臺200 m3/h的潛污泵(互為備用)。排澇泵組采用3臺700 m3/h的潛污泵(互為備用),將外溢污水以及超標降雨情景中可能溢入箱體的雨水抽排至廠外河道。另外,膜池設備間允許積水深度不得超過設備基礎高度,當漬水量較大、積水深度上升較快時,各泵組所有潛污泵應能夠同時啟用。

4.2 危化品防護

加藥間為藥液集中存儲區,如PAC、次氯酸鈉、檸檬酸等,均具有一定的腐蝕性。為避免腐蝕性藥液的泄漏引發安全事故,除設置廢液收集渠(管)外,加藥間就近設置盥洗池和洗眼器。另外,為避免次氯酸鈉產生的氯氣引發安全事故,除及時通風外,加藥間內部、入口和廠區管理間各設置一套搶救工具柜,含防毒面具、正壓式空氣呼吸器、防護鞋服、防護手套、搶修工具等。

4.3 卸料和加藥系統

借鑒消防水泵接合器的做法,卸料系統在便于槽罐車駐車的地方設置兩處卸料口,一處位于臨近加藥間的地下箱體消防通道側墻,另一處位于地面行車道路邊。一般而言,藥劑濃度越低,與污水的混合均勻程度越高,但是相同用量下的存儲體積越大、占用空間越多。因此,在允許范圍內,投加濃度宜低、存儲濃度宜高。為平衡二者之間的關系,本工程加藥系統采用在線稀釋技術,加藥時在加藥泵組出口管同步加入自來水或中水,將藥劑存儲濃度稀釋至投加濃度,既節約了藥劑存儲空間,又改善了藥劑混合效果。PAC卸料和投加系統如圖4所示。

圖4 PAC卸料和投加系統Fig.4 PAC Unloading and Dosing System

5 結論

(1)地下式污水處理廠將主要的處理設施集中設置在地下箱體內,將地表空間釋放出來用于復合利用,具有占地少、空間利用率高、景觀效果好等顯著優點,有助于土地的集約開發,應用越來越多。

(2)地下箱體的火災危險性類別為戊類,耐火等級為一級,單個防火分區的最大允許建筑面積不超過1 000 m2,當設有自動滅火系統保護時則可按2 000 m2控制。相較于龐大的污水處理設施而言,單個防火分區的最大允許建筑面積偏小,對工藝設計造成較大約束。因此,其設計應綜合考慮工藝需求、結構安全、防火要求以及運行維護和消防救援的便捷性、安全性等多方面因素。

(3)武漢某污水處理廠采用地下式建造形式,二級處理采用“改良AAO+MBR”工藝,消毒單元采用“紫外消毒+次氯酸鈉消毒”組合工藝。結合該廠MBR工藝(含膜池、設備間、配電間、加藥間、消毒區和尾水泵房等)的設計,介紹了在現行規范體系下平衡建筑防火設計和工藝設計的方法,并針對箱體內的防淹、危化品防護、藥劑卸載與投加系統進行了優化設計。結果顯示,在防火分區建筑面積不超過2 000 m2的前提下,相關優化設計實現了地下空間的最大化、最優化利用,對該類工程的設計具有借鑒意義。