地下餐廚垃圾處理廠安全設施設計

摘要：餐廚垃圾處理廠存在爆炸、中毒等安全生產風險。以深圳市某餐廚垃圾處理廠為例，闡述地下餐廚垃圾處理廠的安全設施設計方案。該項目通過合理布局總圖和車間功能，設計完善的除臭、暖通送排風和調節池應急排風系統，設置可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統（Gas Detection System，GDS）并與送排風設施連鎖控制，實現各種工況下全廠特別是地下污水調節池的安全風險管控。

關鍵詞：地下餐廚垃圾處理廠；安全設施設計；可燃氣體；有毒氣體；檢測；報警；安全風險管控

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.018

Design of Safety Facilities for Underground Kitchen Waste Treatment Plant

—Taking a Kitchen Waste Treatment Plant in Shenzhen City as an Example

XIE Kui

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200092， China）

Abstract： There are safety production risks such as explosions and poisoning in kitchen waste treatment plants. Taking a kitchen waste treatment plant in Shenzhen city as an example， the safety facility design scheme of an underground kitchen waste treatment plant is elaborated. Through a reasonable layout of the overall plan and workshop functions， this project has designed a comprehensive deodorization， heating ventilation and air conditioning supply and exhaust， and emergency exhaust system for the regulating pool， and has set up a Gas Detection System （GDS）， which is linked with the supply and exhaust facilities for control， thus achieving safety risk control for the entire plant， especially the underground sewage regulating pool， under various working conditions.

Keywords： underground kitchen waste treatment plant; safety facility design; combustible gases; toxic gases; detection; alarm; safety risk control

近年來，國家始終將安全生產放在突出位置，但環境保護設施依然屢屢發生安全生產事故，如厭氧罐沼氣爆炸、生活垃圾處理站有害氣體中毒和污水調節池沼氣閃爆等，造成巨大的人員傷亡。統計數據顯示，2006—2016年歐洲發生的208起沼氣站事故中，火災和爆燃/爆炸事故類型占比分別為59%和22%，事故對象中，厭氧消化罐、沼氣柜和沼氣發電機的占比為59%[1]。從原因來看，這些設施安全生產事故有較大比例涉及可燃氣體爆炸或有毒氣體中毒。

餐廚垃圾處理廠多采用厭氧消化處理技術，屬沼氣工程，廠內有多個生產環節涉及沼氣等可燃氣體，如厭氧消化系統、沼氣存儲及凈化系統、鍋爐系統和發電系統等，存在燃燒和爆炸風險。另外，餐廚垃圾原料、預處理漿液和厭氧沼液等會產生H2S等有毒氣體，污水間及泵坑等有限空間內易發生H2S的聚集而產生安全隱患。目前，餐廚垃圾處理廠的設計規范并不完善，沒有專門的消防安全設計標準，安全設施只能參照建筑、石油化工等行業的標準進行設計。以深圳市某餐廚垃圾處理廠為例，闡述該項目地下空間的安全設施設計方案，可以供類似項目參考。

1 餐廚垃圾處理廠概況

1.1 設計規模及處理工藝

該餐廚垃圾處理廠設計處理規模為1 200 t/d，其中，餐廚垃圾（產生主體是企業和公共機構）為730 t/d，廚余垃圾（產生主體是居民家庭）為200 t/d，廢棄食用油脂為70 t/d，另預留大件園林垃圾處理規模200 t/d。該項目采用“預處理+濕式厭氧消化”工藝處理餐廚垃圾和廚余垃圾，厭氧消化產生的沼氣凈化后發電上網利用，厭氧脫水沼渣干化處理后外運處置，沼液在廠內處理，達到《污水排入城鎮下水道水質標準》（GB/T 31962—2015）的A級標準后排入市政污水管網。

1.2 總圖及功能分區

根據《城市環境衛生設施規劃標準》（GB/T 50337—2018），餐廚垃圾集中處理設施綜合用地指標不宜小于85 m2/（t·d），并不宜大于130 m2/（t·d）。項目實際可用地面積約為3.88 hm2，總圖采用功能豎向疊合布置的方式，充分開發利用地下空間，以滿足建設規模的需求。總平面共分為5大功能分區，分別為位于場地中央的主生產區、南側厭氧罐區、沼氣及毛油罐區、東南側山坳中的大件及綠化垃圾處理區以及西北側管理區。

1.3 綜合處理車間功能分區

綜合處理車間將預處理、沼渣脫水、污水處理、沼氣發電、除臭、辦公管理以及環保展廳等功能疊合布置，是高度集約化的綜合體。車間為地上局部4層、地下3層的建筑，總建筑面積為54 714 m2，其中地下面積約為31 771 m2，地下室埋深約為27 m。綜合處理車間剖面圖如圖1所示。

2 危險源及危險因素分析

2.1 危險源分析

根據生產工藝，餐廚垃圾處理廠存在的安全生產風險有火災、爆炸、中毒窒息、機械傷害、起重傷害、觸電、高處墜落、淹溺、噪聲和粉塵傷害等[2]，其中可燃氣體甲烷造成的爆炸、有毒氣體硫化氫與氨造成的人員中毒和窒息是餐廚垃圾處理廠中發生頻率較高、危害性較大的安全事故。

2.2 不同區域危險因素分析

相比傳統的餐廚垃圾處理廠，該項目特點是生產車間的高度集約化布局，較多生產設施位于地下空間。地下空間屬有限空間，極易發生可燃氣體及有毒氣體集聚而產生較大的安全隱患，因此針對生產車間尤其是其地下空間的危險因素進行分析。結合綜合處理車間的功能布局，危險區域及危險因素分析如表1所示。

經分析，該項目危險性最大的區域為污水調節池及其池頂的污水預處理車間。污水調節池總有效容積約為7 000 m3，存儲的介質主要包括化學需氧量（Chemical"Oxygen Demand，COD）為5 000～10 000 mg/L的沼液。高濃度污水在厭氧條件下會產生沼氣，而大容積調節池易集聚大量的沼氣，地下空間泄壓面積不足，如發生爆炸，破壞性較大。

2.3 不同工況危險因素分析

沼氣燃爆事故一般發生于非常規工況。在調節池除臭設備改造過程中，除臭風機被關停，池內沼氣集聚，若維修作業火源引燃可燃氣體，則可能造成爆炸；在厭氧罐接種過程中，罐內存在沼氣，作業人員在罐頂安裝正負壓保護器時，吸煙產生明火，可能引發罐內沼氣燃爆。由于處于非常規工況，原設計的安全環境被破壞，又因作業人員混雜，人的不安全行為發生頻率大幅提高，加之管理疏忽，幾種因素疊加導致事故的發生。因此，安全設施設計不僅要考慮常規工況，還應兼顧調試、試運行和檢修等各種工況的安全措施。

調節池及污水預處理車間是該項目危險性最大的區域，下面分析調節池各種工況的危險因素。調試期間，除臭裝置未全量開啟，造成調節池除臭排風量不足，池內可燃氣體及有毒氣體集聚；調節池區域除臭風閥被人為調小或關閉，或者其他區域風閥調大，造成調節池排風量減小，池內可燃氣體及有毒氣體集聚；除臭風機、裝置停機檢修或除臭風管遭到破壞，造成調節池區域除臭排風量不足，池內可燃氣體及有毒氣體集聚；調節池蓋板被打開，造成排風氣流短流，調節池遠端可燃氣體及有毒氣體集聚，蓋板多處開啟可能造成可燃氣體及有毒氣體逸散到房間內。

3 安全設施設計方案

應遵循本質安全化的設計原則，從根本上減少人的不安全行為、物的不安全狀態和環境的不安全因素，降低事故概率，減輕事故后果。地下空間通風條件較差，可燃氣體和有毒氣體的排放相對困難，危險性較大。可燃氣體和有毒氣體的危險規避主要體現在3個方面，即減少有毒氣體的產生、加強有毒氣體的收集及擴散和完善有毒氣體的報警[3]。

3.1 合理布局總圖和車間

總圖布局中，將厭氧罐、沼氣柜和沼氣凈化裝置等甲類設施以及毛油罐等丙類儲罐布置在室外，將其劃分為防爆區，同時在設施四周設置圍欄或圍堰隔離。綜合處理車間布局中，優先將鍋爐房、發電機房等使用沼氣的房間布置在一層靠外墻部位，便于沼氣泄漏時室內空氣的強排，降低爆炸事故發生時引發的次生災害。由于結構受力因素，調節池設置在綜合處理車間地下三層，池頂所在的地下二層污水預處理車間采用隔墻與其他區域分隔，形成獨立房間。同時，調節池內設置曝氣風管，定時開啟，改變池內長時間的厭氧狀態，減少沼氣的產生。

3.2 地下空間送排風系統設計

地下空間的通風換氣主要依靠除臭系統和暖通消防系統，是防止地下空間內可燃氣體及有毒氣體集聚的主要措施。

3.2.1 除臭排風設計

項目臭氣收集系統按照全過程控制、源頭優先和分質收集的原則設計。所有污水池均加蓋，處理裝置采用密閉化或加罩設計，采取源頭阻隔的方式，將可燃氣體及有毒氣體隔離在較小空間。餐廚預處理設備間、污水預處理間和脫水機房等污染區域與清潔區域采用墻體分隔。臭氣收集局部排風和全面排風相結合，設置2套臭氣收集風管（高、低濃度）。高濃度風管負責收集污水池、處理裝置的局部排風，使其內部維持微負壓狀態，盡可能避免可燃氣體和有毒氣體逸散到所在房間內。低濃度風管收集預處理車間等污染區的全面排風。地下污染區房間內同時設機械送新風系統。末端除臭裝置同樣分高、低濃度設置。設計3套高濃度除臭裝置，風機6用3備；設計3套低濃度除臭裝置，風機6用3備。通過設置多套并聯運行的除臭裝置和備用風機，確保在單套除臭裝置檢修時，除臭區域仍能保證60%以上的排風量，在風機檢修時不會影響除臭排風量。

3.2.2 暖通消防送排風設計

地下空間所有清潔區域設置平時送排風系統（兼消防排煙及補風），通風系統24 h常開。

3.2.3 重點區域應急排風設計

污水調節池位于重點安全防控區，除臭裝置關停與檢修、除臭風管破損、風閥被調小或關閉、蓋板被打開等非常規工況會導致池內可燃氣體和有毒氣體集聚或逃逸到污水預處理車間，產生較大的安全風險。因此，除了設置常規除臭排風系統外，調節池增設

1套應急排風系統，通過單獨的排風管和防爆風機置換調節池內空氣，以確保各種工況下調節池的排風量。

3.3 可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統設計

項目設可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統（Gas Detection System，GDS），監控全廠特別是地下空間的安全狀態，并與除臭、暖通消防送排風系統連鎖控制。GDS系統設計范圍包括綜合處理車間調節池、污水預處理間、餐廚垃圾料斗設備坑、沼渣干化車間、鍋爐房、發電機房、室外沼氣區與厭氧區等存在可燃氣體、有毒氣體釋放源的場所。GDS系統獨立于工藝過程控制系統。主機柜置于綜合處理車間一層消防控制室，并接入消防控制室消防聯動主機及全廠監視與控制系統。當可燃氣體、有毒氣體泄漏超標時，現場、消控室與中控室聲光報警器均報警，同時聯動相關閥門和通風裝置。

3.4 重點區域GDS系統與送排風系統連鎖控制設計

調節池及污水預處理間為全廠安全的重點防范區，根據送排風系統流程，GDS系統與送排風系統的安全連鎖控制分為2種工況。

3.4.1 常規工況

全廠滿負荷運行時，3套高濃度除臭裝置均全量運行，調節池達到設計的排風量。調試、試運行或運行初期，高濃度除臭排風機未全量運行，開啟調節池應急排風機（防爆風機），使調節池排風量達到設計值，池內氣體通過單獨管路接入高濃度除臭主風管。

3.4.2 GDS系統報警工況

當調節池內1個探頭報警時，高濃度除臭排風機連鎖全部開啟，增大池內排風量；若5 min報警未解除，報警儀表所在調節池應急排風管的閥門打開，調節池應急排風機開啟，繼續增大池內換氣次數，將池內氣體排入高濃度除臭主風管。當調節池內2個及以上探頭報警時，高濃度除臭排風機連鎖全部開啟，調節池應急排風機開啟，增加池內換氣次數。應急排風電動閥切換，應急排風管路氣體排入風井內，通過高空緊急排放。當污水預處理車間1個探頭報警時，高濃度除臭排風機、離子新風系統連鎖全部開啟；若5 min報警未解除，消防補風機、排煙風機全部開啟，對大空間空氣進行置換。當污水預處理車間2個探頭報警時，高濃度除臭排風機、離子新風系統、消防補風機和排煙風機連鎖全部開啟，對大空間空氣進行置換。

3.5 其他安全設施設計

除上述工藝措施外，該項目在設計中同時考慮一系列管理設施。污水預處理車間入口處設置門禁，禁止人員的隨意出入。地下空間設置視頻監控，覆蓋地下所有區域，在污水預處理車間出入口等重點部位設有正對大門的監控設施。在地下二層、地下三層設置應急固定電話，在緊急情況下，地下區域無線網絡失效時，仍可通過內部有線電話聯絡控制室。

4 結論

地下餐廚垃圾處理廠的地下空間通風條件較差，可能產生沼氣、H2S的區域是安全防控的重點。安全設施設計應考慮日常運行、調試、試運行、檢修、事故等各種工況的系統安全。該項目通過合理布局總圖和車間，設計完善的除臭、暖通送排風及調節池應急排風系統，設置GDS系統并與送排風設施連鎖控制，實現各種工況下全廠特別是地下污水調節池的安全風險管控。

參考文獻

1 Travnicek P，Kotek L，Junga P，et al.Quantitative analyses of biogas plant accidents in Europe[J].Renewable Energy，2018（7）：89-97.

2 石建松，趙明智，徐 霄.大中型沼氣工程安全生產風險及防范措施[J].勞動保護，2022（6）：83-86.

3 徐曉波，崔洪升，劉世德.地下污水處理廠的安全設計分析及建議[J].中國給水排水，2017（10）：17-21.

作者簡介：謝奎（1980—），男，湖南株洲人，高級工程師。研究方向：固廢處理、污水處理。