0 引言
城鎮污水處理廠是防止水污染、改善水環境質量的重要市政基礎設施。傳統污水處理廠建設在地上，隨著城鎮化的快速發展，城市邊緣不斷向外擴張，早期建設的地上式污水處理廠已逐漸被城區包圍，臭氣、噪聲等二次污染的“鄰避”效應逐漸凸顯，與現代城市生態文明的矛盾日益突出。因此，傳統地上式污水處理廠已難以滿足城鎮發展建設的需求。隨著土地價值的不斷提升，地下式污水處理廠在新建污水處理廠中的比例急劇增加，部分經濟發達地區甚至提出新建污水處理廠全部采用地下式。
地下式污水處理廠將污水處理設施轉移到地下，可有效節省土地的地上空間，同時可進行園林綠化、公共服務、商業娛樂等設施建設，從而改善環境質量，提升土地價值，將“鄰避”變成“鄰利”，具有巨大的經濟、社會和環境效益。
然而，地下式污水處理廠的設計、建設、管理等很多方面大大有別于傳統地上式污水處理廠。特別是在消防設計方面，由于地下式污水處理廠一旦發生火災，熱量不易散失，溫度高、煙霧濃、通風差，燃燒時間長，疏散和撲救難度大，故對消防設計的安全性與合理性要求較高。
消防行業的相關標準或規范在地下式污水處理廠方面尚缺少設計依據，容易造成防火分區劃分過小，通風及防排煙設計復雜，避難通道和逃生口眾多，影響土地資源的二次開發利用。同時大量的消防和噴淋管道也會造成安裝工程量增大，維修保養不便等諸多問題。
目前國內尚無針對地下式污水處理廠的消防設計標準或規范，國內已建或在建地下式污水處理廠的消防設計大多采用“一事一議”的審批原則，易出現安全隱患或過度設計，因此非常有必要尋求科學簡潔的消防設計標準。
為此，本文在系統梳理上海市首座全地下式污水處理廠——南翔污水處理廠工程建設經驗的基礎上，對地下式污水處理廠的消防設計邊界條件進行了系統分析，針對危險源進行了全面識別，并提出相應解決方案，同時從建筑消防設計、防排煙設計、電氣消防設計、消防控制系統設計等方面詳細介紹了本工程的消防設計方案，最后結合類似工程案例的實踐經驗總結，為地下式污水處理廠消防設計方案的不斷完善提供參考和依據。
1 項目概況
上海南翔污水處理廠位于上海市嘉定區，其采用了全地下式建設型式。南翔污水處理廠建成后上部形成一片開放的景觀綠地，為市民提供了一個環境優美的休閑公園，同時成為宣傳城市水文化知識的教育基地。
南翔污水處理廠總占地面積11.32 hm2，總處理規模15萬m3/d，其中一期工程采用全地下建設模式，處理規模5萬m3/d（土建按10萬m3/d建設），其工藝流程如圖1所示。出水標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準，部分出水滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）娛樂性水景類景觀用水標準。地下箱體占地約3 hm2，其平面布置圖如圖2所示。
地下箱體在豎向空間布置上分為四層，由上至下分別為景觀公園層、覆土層、操作層（負一層）及池體層（負二層），其豎向布置如圖3所示。景觀公園層為開放式的景觀綠地和休閑公園；覆土層根據景觀公園功能設計及植被對土層厚度的要求覆土，厚度約10 m；操作層以生產和輔助用房為主，承擔巡檢功能；池體層以處理構筑物和管廊為主，承擔處理功能。
2 消防設計邊界條件分析
2.1 地下箱體空間功能分析
2.1.1 操作層功能分析
位于景觀公園層和覆土層以下的操作層又分為構筑物區域（約25 000 m2）和建筑物區域（約5 000 m2）。構筑物區域主要包括水池蓋板、檢修走道以及用于通風和除臭的風機設備用房。水池蓋板上無可燃物，除巡檢外幾乎不到達該區域，故無火災安全隱患。建筑物區域主要為各類生產用房（如鼓風機房、脫水機房、加藥間、泵房等）和輔助用房（如變配電間、控制室、儀表間、機修間等）。
總體而言，操作層空間較大，設置了東西向車行通道，便于運行巡視和設備檢修。車行通道與箱體外部道路相連通，供日常巡視人員和設備故障檢修車（僅大型設備故障時需要）通行。
2.1.2 池體層功能分析
位于操作層以下的池體層則以處理構筑物（污水、污泥）和管廊（污水、污泥、空氣、藥劑等管線）為主，一般情況下無人員活動。
2.1.3 地下箱體運行管理
本工程采用自動化管理，地下箱體內無固定辦公人員，僅有工作人員定時進入巡檢和設備維修。地下箱體每天定時巡檢的工作人員一般小于3人，每次巡檢時間小于≤60 min。
2.2 危險源識別及其防范措施
2.2.1 可燃性氣體及濃度水平
為探明南翔污水處理廠的消防設計邊界條件，有必要對地下箱體中可能出現的危險性有害氣體的來源、濃度水平、除臭處理措施等作系統分析。一般來說，市政污水中散發的可燃氣體成分有硫化氫（H2S）、甲硫醇（CH4S）、甲硫醚（C2H6S）、二甲二硫（C2H6S2）、氨氣（NH3）等，而這些成分又是造成污水具有惡臭氣味的主要來源。因此將上述氣體物質統稱為臭氣。根據《城鎮污水處理廠臭氣處理技術規程》（CJJ/T 243-2016）市政污水處理廠典型處理區域中發生H2S、NH3及臭氣濃度的設計標準見表1。具有普遍的指導性意義。
另外，某些特定的處理環節（如污泥消化）還會產生甲烷（CH4）。CH4是一種具有嚴重安全隱患的無色無味的可燃性氣體，當其濃度達到某一極限時，遇到明火條件就會發生爆炸（燃燒）。CH4在污水處理過程中生成可能性及濃度水平與污水處理工藝有著直接關系。污水處理廠本工程地下箱體的污水和污泥處理工藝不具備甲烷產生的條件，即使在儲泥池內CH4的濃度僅為微量，且可以通過通風系統排出廠外，不至產生聚集。參考類似工程監測報告（見表2），在厭缺氧池、儲泥池、脫水機房等部位監測到的CH4無組織排放含量最大值為7.7×10-4%，遠低于爆炸極限值4.9～16%。
另外，本工程中CH4、H2S和NH3的濃度水平均遠低于《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）中規定的“可不按物質危險特性確定生產火災危險性類別的最大允許值”，故可不按照甲/乙類考慮。
2.2.2 可燃性氣體的去除措施
為了消除可燃性氣體對操作人員和處理設施帶來的不利影響和安全隱患，地下箱體內除了設置一套完善的通風和除臭系統，其對產生可燃性氣體的設施進行密封抽吸外，還在操作層空間進行了機械通風換氣設計，確保對上述可燃性氣體的去除，從而有效消除安全隱患。
2.2.3 藥劑危險性分析
除磷藥劑：本工程以生物除磷為主，化學除磷為輔。除磷藥劑選用不可燃的PAC溶液，無燃爆危險。火災危險性等級為戊類。
消毒藥劑：本工程的消毒工藝為加氯消毒，藥劑選用次氯酸鈉溶液，不可燃，無燃爆危險，火災危險性等級為戊類。
助凝劑：本工程在高效沉淀池中使用的助凝劑為不可燃的PAM（陰離子），無燃爆危險，火災危險性等級為戊類；PAM（陽離子），用于在污泥脫水環節使用的聚合物，不可燃性物質，無燃爆危險，火災危險性等級同樣為戊類。
2.3 消防設計邊界條件總結
南翔污水處理廠產生的可燃性氣體濃度遠遠低于該氣體的爆炸燃燒極限，并且在通風系統作用下，地下箱體內可燃性氣體將維持在一個更低的濃度水平以至趨近于零，滿足相關標準。
上述消防設計邊界條件的識別結果為南翔污水處理廠地下箱體的消防設計方案提供了較為關鍵的設計依據。
3 消防設計方案
3.1 建筑消防設計
通過對消防設計邊界條件分析可知，地下箱體內建（構）筑物的火災危險性應根據生產中使用或產生的物質性質及其數量等因素分類，并符合表3的規定。
表3 地下箱體內建（構）筑物的火災危險性分類
本工程的耐火等級定為一級，地下箱體中的生物反應池、二沉池等池頂操作層構筑物區域的防火分區面積按工藝要求確定，其中的水面面積不計入相應防火分區的允許建筑面積。
另外，操作層構筑物區域每個防火分區內任一點至最近安全出口的直線距離不大于60 m，可利用通向相鄰防火分區的甲級防火門作為第二安全出口，但每個防火分區至少設置一處直通室外的獨立安全出口。
將建筑物區域劃分為４個防火分區，每個防火分區建筑面積均不超過2 000 m2（最小的防火分區面積為903 m2，最大的防火分區面積為1 954 m2），設自動噴水滅火設施。建筑物區域和構筑物區域應按規定設置消火栓及滅火器。
3.2 防排煙設計
本工程地下箱體的操作層構筑物區域無可燃物且無人員經常停留，故不設置消防排煙系統；變配電間設置機械排煙系統及補風系統，并與通風系統設備兼用；地下建筑物超過兩層及總高度超過10 m的防煙樓梯間設置機械加壓送風防煙系統。
通風系統送回風管穿越機房及防火分區隔斷處設置70 ℃熔斷的防火調節閥，通風風管為不燃材料；系統附件及絕熱材料燃燒性能均符合現行國家標準《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）和《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251-2017）的有關規定，且耐油耐潮耐酸堿腐蝕。排煙風機前設置排煙防火調節閥，當煙氣溫度達到280 ℃時，排煙防火調節閥熔斷關閉，相應排煙風機聯鎖停止運行。
兼作防排煙用的通風、空氣調節設備受消防系統控制，并在火災時能切換到消防狀態。
3.3 電氣消防設計
本工程的變電所均位于地上一層，主要高低壓設備及變壓器均設在地上變電所內，地下箱體內僅設設備控制柜、動力配電柜等。變壓器選擇干式，避免油火災危險。消防設備按二級負荷供電，控制箱采用二路進線，二路電源箱內自切。消防水泵、防火卷簾、消防風機、疏散照明和指示、消防控制系統、消防排水泵等設備均不低于二級負荷。
地下箱體應急照明配電箱根據防火分區布置，每個防火分區1套，負責該分區內的應急照明和疏散指示的配電。設置在同一防火分區的防火卷簾、消防排水泵等自帶控制箱的設備，其供電電源由本防火分區的消防雙電源自動切換后單回路供電。消防水泵房、防排煙機房等火災時仍需工作的房間的備用照明電源，由本房間內的應急電源配電箱供電。成束敷設的配電線路的電線和電纜均選用阻燃型。
3.4 消防控制系統設計
本工程的消防報警系統采用區域報警系統設計，包括火災自動報警、消防聯動控制、消防應急廣播及消防電話等。
其中，火災自動報警系統采用感煙火災探測器，出入口及逃生通道設置聲光報警器，人行及車行通道內設置應急廣播，與廣播系統合用；消防聯動控制器可以手動控制與正常通風合用的通風機、排煙風機、消防水泵等消防設備；報警控制器自動控制的設備包括通風系統、防火卷簾、消防廣播、報警器等；同時在綜合樓中央控制室樓層位置設置火災顯示盤和報警裝置。
3.5 消防設計方案總結
《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）對全地下污水處理廠中“地下箱體”布置形式尚無可以完全對號入座的相應條款。因此，本工程消防設計時，除了對規范進行了充分解讀外，我們還深入調研和借鑒了國內外數座已投入運行的全地下式污水處理廠的消防設計經驗，并結合本工程地下箱體的工藝布置特點，確定如下消防設計方案：優化地下箱體布局，按功能不同將地下箱體劃分為建筑物區域和構筑物區域。建筑物區域的生產火災危險等級定義為戊類，單個防火分區最大面積不超過2 000 m2，構筑物區域不進行消防分區。消防系統由“消火栓＋自動噴水滅火系統＋滅火器＋自動報警系統”組成。地下變配電間設置機械排煙系統。
除采取以上工程措施外，投運后必須加強消防知識和技能的培訓，并制定消防應急預案，堅持“防消結合，以防為主”的原則，確保地下廠消防安全。
4 相關工程案例
4.1 深圳布吉污水處理廠
該工程處理規模20萬m3/d，工藝流程和本工程類似。建設形式為全地下式污水處理廠，地下箱體頂覆土1.5 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下箱體面積約21 400 m2。消防設計時將整個箱體定義為“地下構筑物”，設置了室內消火栓及滅火器，未設置自動噴水滅火系統。該項目專門組織了消防安全專題會議，通過審查。
4.2 北京槐房再生水廠
該工程處理規模60萬m3/d，工藝流程和本工程類似。建設型式為全地下式污水處理廠，地下箱體上頂覆土1～2 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下箱體建筑面積為13 hm2。消防設計時將整個箱體劃分為不同區域，廠房部分按廠房執行《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）的有關規定。水池頂蓋部分依據工藝流程分系列劃分，面積突破現行規范要求。每個防火分區均設有直接通往地面的疏散出口，以及通往相鄰防火分區的安全出口。每個防火分區內設置了室內消火栓及滅火器，同時在主通道設置自動噴水滅火系統。該項目的消防設計方案已上報北京市消防局，并通過審查。
4.3 鄭州南三環污水處理廠
該工程處理規模10萬m3/d，工藝流程與本工程類似。建設型式為半地下式污水處理廠，地下箱體兩長邊放坡與現狀地坪接順，兩短邊敞開，可以開門窗。地下箱體建筑面積為31 432.5 m2，分為11個防火分區，最大的防火分區面積為3 924 m2；每個防火分區均設置了3個安全出口，其中有1個直通室外地面。每個防火分區內均設置室內消火栓及滅火器，未設置自動噴水滅火系統。該項目的消防設計方案已上報鄭州市消防局，通過審查。
4.4 昆明第十一污水處理廠
該工程處理規模6萬m3/d，工藝流程與本工程類似。建設型式為全地下式污水處理廠，地下箱體上頂覆土1～2 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下建筑面積約27 033 m2，分為9個防火分區，最大的防火分區面積為3 945 m2，每個防火分區設置了2個以上安全出口，其中有1個直通室外地面。在每個防火分區內設置室內消火栓及滅火器，設置自動噴水滅火系統。該項目的消防設計方案上報昆明市消防局，通過審查。
4.5 北京稻香湖再生水廠
該工程處理規模8萬m3/d，工藝流程與本工程類似。建設形式為全地下式污水處理廠，地下箱體上頂覆土1～2 m，覆土后地坪比周圍地坪略高。地下建筑面積約14 220 m2，消防設計時將整個箱體定義為“地下構筑物”，設置7個防火分區，設置了室內消火栓及滅火器，未設置自動噴水滅火系統。該項目的消防設計方案上報北京市消防局，通過審查。
國外（日本、韓國等）很多地下式污水處理廠防火分區及逃生口設置均按相關部門的專家論證結果設置，普遍比國內防火分區面積大，一般地下箱體僅設置消火栓滅火系統并配置滅火器，不設置自動噴水滅火系統。
5 結語
相比于傳統的地上式污水處理廠，地下式污水處理廠的消防設計具有一定特殊性。我國相關行業規范中尚無針對地下式污水處理廠消防設計的相關要求，國內地下式污水處理廠的設計大都處于各設計院自我摸索階段，每逢報建審批需花費大量時間和精力溝通，每個項目建設的要求標準不一，前期審批和后期驗收不一，這給設計、政府主管部門、參建單位等造成很大困擾。因此有必要針對地下式污水處理廠的特點制定相應的消防對策和方案，形成統一的標準或規范。
據悉該問題已引起國家相關部門的充分重視，正在組織有關機構編制地下式污水處理廠消防設計的相關標準（規范），其實施和執行必將有效規范和保障全國各地擬建地下式污水處理廠消防設計的安全性、科學性、合理性、先進性，切實保障我國地下式污水處理廠消防設計、建設及運行的良性發展。