专利名称：季冻区高速公路服务区组合污水处理系统装置及其方法

申请人：交通运输部科学研究院、北京大学

发明人：刘学欣、籍国东、高硕晗、付金生、孔亚平、简丽

专利申请号：201510836506.0

授权时间：2017-11-14

发明内容：提供一种能够适应季节性冰冻地区低温条件，适应高速公路沿线附属设施污水水质特征的污水处理新技术，并给出一种可行的装置设计方法，明确了生物浮动池一体化装置和序批式高位生态湿地各自的组成和结构，对载体种类、间歇曝气方法、两级沉淀要求、湿地填料组成及配比、湿地序批式运行方式进行了详细描述，尤其是针对低温保障说明了加热设备及方法、耐寒菌属选择及驯化、湿地保温外壁等创新性的技术措施手段，能够有效克服现有技术处理效率低、运行成本高、管理养护复杂、冬季处理无法达标等缺点，对COD、氨氮、总磷、SS、石油类、动植物油等污染物去除稳定高效，具有较强的抗冲击能力，处理后出水可用于绿化、冲厕、景观用水等用途，运行成本低廉，管理养护简单，可以保证冬季处理稳定达标。

具体实施方式：

带有保温增温措施的生物浮动池一体化装置和序批式高位湿地组合可以发挥各自的优势，达到低成本、生态化、高效率、少维护的目的。

生物浮动池一体化装置分为4格，由1个生物选择池、2个生物浮动池和1个沉淀池顺次连接构成。生物选择池和生物浮动池填装不同孔径的聚氨酯复合悬浮载体，投加含经过定向培育的红细菌属、陶厄氏菌属和微小杆菌属等耐寒微生物的复合菌剂，内部浮动增氧，提高载体内微生物与氧气接触机会，提高曝气效率，实现间歇曝气，营造缺氧、厌氧、兼氧、好氧交替的环境，在一个反应单元内实现同步硝化反硝化脱氮，并大量富集聚磷菌，从而大量脱出氨氮和有机物。在生物浮动池一体化装置前设预热池，预热池内安装蛇形换热管，通过温控阀调节加热温度。当季冻区冬季生物浮动池一体化装置内污水温度＜10℃时，系统自动开启预热池热交换器增温，达到耐寒微生物最适生长温度，充分保证冬季处理效果。生物浮动池一体化装置在结构设置、填料选择、微生物投加、间歇曝气、自动加热等方面均与接触氧化和生物滴滤池具有本质区别，能够有效克服接触氧化和生物滴滤池脱氮处理效率低、运行成本高、管理养护复杂、冬季处理无法达标等缺点。

生物浮动池一体化装置处理出水自流入序批式高位生态湿地，序批式高位生态湿地的复合生态填料总厚度为120cm，汇水系统低于一般季冻区冻土层深度，适应湿地冬季运行。由于采取的高位湿地床体设计，增加了反硝化脱氮效果，增加了去除总磷的吸附点位，从而强化了系统深度脱氮除磷效果，有利于服务区污水循环利用。湿地由吸附反应层、生物反应层、化学反应层和植物反应层组成，本发明原创提出了各层的厚度、填料种类及配比。床体内填充的砾石、陶粒、活性炭等均具有很好的吸附性能，填充的沸石吸附氮效果更好，填充的钢渣具有化学除磷效果。由于生物浮动池出水有机物浓度较低，填充的锯末将作为微生物降解的碳源，进一步保障反硝化脱氮效果。

序批式高位生态湿地采取间歇式运行方式，运行操作由进水、反应、排水、复氧四道工序组成。序批式高位生态湿地采取两级设置，每级序批式运行方式，能够在湿地床体内营造厌氧、兼氧交替的环境，丰富了菌落结构，强化了硝化过程，同时能够有效缓解床体的有机堵塞问题。为适应季冻区冬季低温特征，汇水系统低于一般季冻区冻土层深度，湿地床体外侧设有保温外壁，更好地适应湿地冬季运行。

成果转化情况：该技术目前已列入交通运输部推广目录，纳入8项交通运输部科技示范和绿色公路试点工程，编制4项标准指南，在全国12个省份开展了设计或工程应用，总规模9750m³/d，在吉林、黑龙江、新疆等严寒地区得验证，在贵州、广东等非季冻区也进行了应用，而且跨出交通行业在生活污水处理领域也取得了成功应用。

示范工程1：吉林省营松高速靖宇服务区示范工程

吉林省营松高速靖宇服务区采用本发明建设了污水处理示范工程，系统调试周期35天，水温在采暖期稳定在20-23℃，停止供暖后为15-16℃，保温增温效果显著。自2014年3月运行以来，工程实际出水平均COD浓度为30.5mg/L，平均COD去除率为92.2%；出水NH₃-N浓度为3.0mg/L，平均NH₃-N去除率为92.2%；出水TP浓度为0.6mg/L，平均TP去除率为89.9%，出水无色无味、清澈透明。经历了4个冬季严寒天气的考验，各项指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级 B 标准，成为严寒地区首个冬季稳定达标的实体工程。

        图1 靖宇服务区示范工程实景图       图2处理效果展示（原水、出水、矿泉水）

示范工程2：鼎湖山服务区示范工程

鼎湖山服务区采用本技术于2016年10月建设了中水回用示范工程，设计处理规模120m³/d。2017年3月经现场取样监测，处理出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

图5 鼎湖山服务区生物浮动池与序批式生态湿地照片

图6 鼎湖山服务区处理水质情况

示范工程3：紫金矿业污水处理工程

在吉林珲春紫金矿业有限公司曙光金铜矿矿区内建设了以生物浮动池为核心的生活污水生态处理工程，处理规模200m³/d。污水处理系统稳定后，委托珲春市环境保护监测站于2014年10月14-15日对系统处理效果进行了连续8次监测，监测结果表明项目厂区污水处理排放口所排放废水中的总氮、总磷、COD、BOD₅、SS、氨氮、动植物油7项监测指标排放浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准，实现场区喷灌绿化。

图7紫金矿业生物浮动池污水处理工程现场照片

技术优势：同常规工艺相比，该技术的处理标准可以提升1~3个等级，达到城镇污水厂一级B到地表Ⅲ类水标准；空气利用率提高 33%，有机污泥量减少90%，占地面积减少60%，耐受温度由15℃降至5℃；微动力运行，节约能耗50%，运行成本降低70%，低于0.3元/t；不需反冲洗，全自动控制，实现无人值守，仅需24个月维护1 次。耐低温微生物具有休眠保存及快速启动转化的特点。

专利运用及保护：

（一）专利运用

依托本专利申请并正式列入了交通运输行业推广目录，公路服务区污水生物-生态协同处理技术（2017047）得到了交通行业认可。

（二）专利保护 

为获得市场竞争优势，本发明还开展了系列知识产权申请工作，尤其是开展了相关软件开发，为工程设计应用与展示互动提高了工作效率和直观交流效果。

表1 系列知识产权授权情况

（三）标准化保护

依托本发明目前已颁布实施了两项标准，分别为：交通运输行业标准《公路服务区污水处理设施  第2部分：人工湿地处理系统》（JT/T 1147.2-2017）和吉林省交通运输行业标准《寒区高速公路沿线附属设施曝气生物滤池污水生态处理技术指南》（JLJTG/T E01-2017）。另有交通运输行业标准《公路服务区污水处理设施  第3部分：曝气生物滤池污水处理系统》和吉林省交通运输行业标准《季冻区高速公路沿线设施污水处理技术标准》已完成初审，正在进行征求行业意见。这些标准指南的制定颁布加大促进了本发明的标准化建设。

表2标准规范成果

获奖情况：本发明成果近三年先后支撑了多项科技奖励，其中获国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖1项，二等奖3项。

效益分析：

（1）经济效益

本发明的季冻区污水处理技术管理极其简单，无需日常维护，无需专人看护，可节省其他工艺所需的大量人工成本。技术微动力运行，包括电费和保温增温成本的吨水直接运行成本低于0.4元/t，远低于接触氧化处理工艺的1.0元/t，每年可节省大量运行成本，减轻了服务区运营的经济压力，进而有效保障处理设施正常运转。技术可以实现中水回用，减少地下水开采、提升等费用。而且技术能够保证处理系统全年稳定运行达标，极大减少因超标排放征收的环保税，极大地缓解服务区运营压力。

（2）社会效益

本发明面向服务区实际需求，为公路水环境保护提供了一种低温处理效果好、运行成本低、管理养护简单的污水处理实用新技术，推动新型污水处理技术学科发展，带动众多氮污染突出行业治理的环保产业发展，直接服务于国家污染物减排目标的实现，具有巨大的潜在效应和持续推广价值。

本发明提出的季冻区污水处理技术在示范工程中得以应用，取得了良好的示范效果，有力保护了公路沿线的水体环境，提高水资源利用效率，为绿色公路建设提供了有力的技术保障。

（3）环境效益

本发明的季冻区污水处理技术，全面解决了多年来困扰我国东北、西北及华北北部等季冻区服务区污水冬季污染物超标排放的行业难题，有效保障了公路沿线水环境质量与水质安全，大大降低了服务区污水中各种污染物的排放。全国高速公路服务区总的减排空间COD可达8.5万吨，氨氮为1.8万吨，本发明技术应用节能减排空间巨大。

发展前景：根据2015年全国公路附属设施污水处理调研，全国只有65%的公路附属设施污水处理设备可以长期正常运转，而季冻区公路污水处理设施因冬季低温微生物活性差、生化处理效率低，几乎全部不能处理达标。服务区污水问题已成为中央环境保护督察对公路行业检查的重中之重。

该技术通过工艺优化改良和工程措施结合，破解了季冻区公路污水处理冬季难达标技术瓶颈，为季冻区新建及改扩建公路污水处理提供技术方法和工程经验，为绿色公路建设提供技术支撑，对于地处水源保护区、风景名胜区、湿地保护区等水环境敏感地段或服务区供水困难、水资源匮乏地区有重要的现实意义，同时对于促进铁路、水运、民航、建筑、水利、农业等领域水环境保护技术发展，实现“美丽中国”意义重大。

该技术先后在交通运输部网站和中国交通报进行了专题报道，在WTC2017等3次行业权威国际会议进行了交流，产生了重要的行业影响力。