綜述：季凍區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)組合污水處理系統(tǒng)裝置及其設(shè)計(jì)方法，該污水處理技術(shù)目前已列入交通運(yùn)輸部推廣目錄，納入8項(xiàng)交通運(yùn)輸部科技示范和綠色公路試點(diǎn)工程，編制4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指南，在全國12個(gè)省份開展了設(shè)計(jì)或工程應(yīng)用，總規(guī)模9750m3/d，在吉林、黑龍江、新疆等嚴(yán)寒地區(qū)得驗(yàn)證，在貴州、廣東等非季凍區(qū)也進(jìn)行了應(yīng)用，而且跨出交通行業(yè)在生活污水處理領(lǐng)域也取得了成功應(yīng)用。

專利名稱： 季凍區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)組合污水處理系統(tǒng)裝置及其設(shè)計(jì)方法

申請人： 交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院、北京大學(xué)

發(fā)明人： 劉學(xué)欣、籍國東、高碩晗、付金生、孔亞平、簡麗

專利申請?zhí)枺?201510836506.0

授權(quán)時(shí)間： 2017-11-14

發(fā)明內(nèi)容

提供一種能夠適應(yīng)季節(jié)性冰凍地區(qū)低溫條件，適應(yīng)高速公路沿線附屬設(shè)施污水水質(zhì)特征的污水處理新技術(shù)，并給出一種可行的裝置設(shè)計(jì)方法，明確了生物浮動(dòng)池一體化裝置和序批式高位生態(tài)濕地各自的組成和結(jié)構(gòu)，對(duì)載體種類、間歇曝氣方法、兩級(jí)沉淀要求、濕地填料組成及配比、濕地序批式運(yùn)行方式進(jìn)行了詳細(xì)描述，尤其是針對(duì)低溫保障說明了加熱設(shè)備及方法、耐寒菌屬選擇及馴化、濕地保溫外壁等創(chuàng)新性的技術(shù)措施手段，能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)處理效率低、運(yùn)行成本高、管理養(yǎng)護(hù)復(fù)雜、冬季處理無法達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)，對(duì)COD、氨氮、總磷、SS、石油類、動(dòng)植物油等污染物去除穩(wěn)定高效，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，處理后出水可用于綠化、沖廁、景觀用水等用途，運(yùn)行成本低廉，管理養(yǎng)護(hù)簡單，可以保證冬季處理穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

具體實(shí)施方式

帶有保溫增溫措施的生物浮動(dòng)池一體化裝置和序批式高位濕地組合可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達(dá)到低成本、生態(tài)化、高效率、少維護(hù)的目的。

生物浮動(dòng)池一體化裝置分為4格，由1個(gè)生物選擇池、2個(gè)生物浮動(dòng)池和1個(gè)沉淀池順次連接構(gòu)成。生物選擇池和生物浮動(dòng)池填裝不同孔徑的聚氨酯復(fù)合懸浮載體，投加含經(jīng)過定向培育的紅細(xì)菌屬、陶厄氏菌屬和微小桿菌屬等耐寒微生物的復(fù)合菌劑，內(nèi)部浮動(dòng)增氧，提高載體內(nèi)微生物與氧氣接觸機(jī)會(huì)，提高曝氣效率，實(shí)現(xiàn)間歇曝氣，營造缺氧、厭氧、兼氧、好氧交替的環(huán)境，在一個(gè)反應(yīng)單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮，并大量富集聚磷菌，從而大量脫出氨氮和有機(jī)物。

在生物浮動(dòng)池一體化裝置前設(shè)預(yù)熱池，預(yù)熱池內(nèi)安裝蛇形換熱管，通過溫控閥調(diào)節(jié)加熱溫度。當(dāng)季凍區(qū)冬季生物浮動(dòng)池一體化裝置內(nèi)污水溫度<10℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟預(yù)熱池?zé)峤粨Q器增溫，達(dá)到耐寒微生物最適生長溫度，充分保證冬季處理效果。生物浮動(dòng)池一體化裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)置、填料選擇、微生物投加、間歇曝氣、自動(dòng)加熱等方面均與接觸氧化和生物滴濾池具有本質(zhì)區(qū)別，能夠有效克服接觸氧化和生物滴濾池脫氮處理效率低、運(yùn)行成本高、管理養(yǎng)護(hù)復(fù)雜、冬季處理無法達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)。

生物浮動(dòng)池一體化裝置處理出水自流入序批式高位生態(tài)濕地，序批式高位生態(tài)濕地的復(fù)合生態(tài)填料總厚度為120cm，匯水系統(tǒng)低于一般季凍區(qū)凍土層深度，適應(yīng)濕地冬季運(yùn)行。由于采取的高位濕地床體設(shè)計(jì)，增加了反硝化脫氮效果，增加了去除總磷的吸附點(diǎn)位，從而強(qiáng)化了系統(tǒng)深度脫氮除磷效果，有利于服務(wù)區(qū)污水循環(huán)利用。

濕地由吸附反應(yīng)層、生物反應(yīng)層、化學(xué)反應(yīng)層和植物反應(yīng)層組成，本發(fā)明原創(chuàng)提出了各層的厚度、填料種類及配比。床體內(nèi)填充的礫石、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，填充的鋼渣具有化學(xué)除磷效果。由于生物浮動(dòng)池出水有機(jī)物濃度較低，填充的鋸末將作為微生物降解的碳源，進(jìn)一步保障反硝化脫氮效果。

序批式高位生態(tài)濕地采取間歇式運(yùn)行方式，運(yùn)行操作由進(jìn)水、反應(yīng)、排水、復(fù)氧四道工序組成。序批式高位生態(tài)濕地采取兩級(jí)設(shè)置，每級(jí)序批式運(yùn)行方式，能夠在濕地床體內(nèi)營造厭氧、兼氧交替的環(huán)境，豐富了菌落結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了硝化過程，同時(shí)能夠有效緩解床體的有機(jī)堵塞問題。為適應(yīng)季凍區(qū)冬季低溫特征，匯水系統(tǒng)低于一般季凍區(qū)凍土層深度，濕地床體外側(cè)設(shè)有保溫外壁，更好地適應(yīng)濕地冬季運(yùn)行。

成果轉(zhuǎn)化情況

該技術(shù)目前已列入交通運(yùn)輸部推廣目錄，納入8項(xiàng)交通運(yùn)輸部科技示范和綠色公路試點(diǎn)工程，編制4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指南，在全國12個(gè)省份開展了設(shè)計(jì)或工程應(yīng)用，總規(guī)模9750m3/d，在吉林、黑龍江、新疆等嚴(yán)寒地區(qū)得驗(yàn)證，在貴州、廣東等非季凍區(qū)也進(jìn)行了應(yīng)用，而且跨出交通行業(yè)在生活污水處理領(lǐng)域也取得了成功應(yīng)用。

示范工程1： 吉林省營松高速靖宇服務(wù)區(qū)示范工程

吉林省營松高速靖宇服務(wù)區(qū)采用本發(fā)明建設(shè)了污水處理示范工程，系統(tǒng)調(diào)試周期35天，水溫在采暖期穩(wěn)定在20-23℃，停止供暖后為15-16℃，保溫增溫效果顯著。自2014年3月運(yùn)行以來，工程實(shí)際出水平均COD濃度為30.5mg/L，平均COD去除率為92.2%;出水NH3­-N濃度為3.0mg/L，平均NH3­-N去除率為92.2%;出水TP濃度為0.6mg/L，平均TP去除率為89.9%，出水無色無味、清澈透明。經(jīng)歷了4個(gè)冬季嚴(yán)寒天氣的考驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，成為嚴(yán)寒地區(qū)首個(gè)冬季穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的實(shí)體工程 。

示范工程2：鼎湖山服務(wù)區(qū)示范工程

鼎湖山服務(wù)區(qū)采用本技術(shù)于2016年10月建設(shè)了中水回用示范工程，設(shè)計(jì)處理規(guī)模120m3/d。2017年3月經(jīng)現(xiàn)場取樣監(jiān)測，處理出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 鼎湖山服務(wù)區(qū)生物浮動(dòng)池與序批式生態(tài)濕地照片

圖6 鼎湖山服務(wù)區(qū)處理水質(zhì)情況

示范工程3：紫金礦業(yè)污水處理工程

在吉林琿春紫金礦業(yè)有限公司曙光金銅礦礦區(qū)內(nèi)建設(shè)了以生物浮動(dòng)池為核心的生活污水生態(tài)處理工程，處理規(guī)模200m3/d。污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定后，委托琿春市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站于2014年10月14-15日對(duì)系統(tǒng)處理效果進(jìn)行了連續(xù)8次監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明項(xiàng)目廠區(qū)污水處理排放口所排放廢水中的總氮、總磷、COD、BOD5、SS、氨氮、動(dòng)植物油7項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)排放濃度符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)場區(qū)噴灌綠化。

圖7 紫金礦業(yè)生物浮動(dòng)池污水處理工程現(xiàn)場照片

技術(shù)優(yōu)勢

同常規(guī)工藝相比，該技術(shù)的處理標(biāo)準(zhǔn)可以提升1~3個(gè)等級(jí)，達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)B到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn);空氣利用率提高33%，有機(jī)污泥量減少90%，占地面積減少60%，耐受溫度由15℃降至5℃;微動(dòng)力運(yùn)行，節(jié)約能耗50%，運(yùn)行成本降低70%，低于0.3元/t;不需反沖洗，全自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無人值守，僅需24個(gè)月維護(hù)1次。耐低溫微生物具有休眠保存及快速啟動(dòng)轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)。

專利運(yùn)用及保護(hù)

(一)專利運(yùn)用

依托本專利申請并正式列入了交通運(yùn)輸行業(yè)推廣目錄，公路服務(wù)區(qū)污水生物-生態(tài)協(xié)同處理技術(shù)(2017047)得到了交通行業(yè)認(rèn)可。

(二)專利保護(hù)

為獲得市場競爭優(yōu)勢，本發(fā)明還開展了系列知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請工作，尤其是開展了相關(guān)軟件開發(fā)，為工程設(shè)計(jì)應(yīng)用與展示互動(dòng)提高了工作效率和直觀交流效果。

表1 系列知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)情況

(三)標(biāo)準(zhǔn)化保護(hù)

依托本發(fā)明目前編制2部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2部地方標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了本發(fā)明技術(shù)在行業(yè)和地方的推廣應(yīng)用。

表2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范成果

獲獎(jiǎng)情況

本發(fā)明成果近三年先后支撐了多項(xiàng)科技獎(jiǎng)勵(lì)，其中獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

效益分析

(1)經(jīng)濟(jì)效益

本發(fā)明的季凍區(qū)污水處理技術(shù)管理極其簡單，無需日常維護(hù)，無需專人看護(hù)，可節(jié)省其他工藝所需的大量人工成本。技術(shù)微動(dòng)力運(yùn)行，包括電費(fèi)和保溫增溫成本的噸水直接運(yùn)行成本低于0.4元/t，遠(yuǎn)低于接觸氧化處理工藝的1.0元/t，每年可節(jié)省大量運(yùn)行成本，減輕了服務(wù)區(qū)運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)壓力，進(jìn)而有效保障處理設(shè)施正常運(yùn)轉(zhuǎn)。技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)中水回用，減少地下水開采、提升等費(fèi)用。而且技術(shù)能夠保證處理系統(tǒng)全年穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)標(biāo)，極大減少因超標(biāo)排放征收的環(huán)保稅，極大地緩解服務(wù)區(qū)運(yùn)營壓力。

(2)社會(huì)效益

本發(fā)明面向服務(wù)區(qū)實(shí)際需求，為公路水環(huán)境保護(hù)提供了一種低溫處理效果好、運(yùn)行成本低、管理養(yǎng)護(hù)簡單的污水處理實(shí)用新技術(shù)，推動(dòng)新型污水處理技術(shù)學(xué)科發(fā)展，帶動(dòng)眾多氮污染突出行業(yè)治理的環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展，直接服務(wù)于國家污染物減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，具有巨大的潛在效應(yīng)和持續(xù)推廣價(jià)值。

本發(fā)明提出的季凍區(qū)污水處理技術(shù)在示范工程中得以應(yīng)用，取得了良好的示范效果，有力保護(hù)了公路沿線的水體環(huán)境，提高水資源利用效率，為綠色公路建設(shè)提供了有力的技術(shù)保障。

(3)環(huán)境效益

本發(fā)明的季凍區(qū)污水處理技術(shù)，全面解決了多年來困擾我國東北、西北及華北北部等季凍區(qū)服務(wù)區(qū)污水冬季污染物超標(biāo)排放的行業(yè)難題，有效保障了公路沿線水環(huán)境質(zhì)量與水質(zhì)安全，大大降低了服務(wù)區(qū)污水中各種污染物的排放。全國高速公路服務(wù)區(qū)總的減排空間COD可達(dá)8.5萬噸，氨氮為1.8萬噸，本發(fā)明技術(shù)應(yīng)用節(jié)能減排空間巨大。

發(fā)展前景

根據(jù)2015年全國公路附屬設(shè)施污水處理調(diào)研，全國只有65%的公路附屬設(shè)施污水處理設(shè)備可以長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而季凍區(qū)公路污水處理設(shè)施因冬季低溫微生物活性差、生化處理效率低，幾乎全部不能處理達(dá)標(biāo)。服務(wù)區(qū)污水問題已成為中央環(huán)境保護(hù)督察對(duì)公路行業(yè)檢查的重中之重。

該技術(shù)通過工藝優(yōu)化改良和工程措施結(jié)合，破解了季凍區(qū)公路污水處理冬季難達(dá)標(biāo)技術(shù)瓶頸，為季凍區(qū)新建及改擴(kuò)建公路污水處理提供技術(shù)方法和工程經(jīng)驗(yàn)，為綠色公路建設(shè)提供技術(shù)支撐，對(duì)于地處水源保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、濕地保護(hù)區(qū)等水環(huán)境敏感地段或服務(wù)區(qū)供水困難、水資源匱乏地區(qū)有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)對(duì)于促進(jìn)鐵路、水運(yùn)、民航、建筑、水利、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域水環(huán)境保護(hù)技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“美麗中國”意義重大。

該技術(shù)先后在交通運(yùn)輸部網(wǎng)站和中國交通報(bào)進(jìn)行了專題報(bào)道，在WTC2017等3次行業(yè)權(quán)威國際會(huì)議進(jìn)行了交流，產(chǎn)生了重要的行業(yè)影響力。