綜述：季凍區高速公路服務區組合污水處理系統裝置及其設計方法，該污水處理技術目前已列入交通運輸部推廣目錄，納入8項交通運輸部科技示范和綠色公路試點工程，編制4項標準指南，在全國12個省份開展了設計或工程應用，總規模9750m3/d，在吉林、黑龍江、新疆等嚴寒地區得驗證，在貴州、廣東等非季凍區也進行了應用，而且跨出交通行業在生活污水處理領域也取得了成功應用。

專利名稱： 季凍區高速公路服務區組合污水處理系統裝置及其設計方法

申請人： 交通運輸部科學研究院、北京大學

發明人： 劉學欣、籍國東、高碩晗、付金生、孔亞平、簡麗

專利申請號： 201510836506.0

授權時間： 2017-11-14

發明內容

提供一種能夠適應季節性冰凍地區低溫條件，適應高速公路沿線附屬設施污水水質特征的污水處理新技術，并給出一種可行的裝置設計方法，明確了生物浮動池一體化裝置和序批式高位生態濕地各自的組成和結構，對載體種類、間歇曝氣方法、兩級沉淀要求、濕地填料組成及配比、濕地序批式運行方式進行了詳細描述，尤其是針對低溫保障說明了加熱設備及方法、耐寒菌屬選擇及馴化、濕地保溫外壁等創新性的技術措施手段，能夠有效克服現有技術處理效率低、運行成本高、管理養護復雜、冬季處理無法達標等缺點，對COD、氨氮、總磷、SS、石油類、動植物油等污染物去除穩定高效，具有較強的抗沖擊能力，處理后出水可用于綠化、沖廁、景觀用水等用途，運行成本低廉，管理養護簡單，可以保證冬季處理穩定達標。

具體實施方式

帶有保溫增溫措施的生物浮動池一體化裝置和序批式高位濕地組合可以發揮各自的優勢，達到低成本、生態化、高效率、少維護的目的。

生物浮動池一體化裝置分為4格，由1個生物選擇池、2個生物浮動池和1個沉淀池順次連接構成。生物選擇池和生物浮動池填裝不同孔徑的聚氨酯復合懸浮載體，投加含經過定向培育的紅細菌屬、陶厄氏菌屬和微小桿菌屬等耐寒微生物的復合菌劑，內部浮動增氧，提高載體內微生物與氧氣接觸機會，提高曝氣效率，實現間歇曝氣，營造缺氧、厭氧、兼氧、好氧交替的環境，在一個反應單元內實現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物。

在生物浮動池一體化裝置前設預熱池，預熱池內安裝蛇形換熱管，通過溫控閥調節加熱溫度。當季凍區冬季生物浮動池一體化裝置內污水溫度<10℃時，系統自動開啟預熱池熱交換器增溫，達到耐寒微生物最適生長溫度，充分保證冬季處理效果。生物浮動池一體化裝置在結構設置、填料選擇、微生物投加、間歇曝氣、自動加熱等方面均與接觸氧化和生物滴濾池具有本質區別，能夠有效克服接觸氧化和生物滴濾池脫氮處理效率低、運行成本高、管理養護復雜、冬季處理無法達標等缺點。

生物浮動池一體化裝置處理出水自流入序批式高位生態濕地，序批式高位生態濕地的復合生態填料總厚度為120cm，匯水系統低于一般季凍區凍土層深度，適應濕地冬季運行。由于采取的高位濕地床體設計，增加了反硝化脫氮效果，增加了去除總磷的吸附點位，從而強化了系統深度脫氮除磷效果，有利于服務區污水循環利用。

濕地由吸附反應層、生物反應層、化學反應層和植物反應層組成，本發明原創提出了各層的厚度、填料種類及配比。床體內填充的礫石、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除磷效果。由于生物浮動池出水有機物濃度較低，填充的鋸末將作為微生物降解的碳源，進一步保障反硝化脫氮效果。

序批式高位生態濕地采取間歇式運行方式，運行操作由進水、反應、排水、復氧四道工序組成。序批式高位生態濕地采取兩級設置，每級序批式運行方式，能夠在濕地床體內營造厭氧、兼氧交替的環境，豐富了菌落結構，強化了硝化過程，同時能夠有效緩解床體的有機堵塞問題。為適應季凍區冬季低溫特征，匯水系統低于一般季凍區凍土層深度，濕地床體外側設有保溫外壁，更好地適應濕地冬季運行。

成果轉化情況

該技術目前已列入交通運輸部推廣目錄，納入8項交通運輸部科技示范和綠色公路試點工程，編制4項標準指南，在全國12個省份開展了設計或工程應用，總規模9750m3/d，在吉林、黑龍江、新疆等嚴寒地區得驗證，在貴州、廣東等非季凍區也進行了應用，而且跨出交通行業在生活污水處理領域也取得了成功應用。

示范工程1： 吉林省營松高速靖宇服務區示范工程

吉林省營松高速靖宇服務區采用本發明建設了污水處理示范工程，系統調試周期35天，水溫在采暖期穩定在20-23℃，停止供暖后為15-16℃，保溫增溫效果顯著。自2014年3月運行以來，工程實際出水平均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。經歷了4個冬季嚴寒天氣的考驗，各項指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準，成為嚴寒地區首個冬季穩定達標的實體工程 。

示范工程2：鼎湖山服務區示范工程

鼎湖山服務區采用本技術于2016年10月建設了中水回用示范工程，設計處理規模120m3/d。2017年3月經現場取樣監測，處理出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

圖5 鼎湖山服務區生物浮動池與序批式生態濕地照片

圖6 鼎湖山服務區處理水質情況

示范工程3：紫金礦業污水處理工程

在吉林琿春紫金礦業有限公司曙光金銅礦礦區內建設了以生物浮動池為核心的生活污水生態處理工程，處理規模200m3/d。污水處理系統穩定后，委托琿春市環境保護監測站于2014年10月14-15日對系統處理效果進行了連續8次監測，監測結果表明項目廠區污水處理排放口所排放廢水中的總氮、總磷、COD、BOD5、SS、氨氮、動植物油7項監測指標排放濃度符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準，實現場區噴灌綠化。

圖7 紫金礦業生物浮動池污水處理工程現場照片

技術優勢

同常規工藝相比，該技術的處理標準可以提升1~3個等級，達到城鎮污水廠一級B到地表Ⅲ類水標準;空氣利用率提高33%，有機污泥量減少90%，占地面積減少60%，耐受溫度由15℃降至5℃;微動力運行，節約能耗50%，運行成本降低70%，低于0.3元/t;不需反沖洗，全自動控制，實現無人值守，僅需24個月維護1次。耐低溫微生物具有休眠保存及快速啟動轉化的特點。

專利運用及保護

(一)專利運用

依托本專利申請并正式列入了交通運輸行業推廣目錄，公路服務區污水生物-生態協同處理技術(2017047)得到了交通行業認可。

(二)專利保護

為獲得市場競爭優勢，本發明還開展了系列知識產權申請工作，尤其是開展了相關軟件開發，為工程設計應用與展示互動提高了工作效率和直觀交流效果。

表1 系列知識產權授權情況

(三)標準化保護

依托本發明目前編制2部行業標準，2部地方標準，促進了本發明技術在行業和地方的推廣應用。

表2標準規范成果

獲獎情況

本發明成果近三年先后支撐了多項科技獎勵，其中獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎1項，二等獎3項。

效益分析

(1)經濟效益

本發明的季凍區污水處理技術管理極其簡單，無需日常維護，無需專人看護，可節省其他工藝所需的大量人工成本。技術微動力運行，包括電費和保溫增溫成本的噸水直接運行成本低于0.4元/t，遠低于接觸氧化處理工藝的1.0元/t，每年可節省大量運行成本，減輕了服務區運營的經濟壓力，進而有效保障處理設施正常運轉。技術可以實現中水回用，減少地下水開采、提升等費用。而且技術能夠保證處理系統全年穩定運行達標，極大減少因超標排放征收的環保稅，極大地緩解服務區運營壓力。

(2)社會效益

本發明面向服務區實際需求，為公路水環境保護提供了一種低溫處理效果好、運行成本低、管理養護簡單的污水處理實用新技術，推動新型污水處理技術學科發展，帶動眾多氮污染突出行業治理的環保產業發展，直接服務于國家污染物減排目標的實現，具有巨大的潛在效應和持續推廣價值。

本發明提出的季凍區污水處理技術在示范工程中得以應用，取得了良好的示范效果，有力保護了公路沿線的水體環境，提高水資源利用效率，為綠色公路建設提供了有力的技術保障。

(3)環境效益

本發明的季凍區污水處理技術，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服務區污水冬季污染物超標排放的行業難題，有效保障了公路沿線水環境質量與水質安全，大大降低了服務區污水中各種污染物的排放。全國高速公路服務區總的減排空間COD可達8.5萬噸，氨氮為1.8萬噸，本發明技術應用節能減排空間巨大。

發展前景

根據2015年全國公路附屬設施污水處理調研，全國只有65%的公路附屬設施污水處理設備可以長期正常運轉，而季凍區公路污水處理設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標。服務區污水問題已成為中央環境保護督察對公路行業檢查的重中之重。

該技術通過工藝優化改良和工程措施結合，破解了季凍區公路污水處理冬季難達標技術瓶頸，為季凍區新建及改擴建公路污水處理提供技術方法和工程經驗，為綠色公路建設提供技術支撐，對于地處水源保護區、風景名勝區、濕地保護區等水環境敏感地段或服務區供水困難、水資源匱乏地區有重要的現實意義，同時對于促進鐵路、水運、民航、建筑、水利、農業等領域水環境保護技術發展，實現“美麗中國”意義重大。

該技術先后在交通運輸部網站和中國交通報進行了專題報道，在WTC2017等3次行業權威國際會議進行了交流，產生了重要的行業影響力。