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专利名称：一种高寒缺氧地区生活污水处理系统
专利权人：江苏大学
发明人：解清杰 杜甫义 马新华 叶丹 杜道林 阿琼
专利号：ZL201410798453.3
授权时间：2016年06月15日
我国高寒缺氧地区主要包括西藏自治区、青海、甘肃西南部、四川西部、新疆南部等大片区域，受高寒缺氧的气候、落后的经济以及匮乏的技术管理人员等因素的影响，该区域污水处理普遍存在能耗高、处理效率低、适应性差、管理复杂等问题；以上特点使得高效、低能耗、易维护的人工湿地生态污水处理技术成为该地区应对日益严重的水污染问题的首选措施。针对我国高寒缺氧地区的气候及污水水质特点，为了实现人工湿地在该地区的推广应用还必须克服水温低、微生物所需溶解氧不足以及水质水量波动大等几个突出难题。
本发明针对目前高寒缺氧地区生活污水处理中存在的上述问题，以人工湿地污水处理技术为主体，通过集成太阳能加热、温差发电和温室保温技术，开发出一套针对高寒缺氧地区生活污水的高效低能耗温室型多介质人工湿地处理新工艺及其设备。其中，开发了一种侧流进水无堵塞格栅和一种基于太阳能加热及温差发电的水量水温调节设备，作为预处理设施；研发了一种温室型多介质人工湿地系统作为高寒缺氧地区生活污水的核心处理工艺，以期实现对高寒缺氧地区生活污水的高效、低能耗净化处理。本工艺设备中侧流进水无堵塞格栅主要针对该地区污水多含纤维、毛发等悬浮物的特点设计的；基于太阳能加热及温差发电的水量水温调节装置主要是利用高寒缺氧地区太阳辐射强、光照时间长的地域优势加热污水，解决由于水温较低导致污水后续处理效率低的难题，且在调温的过程中实现温差发电，发电量补给格栅机、提升泵及曝气机的用电能耗。本温室型多介质人工湿地工艺系统，强化结构设计，增设温室及人工曝气系统，可有效实现系统无堵塞、长寿命及终年稳定运行。此外，在示范工程应用中，尝试结合一种“租赁模式”的工艺后期运行管理方法，以期实现工艺“零成本”运营，达到节能减排的目的。
主要创新点如下：
（1）整体工艺系统设计：集太阳能集热、温室保温、温差发电和人工湿地污水净化技术于一体，为高寒缺氧地区开发一种高效低能耗的生态污水处理工艺。本方案将多种技术创造性的融合，设计一整套生活污水的处理工艺，以减弱气候、季节的变化等环境条件对整个工艺的影响，从而提高人工湿地对污染物的稳定去除效果。
（2）水质水量水温调节系统设计：利用利用高寒缺氧地区太阳辐射强、光照时间长的地理优势，结合较成熟的太阳能板集热技术加热污水以及近年来逐步引起关注的温差固态发电技术，以低能耗解决高寒地区污水处理过程中水温过低的问题，并实现系统自身部分能量的自我供给，创新性的将技术交叉应用。
（3）一种侧流进水无堵塞格栅设计：是一种专注于生活污水或其他富含纤维、毛发的污水的新型格栅机；该格栅机将创新的中空旋转侧流栅板与传统的旋转栅网相结合，作用于纤维、毛发及其他大颗粒物质的去除，以保护污水后续处理设施的安全运行；且中空旋转侧流栅板与旋转栅网由同一台驱动装置同步驱动，操作简单，电耗较低。
在我国高寒缺氧地区，由于环境条件的限制，污水一直得不到有效的处理。本发明在太阳能集热、温室保温技术、温差发电技术、人工湿地污水处理技术和污水处理设备等基础上设计出一种高效低能耗的生态污水处理工艺，改善了该地区污水处理工艺设计，以减弱环境不利条件对人工湿地处理工艺的影响，对污染物有较高的处理能力，在高寒缺氧地区城镇生活污水处理行业有很大的推广空间。
由于全国城镇生活污水集中处理工艺中都存在预处理的构筑物，所以装置中的侧流进水无堵塞格栅和基于太阳能加热及温差发电的污水水量水温调节系统的设计原理可以在全国污水处理行业中进行推广运用。
基于本发明的创新设计，通过在西藏自治区拉萨市林周县和墨竹工卡建设温室型多介质人工湿地小试与示范工程，以试验研究确定该工艺的运行效果、影响因素、设计参数和最佳操作参数，进而研究完善适宜该地区的人工湿地的一系列强化运行措施。
本示范工程安置于拉萨林周县境内“甘曲湿地”内（N29.58；E91.05），如下图所示，距拉萨约65公里，藏语意为“天然形成的地方”。
图1 温室型多介质人工湿地示范工程位置
本示范工程（西藏自治区拉萨市林周县温室型多介质人工湿地示范工程）设计规模按照平均处理水量为1000 m3/d进行设计，现场见下图。
图2 温室型多介质人工湿地示范工程外观
图3 温室型多介质人工湿地示范工程运行状态
示范工程经过近3年完整生命周期的运行，其降解COD、NH4+-N、TN、TP性能逐步稳定，在植物死亡的整个冬季，系统去污效率未出现较大的波动；系统出水水质中COD、TP优于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅳ类标准，鉴于出水中含有少量氮磷元素对自然湿地中牧草生长有一定好处，使得出水可作为“甘曲湿地”的补充用水。该温室型多介质人工湿地系统自2016年启动成功、目前运行高效、稳定。实现了林周县县域生活污水净化后补充周边“甘曲湿地”，有效缓解了其水量逐渐下降、湿地面积逐渐减少的问题。
我国高寒缺氧地区，由于环境条件的限制，污水一直得不到有效的处理。本项目改善污水处理工艺设计，以减弱环境不利条件对人工湿地处理工艺的影响，对污染物有较高的处理能力，在高寒缺氧地区城镇生活污水处理行业有很大的推广空间。
本工艺系统在太阳能集热、温室保温技术、温差发电技术、人工湿地污水处理技术和污水处理设备等基础上设计出一种高效低能耗的生态污水处理工艺，并探究该工艺应用于高寒地区的运行管理模式，为本方案的推广提供了技术保证。
由于全国城镇生活污水集中处理工艺中都存在预处理的构筑物，所以装置中的侧流进水无堵塞格栅和基于太阳能加热及温差发电的污水水量水温调节系统的设计原理可以在全国污水处理行业中进行推广运用。
另外，本项目就人工湿地在高寒缺氧地区的成功应用的理论基础、工程经验，汇总形成高寒缺氧地区多介质人工湿地污水处理工程技术指南一部，结合西藏自治区污水处理项目建设的发展规划，为西藏自治区各县域污水生态处理工程建设提供推广参考。
在系统分析高寒缺氧地区水处理技术以及能耗现状的基础上，针对目前高寒缺氧地区生活污水处理中存在的污染物去除效率低以及能耗高的问题，以人工湿地污水生态处理工艺为主体，通过集成太阳能加热、温室保温和温差发电技术，开发一种针对高寒缺氧地区生活污水处理的温室型多介质人工湿地新工艺。
工艺系统中，为了解决人工湿地在该地区污水处理中效果差的问题，开发基于地方材质的多介质人工湿地；为了解决该地区高寒的气候对处理效果的影响，开发太阳能加热及温室保温系统；为了降低系统能耗并利用太阳能加热系统，开发温差发电节能系统；为了提升湿地系统中的氧气浓度，开发了定时曝气供氧系统；为了解决该地区生活污水中含有较多动物毛发的问题，开发了新型的格栅。
如下图所示，温室型多介质人工湿地工艺系统包括格栅系统、水量水温调节系统、多介质人工湿地净化系统、温室保温系统四部分。其中，格栅系统为侧进流无堵塞格栅；水量水温调节系统包括太阳能集热系统、温差发电系统和提升泵；多介质人工湿地净化系统包括粘土与种植土复合层、基质处理层、防渗层、曝气系统和集水系统；温室保温系统包括温室主体和排湿系统。
整个处理系统位于温室内；太阳能集热系统位于温室顶端，负责加热处于温差发电系统热水区的污水；多介质人工湿地净化系统中粘土与种植土复合层位于最上层，之下是基质处理净化层，底部是防渗层，集水系统位于池体末端，通过高度可调节的出水口调节人工湿地床体内水位；种植层种植当地湿地植物芦苇、黑三棱、菖蒲、水葱等；湿地床体底部铺设曝气管道进行人工曝气。
图4 温室型多介质人工湿地示范工程工艺流程设计
经城镇污水管网收集的生活污水经过格栅系统去除较大的颗粒物及纤维、毛发等悬浮物后流入水量水温调节系统，进行水质、水温调节并实现温差发电（原理为污水首先注入冷水区，冷水区蓄积污水因污水自身压力作用经水管分流一部分污水进入加热区；在加热区，污水由太阳能集热板经换热器进行加热，加热过的污水和冷污水经过导热片在温差发电模块两侧形成温差，利用“赛贝克效应”，引起发电模块材料中的载流子运动而进行发电），然后由提升泵提升进入多介质人工湿地净化系统，利用其基质、植物及微生物形成的复合生态系统的物理、化学、生物的协同作用使水质得到净化；净化后的污水由给水管道收集后通过高度可调节的出水口（根据污水中磷含量、运行季节不同，控制湿地床体水位），进入集水渠，最终通过出水管排放。
整个人工湿地处理系统处于温室中，先利用太阳能对污水进行加热，再利用人工曝气装置对污水进行局部增氧，能耗一部分由温差发电补给，最后利用多种介质的优化组合的人工湿地实现对污水中污染物质的高效净化。
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。主要相关申请专利如下：
[1]一种高寒缺氧地区生活污水处理系统[P]. 中国：ZL201410798453.3，2016-6-15.（发明专利）
[2]一种多介质人工湿地污水净化床[P]. 中国：ZL 201410788538.3，2016-6-15.（发明专利）
[3]一种基于太阳能加热及温差发电的污水水量水温调节装置[P]. 中国：ZL201410797109.2，2016-4-6 （发明专利）
[4]一种侧流进水无堵塞格栅[P]. 中国：ZL 201510837370.5,2017-05-03.（发明专利）
[5]一种基于温差发电的折流挡板调节池[P]. 中国：ZL201620245118.5, 2016-3-28.（实用新型）
（1）经济效益
本发明高寒缺氧地区生活污水处理系统，微动力运行，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。技术包括电费和保温增温成本的吨水直接运行成本低于0.2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，极大地缓解服务区运营压力。
（2）社会效益
本发明面向高寒缺氧地区生活污水处理实际需求，为极地地区水环境保护提供了一种生态处理效果好、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，直接服务于西藏自治区污水处理项目建设的发展规划，针对各县域污水生态处理工程建设具有持续推广价值。
（3）环境效益
本发明的高寒缺氧地区生活污水处理系统，全面解决了多年来困扰我国高寒缺氧地区生活污水处理的行业难题，因地制宜的设计运用有效保障了极地生态水环境质量与水质安全，有效降低了高寒缺氧地区污水中各种污染物的排放，为缓解生态环境较为脆弱的极地环境保护提供了切实有效的技术。
我国高寒缺氧地区主要包括西藏自治区、青海、甘肃西南部、四川西部、新疆南部等大片区域，受高寒缺氧的气候、落后的经济以及匮乏的技术管理人员等因素的影响，该区域污水处理普遍存在能耗高、处理效率低、适应性差、管理复杂等问题，由于环境条件的限制，污水一直得不到有效的处理。本发明改善污水处理工艺设计，以减弱环境不利条件对人工湿地处理工艺的影响，对该地区的生活污水的特征污染物有较高的处理能力，在生态环境较为脆弱的极地城镇生活污水处理行业有很大的推广空间。
本工艺系统在太阳能集热、温室保温技术、温差发电技术、人工湿地污水处理技术和污水处理设备等基础上设计出一种高效低能耗的生态污水处理工艺，并以相当规模的示范工程进行了深入探究该工艺应用于高寒地区的实际运行效果、管理模式，为本发明的推广、应用提供了技术保证。
由于全国城镇生活污水集中处理工艺中都存在预处理的构筑物，所以装置中的侧流进水无堵塞格栅和基于太阳能加热及温差发电的污水水量水温调节系统的设计原理可以在全国污水处理行业中进行推广运用。
另外，本发明研究来源于西藏自治区科技厅项目《西藏县域生活污水湿地处理技术研究》（项目号：Z2013G01S25-3）的支持，项目运行验收合格后，就人工湿地在高寒缺氧地区的成功应用的理论基础、工程经验，汇总形成高寒缺氧地区多介质人工湿地污水处理工程技术指南一部，得到西藏自治区科技厅、西藏自治区环境保护厅的认可，结合西藏自治区污水处理项目建设的发展规划的需求，本发明在西藏自治区各县域污水生态处理工程建设的推广应用提供了政策支持。
本发明成果近三年先后支撑了多项奖励，其中本发明主要负责人依靠本发明成果成功在我国西藏地区推广应用进而获得了第三届全国“做出突出贡献的工程硕士学位获得者”和第二届“全国高等学校给排水相关专业在校生研究成果展示会”最佳实施方案银奖。
来源：水利 微信公众号 中国给水排水
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