专利名称：分级生物过滤介质及其制备方法、分级生物过滤系统

专利号：ZL202110133014.0

专利类型：发明专利

授权日期：2021 年 11 月 26 日

专利权人：中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南大学

发明人：贺卫宁 马晶伟 陆先镭 林潇 陈世洋 施周 陈蕃 邓征宇

（一）发明创新点

（1）创新的在国内外首次发明一种实现生物过滤、生物滞留功能协同耦合的两级分 级过滤的初期雨水和/或合流制溢流污水处理工艺技术，即用于对初期雨水和/或合流制溢 流污水进行一级处理的生物过滤单元，及用于对经过所述一级处理的初期雨水和/或合流 制溢流污水进行二级处理的生物滞留单元。先是发挥第一级生物过滤填料作为生物膜的 吸附截留及生物降解，后是利用第二级生物滞留复合介质填料的高保水保湿性、高渗透 能力的过滤及脱氮除磷，构建了适应雨水和合流制溢流污染随机性变化特征的两级“厌 氧、缺氧和好氧”体系，两级组合既能保证经过分级生物过滤介质处理效果，又能避免 因负荷过高造成生物滞留复合介质填料堵塞，具有极强的抗冲击能力。

（2）创新的在国内外首次发明一种配套于两级分级过滤初期雨水和/或合流制溢流污 水处理工艺的分级生物过滤介质填料配比、含量、规格及制作工艺方法，保障生物过滤、 滞留设施介质填料达到最佳组合配比，协同增效，达到良好的初期雨水和/或合流制溢流 污水处理效果。

（3）创新的生物过滤、生物滞留功能协同耦合的两级分级过滤工艺技术及其分级生 物过滤介质极大的提高了初期雨水和/或合流制溢流污水处理能力，大大降低了设施对场 地的要求，其生物过滤介质层表面水力负荷为现有同类技术的 5~10 倍，占地面积仅为现 有同类设施的 1/5~1/10。

（4）创新的设置均匀配水层、砾石排水层，解决了现有技术存在配水不均匀、短路、 短流及收水困难等问题。 两级“厌氧、缺氧和好氧”耦合创新结构体系、分级生物过滤介质填料等协同增效， 显著提高对初期雨水和/或合流制溢流污水中的氮、磷、有机质及悬浮颗粒物等主要污染物的去除效率，COD、SS、TP、TN、NH_3-N平均去除效率分别为 60%、80%、76.3%、 49.2%、72.43%以上，且生物过滤介质层表面水力负荷为现有同类技术的 5~10 倍，占地 面积仅为现有同类设施的 1/5~1/10，极大程度上降低对占地面积要求的限制，具有突出的 实质性发明创造特点和显著的进步。

（二）应用领域和范围

本专利所属技术领域属于国家重点支持的高新技术“资源与环境”技术领域和国家 战略性新兴产业，是我国生态文明建设的重大战略需求，也是国家“十四五”规划中明 确提出的生态环境保护及海绵城市建设重要内容。本专利应用范围广泛，可广泛应用于 海绵城市建设、流域水环境治理、合流制溢流污水处理等领域，既可应用于新建项目， 也可应用于改造项目。

（三）实施效果

（1）解决了行业共性难点问题，促进行业技术进步。本专利所属技术领域属于生态 文明建设及海绵城市建设领域国家重点支持的高新技术和国家战略性新兴产业，是我国 生态文明建设的重大战略需求。初期雨水和/或合流制溢流污染中的氮、磷等营养盐是造 成水体富营养化、黑臭的关键成因之一，采取绿色雨水基础设施处理技术高效低耗去除 氮、磷等营养盐是当前环境领域面临的全球性技术难题和热点问题。
（2）适用范围广，整体效果优于同类技术。本专利可与公司获得的系列外围专利一 并使用，可广泛应用于海绵城市建设、流域水环境治理、合流制溢流污水处理等领域的 新建、扩建和改建项目。可根据不同进水水质浓度或不同的应用场景，采用专利工艺技 术进行设施的灵活组合应用，即：当处理初期雨水、合流制溢流污水或黑臭水体时，可 采用生物过滤、生物滞留功能协同耦合的两级分级过滤系统；当处理河湖微污染水体或 用于景观水体水质保持时，可单独采用两级分级过滤系统中的生物过滤设施，或单独采 用两级分级过滤系统中的生物滞留设施；当用于海绵城市建设源头雨水控制作为低影响 开发设施时，可采用装配式结构的两级分级过滤系统中的生物滞留设施，不仅能有效解 决场地受限的问题，还可以实现诸多场合的灵活拼接、模块化组合应用。 技术应用项目的 COD、SS、TP、TN、NH_3-N平均去除效率分别为 60%、80%、76.3%、 49.2%、72.43%以上，出水水质和处理效率均优于现有同类技术。
（3）资源、能源节约及资源化利用。本专利技术已在 6 个项目中应用，项目累计投 资 9.8 亿元，节约土地资源 594 亩。本专利技术过滤介质填料原料获取容易，价格低廉， 制备方法简单，节能环保、使用寿命长。生物滞留介质中的给水厂污泥，变废为宝的同 时，又能提高生物滞留设施对总磷的去除。

（四）产业化及市场应用情况

本专利已成功应用于多项流域水环境治理、海绵城市建设的工程项目（详见附件 3 项目合同、附件 4：用户证明），包括：官渡区宝丰半岛湿地建设（生态修复一期）项目、官渡区宝丰半岛湿地二期建设和星海半岛生态湿地二期建设、《捞鱼河湿地公园潜流湿地 提升改造工程》、《汨罗市城乡水环境综合治理 PPP 项目（一期）》、《海绵城市建设关键技 术研究及基地（一期）建设项目》等工程，工程应用表明，应用专利的设施运行稳定可 靠，污染物去除效果好，处理每万吨水节约用地 33 亩，节约建设成本和土地，达到预期 目标。

（五）技术优势

本专利已应用于多个海绵城市建设、流域水环境综合治理项目、合流制溢流污染处 理项目（详见附件 3 项目合同、附件 4 用户证明），应用项目的总体技术水平和主要技术 经济指标达到国际先进水平。

（1）显著提高去除效果、污染物削减性能突出。对典型的初期雨水和/或合流制溢流 污水中 COD、SS、TP、TN、NH_3-N平均去除效率分别为 60%、80%、76.3%、49.2%、 72.43%以上。 

（2）填料环保节能及资源化利用。填料中火山岩具有获取简易、价格低廉、比表面 积大、比重轻、不易堵塞、抗腐蚀、挂膜速度快、机械强度和化学稳定性好、孔隙率高 等特性，使用效果好，无毒无害，节能环保、使用寿命长；同时，利用给水厂污泥作为 填料介质，变废为宝，同时又能提高生物滞留设施对总磷的去除效率。
（3）技术性能优越。生物过滤介质填料的下渗率达到 500 mm/h，生物滞留复合介质 填料的下渗率达到 150 mm/h，生物过滤、生物滞留功能协同耦合的两级分级过滤系统表 面水力负荷可达 0.15～0.5m³ /（m²•h）。利用椰糠吸水/脱水后体积膨胀/收缩效应（吸水后 可膨胀 3～4 倍）造成生物滞留复合介质填料中孔隙率变化，可以形成好氧-厌氧环境交替， 促进介质中的微生物的硝化-反硝化过程，以便将初期雨水或合流制溢流污水中的携带的 TN 转化为 N₂，释放到大气中；同时椰糠具有良好的吸水性和保水性，有效的提高生物滞 留复合介质填料的保湿效果，为植物提供良好的生长环境。另外，给水厂污泥富含铝、 铁等金属氧化物（或氢氧化物），在介质层中形成胶体，对磷具有较强的吸附作用，可有 效去除污水中的 TP，且不产生二次污染，吸附的 P 又可以为植物的生长提供营养。
（4）显著降低建设成本和运行成本。本发明的过滤介质填料表面水力负荷为现有技 术的 5~10 倍，因此，同类工程中本发明的生物过滤系统占地面积仅为传统设施的 1/5~1/10，处理每万吨水节约用地 33 亩，可大大降低建设用地和建设成本；生物过滤及 生物滞留复合介质填料中的各组分原材料，获取容易，价格低廉，制备方法简单，节能 环保、使用寿命长；另外，本技术无任何动力设施，无能耗及药剂投加，维护简便，能 够显著降低运行成本。

（六）专利运用及保护

专利权人中机国际工程设计研究院有限责任公司是我国最早组建的国家大型综合性 设计单位之一，创建于 1951 年，是集工程咨询、工程设计、工程总承包、项目管理、工程监理、工程勘察、工程施工、专用设备设计与制造、设备成套和工程技术研究于一体 的高新技术企业。在参评专利涉及的市政工程和环保工程技术领域，公司具备市政工程 和环境工程全行业建设项目从技术咨询到工程设计、施工、监理、EPC 总承包全过程所 需的各项资质，尤其在水处理领域有 5000 余项业绩，工程经验丰富，在行业内有较强影 响，可为公司专利成果的应用转化提供强大的平台支撑。 专利权人通过在行业内技术口碑和影响力，以及工程应用示范的良好效果，在工程 项目的立项、可行性研究等前期策划阶段就积极向业主推广专利技术和产品，在工程设 计中应用相关专利技术和产品（附件 4 用户证明），在污染物削减、节能降耗、降低成本 上取得了良好的效果，合作伙伴企业均大力支持参评专利在其投资建设项目中应用。 公司通过科技研发、专利成果管理等相关制度的结合，将企业技术研发和业务部门 实施“产学研用”有机结合，加快推进专利技术的工程应用，大大提升了公司的行业影 响力和市场竞争力。 专利权人为获得市场竞争优势，采取了系列外围专利申请授权措施对本专利进行保 护，该系列专利详见下表，表中所列专利的专利权人均为中机国际工程设计研究院有限 责任公司和湖南大学（部分专利）。

（七）效益分析

1. 经济效益
（1） 直接经济效益 参评专利由申报单位自行实施，应用于申报单位承接的工程项目中（净利润按 6%～ 10%计），经济效益详见下表及附件 2 已获经济效益证明：

(2)间接经济效益 应用项目累计投资 9.8 亿元，处理规模达 18 万 m³ /d，年处理雨水和合流制溢流污水 量 3371 万 m³（其中汨罗市城乡水环境综合治理 PPP 项目按溢流体积控制率 82%计算， 年处水量为 196 万 m³；其他应用项目处理规模合计 8.7 万 m³ /d，按 365 天计算，年处理水量 3175 万 m³）。按处理每万吨雨水或合流制溢流污水节约建设用地 33 亩，为技术应用 单位节省建设用地594亩；按昆明官渡区土地征收综合地价25.12万元/亩和产值补偿12.71 万元/亩标准计算，合计为专利技术应用单位产生经济效益（节约建设用地投资）：594×（25.12+12.71）=2.247 亿元。

2.社会、生态及环境效益
本专利属于绿色技术，生态效益、社会效益及环境效益明显。参评专利技术已在 6 个项目中应用，年处理水量 3371 万 m³，水环境污染物 COD、NH_3-N、TN、TP 年减排量 分别达 401.87t/a、49.64t/a、107.62t/a、8.2t/a，环境效益明显。

项目申报单位以参评专利作为核心水处理工艺技术应用于“昆明市官渡区宝丰湿地 建设（生态修复一期）项目”，确保了湿地生物多样性的水质条件。该项目作为 2021 年 10 月 11 日在昆明召开的联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会（COP15）的重 要室外展示区，向世界各地的参会人员展示了滇池保护治理和生物多样性取得的成果。 会议期间，韩正副总理莅临宝丰湿地现场，考察滇池湿地建设和生态环境保护治理工作， 联合国秘书长执行秘书伊丽莎白•穆雷玛及团队也莅临现场给予高度认可。COP15 期间共 接待各团体 25 组 288 人次，国内考察团 56 组 2581 人次，中小学参观团 3000 人次，充 分展示了滇池保护治理和生物多样性取得的成果。湿地于 2021 年 10 月 25 日正式对市民 开放 14 天内，人流量高达 35 万人次，成为“2021 年云南•昆明最美网红打卡地”，生态 效益、环境效益及社会效益明显。

（八）应用前景

本专利为初期雨水和合流制溢流污染治理提供了一种新的高效经济的绿色雨水基础 设施技术方案，并已在多个工程项目中得到应用，取得了良好的经济社会效益，为生态 环境保护和海绵城市建设提供了良好的工程应用示范，促进了行业技术进步。本专利属 于国家生态文明建设重点支持的技术领域和国家重点支持的高新技术“资源与环境”技 术领域中的水污染控制技术，也是国家“十四五”规划中明确提出的生态环境保护及海 绵城市建设重要内容，是国家明确鼓励和支持的重点建设领域和方向。因此，本专利在 未来市场应用前景非常广阔。

（九）获奖情况