专利名称：一种反硝化滤池进水溶解氧全流程控制系统及运行控制方法

专利号：ZL202011038198.4

专利类型：发明专利

专利权人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司

发明人：杨敏、孙永利、郭兴芳、李鹏峰、郑兴灿、李劢

申请日期：2020.09.28

授权日期：2022.09.20

01发明创新点

（1）结合国家水专项课题研究，国内首次提出反硝化滤池进水溶解氧无效损耗外加碳源的关键科学问题，基于多座典型一级A及以上标准城镇污水处理工程反硝化滤池进水溶解氧的溯源测试研究和主要影响因素解析，从系统控制角度，创新提出以源头控制+过程控制+末端控制为核心的反硝化滤池进水溶解氧全过程控制关键技术，可系统解决高排放标准城镇污水处理厂反硝化滤池普遍存在的碳源损耗严重、碳源投加成本高、间接碳排放强度大等运行问题，具有提升碳源利用效率、降低运行成本、运行控制方法简单等技术优势。

（2）通过综合采取好氧池末段低氧曝气（DO为0.5~1mg/L）、基于二次提升泵房液位提升（平均提升1.5m）的二沉池集水槽高水位运行、配水渠加盖控制跌水复氧、基于出水电动阀调控的反硝化滤池运行液位提升等精细化全过程运行控制技术措施，反硝化滤池进水DO平均降低7.5mg/L，碳源投加量平均降低7.5mg/L COD，有效解决了反硝化滤池进水高浓度溶解氧损耗碳源的运行难题，并将反硝化滤池进水DO控制与好氧池低氧曝气及二次提升泵房高液位运行有机耦合，协同实现了运行效能提升、能耗药耗节省和碳排强度降低，契合双碳目标下城镇污水处理厂低碳高效运行的重大行业需求，助力污水处理减污降碳协同增效。

（3）专利技术已总体成功示范应用于“十三五”国家水专项课题示范工程天津市经济技术开发区西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）的优化运行，取得了良好的示范应用成效，推广应用于天津北塘污水处理厂（15万m³/d）、无锡芦村污水处理厂（30万m³/d）、温州中心片区污水处理厂（40万m³/d）等多座典型城镇污水处理工程的改造设计和优化运行，覆盖京津冀、长江经济带、粤港澳大湾区等重点区域，目前总应用规模已超1000万m³/d，经济、社会和环境效益显著。

02应用领域和范围

专利技术主要应用于一级A及以上排放标准的城镇污水处理厂、工业集聚区污水处理厂、村镇生活污水处理设施、污水应急处理设施等领域。

03实施效果

专利技术已总体成功示范应用于“十三五”国家水专项课题示范工程天津市经济技术开发区西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（规模5万m³/d）的优化运行，多年运行实践表明，专利技术工程实施效果良好，通过综合采取推流式好氧池末段低氧曝气、基于二次提升泵房液位提升的辐流式二沉池环形集水槽高水位运行、反硝化滤池配水渠加盖控制跌水复氧等系列全过程精细化优化运行技术措施，与优化前相比，反硝化滤池进水溶解氧平均降低7.5mgL，节约碳源乙酸钠（有效含量25%）投加量50mg/L，按碳源乙酸钠（有效含量25%）市场价格1800元/吨和每年6个月的碳源投加时间计，节约碳源投加成本81万元/年，同时平均节省二次提升泵房电耗7.3万kWh/年，按电价0.7元/kWh计，节省二次提升泵房运行电费5万元/年，合计平均节约运行成本86万元/年，降低间接碳排放量约140吨CO₂-eq/年。因此，本专利技术系统解决了反硝化滤池进水高浓度溶解氧无效损耗碳源、碳源投加成本高、间接碳排强度大等实际运行瓶颈问题，并且经济、社会和环境效益显著。

04产业化及市场应用情况

在“十三五”国家水专项课题的支持下，通过与天津泰达新水源科技开发有限公司、天津滨海环保产业发展有限公司等企业开展产学研合作，2019年，专利权人中国市政工程华北设计研究总院结合工艺运行现状系统调研和问题诊断，将专利技术总体成功示范应用于“十三五”国家水专项课题示范工程天津市经济技术开发区西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）的优化运行，取得了良好的示范应用成效，已推广应用于天津北塘污水处理厂（15万m³/d）、无锡芦村污水处理厂（30万m³/d）、温州中心片区污水处理厂（40万m³/d）等多座典型城镇污水处理工程的改造设计和优化运行，覆盖京津冀、长江经济带、粤港澳大湾区等重点区域，目前总应用规模已超1000万m³/d。

05技术优势

（1）工程应用效果好。现有反硝化滤池进水DO控制技术主要为基于恒水位反硝化滤池的末端控制技术，而本专利为源头控制+过程控制+末端控制的系统控制技术，多年运行实践表明，反硝化滤池进水DO平均降低7.5mg/L，从根本上有效解决了反硝化滤池进水高浓度DO损耗碳源问题，提升了碳源利用效率和反硝化池运行效能，并降低了出水TN超标风险。

（2）节能降耗减碳协同。以国家水专项课题示范工程天津经济技术开发区西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）优化运行为例，在降低碳源药耗方面，按每年6个月的碳源投加时间计，碳源乙酸钠（有效含量25%）用量平均降低450吨/年； 在节省二次提升泵房能耗方面，按泵房液位平均提升1.5m计，平均节省二次提升泵房电耗7.3万kWh/年；在碳减排方面，减少间接碳排放量平均约140吨CO₂-eq/年。

（3）实用性和可操作性强。专利技术契合当前污水处理减污降碳协同增效国家政策和城镇污水处理厂低碳运行行业需求，实用性强；通过工艺的精细化调控和关键节点的简易改造即可实现反硝化滤池进水DO的有效控制，运行控制方法简单且改造投资低，技术可操作性强。

06专利运用及保护

结合“十二五”国家水专项课题研究，针对反硝化滤池进水高浓度DO损耗碳源问题，专利权人华北院科研团队国内首次提出反硝化滤池进水DO末端控制技术，并在无锡芦村污水处理厂四期一级A提标建设工程（10万m³/d）中进行了应用验证，通过行业大型学术会议的积极宣传，技术成果获得行业专家和技术人员的高度认可，快速应用于创业环保、国祯环保等知名水务企业所属的多座城镇污水处理厂反硝化滤池的优化运行。结合“十三五”国家水专项课题研究，专利权人进一步创新提出了以源头控制+过程控制+末端控制为核心的反硝化滤池进水DO全过程系统控制关键技术（即本专利技术），并成功示范应用于国家水专项课题示范工程天津市经济技术开发区西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）的优化运行，取得了良好的示范应用成效，已推广应用于天津北塘污水处理厂（15万m³/d）、无锡芦村污水处理厂（30万m³/d）、温州中心片区污水处理厂（40万m³/d）等多座典型城镇污水处理工程的改造设计和优化运行，覆盖京津冀、长江经济带、粤港澳大湾区等重点区域，目前总应用规模已超1000万m³/d。

作为核心创新成果，该专利技术已被纳入专利权人华北院牵头编制的政策文件《江苏省太湖地区城镇污水处理厂DB32/1072提标建设技术指引（2018版）》、《广东省城镇生活污水处理设施提标建设技术指引》、地方标准《雄安新区工程建设关键质量指标体系：市政公用工程》、中国水协团标《城镇污水资源与能源回收利用技术规程》、中国勘协团标《城镇污水高标准处理技术指南》、天津市环境科学学会团体标准《工业集聚区污水处理厂高标准排放技术指南》等。

为保护该发明专利，专利权人同期申请并获授权了实用新型专利《一种反硝化滤池进水溶解氧全流程控制系统》（ZL202022166708.8），并为了赋能公司创新驱动发展战略和提升公司核心市场竞争力，围绕城镇污水低碳处理进行了工艺全流程系统专利布局，先后申请并授权了系列相关发明专利（见表1），

 
表1  授权的系列相关发明专利信息表

07效益分析

（1）本发明专利权人中国市政华北院科研团队，国内首次提出反硝化滤池进水溶解氧无效损耗外加碳源的关键科学问题，创新构建以源头控制+过程控制+末端控制为核心的反硝化滤池进水溶解氧全过程系统化控制技术，并在国家水专项课题示范工程天津市西区污水处理厂优化运行中成功示范应用，可有效解决反硝化滤池普遍存在的碳源损耗严重、碳源投加成本高、间接碳排放强度大等运行问题，为我国高排放标准城镇及工业污水处理厂的节能降耗减排提供新思路，提升了精细化运行控制水平，支撑了污水处理减污降碳协同增效，促进了排水行业技术进步，社会效益显著。

（2）以专利技术在天津市西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）优化运行中的成功示范应用典型案例为例，在节约反硝化滤池碳源投加成本方面，按商业碳源乙酸钠（有效含量25%）市场价格1800元/吨和每年6个月的碳源投加时间计，平均节约碳源投加成本81万元/年；在降低二次提升泵房水泵提升电耗方面，按泵房液位平均提升1.5m和电价0.7元/kWh计，平均节省二次提升泵电费5万元/年；即通过采取本专利技术，该厂运行成本平均节约86万元/年（不含好氧池末段低氧曝气节省的曝气费用），经济效益显著。

（3）专利技术一方面有效解决了反硝化滤池进水高浓度DO损耗碳源问题，提高了碳源利用效率和反硝化滤池强化脱氮效能，进而降低了出水TN超标风险；另一方面可降低间接碳排放量和碳排放强度，以典型示范工程天津市西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）为例，间接碳排放量平均降低约140吨CO₂-eq/年，碳排放强度平均降低0.008 kgCO₂-eq/m³，环境效益显著。

08应用前景

反硝化滤池作为强化脱氮深度处理单元，广泛应用于一级A及以上高排放标准城镇及工业污水处理厂，对出水TN稳定达标发挥了重要保障作用，但反硝化滤池运行中普遍存在进水高浓度DO损耗碳源严重、碳源投加成本高、间接碳排放量大、出水TN超标风险高等实际问题，本专利技术为以源头控制+过程控制+末端控制为核心的反硝化滤池进水DO精细化全过程系统控制技术，已成功示范应用于“十三五”国家水专项课题示范工程天津市经济技术开发区西区污水处理厂天津A标准提标改造工程（5万m³/d）的优化运行，推广应用于天津北塘污水处理厂（15万m³/d）、无锡芦村污水处理厂（30万m³/d）、温州中心片区污水处理厂（40万m³/d）等多座典型城镇污水处理工程的改造设计和优化运行，目前总应用规模已超1000万m³/d，取得了良好的工程应用成效，有效解决了反硝化滤池进水高浓度DO损耗碳源的运行难题，协同实现了脱氮效能提升、碳源投加成本节约、二次提升泵及曝气能耗降低和间接碳排放强度减小，契合国家发改委、住建部等三部委联合发布的国家政策文件《关于推进污水处理减污降碳协同增效的实施意见》及污水处理厂低碳高效运行的重大行业需求。

专利技术可应用于城镇污水处理厂、工业集聚区污水处理厂、村镇生活污水处理设施、污水应急处理设施等多元应用领域，已纳入专利权人华北院牵头编制的政策文件《江苏省太湖地区城镇污水处理厂DB32/1072提标建设技术指引（2018版）》、《广东省城镇生活污水处理设施提标建设技术指引》、地方标准《雄安新区工程建设关键质量指标体系：市政公用工程》、中国水协团标《城镇污水资源与能源回收利用技术规程》、中国勘协团标《城镇污水高标准处理技术指南》、天津市环境科学学会团体标准《工业集聚区污水处理厂高标准排放技术指南》等，在“双碳”国家战略和污水处理减污降碳协同增效等系列国家政策的驱动下，该专利技术推广应用前景广阔。

（九）获奖情况

以本专利技术为核心内容的相关科技成果、论文等，获得主要奖励如下：

（1）“城市污水处理系统运行特性与调控机制”，获2020年华夏建设科学技术一等奖，华夏建设科学技术奖励委员会；

（2）“太湖地区城镇污水处理系统执行氮磷特别排放限值提标建设技术研究”项目，获2020年度城镇水科技奖一等奖，中国城镇供水排水协会；

（3）“面向水生态安全的城镇污水高标准处理全流程成套技术及装备”项目，获2023年华夏建设科学技术一等奖，华夏建设科学技术奖励委员会；

（4）“工业带污水厂高标准超净排放技术研究与示范”项目，获2021年度科技进步奖一等奖，中国建设科技集团；

（5）“工业带污水厂高标准超净排放技术研究与示范”项目，获2021年度科技进步奖一等奖，中国市政工程华北设计研究总院有限公司；

（6）“某园区污水处理厂问题诊断与优化运行措施”论文，获“威派格杯”第十一届行业优秀论文奖三等奖，《给水排水》杂志社；