专利名称：一种近零维护村镇饮用水一体式净化装置及应用其处理水源水的方法

专利号：ZL202111149720.0

专利类型：发明专利
专利权人：哈尔滨工业大学

发明人：唐小斌，梁恒，郭喜收，王金龙

申请日期：2021 年 09 月 29 日

授权日期：2022 年 11 月 11 日

01发明创新点

加快农村地区供水工程建设和提升自来水普及率是我国乡村振兴战略中的重要任务之一。农村供水问题不仅直接影响到居民的生活质量，也关系到区域经济的可持续发展和生态文明建设，因此国家和地方政府对此给予了高度关注和大力支持。然而，当前的村镇供水仍存在分散性强、水源多样、污染物多元、技术/设备/标准难统一等问题，大多数现有的村镇供水工程因技术设备落后、工艺复杂、运维管理难，导致能耗高、药耗高、成本高，给地方财政和管理部门带来了巨大压力。目前，尚无专门用于村镇供水的技术或设备，大多是将城市现有供水技术或工艺，缩小规模照搬到农村，存在处理效果低下且不稳定、占地面积大、能耗高、制水成本高、运行维护工作量大且需要专门的技术人员运管等瓶颈问题。因此，我国村镇供水领域亟需一种操作简单、能耗低、维护少、药剂省的净水技术，且应具备多元污染物去除效能、多种水质与多场景适应性，符合绿色、低碳、可持续发展的理念，保障农村居民的饮水需求和饮水安全，助力美丽乡村打造及生态文明建设。

针对农村供水过程中的痛点与难点问题，本专利技术在能耗、药耗、操作运维、效能稳定性等方面重点突破，开发了以“颗粒活性碳（GAC）缓速滤池+重力流超滤（GDM）”为核心的组合净水技术与装置，解决了常规超滤工艺清洗频繁、运维复杂、药耗/能耗高等行业共性难题，实现了整体工艺的近零维护运行；并强化了对水中多元污染物（如浊度、有机物、色度、铁、锰、氨氮、新污染物等）的去除效能，显著提升了产水品质；相比于常规的村镇净水技术，制水成本降低 90%以上。

本发明专利技术适配于优质地下水（如井水）、山泉水、水窖水、雨水、融雪水、水库水、湖水、河水等常见的村镇水源水的净化处理，应用前景广阔。相关的科技成果经评价，整体技术达到“国际先进”水平，为保证我国村镇居民饮水健康提供了重要基石。

1. 本发明具有新颖性和创造性

本发明专利独立权利要求 1 保护一种近零维护村镇饮用水一体式净化装置及应用其处理水源水的方法，该装置与方法是按以下步骤实现：

【权利要求】一、原水进入小间距折板速沉调节水箱中，大颗粒泥砂在上下流动过程中因流速降低，下沉到小间距折板速沉调节水箱底部，通过第一穿孔排泥管排出；二、经小间距折板速沉调节水箱初沉后的水流，进入小径管式反应器中，依次经过第一穿孔匀水墙、第二穿孔匀水墙进入布水区，水流流经小径斜管的过程中，颗粒较大的泥砂、悬浮物下沉至小径管式反应器底部，通过第二穿孔排泥管排出；水流通过清水区中的集水管进入集水渠，得到沉后水；三、沉后水经配水孔进入 GAC 缓速滤池中，GAC 缓速滤池采用上向流，底部为配水区，待滤水依次经过承托层和活性炭层，过滤后的水经 GAC 缓速滤池穿孔集水管收集 后，得到过滤出水，同时在 GAC 缓速滤池底部设置节能双曝气装置、曝气干管和曝气支管，小曝气系统用于充氧，大曝气系统用于清洗；四、过滤出水自流进入到重力流超滤膜池中，水透过超滤膜进入到膜池集水管中，随后进入同侧回转廊道式清水池中；五、同侧回转廊道式清水池内设有多个往复式和回转式的隔墙，多个隔墙形成强推流流态，消毒后的水经后续加压泵传输送至村镇居民用水处。

图1 自主设计的近零维护一体化净水装置流程与结构示意图

2. 主要创新点体现在：

（1）能耗低、成本低、绿色健康（无药剂）

1）本发明充分利用进出水水位差，采用超低压重力驱动过滤，过滤水头仅为0.2-0.7m，远远低于常规超滤工艺所需的驱动压力（5-10m），依靠管网余压（一般流出水头大于 2m）即可完成过滤，因此，无需额外配置过滤动力设备及配套设施。

2）净水过程中不投加混凝剂、助凝剂、氧化剂等药剂，节省了药剂费用；

3）本发明专利技术采用重力流过滤，运行过程中不产生额外的能耗和电耗，故该设备的制水成本极低（< 0.03 元/吨水（包含消毒费用））。

（2）操作简单、近零维护、运行管理方便

相比于传统的膜净水技术与设备，本发明利用膜表面生物滤饼层的自清洗效应，达到生物降解与膜孔截留的双重污染物去除效能，无需进行水力反冲洗和化学清洗，可省去反冲洗系统（如反冲洗泵、反冲洗水箱、反冲洗管路和反冲洗自控系统）、错流系统（如错流管路和控制系统）、化学清洗系统（如药剂池、药剂投加泵、药剂投加管路、药剂计量设备、废液收集池及自控系统），运维工作量降低 90%以上，整体工艺在无人值守条件下长期稳定运行。

（3）同步去除多元污染物，净水效能高

本发明一种近零维护村镇饮用水一体式净化装置有机地结合了“小间距折板速沉调节水箱+小径管式反应器+活性炭层+生物滤饼层+超滤膜”多重过滤屏障，可显著强化对水中多元污染物（如颗粒物、悬浮物、胶体、致病微生物、氨氮、有机物、铁、锰、嗅味、抗生素等）的去除效能，解决水源多样化与污染物多元化导致的工艺流程复杂、技术附加繁琐难题，保障供水水质安全。

（4）供水的安全可靠性高

由于膜污染的形成，传统超滤净水设备需定期进行水力反冲洗和化学清洗，清洗时膜净水设备无法产水，尤其当膜污染较重时，清洗更为频繁，严重影响了净水设备产水的可靠性。相比之下，本发明一种近零维护村镇饮用水一体式净化装置，采用无清洗连续过滤模式，避免了因水力反冲洗和化学清洗而断水的现象，有效地提高了供水可靠性；此外，该净水装置采用重力流过滤，不需要额外供电，即使出现长时间停电现象，亦可正常运行，有效保障了供水安全性。

（5）采用低剂量消毒，最大程度降低消毒副产物生成量

“GAC 缓速滤池+生物滤饼层+超滤膜”三重截留屏障，可显著强化去除水中溶解性有机物、氨氮、微污染物以及大分子有机物，削减水中的消毒副产物的前驱体，进而减少了消毒剂的投加量，最大程度降低消毒副产物的生成量。

（6）多场景适用性强

本技术与装置适用于不同类型的水源水（如地下水、湖库水、泉水、融雪水、窖水和雨水等），适用于去除多种典型污染物（如浊度、微生物、色度、氨氮、有机物、铁、锰、抗生素等）。

图 2 近零维护一体化净水装置运行方式及工艺特点

审查专家在本发明专利的实质审查中没有提到与本发明最接近的现有技术，审查专家充分认可了本发明的新颖性和创造性。

02应用领域和范围

本发明专利技术属于市政供水与环境保护领域，可实现多类型水源水（井水、河水、湖泊水、山泉水等）的高效净化，同步去除水中多元污染物（浊度、微生物、色度、氨氮、有机物、铁、锰、嗅味、抗生素等），具有近零维护、成本低、适用范围广等显著的技术优势，突破了传统超滤工艺存在的能耗高、药耗高、运维量大等瓶颈难题，在分散式/村镇供水领域具有广阔的应用前景。

图 3 本技术发明在不同水源及工艺条件下的运行稳定性

1. 本发明专利技术已应用的领域和范围

本发明专利技术已应用于分散式饮用水净化领域，包括单村供水和村镇集中供水工程等不同规模的应用场景。凭借其低能耗、近零维护、低成本的技术优势，本发明专利技术在实际工程中表现出显著的应用效果，有效解决了多类型水源的净化处理问题，推动了饮用水净水技术的革新和发展。

（1）单村供水站

单村供水主要存在规模小、间歇供水、无专人操作、药剂运输困难等特点，本发明专利技术创新以“GAC 缓速滤池+重力流超滤”为核心的组合工艺，可适用于井水、山泉水、水窖水、融雪水等的净化处理；且本技术采用生物自清洁作用控制膜污染，可显著降低装置的操作运维工作量，无需专人操作，实现了无人值守条件下的长期稳定运行。因此，该本发明专利技术特别适用于单村供水、分散式村庄供水、农村自建设施供水和居民单户、多户供水等场景。

图 4 本技术发明在单村供水的应用

（2）多村镇集中供水工程

专利成功应用于文昌会文定大自来水厂、花都梯面水厂等多处集中供水工程，并在黑龙江、浙江、江苏、重庆、海南等 10 余个省市 300 余村镇供水工程推广应用。【附件 2】

本发明专利技术成功应用文昌市会文定大净水厂（2.7 万吨/天），实现了水库水的直接超滤处理，水厂已连续稳定运行多年，出水水质全面满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）要求，运维工作量节省 50%以上，制水成本节约100 余万元/年。

本发明专利技术在花都梯面水厂进行工程示范，运行成本降低了 50%以上，操作运维工作量可削减 60%以上，出水水质全面满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）要求，获得了水厂的高度评价。

在浙江台州建立了全国首个村镇无清洗超滤净水工程（500 吨/天），净水成本降低 90%以上，低至 0.03 元/吨以下（含消毒）；对比传统的超滤净水技术，极大降低了村镇供水系统的整体运营成本，使得供水系统的经济性与可持续性得到了显著提升。该示范工程的建设与技术突破，为我国村镇净水技术开创了新范式，解决了长期以来困扰农村地区的饮用水安全问题，推动了村镇净水技术的革新和升级.

图 5 本技术发明在多村镇集中供水工程的应用

通过推广应用，本发明专利技术有望彻底打破我国村镇净水技术发展的瓶颈，为广大农村居民提供更安全、更优质的饮用水，助力提升农村居民的生活质量和幸福感。

2. 本发明专利技术还可推广应用的领域和范围

本发明专利还可应用于边防哨所净水、部队移动式净水设备、二次供水、家用净水器等多个领域，能在不同规模、不同需求的应用场景中实现高效净水，并显著降低投资和运行成本。

（1）边防哨所

边防哨所通常位于偏远、配套设施差的边境地区，水源有限且水质较为复杂，这给饮用水净化系统的设计和运维带来极大挑战。本发明专利技术无需外部动力驱动，依靠较低重力（0.2-0.7m）即可完成水的净化过程，能有效降低能耗，减少设备运维需求，对不同水源条件（如雨水、水窖水、融雪水、山泉水和地下水等）适应性强，确保哨所官兵能够便捷、快速、持续地获得安全、优质的饮用水，提升后勤保障的可靠性。

（2）部队移动式净水设备

部队在执行任务过程中，特别是野外作战或灾难救援任务中，往往需要快速获得干净、安全的饮用水源。传统的移动式净水设备往往体积庞大、运维复杂、且需要配套的电力系统，限制了其灵活性和适应性。本发明专利技术具有低能耗、免维护、无需依赖电源、无需药剂投加、操作简单等优势，可以作为部队移动式净水设备的核心技术，部队能够轻松携带和快速部署该设备，直接从就地水源获取清洁饮用水，满足各种应急和作战环境中的净水需求。

（3）二次供水

在城市和大型居住区，往往需要将自来水输送到更高的建筑物或远离市政管网的区域，即二次供水，在这个过程中容易导致水质下降、污染风险增加等问题。本发明专利技术，有机地结合了多重截留屏障，可有效去除水中的铁、锰、微生物、有机物、氨氮等污染物，保证出水水质的稳定与安全；且由于其近零维护、低能耗的特点，能够极大地降低运维成本和管理难度，特别适用于大型建筑、社区二次供水设施。

（4）家用净水器

与传统家用净水器不同，本发明专利技术采用生物自清洁功能，不需要更换滤芯或进行复杂的清洗操作，滤芯使用寿命可有 1-2 年延长至 8-10 年，确保了长效稳定的水质净化。同时，依托缓速滤池、生物功能层与超滤膜的三重净化屏障，可有效去除水中的有机物、细菌、病毒、新污染物等杂质，提升家庭饮用水品质。

总体而言，该发明专利技术不仅在村镇供水方面取得了显著成效，在边防哨所、部队移动式净水设备、二次供水、家用净水器等多个领域也具有很好的应用前景，将为我国水资源可持续利用以及城乡居民生活质量的提升做出重要贡献，具有广泛的社会效益与经济效益。

03实施效果

本发明专利技术在实际应用中展现了卓越的高效性、经济性、稳定性和可靠性，突破了传统村镇净水技术面临的能耗高、药耗高、运维复杂等瓶颈，推动了我国农村及分散供水领域净水技术的发展与革新。

1. 本发明专利实施效果具有高效性，具体表现在：

（1）污染物去除效果好：本发明专利技术通过创新“小径管式反应器+速沉池+GAC 生物滤池+生物功能层/超滤膜”组合工艺，显著提升了水质净化效能，尤其在多污染物去除方面展现了卓越的效能，不仅能够高效去除常见污染物（如铁、锰、浊度、微生物、有机物和氨氮等），而且对新型污染物（如抗生素）、重金属等也具有良好的去除作用，出水浊度始终低于 0.05NTU（通常0.01-0.03NTU），细菌截留率高达 99%以上，其他水质满足国家《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）的要求。

（2）该技术适应性强：适用于井水、河水、湖泊水、山泉水、水窖水、融雪水等典型村镇水源水的净化处理，尤其是在偏远山区和水质复杂的地区，其净水优势更加突出，为保障居民饮水健康、提升供水品质提供了有力支撑。

图 6 本发明专利实施水处理效能

2. 本发明专利实施效果具有经济性，具体表现在：

相比于传统的村镇净水技术，本发明专利技术显著降低了运行和维护成本，净水过程中不需投加任何混凝剂/助凝剂/氧化剂，无需水泵加压/膜反洗系统等附属设备，仅依靠较低的重力（0.2-0.7m）驱动即可实现水的过滤，运行维护量降低 90%以上，人力成本显著降低。

3. 本发明专利实施效果具有稳定性，具体表现在：

（1）水量稳定性：本发明专利技术经过多个村镇供水工程的应用验证，展现了极高的系统稳定性。以浙江台州村镇供水工程为例，处理水库水所采用的过滤水头为 0.5m，日处理规模达 500 吨/天，服务人口 5000 人，已无人值守稳定运行 2 年以上。

（2）水质稳定性：装置长期运行过程中，污染物去除效能始终保持稳定，出水浊度为 0.01-0.03 NTU，细菌截留率达 99%以上（低于 10 CFU/mL），总大肠杆菌数未检出，可生物同化有机碳（AOC）去除率达 70%-92%，UV254去除率

为 70%-80%，氨氮平均去除率 80%-85%，COD 去除率为 60%-80%，铁去除率高 达 98%以上，锰去除率高达 95%以上，其余各项水质指标均满足《生活饮用水 卫生标准》（GB 5749-2022）要求，显著提升了村镇饮用水的生物安全性和化学安全性。

图 7 自主设计净水装置工程实例与效能图

此外，出水经国家城市供水水质监测网—佛山监测站检测，出水 106 项指标均满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022），其中，总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏群微生物指标三个微生物指标均为未检出；菌群总数为 1CFU/mL，远低于国家标准（≤100 CFU/mL）；色度、浑浊度、嗅味等感官指标均低于国家标准；出水中 CODMn检测结果为 0.37 mg/L，远低于国家规定的 3mg/L。检测结果证明，本发明专利技术可实现污染物的同步高效去除，保证饮用水品质，可靠性强。

图 8 采用本发明专利技术的成套装置出水水质检测报告

4. 本发明专利实施效果具有可靠性，具体表现在：

本发明专利技术对井水、山泉水、水窖水、融雪水等多种水源水都具有显著的净化效果，且对浊度、有机物、氨氮、铁、锰、色度、嗅味、抗生素等多种典型污染物具有高效的去除作用，满足了不同区域、不同水源类型和不同原水水质的净化需求。因此，本发明专利技术在不同地区、不同水源类型、不同水质条件下均表现出高度的适应性与可靠性，有效地解决了村镇水源多样化、污染物多元化的问题。

图 9 本技术发明在运行实施中具有可靠性

04产业化及市场应用情况

1. 产业化情况

本发明专利技术已经形成了完整的“小试-中试-工程示范”技术体系，技术就绪度高（8-9），并依托于哈尔滨工业大学的深厚科研实力与江苏诺莱智慧水务装备有限公司的产业基础，积极开展技术装备的产业化和推广应用。

针对不同类型村镇的供水需求与原水水质特性，开发了直接超滤（GDM）、GDM+低剂量氯消毒、小径管式反应器/缓速滤池+GDM+低剂量氯消毒、小径管式反应器+缓速滤池+GDM+低剂量氯消毒等多种组合工艺模式和设备类型，涵盖小、中、大三种处理规模（0.5~1000 吨/天），并形成了系列化产品，对不同水源类型和水质条件的适配性更强，可满足单户、单村及村落集群的供水需求。具体的产品及适用范围如下:

（1）针对单户或几户家庭——GDM-S 系列产品

GDM-S-1S 型产品

工艺流程：直接超滤（即 GDM 过滤）

适用水质：优质水源水，如井水、山泉水、窖水、自来水等

特征污染物：悬浮物、颗粒物、胶体、微生物、氨氮等

GDM-S-2S 型产品

工艺流程：缓速滤池+GDM

适用水质：轻度有机物污染的井水、山泉水、窖水、湖水、雨水、自来水等

特征污染物：有机物、微量污染物、悬浮物、颗粒物、胶体、微生物、氨氮、铁、锰等

图 10 (a) GDM-S-1S 型产品模型 (b) GDM-S-2S 型产品模型

（2）针对聚居型村、集、乡、镇，供水规模小于 1000 m3 /d——GDM-F 系

列产品

GDM-F-1S 型产品

工艺流程：直接超滤（即 GDM 过滤）+低剂量氯消毒

适用水质：优质水源水，如井水、山泉水、窖水、水库水、湖水等

特征污染物：悬浮物、颗粒物、胶体、微生物、氨氮等

GDM-F-2S 型产品

工艺流程：小径管式反应器+GDM+低剂量氯消毒

适用水质：适用于浊度和悬浮物浊度较高的原水（如雨水、水库水、湖水、河水等）

特征污染物：悬浮物、颗粒物、胶体、微生物、氨氮等

GDM-F-3S 型产品

工艺流程：小径管式反应器+缓速滤池+GDM+低剂量氯消毒

适用水质：有机物、氨氮含量较高原水（如雨水、水库水、湖水、河水等）

特征污染物：有机物、微污染物、悬浮物、颗粒物、胶体、微生物、氨氮、铁、锰等

GDM-F-4S 型产品

工艺流程：小径管式反应器+缓速滤池+GDM+低剂量氯消毒+智能监测

使用水质：悬浮物、有机物、氨氮等含量较高原水，高品质用水需求

特征污染物：有机物、微污染物、悬浮物、颗粒物、胶体、微生物、氨氮、铁、锰等

运行特征：在线监测、实时传输水质信息；微循环曝气，强化污染物去除

图 11 GDM-F 系列产品

2. 市场应用情况

本发明专利技术依托江苏诺莱智慧水务装备有限公司，提供设备加工和销售，膜设备产能 5000 台套/年，在黑龙江、浙江、江苏、重庆、海南等10余个省市300 余个村镇供水站实现了推广应用，经济效益高达5000万元，服务人口100余万人。

综上，本发明专利技术展现了良好的产业化与市场应用价值，并通过持续技术升级和创新，保持竞争优势，满足更广泛的市场需求

05技术优势

与现有的同类型技术相比，本发明专利技术在操作运维、能耗药耗、产水品质等方面具有显著的优势，且高效适配于村镇供水工程，主要表现在：

（1）超低压重力驱动，节能高效

常规超滤净水技术一般采取加压或泵抽吸的方式进行过滤，运行压力通常为 5-10m，并配有加压泵、反洗泵、加药泵、清洗水箱等一系列附属设备/设施，存

在膜污染严重、清洗频繁、膜使用寿命短等瓶颈问题、本发明专利技术仅依靠水

位高差提供的重力进行驱动过滤，过滤压力仅为 0.2-0.7m，远低于传统超滤统的运行压力，且可在无清洗条件下长期稳定运行，附属设备显著减少，能耗、电

耗显著降低，无需药剂消耗，且整体工艺系统近零维护。因此，相比于传统超滤

技术，本发明专利技术具有显著的经济效益和环境友好性。

（2）无需清洗，近零运维

本发明专利技术引入了生物自清洁技术，突破了传统超滤系统面临的需要频繁清洗的难题。传统超滤净水设备需要定期进行清洗，以防止堵塞和控制膜污染，而本发明专利技术引入了膜表面生物自清洁功能，创新性地将“污染层”转变为“功能层”，通过生物调控技术，使膜表面形成稳定的生物功能层，实现对膜面的自清洁，从而保障了无人操作条件下超滤工艺的长期稳定运行。

（3）无需投药，无药耗和药剂残留问题

传统的村镇净水工艺往往需要向水中投加混凝剂、助凝剂、氧化剂等化学药品，尤其是在水质较差的情况下，往往是通过加大投药量来保障出水水质，不仅增加了药耗，还可能引发化学药剂残留和副产物生成的问题。相比之下，本发明专利技术有机地结合了物理（沉淀、吸附、过滤）+生物功能（分解），并将其用于污染物的去除，因此无需投加任何化学药剂（消毒剂除外），不仅实现了零药耗，还从根本上消除了常规净水工艺存在的药剂残留及其引发的次生水质风险问题，提升了村镇供水的品质和健康性。

（4）成本低，制水成本不超过 0.03 元/吨水

传统超滤或常规工艺存在附属设备多、工艺流程复杂、人力成本高、设备维护量大等问题，导致其制水成本高（0.8-2.0 元/吨水）。相比之下，本发明专利技术利用较低的液位差进行重力驱动过滤，无需加压、无需任何膜清洗、无需药剂投加；以 500 吨/天的实际工程为例，投资成本与运行成本显著降低 90%以上，制水成本低至 0.03 元/吨（含消毒），在农村及偏远地区，成本优势尤为显著。

（5）多级屏障，净水效果有保障

传统超滤或常规净水工艺主要是去除水中的浊度和微生物，对铁、锰、氨氮、抗生素等溶解性污染物去除效果较差。本发明专利技术构建了“小间距折板速沉调节水箱+小径管式反应器+GAC 缓速滤池+生物功能层+超滤膜”等多重截留屏障，可显著强化对水中多元污染物的同步高效去除，出水浊度低于 0.05NTU，致病微生物未检出，铁去除率 98%以上，锰去除率 95%以上，氨氮去除率 80%以上，出水水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022），部分水质指标优于国标。

（6）适配性强，解决了水源多样化和污染物多元化问题

本发明专利采用了多重净水屏障，显著增强了对污染物的去除效能，具备处理不同水源和污染物的能力，可实现不同类型水源水（如井水、湖库水、泉水、融雪水和雨水等）的高效净化，以及强化对多源污染物（如浊度、微生物、氨氮、有机物（如 AOC）、新型污染物（如抗生素 SMX）、铁、锰、重金属、嗅味等） 的去除效能，突破常规净水工艺除污染效能单一、对溶解性污染物去除效果差等 瓶颈问题，对地域性强、水源类型/污染物性质差异大的村镇供水具有很强的适 应性。

（7）稳定性强，工艺设备就绪度高

本发明专利已构建了完整的关键参数和原水水质边界条件清单及优控方法，明确了工艺系统的特征需求及技术适配性，建立了“小试、中试、装备开发、示范工程建设”的全流程技术体系，设备运行稳定性强，显著节省了能耗、电耗、药耗和水耗。

表 1 本发明与行业同类对比

由此可见，本发明专利技术可有效解决村镇供水的痛点与难点问题，突破现有技术效能瓶颈，相比于传统村镇净水技术运行成本可降低 90%以上，制水成本低至 0.03 元/吨水，工艺净水效能大幅提升。同时，以此专利为核心的技术成果经黑龙江省科学技术情报研究院查新表明“目前在国内外所查文献中除委托单位发表的文献外未见相同报道”，处于国际领先水平，相关成果以主要技术发明点获得了黑龙江省科技发明一等奖。

图 12 自主研发关键技术的科技查新报告及奖励

06专利运用及保护

本发明专利于 2021 年 9 月 29 日递交申请，2021 年 12 月 07 日公开，并于 2022 年 11 月 11 日获得授权。本发明专利以“GAC 生物滤池+重力流超滤”为核心净水技术，结合小间距折板速沉调节池、小径管式反应器、低氯消毒等技术，构建了近零维护、低成本的一体化膜滤净水装置，实现了对水中多元污染物的深度去除，适用于村镇净水领域。为了加快本发明专利的有效实施，本专利权人采取了以下措施：

1. 专利运用

获多项国家/省部级项目支持，推进技术研发及产业化进程。围绕本发明专利核心技术，申请人及其团队进行了持续攻关，相继获得了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等项目的资助，具体情况见表 2，为本发明专利技术的研究及工程应用提供了有力的支撑，极大地推进了本发明专利的产业化进程。

表 2 承担政府项目情况

专利技术应用实施，解决实际问题：本发明专利技术在多个企业的净水项目中成功应用，解决了水处理过程中的关键成本和运维难题，降低了运行成本，大幅提升系统净水效能，保障出水水质稳定达标。例如，文昌市会文定大自来水厂通过应用该专利技术，超滤设备的能耗和药耗问题得以解决，运维工作量节省50%以上，制水成本节约 100 余万元/年，出水水质长期稳定达标。类似地，黑龙江阿城供水厂通过该专利技术的使用实现了复杂水质的高效处理，强化了对铁、锰等离子污染物的去除效能，确保了供水水质安全。此外，本发明专利技术还在云南、广西、江西、贵州等 10 余个省份 300 余村镇供水工程中推广应用，这些成功案例充分展现了本发明专利技术在实际生产中的高效性、经济性、稳定

性和可靠性，为企业提供了可持续的净水解决方案。

专利成果转化实施，经济效益显著：本发明专利技术依托江苏诺莱智慧水务装备有限公司，进行膜滤设备的加工与安装，可实现膜设备产能 5000 台套/年，生产的设备在云南、广西、江西、贵州、四川等 10 余个省市 300 余处村镇供水工程中推广应用，经济效益高达 5000 万元，间接服务人口 100 余万人，加快了本发明专利技术的实施与产业化。

2. 专利保护

（1）系列专利群建设

在本发明专利的基础上，专利发明人团队进行了专利内容的深化与拓展，围绕重力流驱动膜滤、高性能材料膜制备、工艺系统节能降耗等方面持续开展技术研发，并申报了一批相关和改进型专利，形成了系列专利群，对本专利实施全面有效的保护，专利群中的核心专利如下：

表 3 除本发明专利外专利群核心专利

（2）建立明确的专利管理制度与方法

为了有效地保护高校的知识产权，本发明人按时支付专利年费，保持专利的有效性，并计划在其他潜在市场国家（如东南亚、非洲、美国等）进一步申请专利，扩大保护范围。定期审查专利市场价值和技术进展，跟踪竞争对手的相关技术和产品，及时调整保护策略与进行专利续展，优化专利布局，保障专利组合的完整性。定期检测市场潜在的侵权行为，如有侵权行为，将采取法律行动，包括发出警告函、提起诉讼或进行和解谈判，并为团队提供知识产权相关培训，确保专利技术的有效运用和保护。

为促进高校与企业合作，维护发明创造人的合法权益，鼓励学校的教职工及学生发明创造的积极性，促进科技成果转化，根据我国现行的有关知识产权的法律法规和教育部关于知识产权管理的规定，结合学校的具体情况，本专利权人哈尔滨工业大学自 1985 年开始实施知识产权保护工作，拥有一支专职的专利代理、管理、运营队伍，发挥着科技成果转化的重要任务，制定了包括《哈尔滨工业大学技术类知识产权管理方法》、《哈尔滨工业大学专利基金暂行办法》、《哈尔滨工业大学职务发明管理办法》和《哈尔滨工业大学促进科技成果转化实施办法》等规章制度。设立了专利专项基金，用于鼓励教师积极投入发明创造，近年来年均投入超 600 万元，在强化知识产权创造、保护、运用、管理和服务工作中成绩显著。

本专利权人哈尔滨工业大学仍在不断完善知识产权管理体制机制，激发科研人员创新活力，同时加强知识产权规范化管理。作为目前黑龙江省知识产权局确定的唯一一所高校知识产权“贯标”试点单位，学校正按照《高等学校知识产权管理规范》要求构建相关知识产权管理规范，以充分发挥知识产权在创新驱动发展中的核心地位，不断加强信息化建设，强化知识产权管理手段。2018 年，学校开展了知识产权信息化平台三期建设，深入开发知识产权信息化管理工作模块，将知识产权管理工作通过信息化手段落实落小落细，实现学校专利管理工作的全流程信息化管理模式，包括：知识产权事务（申请、变更、转让）一站式实时审批；专利法律状态全过程管控；“专利-发明人-院系-领域-项目”整体关联；年费监测与预警提醒等以及实现基于专利价值度的分级管理体系，实现专利数据统计工作的信息化管理。学校采用了创新协同运用机制，促进科技成果主动转化。协同 13 家社会服务资源，在全国率先实施了“高质量专利培育计划”和“产学研合作专利共享计划”，知识产权协同运用工作体系顺利运行。

07效益分析

1. 经济效益

本发明专利技术通过构建“GAC 缓速滤池+重力流超滤”技术体系，实现了超滤工艺/设备的近零维护运行，进而解决了传统村镇净水工艺存在的能耗、药耗、运维问题，在提升产水品质的同时降低了能耗药耗与人力成本，具备显著的经济效益。相比于传统净水技术（制水成本约 0.8-2.0元/吨水），本发明专利技术的处理成本降低 90%以上，吨水成本低至0.03元/吨以下，以实际运行500吨/天的装置为例，每年可以节约费用15万元左右。此外，本专利技术通过膜表面构建生物功能层，具有良好的膜自清洁能力，实现了无运维管理下长达2年以上的稳定运行，膜使用寿命相比于传统超滤工艺延长 50%以上。基于此，膜设备投资成本大幅降低，装置价格仅为约10-20万元，吨水投资成本仅为20元/吨，静态投资回收期仅为 0.5-1 年，高效适配我国分散式村镇供水现状。

2. 社会效益

水是人类生存的重要基石，清洁水生产是支撑社会经济发展和保障民生的国家基础性产业。本发明专利技术具有高效稳定的水质净化能力，特别是针对水源受到污染的地区，这种高效的净化能力有助于产水水质保障，进而降低以水为传播介质的传染病发生率，助力社会稳定发展和村镇居民民生安全保障。此外，本专利技术通过提供低成本、近零运维的净水策略，为村镇饮用水处理的普及提供了技术支持，有利于推动村镇净水技术走向“简，精，实”，为我国美丽乡村建设与经济发展做出贡献。本专利技术在推广应用过程中可催生和带动一批膜产品加工、膜装备生产、销售服务、设备安装等相关配套行业发展，同时促进就业，提高居民经济收入。

3. 环保效益

本专利技术能实现生物自清洁、超低压运行和无药剂投加，具有“高效、稳定、节能、绿色”的水处理优势。基于生物自清洁效应，以本发明专利技术为依托的膜设备/组件的更换频率降低，减少了资源消耗和废物产生，有利于维护村镇社区绿色生态环境。本专利技术采用无动力净水，最大程度地节约能源，助力我国实现“碳达峰、碳中和”战略目标，支持可持续发展。另一方面，村镇地区电力供应不便，本专利技术因其具有重力驱动的技术特征而可以一定程度上避免因供电故障造成的设备损坏，进一步节约生产成本。

综上，该专利通过降低维护成本、提升水质、提高资源利用效率等技术优势，在经济、社会、环保等多个维度展现出显著效益，有助于提高农村居民生活质量和健康水平，为推动我国村镇地区饮用水处理技术的绿色低碳化发展提供重要支撑，助力美丽乡村建设。

08应用前景

1. 保障农村饮用水安全，推进乡村振兴战略发展

2019 年 4 月 16 日在重庆主持召开解决“两不愁三保障”突出问题座谈会时强调“要让农村人口喝上放心水，统筹解决饮用水安全问题”，农村饮用水保障是我国全面推进乡村振兴战略的重要任务，目前我国农村供水市场规模约达3000亿元。

然而，由于村镇饮用水水源存在保护意识薄弱、污染物来源面广等问题，90%以上的水源水面临着浊度、微生物、色度、有机物、铁、锰、嗅味等多元污染问题，以及由农业或畜牧业引起的有机物微污染问题（如农药、杀虫剂、除草剂等）。我国村镇供水工程大部分主要采用混凝-沉淀-过滤-消毒的常规净水工艺，尚缺乏针对性的技术或设备。常规工艺手段主要是去除浊度和微生物，但对水中的溶解性有机物、铁锰、氨氮、新污染物等去除效果差，同时存在兼顾性差、药耗大、能耗高、运维工作量大等问题；部分村镇供水工程采用常规超滤膜净水技术，但也存在着能耗高、膜污染严重、运维大等不足，限制了其推广应用。因此，我国村镇供水领域亟需一种操作简单、低能耗、低维护、少药剂且能去除多元污染物、能适配多样水质与多水源类型的新型净水技术，符合绿色、低碳、可持续发展的理念，保障农村居民的饮水需求和饮水安全。

图 13 国家发改委、水利部联合印发“十四五”水安全保障规划

2. 响应国家村镇治理要求，严守农村供水安全底线

2000 年以来，国家分别实施了农村饮水解困工程、农村饮水安全工程、农村饮水巩固提升工程，截止 2019 年底，中央和地方共投资 4780 亿元，其中，中央投资 2160 亿元，各地共建成 1000 多万处农村供水工程。尽管农村饮水问题经多年整治已经初见成效，但仍需巩固提升。2020 年，习总书记在《在解决“两不愁三保障”突出问题座谈会上的讲话》指出，我国饮水安全方面尚有 104 万贫困人口饮水安全问题没有解决、全国农村有 6000 万人饮水安全需要巩固提升。

2022 年 3 月，国家发改委、水利部联合印发的《“十四五”水安全保障规划》

指出，到 2025 年，全国农村自来水普及率达到 88%，到 2035 年，我国将基本实现农村供水现代化，明确提出“十四五”期间加强对脱贫地区、脱贫人口和供水条件薄弱地区农村人口饮水状况监测，开展农村供水保障工程建设、规模化供水工程建设和小型工程标准化改造等工程建设，强化农村供水工程维修养护与水质保障，守住农村供水安全底线。水利部陈明忠司长表示，至 2024 年底，农村自来水普及率要提升到 92%，规模化供水工程覆盖农村人口比例要达到 63%。这些政策的出台与发布，充分体现了国家政府对农村、村镇饮水安全的高度重视和关注，农村市场前景广阔。

图 14 我国村镇供水发展历程

3. 助力供水现代化进程，构建多元污染适配技术体系

目前，我国城镇供水同样面临水量水质保障水平不高、能耗高、药耗高、成本高等问题，尤其县城地区对饮用水质提升的需求愈加强烈，水厂提质增效工程建设迅速发展。在此背景下，本发明专利技术由于本技术可在无人操作、无药剂投加的前提下，实现对水中污染物的深度净化，净水效能优势突出，供水水质保障能力强，应用范围有望进一步扩大，在县城水厂改扩建和城市二次供水领域大有可为。

09获奖情况

1、2023 年，团队以本专利为基础，申请获批国家重点研发计划“长江黄河等重点流域水资源与水环境综合治理”项目，高品质饮用水净化新型纳滤膜材料制备及分离技术研究与应用示范（项目编号：2023YFC3208000）；

2、2023 年，团队以本专利为基础，申请获批国家自然科学基金委“双碳”专项，“城市多介质碳污协同减控关键技术原理”（项目编号：52341001）；

3、2022 年，团队以本专利为基础，申请获批国家自然科学基金区域创新联合发展基金重点支持项目，“基于岸滤和一步式膜滤的低药低耗型寒地生态净水工艺与原理”（项目编号：U22A20240）；

4、2021 年，团队以本专利为基础，经黑龙江省人民政府审批，荣获黑龙江省技术发明一等奖；

5、2023 年，团队以本专利为基础，完成由中华人民共和国科学技术部组织的科技查新（报告编号:2023230220030GJ），结论为“目前在国内外所查文献中除委托单位发表的文献外未见相同报道”；

6、2021 年，参评专利发明人梁恒教授荣获中国膜工业协会“中国膜行业教育名师奖”；

7、2019 年，参评专利发明人梁恒教授荣获“中国水业杰出青年”称号；

8、2023 年，参评专利发明人唐小斌教授荣获由黑龙江省人才工作领导小组授予的“黑龙江省高层次人才”；

9、2021 年，参评专利发明人梁恒教授参与设计宁波桃源水厂及出水管线工程设计，并获由中国勘察设计协会授予的“市政公用工程设计一等奖”；

10、2023 年，以本专利为基础，获得第九届中国国际“互联网+”国赛铜奖。

11、2022 年，以本专利为基础，获得第八届中国国际“互联网+”省赛金奖。

12、2021 年，以本专利为基础，获得第七届中国国际“互联网+”省赛金奖。

13、2022 年，以本专利为基础，获得第十五届全国大学生节能减排大赛国家二等奖。

14、2024 年，以本专利为基础，获得第十七届全国大学生节能减排大赛国家三等奖。

15、2021 年，以本专利为基础，获得第五届深水杯全国特等奖。

16、2021 年，以本专利为基础，获得“北控水务杯”第四届中国“互联网+”生态环境创新创业大赛全国季军。

17、2024 年，以本专利为基础，获得第十届中国国际“互联网+”省赛金奖。

18、2023 年，以本专利为基础，获得第九届中国国际“互联网+”省赛银奖。