人工濕地污水處理技術(shù)專利申請(qǐng)分析及行業(yè)趨勢(shì)研究

吳瑜燕

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

人工濕地污水處理技術(shù)專利申請(qǐng)分析及行業(yè)趨勢(shì)研究

吳瑜燕

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

過檢索國(guó)內(nèi)人工濕地技術(shù)專利的申請(qǐng)情況，分析人工濕地技術(shù)研究的技術(shù)態(tài)勢(shì)、技術(shù)專利的類別以及申請(qǐng)地域和申請(qǐng)人的分布情況；對(duì)主要幾種人工濕地技術(shù)類別專利數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析，試圖研究不同類別人工濕地技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景以及國(guó)內(nèi)人工濕地技術(shù)領(lǐng)域的整體發(fā)展態(tài)勢(shì)，為行業(yè)的發(fā)展和研究提供參考。

人工濕地 ；專利數(shù)量 ；發(fā)展態(tài)勢(shì)

0 引言

人工濕地污水處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種新型污水生態(tài)處理技術(shù)。該技術(shù)的原理是通過人工建造和控制來運(yùn)行與沼澤地類似的地面，將污水有控制地投配到濕地上，使污水在濕地土壤縫隙和表面沿一定方向流動(dòng)的過程中，利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水進(jìn)行處理。人工濕地的實(shí)質(zhì)是人為地構(gòu)建一個(gè)綜合生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)用其中各個(gè)共生物種的能量和物質(zhì)循環(huán)的再生作用，促進(jìn)廢水中污染物實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，獲得污水處理與資源化的最佳效益。

我國(guó)對(duì)于人工濕地技術(shù)的研究起步較晚，直到“七五”期間才開始展開相關(guān)的研究工作。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)及科技實(shí)力的快速增長(zhǎng)，改革開放后城鄉(xiāng)水體污染問題日益突出，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步[1-3]。

1 人工濕地技術(shù)國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)分析

筆者統(tǒng)計(jì)分析了在2016年10月21日之前公開發(fā)表的人工濕地文獻(xiàn)，共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)1 128篇，其中發(fā)明類為579件，而實(shí)用新型類為549件。

1.1 呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)

由圖1可見，我國(guó)的人工濕地專利申請(qǐng)始于2000年，之后隨著時(shí)間的發(fā)展呈高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。究其原因，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)生活污水產(chǎn)量持續(xù)增加，水環(huán)境污染問題日益突出且受到的重視程度越來越高。在污水處理技術(shù)方面，利用化學(xué)手段進(jìn)行污水處理成本較高，并且存在化學(xué)藥劑使用過度造成二次污染的問題。人工濕地污水處理技術(shù)相較傳統(tǒng)的化學(xué)處理或生化處理工藝，具有環(huán)保、投資少、運(yùn)營(yíng)成本低、凈化效果好等優(yōu)勢(shì)。因此，在短短十五年間，人工濕地處理技術(shù)專利的申請(qǐng)量就從無到有，到了2015年年申請(qǐng)量已達(dá)221件，發(fā)展速度很快。圖1中2016年之后專利數(shù)據(jù)的下降，經(jīng)推斷是由于專利文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)公開滯后所產(chǎn)生的。

圖1 人工濕地技術(shù)中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

1.2 外國(guó)申請(qǐng)人比例偏低

經(jīng)過對(duì)人工濕地技術(shù)專利申請(qǐng)人的信息進(jìn)行分析，可見外國(guó)申請(qǐng)人在國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量很少，公開的數(shù)據(jù)中僅可見一件2006年來自韓國(guó)的相關(guān)請(qǐng)。總體來說，國(guó)外申請(qǐng)人在國(guó)內(nèi)提出的人工濕地技術(shù)專利申請(qǐng)很少。經(jīng)分析，這可能是由人工濕地的技術(shù)特點(diǎn)造成的。人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)匚鬯饕廴疚锏念愋汀?dāng)?shù)厮参锏念悇e等地域限制條件明顯的因素關(guān)聯(lián)性很大，國(guó)外人工濕地的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方法在國(guó)內(nèi)普遍適應(yīng)性較差。

1.3 發(fā)明類專利數(shù)量較高

通過對(duì)人工濕地技術(shù)專利類型的分析，發(fā)現(xiàn)在人工濕地技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)明專利申請(qǐng)的數(shù)量稍高于實(shí)用新型專利申請(qǐng)，這與我國(guó)較常見的重實(shí)用新型申請(qǐng)而輕發(fā)明專利申請(qǐng)的情況有所不同。而這一點(diǎn)應(yīng)該是由于人工濕地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其構(gòu)建方法和使用方法結(jié)合緊密所造成的。

1.4 申請(qǐng)地域及申請(qǐng)人分布情況

筆者對(duì)申請(qǐng)人工濕地技術(shù)專利的省市進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見圖2，列出了按專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)，排名前十（第十名有并列）的省市。除北京以，人工濕地技術(shù)專利的申請(qǐng)地多數(shù)為東南沿海省市，這一方面是因?yàn)楸本?、上海等重點(diǎn)城市與東南沿海等發(fā)達(dá)地區(qū)的水污染問題更為緊迫，水體生態(tài)化處理的需求更大，另一方面也與這些區(qū)域相對(duì)更為雄厚的經(jīng)濟(jì)與科研實(shí)力是密不可分的。

圖2 人工濕地技術(shù)專利申請(qǐng)量分布情況

圖3 為專利申請(qǐng)量排名前十（第十名有并列）的申請(qǐng)人。由圖3可見，排名前十的申請(qǐng)人大部分為科研院所，只有一位為企業(yè)申請(qǐng)人。其中山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所、同濟(jì)大學(xué)和中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院等高等級(jí)的科研院所的申請(qǐng)量較大。另外，從對(duì)申請(qǐng)人的類型分析來看，科研院所和企業(yè)在這個(gè)技術(shù)中的投入程度最大。

圖3 人工濕地技術(shù)專利申請(qǐng)人分布情況

2 基于專利數(shù)量的人工濕地技術(shù)分類發(fā)展分析

按照污水在濕地中流動(dòng)方式的不同，可以將人工濕地系統(tǒng)分為三種類型，分別是表面流人工濕地（SFCW，Surface flow constructed wetland，圖 4中簡(jiǎn)化為表面流）、水平流人工濕地（HFCW，Horizontal flow constructed wetland，圖4中簡(jiǎn)化為水平流）和垂直流人工濕地（VFCW,Vertical flow constructed wetland，圖4中簡(jiǎn)化為垂直流）。為了提高人工濕地的通用性，又發(fā)展出現(xiàn)了第四種類型，也就是以上三種濕地的任意組合而形成的復(fù)合流人工濕地（圖4中簡(jiǎn)化為復(fù)合流）。筆者基于對(duì)各類人工濕地技術(shù)相關(guān)專利數(shù)量的分析，對(duì)人工濕地的這四種主要技術(shù)類別的發(fā)展情況進(jìn)行了一定的分析。

圖4 人工濕地技術(shù)主要類別專利申請(qǐng)情況

2.1 表面流人工濕地發(fā)展分析

表面流人工濕地類似于自然濕地，污水以較慢的速度從濕地表面流過，污水中有機(jī)物的去除主要倚靠生長(zhǎng)在水下的植物莖稈上的生物膜完成，濕地中的氧氣主要來自于水體表面擴(kuò)散，植物根系的傳輸和植物的光合作用。這類濕地的問題在于受氣候影響較為嚴(yán)重，夏季容易滋生蚊蠅，在北方地區(qū)冬天容易結(jié)冰，最主要的是這類濕地的占地面積大，去污能力有限。正是由于這些問題，表面流人工濕地的發(fā)展較其他類別更慢，且在2014年有大幅的下降，但在2015年之后，相關(guān)研究人員將表面流人工濕地與園林景觀的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)相結(jié)合，又掀起了新的研究熱潮，申請(qǐng)量又重新有了大幅度的提升。表面流人工濕地相關(guān)的專利申請(qǐng)達(dá)到了138件，占申請(qǐng)總量的12%。

2.2 水平流人工濕地發(fā)展分析

水平流人工濕地，因污水水平流過填料床得名，由一個(gè)或多個(gè)填料床組成，床體填充基質(zhì)并設(shè)有防滲透層防止污染地下水。污水凈化期間，污水在填料床的內(nèi)部流動(dòng)，一方面可以充分利用植物根系和填料的截留處理作用，以達(dá)到對(duì)污染物指標(biāo)較好的去除效果；另一方面，水在地表下流動(dòng)，受氣候影響小。因此，對(duì)于這種濕地的研究較為集中。由圖4可見，水平流人工濕地的發(fā)展一直保持著良好的勢(shì)頭，所占比重也較大。隨著污水種類的復(fù)雜化以及處理要求的提高，對(duì)水平流人工濕地技術(shù)的研究還拓展到了與立體景觀、供暖水系統(tǒng)以及曝氣池等相關(guān)技術(shù)結(jié)合的范疇。水平流人工濕地相關(guān)的專利申請(qǐng)達(dá)到了431件，占申請(qǐng)總量的38%。

2.3 垂直流人工濕地發(fā)展分析

垂直流人工濕地，污水從濕地表面縱向流向填料床的底部，氧氣可以通過大氣擴(kuò)散和植物傳輸而進(jìn)入濕地系統(tǒng)。最初的垂直流人工濕地主要依靠植物和填料床對(duì)氧氣的制造和傳輸能力提高凈化能力，隨著技術(shù)的發(fā)展，增氧手段進(jìn)一步增多，人工干預(yù)的程度越來越高。這類濕地可以用于處理氨氮含量較高的污水，對(duì)有機(jī)物的去除能力不如水平流人工濕地系統(tǒng)。但是由于目前大多數(shù)污水中氨氮含量較高，因此垂直流人工濕地的應(yīng)用和研究也較廣。由圖4可見，垂直流人工濕地的申請(qǐng)量逐年提高，2015年和2016年申請(qǐng)量有所回落是由于部分專利申請(qǐng)文獻(xiàn)未公開的緣故。垂直流人工濕地相關(guān)的專利申請(qǐng)達(dá)到了382件，占申請(qǐng)總量的34%。

2.4 復(fù)合型人工濕地發(fā)展分析

復(fù)合型人工濕地是上述三種類型的任意組合，這種濕地是為了克服單一型人工濕地的局限性而出現(xiàn)的。這種濕地根據(jù)需要處理的污水類型以及地形，由兩種以上濕地組合而成。理論上，復(fù)合濕地結(jié)合兩種或以上濕地各自的優(yōu)點(diǎn)，但濕地的優(yōu)化組合并非簡(jiǎn)單的疊加便可實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)很多實(shí)際因素進(jìn)行考慮。因此復(fù)合濕地的效果并沒有預(yù)期的那么理想，專利申請(qǐng)的勢(shì)頭也相對(duì)較為低迷，申請(qǐng)量為177件，占申請(qǐng)總量的16%。

3 結(jié)論與建議

雖然我國(guó)的人工濕地污水處理技術(shù)起步較晚，但是由于環(huán)境問題日益突出和專利申請(qǐng)意識(shí)的提高，該技術(shù)的申請(qǐng)量近年來一直呈現(xiàn)快速增加的態(tài)勢(shì)；由于人工濕地技術(shù)的地域性特點(diǎn)較強(qiáng)，專利申請(qǐng)以國(guó)內(nèi)為主，國(guó)外專利申請(qǐng)量很少。

就人工濕地技術(shù)專利申請(qǐng)人的分布情況而言，科研院所掌握的人工濕地凈化污水技術(shù)較多，但是產(chǎn)業(yè)化程度較弱；企業(yè)的專利申請(qǐng)量相對(duì)較小且局限性較大，主要限于企業(yè)所在區(qū)域的人工濕地技術(shù)的研究。建議環(huán)保企業(yè)應(yīng)加大與科研院所的合作，以促進(jìn)更為先進(jìn)的人工濕地污水處理污水技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

從基于專利申請(qǐng)數(shù)量的人工濕地技術(shù)類別分析情況來看，復(fù)合型人工濕地具有兩種以上濕地的優(yōu)點(diǎn)，但是由于目前的研究尚不足以將這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行高效的結(jié)合，對(duì)于應(yīng)用較為廣泛的水平流和垂直流型人工濕地的研究仍然占據(jù)主流地位。另外，目前多數(shù)技術(shù)專利仍聚焦于人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上，對(duì)填料、管道等材料的研究相對(duì)較少。筆者認(rèn)為，人工濕地技術(shù)領(lǐng)域的研究者們應(yīng)當(dāng)加大對(duì)基礎(chǔ)材料的研究和改進(jìn)工作，從而更好地滿足要求越來越高、內(nèi)容越來越多樣的污水處理需求。

[1]孫桂琴,董瑞斌,潘樂英,等.人工濕地污水處理技術(shù)及其在我國(guó)的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)2006,29(增刊):144-146.

[2]陳展弘,曹美娟.關(guān)于人工濕地對(duì)初期雨水處理的探討[J].城市道橋與防洪,2014(2):92-94.

[3]梁康,王啟爍,王飛華,等.人工濕地處理生活污水的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(3):422-428.

TU992.3

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1009-7716（2017）09-0107-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.031

2017-05-10

吳瑜燕（1981-），女，福建龍巖人，高級(jí)工程師，從事區(qū)域經(jīng)濟(jì)和城市規(guī)劃研究工作。