大數據分析中國污水處理研發和專利現狀

徐　涵

（1福建新大陸環保建設工程有限公司福建福州3500152環保研究院新大陸科技集團有限公司福建福州350015 3福建農林大學園藝學院福建福州3500024法國圖盧茲綜合科學研究所（IRIT-ARI）法國圖盧茲31300）

大數據分析中國污水處理研發和專利現狀

徐涵1，2，3，4

（1福建新大陸環保建設工程有限公司福建福州3500152環保研究院新大陸科技集團有限公司福建福州350015 3福建農林大學園藝學院福建福州3500024法國圖盧茲綜合科學研究所（IRIT-ARI）法國圖盧茲31300）

為評價我國污水處理技術發展現狀，通過大數據將污水處理學術研究數據和專利授權數據進行歸集分析，特別是對污水處理相關的新材料、新技術、新工藝以及相關的社會科學類研究進行了解析。結果顯示，大眾媒體對污水話題顯示出高的關注度。污水處理的學術研究數據（DAR）包含了自2000年至2015年的約11.6萬條信息，其在2011年前每年都快速增加，之后呈現起伏狀態；DAR理工類研發數據約占93%，社科類研究比例較小（11%）并基本保持平穩。DAR中的設備、濾料、工藝等污水處理的核心技術占比各為8%、1%、7%。污水處理相關專利包含了自2000年至2015年的約1.4萬條授權信息，年度專利授權數量在2007年前穩步增加，之后呈加速增長趨勢；該專利數據中設備類專利約占93%，濾料類39%、工藝類27%。由于存在領域和學科的交叉，本大數據為交集數據。基于大數據分析，對污水處理的發展進行了討論。

污水；設備；濾料；技術；工藝；專利；大數據

1　前言

隨著我國對生態環境的重視，全國《水污染防治行動計劃》（2015年4月頒布，簡稱水十條）《土壤污染防治行動計劃》（2016年5月頒布，簡稱土十條）和《大氣污染防治行動計劃》（2016年5月頒布，簡稱土十條）及各省市相應的環保目標定位，生態環境隨著環保技術及產業發展將會得到極大的改善。要完成“十三五”規劃和上述計劃的目標，必然要求我國盡快發展污水處理的高端研發和高技術企業，加快工程實施和知識產權的推廣和保護。本文旨在對近年我國污水處理技術行業的大數據進行分析，為促進生態建設、環保研發和推動行業發展提供參考。

2　數據采集及分析方法

以百度搜索、百度高級搜索、百度學術搜索等百度搜索引擎進行公眾媒體類的數據搜索和歸集。

學術研究文獻數據由中國知網CNKI數據庫查詢和收集。專利文獻由國家知識產權局專利數據庫檢索和收集。CNKI數據庫的第一層次檢索以“污水”為標題檢索詞進行檢索收集；次級檢索對理工類數據及社科類數據進行檢索收集，或對行業或領域數據進行檢索收集，分設備、濾料、工藝三個部分，同時也關注相應的理工類及社科類數據作為第三級檢索，最后以年度作為時間軸進行數據歸集。次級檢索詞設置為：主題“設備”并含“污水”，以“或者”關系做篇名檢索。多個檢索詞的聯合檢索按數據庫的檢索規則覆蓋所檢索行業或領域。對本世紀以來2000-2015年共16年的數據按不同學科、行業或領域及時間進行歸集、統計和比對，并依之探討對應領域的發展狀況。

檢索詞設定參考了給排水領域機械類手冊中的設備詞匯。污水處理設備類數據檢索和收集使用設備檢索詞組合。首先以污水設備為主題，在全數據庫進行全時段、全領域檢索收集；然后進行次級檢索。在“設備、裝置、系統、控制箱、控制柜、機械、器、閥、槽、管、泵、車、件、網、板、閘、柵、塔”中分別通過搜索相應的文獻量對搜索詞的權重程度排序，得到：設備、裝置、泵、器、機、網、塔、槽等排序。為避免擴大檢索詞范圍將導致非核心設備類的文獻的混入，以前6個關鍵詞進行篇名聯合檢索和收集。污水處理濾料類的數據以篇名聯合檢索進行收集，使用檢索詞組合“污水、濾料、分子篩、陶粒、MBR”。污水處理工藝處理類的數據以主題和篇名聯合檢索進行收集，主題檢索詞為“污水”和“工藝”，使用篇名檢索“污水、應用”或“污水、方法”。文理科數據分類按CNKI總學術領域分類進行，其中“信息科學”的新聞與傳媒、出版、圖書情報與數字圖書館、檔案及博物館等學科分為社科類數據。

專利數據按照國家知識產權局專利檢索規定檢索式進行檢索。專利數據的檢索和歸集原則和技術路線與CNKI研發文獻的數據庫檢索的情況相同。由于專利文獻的檢索方式與CNKI數據庫不盡相同，因此根據該數據庫檢索規則，設備類數據收集的檢索選權重較大的檢索詞“設備、裝置、系統、控制箱、控制柜、機械、器、閥、槽、管、泵、車、件、網、板、閘、柵”作為檢索詞組合進行摘要檢索；濾料類數據收集的檢索使用“濾料、活性炭、分子篩、處理劑、凈化劑、菌劑、凝膠、復合材料、絮凝劑、穩定劑、消除劑、膜、陶粒、粉劑、顆粒、微球、納米球、陶瓷、海綿、過濾、吸附、催化、分解、降解”作為檢索詞組合；工藝類數據收集使用檢索詞組合“工藝、方法、應用”。年度專利數據的歸集按專利公告日劃分。專利數據無社科類數據歸集分析。

數據歸集使用檢索詞組方式獨立進行，數據集保持度各自檢索獨立，之間不進行換算。由于跨領域和跨學科的情況存在，各數據集有部分交叉，因此本文統計數據為交集數據，不為簡單相加的集合。所收集的數據以Excel進行分析。本文大數據主要含蓋中文數據資料。

3　結果

3.1公共媒體數據

以百度為公共媒體搜索引擎，不同的搜索時段和搜索方式可以得到相應數據。截止到2016年6月30日，以“污水”為關鍵詞，用不同的百度搜索引擎進行全時段檢索，得到如表1所示數據。

表1　公共媒體對生態環境的大數據（2016-06-30）單位：萬條

3.2學術數據

截止2016年6月30，以“污水”為主題詞通過知網學術文獻全數據庫全時段查詢，搜索到138207條結果，本世紀以來（2000-2015年）116137篇信息（污水處理學術研究數據，DAR），其中，基礎、工程、農業、醫藥類及信息科技中的無線電、電信、計算機、互聯網、自動化類（簡稱污水理工類數據）107510篇、哲學、人文、社會、經濟管理及信息科技中新聞、出版、圖書、檔案類（簡稱污水社科類數據）12282篇。其本世紀以來截止到2015年底的數據年度分布如圖1所示。理工類數據和社科類數據之和超出總數據數的文獻屬于交叉學科內容。

DAR在2000年至2015年的分布顯示，在2011年前DAR每年都快速增加，之后呈現起伏狀態；其中理工類研發數據量占總DAR 93%，發展趨勢與總數據所顯示的基本一致；社科類研究比例較小（11%），在2004至2007年之間出現過小幅度上升，之后基本保持平穩。在DAR中，設備、濾料、工藝等污水處理的數據占比各為8%、1%、7%。

圖1　21世紀（2000-2015年）中國污水處理研究總數據及其理工類和社科類分項數據年度分布圖

以污水設備檢索詞組合通過知網學術文獻全數據庫全時段查詢，檢索到10973條信息。本世紀以來（2000-2015年）查詢到設備類學術文獻8745篇（簡稱污水處理設備研究總數據），其中理工類8229？篇（占設備總數據94%）、社科類782篇，近年分布如圖2所示。理工類數據和社科類數據之和超出污水設備總數據量的文獻屬于交叉學科內容。

圖2　21世紀（2000-2015年）中國污水處理設備研究總數據及其理工類和社科類分項數據年度分布圖

以濾料檢索詞組合通過知網學術文獻全數據庫全時段查詢我國污水處理濾料研究總數據及其理工類和社科類分項數據，檢索到污水處理濾料研究總數據1499條信息。本世紀以來（2000年—2015年）查詢到污水處理類學術文獻1394篇（簡稱污水處理濾料研究總數據），其中理工類1399？篇（約占濾料總數據100%）、社科類5篇，近年分布如圖3所示。2000年至2015年間我國污水處理濾料研究總數據顯示，除2002年和2010年度各有一個大幅增長外，其他年份研究呈穩定增長趨勢。2015年有小幅回落。

圖3　21世紀（2000-2015年）中國污水處理濾料研究總數據及其理工類和社科類分項數據年度分布圖

以工藝檢索詞組合通過知網學術文獻全數據庫全時段查詢我國污水處理工藝研究總數據及其理工類和社科類分項數據，檢索到污水處理工藝研究總數據9027條信息。本世紀以來（2000-2015年）查詢到設備類學術文獻7962篇（簡稱污水處理工藝研究總數據），其中理工類7898？篇（占濾料總數據99%）、社科類83篇（占濾料總數據1%）；其近年分布如圖4所示。

圖4　本世紀（2000-2015年）中國污水處理工藝研究總數據及其理工類和社科類分項數據年度分布圖

3.3專利數據

以污水、污水處理設備、污水處理濾料和污水處理工藝等檢索詞組合通過專利文獻全數據庫全時段查詢。由于數據庫檢索指令及其檢索功能匹配程度不穩定，搜索得到的數據出入較大。因此檢索結果以檢索數交穩定的數據集進行歸集統計和分析。

自我國1985年實施專利法至今，涉及污水處理的相關專利申請數約2.8萬件，其中授權專利約1.7萬件，專利授權率約60%。

本世紀以來（2000-2015年），污水處理相關專利授權總數1.4萬件，占1985年以來全部污水處理相關專利總數的60%。其中，2000-2015年污水處理設備專利授權數1.3萬件，占同期污水處理專利總數的93%；污水處理濾料專利占污水處理專利總數的39%，污水處理工藝專利占污水處理專利總數的27%。污水處理專利總數據和設備類、濾料類和工藝類各分項數據及其近年的年度分布如圖5所示。

圖5　本世紀（2000-2015年）中國污水處理行業專利總數據及其設備類、濾料類和工藝類分項數據年度分布圖

4　結語

本文學術和專利的大數據都分為總數據和分項數據兩個層次的數據。分項數據為所使用索引詞組合為核心的數據群，由于技術、材料和工藝都是多功能的、可適用于多種領域，因此分項數據群之間存在交叉，各分項數據之和大于總數據。因此，本文所列數據和曲線應以相互交叉的交集數據使用，而不是簡單的相加關系。

以百度公眾媒體信息量為例進行比較，可以看出社會各界對污水很高的關注度；該公眾媒體數據量比學術界和專利兩個信息量之和高出3個數量級。特別是對環境污染突發事件、民眾切身利益處理和政府職能等方面，社會關注度很高。

DAR在2000年至2015年的數據分布統計顯示，其在2011年前每年都快速增加，之后呈現起伏狀態，特別是2015年出現小幅回落。DAR中的理工類研發數據量占總93%，對DAR起著決定性的作用。社科類研究比例較小（11%），近年來基本保持平穩。在DAR中，設備、濾料、工藝等污水處理的數據占比各為8%、1%、7%，說明污水處理的核心技術內容占比很小。

高端設備制造是污水處理工程的基礎和未來發展的驅動力之一。關鍵設備的國產化突破，往往導致行業的投入減少。例如大型臭氧發生器的國產化，使我國臭氧取代氯進行水處理的造價大幅度降低、氯次生污染也得以大幅度減小［9，10］。污水處理設備的大數據顯示，2000年至2015年間我國學術界對污水處理設備的研發力度除2009年小幅回落外，基本呈逐年增加的態勢，在2015年，又有所回落。設備理工類研發占94%，決定了總數據變化趨勢；社科類研究只占設備總數據的9%（其中93%為管理類），近年水平度保持基本穩定。

新材料的發展會極大提高相關行業的發展。高性能濾料除了過濾功能外還具有催化及生物群落發育和降解污染物作用，不僅在污水處理中起支撐作用，在給水排水領域都有廣泛的應用［10，11］。大數據顯示，2000年至2015年間我國學術界對污水過濾材料和多功能過濾處理材料的研發力度總的趨勢是逐年加強，除2002年和2010年度有大幅增長外，其他年份研究呈穩定增長趨勢。2015年有小幅回落。社科類數據以管理類研究為主，但比例很小。

污水處理由設備、材料、方法等各子系統綜合配套后以所綜合產生的最優處理效果的工藝系統完成。污水處理工藝的優化不僅提高排放標準規定內的污水排放質量，而且也對污水排放標準尚未納入的有害物質進行處理［12］。污水處理工藝大數據顯示，我國學術界對污水處理工藝的研發力度總的趨勢是逐年加強，社科類研發比例較小（1%）。

污水處理專利總數據在2009年前穩步增長，近年來呈加速增長趨勢。其中污水設備類專利占絕大部分（93%），并決定了總數據的走勢。污水處理濾料類專利約占污水處理專利總數據的39%，其數量近年來加速增長。污水處理工藝屬于更綜合和更復雜的技術系統，因此這類專利數量較少，占總污水處理專利數的約27%，一直呈平穩發展狀態。

2015年，我國知識產權局共受理發明專利申請110.2萬件，同比增長18.7%，連續5年位居世界首位。共授權發明專利35.9萬件。其中，國內發明專利授權26.3萬件，比2014年增長了10萬件，同比增長61.9%［13］。污水處理專利2015年總數比2014年增長48%。污水處理學術研發總數據及理工類和社科類分項數據都在2015年比2014年小幅下降6%~7%。相比之下，說明我國生產力轉化效率在逆勢而上。

污水處理關系到國計民生，是可持續發展的關鍵點。近年來我國加大了環境治理的力度，污水治理從社會關注、政策目標制定、科技發展、工程實施、標準提升、環境監察、法律法規配套和體制建設等方面全方位推進。本文的大數據顯示：在世界經濟低迷、我國經濟發展進入新常態等不同的時期，污水處理的研發力度基本穩步增長，并且在理工類研發的基礎上，以管理為主的相應社會科學逐漸得到發展。這說明，我國政府和企業對污水治理不僅沒有受到經濟下滑的影響，反而逆勢上揚，持續加大對污水處理各領域科技和工程建設及軟科學的投入，使得污水處理產學研商得以迅速發展。近5年的大數據數量加速增長可以作為加速發展的印證。

從社科類數據占污水總數據11%的大數據比例評價，今后一個時期政策和軟科學應配套技術研究予以加強，以全面解決當前面臨的問題和“十一五”遺留的問題［15］。

值得注意的是，2015年研發類大數據及各分項數據都顯示研發下行的狀況。這一方面可能是由于上一年的數據尚不能在之后的6個月內完全體現（本文統計截止至2016年6月30日）。另一方面，如果研發力度減弱，則警示給排水行業應加大研發投入和力度，以保障我國污水處理行業知識產權逆勢上揚的發展勢頭得以持續。

［1］中華人民共和國中央人民政府.水污染防治行動計劃［EB/OL］［2015-04-16］.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.ht m.

［2］中華人民共和國中央人民政府.土壤污染防治行動計劃［EB/OL］.［2016-05-31］.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2016-05/31/content _5078377.ht m.

［3］中華人民共和國中央人民政府.大氣污染防治行動計劃［EB/OL］.［2013-09-12］.http：//www.gov.cn/zwgk/2013-09/12/content_2486773. htm.

［4］百度（默認網頁搜索）.http：//www.baidu.com/，高級搜索.http：//www.baidu.com/gaoji/advanced.html，新聞.http：//news.baidu.com/，知道.http：//zhidao.baidu.com/，學術.http：//xueshu.baidu.com/.

［5］中國知網CNKI.http：//epub.cnki.net/kns/brief/result.aspx？dbprefix=scdb&action=scdbsearch&db_opt=SCDB

［6］中華人民共和國國家知識產權局..http：//www.pss-system.gov. cn/sipopublicsearch/search/searchHomeIndex..html.

［7］上海市政工程設計院.給水排水設計手冊：第9冊.專用機械李良.

［8］綠色筆耕.

［9］陳健，王濤.一種放電單元模塊化結構的臭氧發生器.

［10］劉文君，楊宏偉，張麗萍，李世俊，劉建廣，孫韶華，韓立能.高臭味、高溴離子引黃水庫水臭氧—生物活性炭處理技術研究與示范.

［11］李剛，樊耀波，袁棟棟.膜污染中污泥層阻力模型及影響因素研究.

［12］馬軍，文剛，邵曉玲.城市污水處理廠各工藝階段內分泌干擾物活性變化規律研究

［13］龔亞麟.圖文直播：2015年發明專利申請授權及其他有關情況新聞發布會［EB/OL］.［2016-01-14］.http：//www.si po.gov.cn/twzb/2015 ndzygztjsj.

［14］曲久輝，王凱軍，王洪臣，余剛，柯兵，俞漢青.設面向未來的中國污水處理概念廠，引領城市污水處理高質量發展王凱軍.我國村鎮污水處理的問題與思考［J］.給水排水動態，2016（1）：18-19.作者簡介

徐涵（1961－），外文筆名Xu XuHan，男，博士、教授，從事農業與環境科學及新材料研究。現任福建新大陸環保建設工程有限公司（Fujian New land Environmental Construction Co.Ltd.，Fuzhou，）總經理，新大陸科技集團有限公司環保研究院（Academy of Environment Protection，New land Hi-Tech Group Co.Ltd.，Fuzhou，350015，China）副院長，福建農林大學（College of Horticulture，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou）閩江學者講座教授，法國圖盧茲綜合科學研究所（Institut de la Recherche Interd isciplinaire de Toulouse，IRIT-ARI）研究員。

本研究得到福建省優秀留學回國人員項目、福州市引進高層次優秀人才項目、福建省閩江學者獎勵計劃（MJJZ13-003）資助。致謝林默、謝析穎參加數據收集分析。