人工濕地污水處理技術(shù)專利申請分析及行業(yè)趨勢研究

吳瑜燕

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(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)專利申請分析及行業(yè)趨勢研究

吳瑜燕

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

過檢索國內(nèi)人工濕地技術(shù)專利的申請情況，分析人工濕地技術(shù)研究的技術(shù)態(tài)勢、技術(shù)專利的類別以及申請地域和申請人的分布情況；對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)狀和前景以及國內(nèi)人工濕地技術(shù)領(lǐng)域的整體發(fā)展態(tài)勢，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

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。

我國對于人工濕地技術(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。由于我國經(jīng)濟(jì)及科技實(shí)力的快速增長，改革開放后城鄉(xiāng)水體污染問題日益突出，這一技術(shù)在國內(nèi)得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步[1-3]。

1 人工濕地技術(shù)國內(nèi)專利申請分析

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)高速增長的態(tài)勢

由圖1可見，我國的人工濕地專利申請始于2000年，之后隨著時(shí)間的發(fā)展呈高速增長的態(tài)勢。究其原因，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(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)營成本低、凈化效果好等優(yōu)勢。因此，在短短十五年間，人工濕地處理技術(shù)專利的申請量就從無到有，到了2015年年申請量已達(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)中國專利申請趨勢

1.2 外國申請人比例偏低

經(jīng)過對人工濕地技術(shù)專利申請人的信息進(jìn)行分析，可見外國申請人在國內(nèi)的申請量很少，公開的數(shù)據(jù)中僅可見一件2006年來自韓國的相關(guān)請。總體來說，國外申請人在國內(nèi)提出的人工濕地技術(shù)專利申請很少。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，國外人工濕地的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方法在國內(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)明專利申請的數(shù)量稍高于實(shí)用新型專利申請，這與我國較常見的重實(shí)用新型申請而輕發(fā)明專利申請的情況有所不同。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 申請地域及申請人分布情況

筆者對申請人工濕地技術(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)專利的申請地多數(shù)為東南沿海省市，這一方面是因?yàn)楸本⑸虾５戎攸c(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)專利申請量分布情況

圖3 為專利申請量排名前十（第十名有并列）的申請人。由圖3可見，排名前十的申請人大部分為科研院所，只有一位為企業(yè)申請人。其中山東大學(xué)、中國科學(xué)院水生生物研究所、同濟(jì)大學(xué)和中國環(huán)境科學(xué)研究院等高等級的科研院所的申請量較大。另外，從對申請人的類型分析來看，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中簡化為表面流）、水平流人工濕地（HFCW，Horizontal flow constructed wetland，圖4中簡化為水平流）和垂直流人工濕地（VFCW,Vertical flow constructed wetland，圖4中簡化為垂直流）。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中簡化為復(fù)合流）。筆者基于對各類人工濕地技術(shù)相關(guān)專利數(shù)量的分析，對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)的專利申請達(dá)到了138件，占申請總量的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，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)到對污染物指標(biāo)較好的去除效果；另一方面，水在地表下流動，受氣候影響小。因此，對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)的專利申請達(dá)到了431件，占申請總量的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量逐年提高，2015年和2016年申請量有所回落是由于部分專利申請文獻(xiàn)未公開的緣故。垂直流人工濕地相關(guān)的專利申請達(dá)到了382件，占申請總量的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，專利申請的勢頭也相對較為低迷，申請量為177件，占申請總量的16%。

3 結(jié)論與建議

雖然我國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意識的提高，該技術(shù)的申請量近年來一直呈現(xiàn)快速增加的態(tài)勢；由于人工濕地技術(shù)的地域性特點(diǎn)較強(qiáng)，專利申請以國內(nèi)為主，國外專利申請量很少。

就人工濕地技術(shù)專利申請人的分布情況而言，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)的專利申請量相對較小且局限性較大，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，對填料、管道等材料的研究相對較少。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

B

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，高級工程師，從事區(qū)域經(jīng)濟(jì)和城市規(guī)劃研究工作。