人工湿地污水处理技术专利申请分析及行业趋势研究

吴瑜燕

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

人工湿地污水处理技术专利申请分析及行业趋势研究

吴瑜燕

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

过检索国内人工湿地技术专利的申请情况，分析人工湿地技术研究的技术态势、技术专利的类别以及申请地域和申请人的分布情况；对主要几种人工湿地技术类别专利数量的统计分析，试图研究不同类别人工湿地技术的发展现状和前景以及国内人工湿地技术领域的整体发展态势，为行业的发展和研究提供参考。

人工湿地 ；专利数量 ；发展态势

0 引言

人工湿地污水处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种新型污水生态处理技术。该技术的原理是通过人工建造和控制来运行与沼泽地类似的地面，将污水有控制地投配到湿地上，使污水在湿地土壤缝隙和表面沿一定方向流动的过程中，利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理。人工湿地的实质是人为地构建一个综合生态系统，应用其中各个共生物种的能量和物质循环的再生作用，促进废水中污染物实现良性循环，获得污水处理与资源化的最佳效益。

我国对于人工湿地技术的研究起步较晚，直到“七五”期间才开始展开相关的研究工作。由于我国经济及科技实力的快速增长，改革开放后城乡水体污染问题日益突出，这一技术在国内得到了长足的发展和进步[1-3]。

1 人工湿地技术国内专利申请分析

笔者统计分析了在2016年10月21日之前公开发表的人工湿地文献，共检索到相关文献1 128篇，其中发明类为579件，而实用新型类为549件。

1.1 呈现高速增长的态势

由图1可见，我国的人工湿地专利申请始于2000年，之后随着时间的发展呈高速增长的态势。究其原因，随着我国经济社会的快速发展，城乡生活污水产量持续增加，水环境污染问题日益突出且受到的重视程度越来越高。在污水处理技术方面，利用化学手段进行污水处理成本较高，并且存在化学药剂使用过度造成二次污染的问题。人工湿地污水处理技术相较传统的化学处理或生化处理工艺，具有环保、投资少、运营成本低、净化效果好等优势。因此，在短短十五年间，人工湿地处理技术专利的申请量就从无到有，到了2015年年申请量已达221件，发展速度很快。图1中2016年之后专利数据的下降，经推断是由于专利文献的数据公开滞后所产生的。

图1 人工湿地技术中国专利申请趋势

1.2 外国申请人比例偏低

经过对人工湿地技术专利申请人的信息进行分析，可见外国申请人在国内的申请量很少，公开的数据中仅可见一件2006年来自韩国的相关请。总体来说，国外申请人在国内提出的人工湿地技术专利申请很少。经分析，这可能是由人工湿地的技术特点造成的。人工湿地系统的设计与当地污水主要污染物的类型、当地水生植物的类别等地域限制条件明显的因素关联性很大，国外人工湿地的建设经验和技术方法在国内普遍适应性较差。

1.3 发明类专利数量较高

通过对人工湿地技术专利类型的分析，发现在人工湿地技术领域，发明专利申请的数量稍高于实用新型专利申请，这与我国较常见的重实用新型申请而轻发明专利申请的情况有所不同。而这一点应该是由于人工湿地系统的结构与其构建方法和使用方法结合紧密所造成的。

1.4 申请地域及申请人分布情况

笔者对申请人工湿地技术专利的省市进行了统计，见图2，列出了按专利申请量统计，排名前十（第十名有并列）的省市。除北京以，人工湿地技术专利的申请地多数为东南沿海省市，这一方面是因为北京、上海等重点城市与东南沿海等发达地区的水污染问题更为紧迫，水体生态化处理的需求更大，另一方面也与这些区域相对更为雄厚的经济与科研实力是密不可分的。

图2 人工湿地技术专利申请量分布情况

图3 为专利申请量排名前十（第十名有并列）的申请人。由图3可见，排名前十的申请人大部分为科研院所，只有一位为企业申请人。其中山东大学、中国科学院水生生物研究所、同济大学和中国环境科学研究院等高等级的科研院所的申请量较大。另外，从对申请人的类型分析来看，科研院所和企业在这个技术中的投入程度最大。

图3 人工湿地技术专利申请人分布情况

2 基于专利数量的人工湿地技术分类发展分析

按照污水在湿地中流动方式的不同，可以将人工湿地系统分为三种类型，分别是表面流人工湿地（SFCW，Surface flow constructed wetland，图 4中简化为表面流）、水平流人工湿地（HFCW，Horizontal flow constructed wetland，图4中简化为水平流）和垂直流人工湿地（VFCW,Vertical flow constructed wetland，图4中简化为垂直流）。为了提高人工湿地的通用性，又发展出现了第四种类型，也就是以上三种湿地的任意组合而形成的复合流人工湿地（图4中简化为复合流）。笔者基于对各类人工湿地技术相关专利数量的分析，对人工湿地的这四种主要技术类别的发展情况进行了一定的分析。

图4 人工湿地技术主要类别专利申请情况

2.1 表面流人工湿地发展分析

表面流人工湿地类似于自然湿地，污水以较慢的速度从湿地表面流过，污水中有机物的去除主要倚靠生长在水下的植物茎秆上的生物膜完成，湿地中的氧气主要来自于水体表面扩散，植物根系的传输和植物的光合作用。这类湿地的问题在于受气候影响较为严重，夏季容易滋生蚊蝇，在北方地区冬天容易结冰，最主要的是这类湿地的占地面积大，去污能力有限。正是由于这些问题，表面流人工湿地的发展较其他类别更慢，且在2014年有大幅的下降，但在2015年之后，相关研究人员将表面流人工湿地与园林景观的大规模开发建设相结合，又掀起了新的研究热潮，申请量又重新有了大幅度的提升。表面流人工湿地相关的专利申请达到了138件，占申请总量的12%。

2.2 水平流人工湿地发展分析

水平流人工湿地，因污水水平流过填料床得名，由一个或多个填料床组成，床体填充基质并设有防渗透层防止污染地下水。污水净化期间，污水在填料床的内部流动，一方面可以充分利用植物根系和填料的截留处理作用，以达到对污染物指标较好的去除效果；另一方面，水在地表下流动，受气候影响小。因此，对于这种湿地的研究较为集中。由图4可见，水平流人工湿地的发展一直保持着良好的势头，所占比重也较大。随着污水种类的复杂化以及处理要求的提高，对水平流人工湿地技术的研究还拓展到了与立体景观、供暖水系统以及曝气池等相关技术结合的范畴。水平流人工湿地相关的专利申请达到了431件，占申请总量的38%。

2.3 垂直流人工湿地发展分析

垂直流人工湿地，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，氧气可以通过大气扩散和植物传输而进入湿地系统。最初的垂直流人工湿地主要依靠植物和填料床对氧气的制造和传输能力提高净化能力，随着技术的发展，增氧手段进一步增多，人工干预的程度越来越高。这类湿地可以用于处理氨氮含量较高的污水，对有机物的去除能力不如水平流人工湿地系统。但是由于目前大多数污水中氨氮含量较高，因此垂直流人工湿地的应用和研究也较广。由图4可见，垂直流人工湿地的申请量逐年提高，2015年和2016年申请量有所回落是由于部分专利申请文献未公开的缘故。垂直流人工湿地相关的专利申请达到了382件，占申请总量的34%。

2.4 复合型人工湿地发展分析

复合型人工湿地是上述三种类型的任意组合，这种湿地是为了克服单一型人工湿地的局限性而出现的。这种湿地根据需要处理的污水类型以及地形，由两种以上湿地组合而成。理论上，复合湿地结合两种或以上湿地各自的优点，但湿地的优化组合并非简单的叠加便可实现，需要根据很多实际因素进行考虑。因此复合湿地的效果并没有预期的那么理想，专利申请的势头也相对较为低迷，申请量为177件，占申请总量的16%。

3 结论与建议

虽然我国的人工湿地污水处理技术起步较晚，但是由于环境问题日益突出和专利申请意识的提高，该技术的申请量近年来一直呈现快速增加的态势；由于人工湿地技术的地域性特点较强，专利申请以国内为主，国外专利申请量很少。

就人工湿地技术专利申请人的分布情况而言，科研院所掌握的人工湿地净化污水技术较多，但是产业化程度较弱；企业的专利申请量相对较小且局限性较大，主要限于企业所在区域的人工湿地技术的研究。建议环保企业应加大与科研院所的合作，以促进更为先进的人工湿地污水处理污水技术实现产业化。

从基于专利申请数量的人工湿地技术类别分析情况来看，复合型人工湿地具有两种以上湿地的优点，但是由于目前的研究尚不足以将这些优点进行高效的结合，对于应用较为广泛的水平流和垂直流型人工湿地的研究仍然占据主流地位。另外，目前多数技术专利仍聚焦于人工湿地系统结构的构建上，对填料、管道等材料的研究相对较少。笔者认为，人工湿地技术领域的研究者们应当加大对基础材料的研究和改进工作，从而更好地满足要求越来越高、内容越来越多样的污水处理需求。

[1]孙桂琴,董瑞斌,潘乐英,等.人工湿地污水处理技术及其在我国的应用[J].环境科学与技术2006,29(增刊):144-146.

[2]陈展弘,曹美娟.关于人工湿地对初期雨水处理的探讨[J].城市道桥与防洪,2014(2):92-94.

[3]梁康,王启烁,王飞华,等.人工湿地处理生活污水的研究进展[J].农业环境科学学报,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

吴瑜燕（1981-），女，福建龙岩人，高级工程师，从事区域经济和城市规划研究工作。