污泥處理技術英文文獻計量分析

趙 峪，劉 萍，趙卓溢

（1.濰坊市生態環境監控中心，山東省 濰坊市 261041；2.濰柴動力股份有限公司，山東省 濰坊市 261061）

隨著全球工業化發展以及環境排放標準的完善，世界各國污泥產量正在不斷提高[1-2]，與世界各國空間環境對污泥的研究方向有所差異。日本的主要處理方式為濃縮、脫水、厭氧消化、堆肥、焚燒等；歐洲的主要處理方式為好氧消化、厭氧消化、脫水、干化等；中國目前以濃縮、脫水、焚燒、填埋為主[3]。因此了解污泥處理領域的研究現狀、發展歷程、前沿熱點等并對其進行歸納總結，對把握未來研究動態具有重要意義。

科學知識圖譜以知識域為對象，可顯示知識單元或知識群之間網絡、結構、互動、交叉、演化或衍生等諸多隱含的復雜關系[4]。Citespace軟件是由陳超美教授團隊開發的可進行多元、分時的動態復雜網絡分析的可視化分析軟件，其可以呈現出共現網絡、科學知識的合作網絡及突現性分析圖譜。目前張猛等人[5]基于Citespace 對20 年來我國重金屬風險評價研究動態進行分析后掌握了該領域合作情況、未來的研究趨勢；肖涵彬[6]等人基于Citespace 分析了碳中和背景下碳捕捉、利用與封存技術專利的時間線圖以及當前的研究動態。然而目前污泥處理研究領域尚未有定量、時間與空間分布上的總結，無法從宏觀上對污泥處理領域中各國家和機構間的合作情況、研究發展動態、未來研究趨勢進行梳理。

1 數據來源及統計方法

1.1 數據來源

以2006-2020 年間刊發在Web of scienceTM核心合集中的文獻資料為數據源，檢索日期為2021 年1 月。利用Web of science 的高級檢索功能，文件類型選擇“article”和“review”、語種選擇“English”、隨后分別以“sludge treatment”為主題進行檢索。整理并剔除重復以及不相干文獻，最終確定污泥處理相關文獻為29 040 篇。

1.2 統計方法

基于Web of science 初步分析并統計污泥處理領域于2006年至今各年間的發文量。將檢索后得到的數據導入到Citespace中，并將時間切片統一設置為一年，節點類型（nodetype）分別勾選為“country”、“institution”“catagory”以及“keyword”，選擇標準（selection critria)的勾選以出圖明了清晰為宜，修剪（pruning)的勾選統一選擇合并網絡修剪以及切片網絡修剪，其余為默認參數。最終得到國家發文量及合作關系圖譜、機構發文量及合作關系圖譜、關鍵詞共現圖表以及突現性關鍵詞圖表。

2 結果分析

2.1 年間發文量變化趨勢分析

發文量可以反應出研究人員對該領域的重視程度與該研究領域的發展勢態。由圖1 可以發現：污泥處理領域年間發文量整體呈穩步增長態勢。2018 年污泥處理發文量增長率達到頂峰，為18.9%。

圖1 污泥處理領域的發文量

2.2 研究力量分析

2.2.1 國際主要研究國家分析

國家及地區的發文量與合作網站在一定程度上代表了該國家或地區對這一領域研究的活躍程度以及國家間合作的密切程度。圖2 為污泥處理研究的國家合作知識圖譜，閾值為20，選取標準為g=25，其網絡密度較低，僅有0.014 9，說明各個國家間的聯系較弱。

表1 為污泥處理領域發文量排名前十的國家。污泥處理方面：中國以8 447 篇的發文量排名第一，其次是美國為3 035篇以及西班牙為2 156 篇。中國發文量是美國、印度、西班牙、加拿大以及澳大利亞發文量之和，足以證明近年來中國在污泥處理領域的活躍與重視程度，其原因為二十一世紀初期我國逐漸開始重視保護和改善環境、防治污染，并發布《城鎮污水處理廠污染物排放標準》等一系列文件。但中國的中介中心性較低，從圖2 可以看出與中國相連的節點僅有朝鮮與新加坡，且節點連線較細。

表1 污泥處理領域發文量前10 的國家

圖2 污泥處理領域國家合作知識圖譜

（注：節點大小代表國家的發文量，節點與節點之間的連線表明國家之間的合作情況，連線越粗代表合作越緊密，顏色越深代表時間越接近2020 年）

2.2.2 國際主要研究機構分析

通過對研究機構的共現分析有助于辨別出該學科領域的主要研究機構及相互間的合作強度。圖3 為污泥處理研究機構合作知識圖譜，閾值為50，選取標準為top=50，圖中有231 個節點，網絡密度為0.082。

表2 為污泥處理領域發文量排名前10 的機構。在污泥處理方面：中國科學研究院以1 093 篇的發文量排名第一，其次是哈爾濱工業大學為719 篇以及同濟大學為552 篇。發文量排名前10 的研究機構有7 家來自中國，但國內各研究機構與國外研究機構合作較少，從圖3 可以看出，僅僅是國內各機構間的合作較頻繁，例如中國科學研究院與中國科學院大學、同濟大學、南京農業大學以及北京林業大學等國內機構形成了規模穩定的合作關系。外國研究機構中發文量排名第一的是昆士蘭大學（359篇），中介中心性達到了0.52，說明其在污泥處理領域占有重要地位，其與我國的華南理工大學有著密切合作。

圖3 污泥處理領域機構合作知識圖譜

表2 污泥處理領域發文量前10 的機構

（注：節點大小代表機構的發文量，節點與節點之間的連線表明機構之間的合作情況，連線越粗代表合作越緊密，顏色越深代表時間越接近2020 年）

2.3 發展歷程與趨勢分析

2.3.1 污泥處理領域發展歷程分析

關鍵詞是文獻主要內容和研究主題的高度提煉，應用Citespace 軟件的keyword 功能將2006～2020 年分為2006～2010、2011～2015、2015～2020 年三個時間段并對關鍵詞進行了分析，最終得到關鍵詞分布表（如表3 所示）。選取標準為top50。

從關鍵詞分布表可以看出，在2006～2010 年、2011～2015年間有關污泥處理的研究側重點變化不大，主要為兩部分：一部分是從源頭對污泥進行減量化。與此相關的關鍵詞有：污廢水、活性污泥、膜生物反應器。膜生物反應器具有水質適應性強，占用空間小，水力停留時間（HRT)和固體保留時間（SRT)完全分離等優點。但由于膜污染造成能源消耗大及膜折舊等原因，在實際工程應用時，其投資成本為2 500～5 000 元/（m3·d-1）（含土建、膜系統和其他設備投資)，遠高于全國城鎮污水處理廠平均為2 200 元/（m3·d-1)的投資水平。因此有關膜生物反應器的研究可以從降低膜污染速率、減小運行成本等方面入手。另一部分是有關污泥穩定化和無害化的研究，與此相關的關鍵詞有：重金屬、生物降解、厭氧消化。但在土地利用過程中，重金屬在環境介質中長期積累，對人體與生態環境造成不可逆的損傷。目前主流的重金屬去除方法大致分為物理、化學以及生物方法，物理和化學方法去除重金屬的成本較高，有造成二次污染的風險，而通過生物去除重金屬更加經濟且利于環境，因此更受到科研工作者的關注。在厭氧消化方面，科研工作者的研究主要集中在改善污泥厭氧消化性能以提高反應效率、污染物去除率和沼氣產生率上，例如將有機廢物或無機添加劑與污泥混合、在污泥消化前進行預處理以改善污泥消化性能。

在2016～2020 年間，Microbial community 微生物群落、Extracellular polymeric substance 胞外聚合物這兩個關鍵詞的詞頻排名首次進入前十。關鍵詞“微生物群落”表明科研工作者對污泥處理領域的關注逐漸由微觀轉向宏觀。胞外聚合物（EPS）具有蓄磷、吸附重金屬的功能，其理化性質會影響污泥脫水絮凝沉降功能，對膜生物反應器中的膜污染具有重要影響，對胞外聚合物的研究有助于提高污水、污泥處理系統的性能，但由于胞外聚合物作用機理復雜，對胞外聚合物的機理與作用尚處于探索階段，需要科研工作者的深入思考與關注。

2.3.2 國際發展趨勢分析

關鍵詞突變性是指在某段時間內關鍵詞的頻率突然上升或下降，其表征研究領域的趨勢轉變方向。以近五年為研究時段對污泥處理進行突現性分析，選取標準為top50。由表4 可知，在污泥處理方面，厭氧消化技術的研究將成為未來研究熱點。目前主流的研究方向從影響效率的因素（溫度、pH 值、碳氮比等）、促進劑（綠色生物質、無機添加劑等）、反應器（傳統厭氧生物反應器、厭氧膜生物反應器等）以及厭氧消化工藝等方面入手。其次為磷元素的回收，在污泥中含有大量的磷元素，若對其進行回收利用，可以替代在農業中使用的礦質磷肥料，目前主流的磷回收工藝有濕式化學法、熱化學法等，熱處理工藝在技術上相對較為復雜，成本相對較高，但回收效果較好。最后為個人護理品，個人護理品常常伴隨沐浴等進入污水管道，隨后通過污水處理廠處理后經濃進縮入污泥中，如果不對其進行處理可能會富集于土壤或者水體，因此研究污泥中個人護理用品的去除、分析其降解產物分析以及對其進行環境評價等具有重要意義。

表4 污泥處理領域突現性詞匯檢測表

3 結論

（1）在過去十五年中關于污泥處理的發文數量呈穩定增長態勢。其中我國在污泥處理領域表現最為活躍。但中國與其他國家合作相對來說不夠緊密。在研究機構方面，我國的研究機構對污泥處理領域的關注程度遠高于國外機構，其中就有中國科學研究院、哈爾濱工業大學、同濟大學等。但我國各個研究機構更偏向于國內間的合作交流，國際間合作交流相對較少。

（2）近15 年來，污泥處理領域研究在國際上可以分為兩個階段：2006-2015 年研究主題側重于兩個方面，一是污泥的源頭減量化、另一個是污泥的穩定化及無害化。2016-2020 年新增研究主題“胞外聚合物”。

（3）在未來的污泥處理領域，厭氧消化技術、磷元素回收、個人護理用品的去除、其降解產物的分析等可能成為研究熱點。