污泥制磚研究現狀與熱點
——基于科學知識圖譜的可視化分析

焦點 王儉 李鑫 王芷馨

（遼寧大學環境學院，遼寧沈陽 110036）

1 引言

隨著我國社會經濟和城市化的發展，城市污水處理效率及處理深度不斷提高，污泥的產生量不斷增長［1］。大量未經處理污泥的排放，對環境造成了新的污染及再污染問題。如何實現污泥的無害化處理，解決其造成的污染，是目前我國污水處理廠面臨的一大難題。目前，填埋法和焚燒法是處理污泥的主要方法，但是污泥中含有病原菌、重金屬和不易降解的有機污染物，如果以填埋法處理，不僅污泥本身會產生惡臭，這些污染物還會滲透進周圍的土壤以及水資源中，造成環境污染，并且填埋會占用大量土地，并非長久之計［2-3］。

污泥處理應遵循“減量化、無害化、資源化”的原則，將污泥作為原料制磚，是焚燒法的主要方式，綜合利用污泥制磚，能很好地解決污泥處置問題，是可持續發展的必然趨勢。利用污泥制磚，不僅處理了污泥，將污泥中的重金屬封存在了磚中，還可以將污泥中的有害細菌殺滅［4］，而且利用污泥制備的磚沒有異味，磚質輕，孔隙多，具有降噪隔熱的效果。此外，污泥中還有一定量的可燃物，可以減少燒磚過程中的燃料消耗，降低成本。與其他方法相比，污泥制磚能夠產生較顯著的經濟效益，具備廣闊的發展前景。近年來，國內外有關學者對污泥制磚的研究逐漸深入，對于污泥制磚過程中產生的有毒有害物質進行了測定，探究了相應的處理方法［5］，促進了污泥處理研究的發展。各類文章的發表量逐年遞增，但其內容多、涉及面廣，且多是定性分析，系統的定量分析極少。因此，本文試圖通過文獻計量學的方法，對污泥制磚領域的相關研究進行定量的分析，系統性梳理污泥制磚研究的發展現狀，并探討其未來走向。

2 分析方法

本文數據來源于Web of Science 核心合集數據庫，采用高級檢索式：TS＝（sludge AND brick）進行檢索，檢索時間為2021 年10 月15 日，共得到文獻665 篇。在此基礎上，利用Web of Science 文獻檢索報告及計量可視化工具VOSviewer，繪制了年度發文被引、作者合作共現及關鍵詞聚類網絡等可視化圖譜，全面梳理了污泥制磚的研究熱點及發展趨勢，能夠為國內外研究工作提供借鑒和參考。

3 結果分析

3.1 年度發文分析

1900—2021 年，污泥制磚的研究領域一共發表665 篇文章，總被引頻次為11 441 次，篇均被引頻次為17.20 次，其年度變化趨勢見圖1。

圖1 Web of Science 數據庫中1900—2021 年污泥制磚研究相關文章的年度變化趨勢

關于污泥制磚的相關研究始于1984 年，自1996 年后該領域內的文章開始逐年增多，這與全球關注污泥處置問題的出現密不可分。如圖1 所示，除了個別年份的發文量出現波動以外，污泥制磚領域的文章是逐年遞增的，且近幾年發文量出現激增的態勢。從總體上看，發文量的整個變化過程可以分為3 個階段：1984—1996 年是污泥制磚研究的發展初期，隨著全球人口增加和全球工業的迅猛發展，生活廢水和工業廢水處理量急劇增加，污水處理后產生的污泥該如何處置的問題逐漸顯現，該問題開始受到相關學者的關注，關于污泥制磚的文章也開始發表，但此階段的文章數量不足20 篇，平均1 年發表1～2 篇文章，沒有明顯增長趨勢。1996—2015 年處于起步階段，開始有更多學者進行該領域的研究，發文量逐年增加，從2 篇（1996 年）增長到36 篇（2015年）。2015—2021 年關于污泥制磚的研究飛速發展，論文數量顯著增加，增長速度快于上個階段，并在2020 年達到74 篇。至10 月15 日，2021 年該領域發文量為72 篇，增長不多，可能由于污泥制磚技術遇到了瓶頸，需要科研人員投入更多精力研發出新的技術。近年來，污泥處理問題已經成為我國乃至世界關注的重點，各國、各地方都出臺了相關政策［6］，關于污泥制磚的研究定會突破瓶頸，越來越深入，發文量也會逐年增加。

被引頻次總體上看呈逐年增高的趨勢，這是任何發展中的研究該有的表現。值得指出的是，2016年該領域發表了45 篇文章，共計被引頻次為1 008次，為整個階段中最高的年份，說明2016 年的研究具有突破性，之后的研究大多是在2016 年研究成果的基礎上進行的。

3.2 國家發文分析

污泥制磚領域發文量前10 位的國家如圖2 所示。中國、巴西、印度和西班牙在該領域的發文量與總被引頻次均排在前列。發文總量最多的是中國，在1900—2021 年間共發表文章128 篇，總被引頻次為2 286 次，平均每篇被引17.85 次。對于國家篇均被引頻次，英國的篇均被引頻次高達53.30 次，位列第一，說明在污泥制磚領域英國發表的文章比較有權威性和代表性，質量較高。此外，西班牙及印度緊隨其后，其篇均被引頻次分別是29.31，20.97 次。值得指出的是，雖然中國在該領域發文及總被引頻次均位于首位，但其篇均被引頻次僅為17.85 次，排名第6 位，這表明中國在此領域的學術影響力仍有待加強。

圖2 1900—2021 年污泥制磚研究領域發文量前10 位的國家

3.3 發文機構分析

表1 展示了1900—2021 年污泥制磚研究領域發文量排名前10 位的機構。Univ Jaen（西班牙哈恩大學）以24 篇的發文量位居高產機構的榜首，發文量在15 篇以上的還有RMIT Univ（皇家墨爾本理工大學）（21 篇）、Univ Tun Hussein Onn Malaysia（馬來西亞敦侯賽因翁大學）（19 篇）、Bartin Univ（巴爾廷大學）（18 篇）。Univ London Imperial Coll Sci Technol＆ Med（倫敦大學帝國理工學院）發文量雖不是很高，但篇均被引頻次卻高達84.90 次，位列第一。此外，CSIC（西班牙國家研究委員會）篇均被引次數也較高，為37.77 次。

表1 1900—2021 年污泥制磚領域發文量前10 位的機構及被引情況

3.4 作者發文及合作關系分析

圖3 展示了1900—2021 年Web of Science 核心合集數據庫中污泥制磚研究領域前10 位的高產作者。其中，發文量最多的作者是Mohajerani A，共發表文章14 篇，總被引頻次為309 次，篇均被引頻次為22.07 次；其次是Eliche－quesada D，發表文章13 篇，總被引頻次為506 次，篇均被引頻次為38.92次；所有高產作者中，發文篇均被引頻次最多是Corpas－iglesias FA（40.50 次），其發文量為10 篇，總被引頻次為405 次。Eliche－quesada D（13 篇）發文量雖然略低于Mohajerani A（14 篇），但其總被引頻次位列第一，篇均被引頻次位列第二，可以看出，Eliche－quesada D 是污泥制磚領域的領軍人物。發文量前10 位的作者發文量均在8 篇以上，一共發表了113 篇文章，占該領域發文量總數的17.0%，說明該領域主要依賴于少數作者的深入研究，其發展程度相對不足，亟待進一步提升。

圖3 1900—2021 年污泥制磚研究領域前10 位的高產作者發文及被引情況

圖4 展示了1900—2021 年相關領域研究發文前30 位作者的合作共現圖譜。由圖4 可以看出，在污泥制磚領域，各學者主要以團隊方式進行研究合作，每個團隊內作者聯系緊密，其中，2 號團隊和3號團隊較為獨立，而1 號團隊和4 號團隊重復部分較多，表明其合作更為密切。發文量靠前的Mymrin V和Avanci M A 處在合作共現圖譜中間的位置，表明這兩位作者與不同團隊均有合作，是各個團隊合作研究的中心人物。

圖4 1900—2021 年污泥制磚領域研究作者合作共現圖譜

3.5 刊載期刊及高被引論文

表2 展示了Web of Science 核心合集數據庫中該領域載文前10 位的期刊。由表2 可知，對于污泥制磚的研究，發文最多的期刊為Construction and Building Materials，發文量為77 篇，占污泥制磚領域全部研究的11.58%，總被引頻次為1 840 次，篇均被引頻次為23.90 次。Waste Management 的篇均被引頻次為45.30 次，在高發文期刊中位列第一。此外，發文量前10 位的期刊中，除了Water Science and Technology，其他期刊影響因子均大于3，具備較大的影響力，說明污泥制磚的相關研究處在科技的前沿。

表2 1900—2021 年污泥制磚研究領域代表性期刊發文量及被引情況

1900—2021 年污泥制磚領域總被引頻次前10位的論文見表3。從表3 可知，污泥制磚領域排名前10 位的高被引論文均在高水平期刊上發表，其中，Construction and Building Materials 和Journal of Cleaner Production 均發表了2 篇文章，其余期刊各發表了1 篇文章。該領域內單篇被引頻次最高的是2013 年發表在Waste Management 上的Recycling and recovery routes for incinerated sewage sludge ash（ISSA）：A review［7］，總被引頻次達258 次，年均被引頻次（28.67 次）也位列第一。該文章闡述了污泥焚燒之后產生的灰分不僅可以用作燒結磚、瓷磚和鋪路機中黏土的替代品，還可以用作制造輕質骨料的原材料，而且由于污泥灰分中磷酸鹽含量與低品位磷礦的含磷量相近，如何從污泥灰分中資源高效地回收磷酸鹽，也成為需要進一步研究的方向。這表明，污泥制磚已經不僅僅局限于把污泥全部制成磚，還可以將污泥灰分中的有價值部分回收利用，然后將剩余材料制磚。這10 篇文章中，發表最早的是2003 年刊登在Advances in Environmental Research的Utilization of sludge as brick materials［8］。該文章的作者Weng C H 等認為，污泥配比和燒成溫度是決定磚質量的2 個關鍵因素。污泥含量的增加導致磚的收縮率、吸水率和抗壓強度降低；磚在燒結前后的失重主要歸因于燒成過程中污泥中有機物的燃燒。最近發表的高被引論文是2016 年Ahmad T 的Sustainable management of water treatment sludge through“3R”concept［9］，文章介紹了水處理污泥的物理化學特性及其對環境的毒性，并探討了污泥應用的各種選擇。

表3 1900—2021 年污泥制磚領域總被引頻次前10 位的論文次

3.6 研究熱點主題

圖5 展示了污泥制磚研究領域的關鍵詞共現圖譜，圓圈代表關鍵詞的節點，圓圈越大代表關鍵詞出現的頻次越高，節點連線代表關鍵詞的共現關系，不同編號代表不同聚類。由圖5 可知，關鍵詞可以分為3 個聚類群。

圖5 污泥制磚研究領域文獻的關鍵詞共現網絡圖譜

（1）1 號聚類：主要以剩余污泥、黏土、水泥、溫度、管理及再利用等關鍵詞為核心進行連接。此聚類主要研究剩余污泥的管理及再利用等內容，提出了將污泥與黏土作為原料制磚的新思路。事實上，利用污泥制磚可以很好地防止二次污染，達到減量化、無害化和資源化的目的，解決剩余污泥過量問題。在污泥制磚的過程中，各研究對污泥進行了不同方式的處理制作燒結磚，如利用干化污泥直接制磚、利用污泥焚燒灰制磚或者利用濕污泥制磚。不僅可以利用污泥制作燒結普通磚，還可以制作滲水磚、免燒磚、路面磚、地磚以及輕質節能磚［10］。此外，相關研究也表明，燒成溫度的高低同樣影響磚的性能。翁仁貴等學者研究發現，雖然磚體抗壓強度會隨著燒結溫度的提高而增加，但是溫度過高反而會使磚體出現裂痕，磚體強度降低［11］。

（2）2 號聚類：主要以粉煤灰、混凝土、強度、制造及耐久性等關鍵詞為核心進行連接，重點關注摻雜材料對污泥磚體結構及其物理性能的影響。GB/T 5101—2017《燒結普通磚》對磚體強度及外觀質量提出了相應的要求，因此，污泥制磚應著重考慮磚的強度及其耐久性。為提升污泥磚的物理性能，實現資源的回收利用，學者們在污泥磚中摻雜各種材料，如甘蔗渣、谷殼灰、煤矸石、鐵尾礦、黏土、生活垃圾焚燒后產生的底灰等［12-14］，以改變污泥磚的微觀結構，提升其物理性能，從而使其強度及耐久性達到實際應用的要求。使用不同原料、配比同樣也會對成品的品質有很大影響［15］。大量試驗研究表明，隨污泥摻量的提高，煤矸石磚的抗壓強度逐漸降低［16］。此外，煤矸石的可塑性不及黏土，所以制磚時常常需要加入一定量的黏土，以滿足制坯時對可塑性的需要［17］，也有的試驗加入頁巖充當黏合劑［12］。

（3）3 號聚類：重點以污泥、廢物、灰、磚、殘留、重金屬、陶器、玻璃、穩定等關鍵詞為核心。該聚類主要關注廢棄污泥制磚過程中產生的灰分及重金屬等污染的穩定化處理。由于污泥中含有大量的有機物，污泥磚燒制過程會產生大量有害灰分，灰分中還會殘留重金屬，排入大氣會造成大氣污染［18］。因此，可以在制磚前采取相應措施對污泥中的重金屬進行穩定化處理，以減少成品磚內重金屬的析出量，防止二次污染的產生，還可以對污泥磚燒結過程中產生的灰分進行收集處理。在實際生產中，污泥不僅可以作為制磚的原材料，還被廣泛用于陶制品及玻璃制品的生產［19］，這對于污泥的資源化利用同樣具有重要意義。

4 結論

污泥處理應遵循“減量化、無害化、資源化”的原則，綜合利用污泥制磚，能夠很好地解決污泥處置問題，是可持續發展的必然趨勢。污泥制磚研究領域的發展主要分為萌芽階段（1984—1996 年）、起步階段（1996—2015 年）、快速發展階段（2015—2021 年）3個階段。自2015 年起，發文量呈指數式增長，2015—2021 年間的發文量約占研究期內總量的61.4%。相關研究多刊載在Construction and Building Materials，Journal of Cleaner Production 及Waste Management等高水平期刊上，具備較高的學術影響力。

利用污泥制作燒結磚，過程及工藝較簡單，實現方式容易，不僅處理了污泥，將污泥中的有害病菌殺滅，還可將污泥中的重金屬封存在了磚中，從根本上防止污泥利用的二次污染，達到減量化、無害化和資源化的處理目的。其研究內容主要集中在剩余污泥的管理及再利用方式，重點關注了摻雜材料對污泥磚體結構性能的影響及制磚過程中產生重金屬污染等問題的處理。各研究主題之間聯系十分密切，具備較強的關聯性和互補性。其研究主題可以分為3 個方面：（1）污泥制磚原材料的選擇和配比。隨著污泥的增加，污泥磚原料中有機質增多，高溫燒結過程中產生的氣體揮發導致磚體微孔增多、結構疏松，使燒結塊吸水率和顯氣孔率明顯上升，而且外觀出現較為明顯的裂紋，造成抗壓強度下降［12］；對于含煤矸石的污泥磚，隨著煤矸石粒度的增大，磚孔隙度增大，顆粒堆積疏松，導致磚密度減小，抗壓強度減小，吸水率增大［20］。使用鋼渣制磚時，在膠凝材料用量不變的情況下，鋼渣添加量增加，鋼渣磚的強度也隨之增加。從質量角度考慮，建議用量在35%～45%之間較為適宜［21］。（2）污泥磚的抗壓強度、抗折強度等性能。成品磚應滿足GB 13544—2011《燒結多孔磚和多孔砌塊》［22］、GB/T 13545—2014《燒結空心磚和空心砌塊》［23］和GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》［24］標準要求。（3）污泥制磚后產生的污染。污泥磚燒制過程中產生的煙氣，應經離心風機送入干燥室，作為干燥介質干燥濕坯，廢氣再經風機抽出，采用石灰法濕法脫硫除塵處理［25］，還應對污泥磚進行重金屬析出實驗研究。

此外，污泥制磚仍存在摻雜量低、磚體性能差、制作方式混亂等問題，未來研究重點應放在以下幾個方面：一是提高污泥磚中污泥摻量，提高污泥磚的污泥處置效率?，F階段污泥磚燒制時干化污泥摻入量一般不超過30%，污泥摻量低意味著制作污泥磚處理的污泥量少，主要是因為污泥磚在燒結過程中，污泥中的有機物燃燒產生氣體，使得污泥磚孔隙率大，強度低?？梢栽谥拼u之前，將污泥進行預處理，例如可以將污泥焚燒，將有機物提前燃燒處理掉。除此之外，還應深入研究污泥磚的原料配比，探究出污泥摻量更大的材料配比，增大污泥處理量。二是提高污泥磚性能和性價比［26］。目前污泥磚性能和性價比與市面上已經存在的商品磚還有一定的差距。以目前的研究水平，污泥磚的抗壓強度和抗折強度還不及現有的商品磚，而且每塊污泥磚的成本是普通燒結磚的3倍左右，售價更高。因此，為了解決這些問題，應開發一些改性劑如熔融性原料等，改善污泥磚性能。除此之外，需要政府部門依據環保要求，出臺相應補貼政策，使污泥磚能夠真正投入到生產生活實際。三是建立統一的污泥磚標準?，F階段缺乏統一的污泥磚制作標準，致使污泥磚制作方式混亂，監測手段及數據不一致，沒有對比性。應建立統一的污泥磚標準，以規范污泥磚行業的健康發展［10］。