國內(nèi)污泥制備生物炭的研究熱點及趨勢的可視化分析

張曉頡,魯明星,郭竟

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院,河北 唐山 063210;2.河北省礦產(chǎn)資源綠色開發(fā)與生態(tài)修復協(xié)同創(chuàng)新中心,河北 唐山 063210;3.防災科技學院應急管理學院河北 廊坊 065201;4.唐山學院 土木工程學院,河北 唐山 063002)

城市工業(yè)廢水與生活污水的排放量日益增多,在城市污水的處理過程中,必然產(chǎn)生大量的污泥,由于污泥含水率高在運輸過程和處理過程造成比較大的困難[1],而且污泥中含有大量有機物和有害物質(zhì)很容易造成二次污染[2]。污泥處置成本可占污水處理廠總投資的30%～50%[3],污泥處理處置已經(jīng)成為目前污水處理廠面臨的嚴峻問題。因此,我國迫切需要除填埋和焚燒外,更加有效的處理處置方法[4]。近年來污泥熱解制備生物炭受到了廣泛的關注,其在資源回收、重金屬的管控以及能量的消耗是優(yōu)于傳統(tǒng)的處理方法[5]。相關學者在生物炭的制備過程中對于能源消耗、熱解過程、熱解產(chǎn)物、生物炭的吸附作用以及對土壤的改良作用等方面近年來進行廣泛的研究[6-8]。利用污泥中碳元素含量較高的特點對其進行高溫熱解處理,其中污泥中所含有的微生物殘體[9]、有害病菌、有機污染物對其進行無害化、減量化處理[10],所制備出來的生物炭可以有效的保留其中的碳元素[11],同時污泥中的所含有的重金屬元素在高溫的制備環(huán)境也會轉(zhuǎn)化為所呈惰性的固體殘渣,這種形態(tài)的重金屬元素是不會被生物所吸收而且不會通過食物鏈積累在生物體內(nèi),是最安全的重金屬形態(tài)[12-14]。制備的生物炭具有很高的穩(wěn)定性,將制備產(chǎn)物存于地下幾百年都不會消失,有效地將碳封存起來,并儲藏于土壤之中,有效地減少CO2對全球變暖的影響[15]。

污泥制備生物炭研究不僅探討了廢棄物資源化利用的前沿科技方法,而且還闡清了循環(huán)農(nóng)業(yè)、循環(huán)工業(yè)持續(xù)發(fā)展的概念和模式[16]。但綜述類文獻僅基于單一角度或聚焦于某一個子概念、技術進行[17],不能清晰展現(xiàn)出其技術創(chuàng)新與其之中的優(yōu)劣利弊的聯(lián)系。為了探討國內(nèi)市政污泥的利用以及基于污泥制備生物炭的用途研究的研題演變和關聯(lián),分析研究的關鍵轉(zhuǎn)折點和熱點,基于CiteSpace可視化軟件從整體上把握其研究領域的研究動態(tài),繪制知識圖譜,廓清文獻之間的聯(lián)系脈絡,發(fā)現(xiàn)熱點前沿,從而給國內(nèi)未來農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)保等領域中從事生物炭研究的相關科研人員提供有價值的參考信息和研究方向,進而推動我國相關發(fā)展的創(chuàng)新與進步。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本篇文章所使用數(shù)據(jù)均摘自中國知網(wǎng)(CNKI)網(wǎng)絡總庫,主題詞限定為“生物炭AND污泥”,檢索時間跨度為2003年1月～2023年3月。經(jīng)過檢索,得到CNKI數(shù)據(jù)文獻1 125篇,為文獻數(shù)據(jù)有效性和分析統(tǒng)計結(jié)果更加具有權威性、精確性及代表性,經(jīng)仔細篩查去除重復文獻和與本研究主題無關的文獻最終得到CNKI數(shù)據(jù)庫712篇高質(zhì)量期刊文獻,并將文件整理輸出為Reforks格式文件導入CiteSpace進行可視化分析。

1.2 研究方法

利用 CiteSpace 6.0對所整理數(shù)據(jù)進行可視化分析。通過軟件對近二十年來以污泥制備生物炭的相關研究從整體上進行整理,從而便于科研人員進行研究[19]。CiteSpace所利用的數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)全文數(shù)據(jù)庫,檢索出的結(jié)果整理作為數(shù)據(jù)分析并進行可視化圖譜的繪制[20]。從而得出我國近二十年來基于污泥制備生物炭的相關文獻數(shù)量、高產(chǎn)發(fā)文作者、高頻關鍵詞、突變詞、作者間的合作關系等信息[21]。進而對研究現(xiàn)狀進行分析總結(jié),發(fā)現(xiàn)未來的生態(tài)系統(tǒng)服務供需研究的熱點及方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量與時間分布分析

以根據(jù)CiteSpace為基礎所獲得的年度發(fā)文量可以清晰地了解基于污泥制備生物炭的相關研究方向的文獻發(fā)表情況以及各方面的受關注程度。是給研究者用以了解該領域的近二十年的發(fā)展趨勢的重要指標。通過中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫檢索自2003年1月1日至2023年3月1日,整理所得相關污泥制備生物炭的相關領域期刊文獻712篇。總體看來關于污泥與生物炭文獻大致可以總結(jié)為四個階段:

第一階段(2003～2010年):在2010年之前我國基于污泥制備生物炭的研究還處于萌芽起步階段,自2000～2010年期間共有7篇論文發(fā)表,這一階段研究者的主要研究內(nèi)容為以生物炭作為處理污水的吸附作用[22],在這十年中研究者的研究方向比較單一,基于污泥與生物炭結(jié)合的相關研究關注度比較低。

第二階段(2011～2014年):文獻數(shù)量開始緩步上升,在此期間共有76篇文獻,其中不乏由國科學院天然氣水合物與可再生能源重點實驗室所發(fā)表的《市政污泥熱解制備生物炭實驗研究》[23]之類的經(jīng)典文章,進一步推進國內(nèi)當時基于污泥制備生物炭的相關研究進展。

第三階段(2015～2018年),此階段相關期刊文獻發(fā)表數(shù)量進一步提升,在四年之內(nèi)共發(fā)表200篇期刊文章,對于基于污泥制備生物炭的相關研究內(nèi)容已經(jīng)非常豐富,這一階段人們對于廢棄資源再利用以及對于生態(tài)環(huán)境等方面進一步重視[24],對污泥基生物炭的吸附作用、修復作用、污泥中重金屬的鈍化等方面展開研究,致使這一階段的發(fā)文量大幅度提升。

第四階段(2019～2022年):此階段為爆發(fā)式增長,在四年之類共發(fā)表408篇期刊文章,其中2022年發(fā)表了相關期刊129篇,為近二十年來的發(fā)表篇數(shù)最高的一年,由于2023年的文章只統(tǒng)計到了3月1日,故只有21篇期刊文章,但根據(jù)往年發(fā)文量推測2023年的相關文章會只增不減,達到新的文章發(fā)表數(shù)量最多年份。由于這一階段,我國對污泥處理以及對污泥資源再利用和基于污泥制備生物炭的相關研究得到的進一步的重視,對于基于污泥制備的生物炭進行了各種方面的測試研究,其中重金屬吸附[25]、改良土壤和促進植物生長[26]方面是這四年的重點研究方向。

從圖1 的發(fā)文量曲線趨勢可以看出,對于污泥基生物炭的研究逐年上升,近年來研究急劇上升,未來幾年國內(nèi)對污泥制備生物炭的相關研究還會得到進一步的重視,國內(nèi)的相關學者以及普遍大眾的資源再利用和綠色生態(tài)的觀念會進一步加強。

圖1 年度發(fā)文量

2.2 關鍵詞共現(xiàn)

2.2.1 關鍵詞圖譜

基于CiteSpace的關鍵詞分析是對關鍵詞對所研究領域方向和內(nèi)容的高度概括,對于關鍵詞的頻次、關聯(lián)度可以揭示該研究領域話題、內(nèi)在聯(lián)系及主要程度。所謂的關鍵詞共現(xiàn)[27],其是作為該領域方向的不同高頻詞匯之間的聯(lián)系。所檢索的不同關鍵詞之間的相互關系由之間的連線指明[28],連線的顏色代表了各關鍵詞首次關聯(lián)的時間,其中關鍵詞出現(xiàn)次數(shù)由節(jié)點表示,節(jié)點的大小表示關鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)[29]。

如圖2所示,在污泥與生物炭研究領域,學術研究者的重心還是在污泥生物炭對重金屬的吸附作用、污泥制備的生物炭對土壤的改良效果、污泥的熱解技術、污泥中重金屬的鈍化等方面。從圖2中可以明顯看出近二十年來相關研究圍繞“污泥”、“生物炭”、“鈍化”、“吸附”等方面研究時間跨度較大,并由此方面衍生的研究擴展較多,是自2004年至2022年上述都是當時的研究熱點話題。而對于“土壤修復”、“微生物群落”、“生態(tài)風險”、“高級氧化”、“資源化利用”這些都是最近幾年來的研究熱點話題,也是未來幾年來的研究發(fā)展趨勢。

圖2 我污泥基生物炭的關鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.2.2 關鍵詞突顯

利用CiteSpace 軟件對突變詞進行突顯探測分析得到2013～2023年間的突變詞分布情況。可以根據(jù)突發(fā)詞的詞頻變化判斷某個研究領域的前沿和趨勢[30]。如圖3所示,2013～2023年間污泥生物炭這一研究主題共產(chǎn)生了10個突變關鍵詞。分別是“熱解”(2014～2016年)、“理化性質(zhì)”(2016～2017年)、“土壤改良”(2016～2018年)、“生態(tài)風險”(2019～2021年)、“資源化利用”(2020～2021年)、“餐廚垃圾”(2020～2020年)、“熱力學”(2021～2021年)、“催化”(2021～2021年)、“機理”(2022～2023年)、“土壤”(2022～2023年)。

圖3 CNKI數(shù)據(jù)庫關鍵詞突發(fā)性檢測圖

其中爆發(fā)強度最高的是“熱解”,時間跨度為2年。在這兩年國內(nèi)的熱解技術有的很大的提升,由污泥進行熱解反應,使有機物大分子熱分解轉(zhuǎn)化為液態(tài)生物油氣態(tài)熱解氣和固態(tài)碳基材料的新興污泥處理處置技術有了新的技術更新。其次突變時間較長的是“土壤改良”和“生態(tài)風險”,均為污泥及生物炭的曾經(jīng)和現(xiàn)在研究熱點,近年來由于各位相關研究學者的生態(tài)意識的不斷加強,“生態(tài)風險”這方向的相關衍生的研究不斷增加。

2.3 關鍵詞時間線圖譜分析

基于CiteSpace所導出的關鍵詞時間線圖譜是陳超美教授近些年更推薦的一種時間圖譜的展現(xiàn)方式[31],它主要側(cè)重于展現(xiàn)聚類內(nèi)部各成員之間的相關性、技術的演進以及歷史的跨度過程,可以直觀地反映出不同關鍵詞在不同年份的出現(xiàn)情況,時間線圖譜上的同一個聚類節(jié)點按順序出現(xiàn)的年份依次排列在同一條水平線上。為探究相關污泥制備生物炭的研究熱點變遷及演變趨勢[32]。對關鍵詞的時間圖譜進行整理并篩選前15個聚類結(jié)果,如圖4所示。自2005年至2010年期間我國對于污泥制備生物炭的研究相對較少,側(cè)重點還是在污水處理產(chǎn)生的污泥的處理方法的研究。自2010年側(cè)重點逐步向“土壤改良”、“吸附機制”、“重金屬”等方向等主題偏移,相關研究者對于這些主題開展深入研究。自2016年之后該領域的研究呈現(xiàn)井噴式的增長。今年來,相關的研究又向“土壤環(huán)境”“生態(tài)環(huán)境”“環(huán)境應用”等主題方向靠攏,預測著這幾個研究領域?qū)⑹俏磥韼啄甑臒衢T研究話題。

圖4 我國污泥生物炭關鍵詞時間線圖譜

2.4 發(fā)文作者合作可視化分析

通過構建作者合著網(wǎng)絡,通過對近二十年來期刊作者發(fā)文量以及合作關系進行可視化分析,從中可以清晰反映出該領域核心作者群以及各位研究人員的合作關系和合作時間[31]。圖5中的鏈接線條顏色代表著各節(jié)點之間作者合作時間,節(jié)點數(shù)量與大小代表了核心作者群體共現(xiàn)頻次,它們共同組成了作者群與合作網(wǎng)絡的知識圖譜[29]。從圖5中可以看出近二十年來國內(nèi)的關于污泥基生物炭的研究大致形成了六個核心科研團隊,但各團隊之間的研究卻鮮有交集,國內(nèi)起步較早的科研團隊是由李剛、王格格、陸江銀、王建俊所帶領的科研團體。2018～2020年間國內(nèi)由曹玉成、張進、許思涵、王敏艷、刁韓杰的科研團隊拓展了污泥基生物炭的相關研究。近年來由李寧、陳冠益、顏蓓蓓和汪印、余廣煒為中心的兩大科研團體展開對污泥基生物炭的相關試驗研究。

圖5 發(fā)文作者時間關聯(lián)共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜

作者是CiteSpace應用傳播的直接主體,單個作者的發(fā)文量及作者群的數(shù)量變化 可反映出近二十年來的核心作者以及核心科研團隊。由CiteSpace軟件對污泥基生物炭的第一作者發(fā)文量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計前二十的作者如表2,其中發(fā)文量為9篇的陸江銀是近二十年來發(fā)文量最高的作者。緊隨其后是汪印,發(fā)表了8篇。位居第三的是王建俊,共發(fā)表了7篇 。發(fā)表5篇以上的作者也高達15人。正是這些高數(shù)量的發(fā)文量作者,帶動了我國內(nèi)的泥基生物炭的研究進展,為后人們奠定了一個堅固的基礎。

表1 污泥基生物炭研究發(fā)文量前20的作者

3 結(jié)論

由于近二十年來污水處理廠的產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸加大,導致大量污泥需要處置,而污泥中含有大量有機物、微生物和有毒有害物質(zhì),傳統(tǒng)的處理方式焚燒和填埋無法實現(xiàn)資源回收。以污泥制備生物炭,其制備工藝簡單,原料來源廣泛,并且可以有效地防止污泥中的重金屬造成的 二次污染,其生物炭的制備過程中會產(chǎn)生大量生物氣和生物油可進行資源二次利用。制備的生物炭是一種多功能材料,在去除有毒、有害有機物、重金屬、改良土壤、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量方面和減少溫室效應等方面都可以獲得優(yōu)良的效果。

利用CiteSpace軟件對近二十年來污泥制備生物炭的相關領域的期刊文章進行可視化分析,通過對研究進程、研究熱點、研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容等方面統(tǒng)計并繪制知識圖譜,結(jié)果表明:

(1)近二十年來對于污泥制備生物炭的相關研究,研究者主要研究的著重方面還是在生物炭對于重金屬的吸附防止污泥中的重金屬造成二次污染、生物炭的制備技術、土壤改良、生態(tài)修復等方面為該領域的主要研究方向。

(2)我國的污水處理產(chǎn)業(yè)近年來規(guī)模產(chǎn)業(yè)逐步加大,導致污泥產(chǎn)量也日益增多,研究者也對污泥資源再利用開始逐步重視,基于污泥制備生物炭相關領域的研究逐年增長。2019年份至今該領域期刊文章發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。

(3)近年來由于國家低碳環(huán)保的號召生態(tài)環(huán)境、土壤環(huán)境、生態(tài)污染鈍化固碳等方面成為熱門話題,預測在未來的幾年中相關研究領域熱度仍會居高不下,相關研究領域的擴展研究也會繼續(xù)增長。