農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及新興趨式的可視化分析

袁東日 解清杰 周君立 蔡攀攀

（1.上海軒浦凈化科技有限公司，上海 201108；2.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0.引言

現(xiàn)今農(nóng)村污水成為我國(guó)農(nóng)村環(huán)境污染的主要因素，對(duì)農(nóng)村的水環(huán)境有著重要的影響，該類污水主要由餐廚廢水、洗衣廢水、淋浴用水、廁排廢水以及家禽養(yǎng)殖廢水等構(gòu)成。農(nóng)村污水的不合理處置，不僅會(huì)對(duì)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，還約束著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)這一方針的提出，為我國(guó)廣大農(nóng)村的環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指明了方向和道路，而要實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義新農(nóng)村這一美好愿景，就需要提高對(duì)農(nóng)村污水治理技術(shù)和治理現(xiàn)狀的科學(xué)認(rèn)識(shí)，所以對(duì)當(dāng)今農(nóng)村污水治理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和新興趨勢(shì)進(jìn)行可視化分析體現(xiàn)著極大的重要性。

農(nóng)村污水相比于城市污水，具有其不同的特點(diǎn)，極大程度上影響著農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及醫(yī)療服務(wù)。就影響區(qū)域而言，基于當(dāng)今世界城市化發(fā)展水平，農(nóng)村污水的污染面積廣闊，具有來(lái)源多、較分散且不易收集等特點(diǎn)；就水質(zhì)成分而言，農(nóng)村污水的成分更為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的農(nóng)村污水差異較為顯著，另外，農(nóng)村污水具有較高的懸浮物、氮磷、有機(jī)物濃度。就污水水量而言，農(nóng)村一般比城鎮(zhèn)要低，高寒地區(qū)用水量低于平原丘陵地區(qū)。但由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，農(nóng)村地區(qū)和高寒地區(qū)缺乏相對(duì)完善的運(yùn)輸和處理系統(tǒng)，使得該地區(qū)的污水處理率比城鎮(zhèn)低得多。未經(jīng)處理的污水沿道路和農(nóng)田的邊溝流入附近的水體，造成水體污染，從而直接對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生污染，威脅到周邊飲用該水居民的身體健康。

截至目前，已經(jīng)有眾多科研人員對(duì)于農(nóng)村污水處理技術(shù)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。在研究方面，澳大利亞的Brian Mackney曾于1904年[1]首次提出了人工濕地的概念，并指出了該法用于水質(zhì)凈化的優(yōu)異性。美國(guó)學(xué)者Spector在1975年開發(fā)出A2/O組合工藝，可有效防止了農(nóng)村污水生化處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥膨脹問(wèn)題。浙江杭州市環(huán)境保護(hù)公司和浙江大學(xué)[2]聯(lián)合開發(fā)出WSHA生活污水厭氧達(dá)標(biāo)處理技術(shù)與工藝，該技術(shù)于1999年被國(guó)家環(huán)保總局評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)環(huán)保實(shí)用技術(shù)推廣項(xiàng)目。此外，在應(yīng)用方面，四川省環(huán)境保護(hù)局曾因地制宜、結(jié)合不同地方的區(qū)域特點(diǎn)，分區(qū)、分類、分級(jí)地引入了8種適合本土應(yīng)用的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)。它們分別為：人工濕地與景觀集成處理工藝技術(shù)、WSHA生活污水厭氧達(dá)標(biāo)處理技術(shù)與工藝、生物流化床與生物濾床復(fù)合式污水處理技術(shù)與工藝、一體化A/O(A2/O)設(shè)備處理技術(shù)與工藝、厭氧生物濾池―氧化塘―人工濕地復(fù)合處理技術(shù)與工藝、“雙池”模式處理技術(shù)與工藝、厭氧沼氣池處理技術(shù)與工藝、農(nóng)家樂(lè)“厭氧―人工濕地組合”。

正是由于農(nóng)村污水處理的緊迫和艱難，越來(lái)越多的科研工作者對(duì)該環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。所以對(duì)農(nóng)村污水處理領(lǐng)域的科學(xué)研究進(jìn)行可視化分析，有利于揭示農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及新興趨勢(shì)。綜合上述觀點(diǎn)，本文以中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）為數(shù)據(jù)源，利用信息可視化軟件CiteSpace，生成機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)、作者合作網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行分析，獲得了比較客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的數(shù)據(jù)來(lái)源主要基于CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)間跨度為2000―2019年，文獻(xiàn)類型為期刊，以“農(nóng)村污水處理技術(shù)”作為主題詞進(jìn)行主題檢索。于2019年7月14日檢索到該主題中文文獻(xiàn)1855篇，經(jīng)過(guò)手動(dòng)排除獲獎(jiǎng)?wù)故?、?huì)議通知等檢索項(xiàng)并且除重后，剩下的研究類文獻(xiàn)共計(jì)1310篇。由于CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)原因?qū)е碌木窒扌?，下載的題錄并沒(méi)有包括相關(guān)參考文獻(xiàn)。因此，文獻(xiàn)共被引分析，期刊共被引分析以及作者共被引分析在本文中沒(méi)有提及，所下載的文獻(xiàn)題錄包含的信息有作者、標(biāo)題以及來(lái)源出版物等。

1.2 研究方法

本文運(yùn)用科學(xué)計(jì)量法，繪制了對(duì)應(yīng)的科學(xué)知識(shí)圖譜，從而了解農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究狀況。CiteSpace是通過(guò)可視化分析的方法來(lái)把握科學(xué)知識(shí)內(nèi)在的規(guī)律和結(jié)構(gòu)的工具。將有關(guān)文獻(xiàn)經(jīng)過(guò)CiteSpase可視化分析后導(dǎo)出文獻(xiàn)共被引圖和關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖，能夠科學(xué)地分析出該研究領(lǐng)域一定時(shí)段內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，以及前沿領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)。

2.結(jié)果

2.1 年度論文分布情況

從CNKI（中國(guó)知網(wǎng)）數(shù)據(jù)源核心期刊年度分布情況中，可以很清晰地了解到，出版物數(shù)量從進(jìn)入21世紀(jì)后，其數(shù)量在整體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)（如圖1所示）。在2000―2003年期間，相關(guān)文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)基本為零，但此后的年均出版物迅速增長(zhǎng)。特別是自2014年以來(lái)，期刊年均出版數(shù)均超過(guò)了100份。近兩年的年出版物數(shù)量更是突破了180份大關(guān)，這一數(shù)據(jù)表明，已經(jīng)有越來(lái)越多的學(xué)者開始關(guān)注農(nóng)村污水處理技術(shù)的相關(guān)研究。

圖1 2000―2019年間發(fā)文數(shù)量的分布情況

2.2 機(jī)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)CNKI（中國(guó)知網(wǎng)）導(dǎo)出的機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量進(jìn)行分析了解到，2000―2019年間我國(guó)眾多高校和研究機(jī)構(gòu)在農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域做出了大量貢獻(xiàn)。由圖2可知，眾多機(jī)構(gòu)中發(fā)文數(shù)量最大的是中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心（Chinese Academy of Science），其發(fā)表的與該研究領(lǐng)域有關(guān)的論文有13篇。北京市水利科學(xué)研究所（9篇）、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部農(nóng)村污水處理技術(shù)北方研究中心（7篇）和清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系（7篇）以及環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所（7篇）的發(fā)文量分居2～5位。

圖2 農(nóng)村污水處理技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（2000―2017）（CNKI）

該圖顯示，國(guó)內(nèi)高校和政府研究機(jī)構(gòu)在農(nóng)村污水處理技術(shù)研究方面取得的成果要明顯多于企業(yè)研發(fā)中心，這一現(xiàn)象可以歸因于更密切的科研合作，更高效的政策鼓勵(lì)和更多的資金投入。此外，國(guó)內(nèi)高產(chǎn)機(jī)構(gòu)需加強(qiáng)彼此之間的交流合作，促進(jìn)中國(guó)農(nóng)村污水處理技術(shù)研究的發(fā)展。

2.3 作者分析

由CNKI（中國(guó)知網(wǎng)）所導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可知，就發(fā)表的論文數(shù)量而言，農(nóng)村污水處理技術(shù)研究中最高產(chǎn)的作者是范彬（13篇）和李冠杰（11篇），其次是吳迪，吳德禮，王軍，高賢彪和張亞雷（均為6篇）。從CiteSpace創(chuàng)建的作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜可以看出（如圖3所示），雖然在高產(chǎn)作者之間整體合作的密切度不高，但是可以清楚地了解到從事該研究領(lǐng)域的主要科研團(tuán)隊(duì)，例如范彬和李冠杰團(tuán)隊(duì)、吳迪和高賢彪團(tuán)隊(duì)、吳德禮和張亞雷團(tuán)隊(duì)。該分析能夠給相關(guān)研究人員了解重要的作者信息提供參考。

圖3 農(nóng)村污水處理技術(shù)研究的作者合作網(wǎng)絡(luò)（2000―2019）（CNKI）

2.4 關(guān)鍵詞分析

在關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中（如圖4所示），節(jié)點(diǎn)大小代表了關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次（CF）的高低。關(guān)鍵詞所在的節(jié)點(diǎn)越大，代表其出現(xiàn)的頻次越高，也即所受到的關(guān)注程度越高。而具有高度中心性（BC）的節(jié)點(diǎn)是溝通其他多個(gè)節(jié)點(diǎn)的“橋梁”，充當(dāng)著媒介者的作用[3]。因此，同時(shí)具有高的出現(xiàn)頻次和中介中心性的節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵詞是農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。對(duì)分析結(jié)果影響較小的節(jié)點(diǎn)（如：農(nóng)村生活污水、農(nóng)村污水、農(nóng)村等）進(jìn)行去除，同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)按其重要性進(jìn)行排序。表1列出了CF×BC數(shù)值排名前10的關(guān)鍵詞。結(jié)果表明：農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域中，影響力重大的關(guān)鍵詞分別為人工濕地、污水處理設(shè)施，其頻次×中心度分別為28.98、10.29。由此可知，從關(guān)鍵詞的方面來(lái)看，目前農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)是對(duì)人工濕地的應(yīng)用和污水處理設(shè)施的開發(fā)。

圖4 農(nóng)村污水處理技術(shù)研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（2000―2019）（CNKI）

表1 農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域中CF×BC值排名前10的關(guān)鍵詞(2000―2019) （CNKI）

CiteSpace同時(shí)可以探索突發(fā)關(guān)鍵詞，并且對(duì)其突發(fā)強(qiáng)度和突發(fā)歷史進(jìn)行分析。表2中歸納了突發(fā)強(qiáng)度位于前10的關(guān)鍵詞。其中突發(fā)時(shí)間較近的關(guān)鍵詞可以被視為新興趨勢(shì)，由于這些關(guān)鍵詞突發(fā)程度強(qiáng)烈，就意味著在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)某個(gè)特定領(lǐng)域的研究興趣急劇增加。因此，“高寒地區(qū)”這一關(guān)鍵詞具有重要意義，可用于揭示和研究新興趨勢(shì)：高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究。

表2 農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域中突發(fā)強(qiáng)度排名前10的關(guān)鍵詞(2000―2019) （CNKI）

3.討論

3.1 研究熱點(diǎn)

3.1.1 人工濕地在農(nóng)村污水處理上的應(yīng)用

本文從關(guān)鍵詞的CF×BC值的角度揭示了農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)，這使得得出的結(jié)論更加嚴(yán)謹(jǐn)。如上文所述，黨的十六屆五中全會(huì)提出建設(shè)“社會(huì)主義新農(nóng)村”以來(lái)，農(nóng)村污水處理問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。

人工濕地經(jīng)由人工修建控制與管理，使污水通過(guò)一系列物理化學(xué)作用，其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被吸收轉(zhuǎn)化而得到處理，最后按期對(duì)濕地植物進(jìn)行處理，達(dá)到濕地生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)往復(fù)，從而去除凈化水體中的污染物。我國(guó)正式開始著手研究人工濕地工藝是在1990年左右，北京昌平建立起第一座以污水治理為目標(biāo)的自由表面流人工濕地[4]。而后的深圳石巖人工濕地，利用高效垂直流人工濕地系統(tǒng)不僅使水質(zhì)得到凈化，還具有結(jié)構(gòu)靈活、占地面積小、不易造成堵塞等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)極大地提高了污水處理量。影響濕地作用效果的因素主要包括濕地基質(zhì)填料種類與級(jí)配、植物種類和溫度氣候變化等。

就實(shí)際工程效果而言，王凱軍等于2008年[5]進(jìn)行垂直流與潛流復(fù)合濕地用于農(nóng)村灰水治理的研究時(shí)，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)垂直流濕地硝化作用明顯，而潛流濕地由于在其內(nèi)部形成了厭氧區(qū)域，導(dǎo)致其反硝化作用有明顯的加強(qiáng)。運(yùn)用該組合對(duì)農(nóng)村灰水處理，其COD和TN的平均凈化率可達(dá)70%與99%。

3.1.2 污水處理設(shè)施的開發(fā)

由關(guān)鍵詞的CF×BC值分析可知，污水處理設(shè)施的開發(fā)為農(nóng)村污水處理技術(shù)領(lǐng)域的另一研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得生活污水排放源和排放量不斷增加，機(jī)械化處理的手段已成為完善農(nóng)村基礎(chǔ)建設(shè)的重要標(biāo)志之一。

農(nóng)村污水處理設(shè)備，是一種能有效處理農(nóng)村生活污水，產(chǎn)業(yè)廢水等的工業(yè)設(shè)備。主要類型包括：離心機(jī)、污泥壓縮機(jī)、曝氣機(jī)、氣浮機(jī)、微濾機(jī)、膜生物反應(yīng)器等。與城市污水處理設(shè)施相比，由于處理水量的差別，在設(shè)計(jì)尺寸和材料應(yīng)用等方面均具有一定差別。2009年，蔡亮等[6]人基于北京市郊區(qū)農(nóng)村生活污水，對(duì)重力出水式膜生物反應(yīng)器的最適運(yùn)行參數(shù)開展了研究，并取得了良好的效果。2011年，魏翠霞[7]等人結(jié)合實(shí)際工程案例，就氣浮過(guò)濾池應(yīng)用于西北農(nóng)村地區(qū)的水庫(kù)水凈化進(jìn)行了探討，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村飲用水的來(lái)源開辟了新的途徑。另外，研究表明當(dāng)前農(nóng)村缺乏配套的剩余污泥處理設(shè)備和設(shè)施。因此需要由相關(guān)法律法規(guī)引導(dǎo)，研發(fā)出適合農(nóng)村小型污水處理設(shè)施的污泥處置及資源化利用的設(shè)備和模式，優(yōu)化農(nóng)村污水處理設(shè)施的剩余污泥處理的配套建設(shè)。

3.2 新興趨式

3.2.1 高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理技術(shù)基本狀況

由突發(fā)關(guān)鍵詞分析可知，高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究是目前該領(lǐng)域研究的新興趨式。我國(guó)包含缺氧地區(qū)主要有西藏自治區(qū)、新疆南部、甘肅西南部、青海及四川西部等大片地區(qū)。由于該區(qū)域受高寒缺氧氣候以及落后的經(jīng)濟(jì)條件的影響，同時(shí)缺乏相關(guān)的技術(shù)管理人員，導(dǎo)致其存在污水處理能耗高、處理效率低、適應(yīng)性差、管理復(fù)雜等普遍問(wèn)題！考慮到以上限制因素，高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)了擁有使用較低建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)達(dá)到較好的處理效果，能耗低，易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的處理技術(shù)。

3.2.2 高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究

在晝夜溫差大的氣候條件下，對(duì)高寒缺氧地區(qū)農(nóng)村污水的相關(guān)研究中，用于脫氮、除磷的工藝主要包括：A2/O工藝、SB系列改進(jìn)工藝、氧化溝系列改進(jìn)工藝[8]。在特定的運(yùn)行條件下，對(duì)上述工藝技術(shù)的合理使用，不僅能實(shí)現(xiàn)污水的高效地凈化這一基本需求，還可以較好地適應(yīng)該區(qū)域的環(huán)境和氣候條件[9]。近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)高寒地區(qū)新型污水處理技術(shù)的應(yīng)用開展了大量探索。例如，杜甫義等[10]以拉薩市林周縣溫室型多介質(zhì)人工濕地示范工程為基礎(chǔ)，對(duì)比分析了不同濕地植物配置系統(tǒng)(T1-T4)下蘆葦、黑三棱和水蔥3種水生植物的生長(zhǎng)特性以及各濕地系統(tǒng)對(duì)COD、NH+4-N、TN和TP的去除效果，進(jìn)而優(yōu)化了濕地植物配置，提高了人工濕地系統(tǒng)的去污能力。張斌等[11]針對(duì)高寒地區(qū)污水處理設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，在現(xiàn)行工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，提出了改良型A2/O工藝，該工藝實(shí)現(xiàn)了一體化結(jié)構(gòu)、低溶氧、高污泥濃度、大表面積曝氣、大回流比循環(huán)等技術(shù)改進(jìn)。取得了良好的凈化效果。在中國(guó)政府對(duì)環(huán)境保護(hù)和污染治理高度重視的大環(huán)境下，由于高寒缺氧地區(qū)特殊的政治、地理環(huán)境，高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究在將來(lái)仍然是科學(xué)研究的新興趨式。

4.結(jié)論

本文從文獻(xiàn)計(jì)量的角度闡述了農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與新興趨式。揭示出全國(guó)范圍內(nèi)農(nóng)村污水處理近16年來(lái)研究熱度呈不斷上升的趨勢(shì)，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心是從事農(nóng)村污水處理技術(shù)研究的高產(chǎn)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，本文總結(jié)了在國(guó)內(nèi)農(nóng)村污水處理技術(shù)研究領(lǐng)域的有影響力的科研團(tuán)隊(duì)和個(gè)人。由關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和突發(fā)性分析可知，人工濕地的應(yīng)用和污水處理設(shè)施的開發(fā)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，高寒地區(qū)農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究是當(dāng)前領(lǐng)域出現(xiàn)的新興趨式。