國(guó)內(nèi)污泥制備生物炭的研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)的可視化分析

張曉頡,魯明星,郭竟

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦產(chǎn)資源綠色開(kāi)發(fā)與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心,河北 唐山 063210;3.防災(zāi)科技學(xué)院應(yīng)急管理學(xué)院河北 廊坊 065201;4.唐山學(xué)院 土木工程學(xué)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(guò)程中,必然產(chǎn)生大量的污泥,由于污泥含水率高在運(yùn)輸過(guò)程和處理過(guò)程造成比較大的困難[1],而且污泥中含有大量有機(jī)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(yán)峻問(wèn)題。因此,我國(guó)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(lái)污泥熱解制備生物炭受到了廣泛的關(guān)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(guān)學(xué)者在生物炭的制備過(guò)程中對(duì)于能源消耗、熱解過(guò)程、熱解產(chǎn)物、生物炭的吸附作用以及對(duì)土壤的改良作用等方面近年來(lái)進(jìn)行廣泛的研究[6-8]。利用污泥中碳元素含量較高的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行高溫?zé)峤馓幚?其中污泥中所含有的微生物殘?bào)w[9]、有害病菌、有機(jī)污染物對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化、減量化處理[10],所制備出來(lái)的生物炭可以有效的保留其中的碳元素[11],同時(shí)污泥中的所含有的重金屬元素在高溫的制備環(huán)境也會(huì)轉(zhuǎn)化為所呈惰性的固體殘?jiān)?這種形態(tài)的重金屬元素是不會(huì)被生物所吸收而且不會(huì)通過(guò)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(huì)消失,有效地將碳封存起來(lái),并儲(chǔ)藏于土壤之中,有效地減少CO2對(duì)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(xiàn)僅基于單一角度或聚焦于某一個(gè)子概念、技術(shù)進(jìn)行[17],不能清晰展現(xiàn)出其技術(shù)創(chuàng)新與其之中的優(yōu)劣利弊的聯(lián)系。為了探討國(guó)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(guān)聯(lián),分析研究的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)和熱點(diǎn),基于CiteSpace可視化軟件從整體上把握其研究領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài),繪制知識(shí)圖譜,廓清文獻(xiàn)之間的聯(lián)系脈絡(luò),發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)前沿,從而給國(guó)內(nèi)未來(lái)農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)保等領(lǐng)域中從事生物炭研究的相關(guān)科研人員提供有價(jià)值的參考信息和研究方向,進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)相關(guān)發(fā)展的創(chuàng)新與進(jìn)步。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本篇文章所使用數(shù)據(jù)均摘自中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)網(wǎng)絡(luò)總庫(kù),主題詞限定為“生物炭AND污泥”,檢索時(shí)間跨度為2003年1月～2023年3月。經(jīng)過(guò)檢索,得到CNKI數(shù)據(jù)文獻(xiàn)1 125篇,為文獻(xiàn)數(shù)據(jù)有效性和分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果更加具有權(quán)威性、精確性及代表性,經(jīng)仔細(xì)篩查去除重復(fù)文獻(xiàn)和與本研究主題無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)最終得到CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)712篇高質(zhì)量期刊文獻(xiàn),并將文件整理輸出為Reforks格式文件導(dǎo)入CiteSpace進(jìn)行可視化分析。

1.2 研究方法

利用 CiteSpace 6.0對(duì)所整理數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。通過(guò)軟件對(duì)近二十年來(lái)以污泥制備生物炭的相關(guān)研究從整體上進(jìn)行整理,從而便于科研人員進(jìn)行研究[19]。CiteSpace所利用的數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)全文數(shù)據(jù)庫(kù),檢索出的結(jié)果整理作為數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行可視化圖譜的繪制[20]。從而得出我國(guó)近二十年來(lái)基于污泥制備生物炭的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量、高產(chǎn)發(fā)文作者、高頻關(guān)鍵詞、突變?cè)~、作者間的合作關(guān)系等信息[21]。進(jìn)而對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié),發(fā)現(xiàn)未來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究的熱點(diǎn)及方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量與時(shí)間分布分析

以根據(jù)CiteSpace為基礎(chǔ)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(guān)研究方向的文獻(xiàn)發(fā)表情況以及各方面的受關(guān)注程度。是給研究者用以了解該領(lǐng)域的近二十年的發(fā)展趨勢(shì)的重要指標(biāo)。通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索自2003年1月1日至2023年3月1日,整理所得相關(guān)污泥制備生物炭的相關(guān)領(lǐng)域期刊文獻(xiàn)712篇。總體看來(lái)關(guān)于污泥與生物炭文獻(xiàn)大致可以總結(jié)為四個(gè)階段:

第一階段(2003～2010年):在2010年之前我國(guó)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?jī)?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(guān)研究關(guān)注度比較低。

第二階段(2011～2014年):文獻(xiàn)數(shù)量開(kāi)始緩步上升,在此期間共有76篇文獻(xiàn),其中不乏由國(guó)科學(xué)院天然氣水合物與可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所發(fā)表的《市政污泥熱解制備生物炭實(shí)驗(yàn)研究》[23]之類的經(jīng)典文章,進(jìn)一步推進(jìn)國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)基于污泥制備生物炭的相關(guān)研究進(jìn)展。

第三階段(2015～2018年),此階段相關(guān)期刊文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量進(jìn)一步提升,在四年之內(nèi)共發(fā)表200篇期刊文章,對(duì)于基于污泥制備生物炭的相關(guān)研究?jī)?nèi)容已經(jīng)非常豐富,這一階段人們對(duì)于廢棄資源再利用以及對(duì)于生態(tài)環(huán)境等方面進(jìn)一步重視[24],對(duì)污泥基生物炭的吸附作用、修復(fù)作用、污泥中重金屬的鈍化等方面展開(kāi)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(zhǎng),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(guān)期刊129篇,為近二十年來(lái)的發(fā)表篇數(shù)最高的一年,由于2023年的文章只統(tǒng)計(jì)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(cè)2023年的相關(guān)文章會(huì)只增不減,達(dá)到新的文章發(fā)表數(shù)量最多年份。由于這一階段,我國(guó)對(duì)污泥處理以及對(duì)污泥資源再利用和基于污泥制備生物炭的相關(guān)研究得到的進(jìn)一步的重視,對(duì)于基于污泥制備的生物炭進(jìn)行了各種方面的測(cè)試研究,其中重金屬吸附[25]、改良土壤和促進(jìn)植物生長(zhǎng)[26]方面是這四年的重點(diǎn)研究方向。

從圖1 的發(fā)文量曲線趨勢(shì)可以看出,對(duì)于污泥基生物炭的研究逐年上升,近年來(lái)研究急劇上升,未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)對(duì)污泥制備生物炭的相關(guān)研究還會(huì)得到進(jìn)一步的重視,國(guó)內(nèi)的相關(guān)學(xué)者以及普遍大眾的資源再利用和綠色生態(tài)的觀念會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖1 年度發(fā)文量

2.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)

2.2.1 關(guān)鍵詞圖譜

基于CiteSpace的關(guān)鍵詞分析是對(duì)關(guān)鍵詞對(duì)所研究領(lǐng)域方向和內(nèi)容的高度概括,對(duì)于關(guān)鍵詞的頻次、關(guān)聯(lián)度可以揭示該研究領(lǐng)域話題、內(nèi)在聯(lián)系及主要程度。所謂的關(guān)鍵詞共現(xiàn)[27],其是作為該領(lǐng)域方向的不同高頻詞匯之間的聯(lián)系。所檢索的不同關(guān)鍵詞之間的相互關(guān)系由之間的連線指明[28],連線的顏色代表了各關(guān)鍵詞首次關(guān)聯(lián)的時(shí)間,其中關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)由節(jié)點(diǎn)表示,節(jié)點(diǎn)的大小表示關(guān)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(lǐng)域,學(xué)術(shù)研究者的重心還是在污泥生物炭對(duì)重金屬的吸附作用、污泥制備的生物炭對(duì)土壤的改良效果、污泥的熱解技術(shù)、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(lái)相關(guān)研究圍繞“污泥”、“生物炭”、“鈍化”、“吸附”等方面研究時(shí)間跨度較大,并由此方面衍生的研究擴(kuò)展較多,是自2004年至2022年上述都是當(dāng)時(shí)的研究熱點(diǎn)話題。而對(duì)于“土壤修復(fù)”、“微生物群落”、“生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”、“高級(jí)氧化”、“資源化利用”這些都是最近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)話題,也是未來(lái)幾年來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 我污泥基生物炭的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.2.2 關(guān)鍵詞突顯

利用CiteSpace 軟件對(duì)突變?cè)~進(jìn)行突顯探測(cè)分析得到2013～2023年間的突變?cè)~分布情況。可以根據(jù)突發(fā)詞的詞頻變化判斷某個(gè)研究領(lǐng)域的前沿和趨勢(shì)[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(gè)突變關(guān)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(fēng)險(xiǎn)”(2019～2021年)、“資源化利用”(2020～2021年)、“餐廚垃圾”(2020～2020年)、“熱力學(xué)”(2021～2021年)、“催化”(2021～2021年)、“機(jī)理”(2022～2023年)、“土壤”(2022～2023年)。

圖3 CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵詞突發(fā)性檢測(cè)圖

其中爆發(fā)強(qiáng)度最高的是“熱解”,時(shí)間跨度為2年。在這兩年國(guó)內(nèi)的熱解技術(shù)有的很大的提升,由污泥進(jìn)行熱解反應(yīng),使有機(jī)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(shù)有了新的技術(shù)更新。其次突變時(shí)間較長(zhǎng)的是“土壤改良”和“生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”,均為污泥及生物炭的曾經(jīng)和現(xiàn)在研究熱點(diǎn),近年來(lái)由于各位相關(guān)研究學(xué)者的生態(tài)意識(shí)的不斷加強(qiáng),“生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”這方向的相關(guān)衍生的研究不斷增加。

2.3 關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜分析

基于CiteSpace所導(dǎo)出的關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜是陳超美教授近些年更推薦的一種時(shí)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(guān)性、技術(shù)的演進(jìn)以及歷史的跨度過(guò)程,可以直觀地反映出不同關(guān)鍵詞在不同年份的出現(xiàn)情況,時(shí)間線圖譜上的同一個(gè)聚類節(jié)點(diǎn)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(guān)污泥制備生物炭的研究熱點(diǎn)變遷及演變趨勢(shì)[32]。對(duì)關(guān)鍵詞的時(shí)間圖譜進(jìn)行整理并篩選前15個(gè)聚類結(jié)果,如圖4所示。自2005年至2010年期間我國(guó)對(duì)于污泥制備生物炭的研究相對(duì)較少,側(cè)重點(diǎn)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(diǎn)逐步向“土壤改良”、“吸附機(jī)制”、“重金屬”等方向等主題偏移,相關(guān)研究者對(duì)于這些主題開(kāi)展深入研究。自2016年之后該領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)。今年來(lái),相關(guān)的研究又向“土壤環(huán)境”“生態(tài)環(huán)境”“環(huán)境應(yīng)用”等主題方向靠攏,預(yù)測(cè)著這幾個(gè)研究領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)幾年的熱門研究話題。

圖4 我國(guó)污泥生物炭關(guān)鍵詞時(shí)間線圖譜

2.4 發(fā)文作者合作可視化分析

通過(guò)構(gòu)建作者合著網(wǎng)絡(luò),通過(guò)對(duì)近二十年來(lái)期刊作者發(fā)文量以及合作關(guān)系進(jìn)行可視化分析,從中可以清晰反映出該領(lǐng)域核心作者群以及各位研究人員的合作關(guān)系和合作時(shí)間[31]。圖5中的鏈接線條顏色代表著各節(jié)點(diǎn)之間作者合作時(shí)間,節(jié)點(diǎn)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(luò)的知識(shí)圖譜[29]。從圖5中可以看出近二十年來(lái)國(guó)內(nèi)的關(guān)于污泥基生物炭的研究大致形成了六個(gè)核心科研團(tuán)隊(duì),但各團(tuán)隊(duì)之間的研究卻鮮有交集,國(guó)內(nèi)起步較早的科研團(tuán)隊(duì)是由李剛、王格格、陸江銀、王建俊所帶領(lǐng)的科研團(tuán)體。2018～2020年間國(guó)內(nèi)由曹玉成、張進(jìn)、許思涵、王敏艷、刁韓杰的科研團(tuán)隊(duì)拓展了污泥基生物炭的相關(guān)研究。近年來(lái)由李寧、陳冠益、顏蓓蓓和汪印、余廣煒為中心的兩大科研團(tuán)體展開(kāi)對(duì)污泥基生物炭的相關(guān)試驗(yàn)研究。

圖5 發(fā)文作者時(shí)間關(guān)聯(lián)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

作者是CiteSpace應(yīng)用傳播的直接主體,單個(gè)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(lái)的核心作者以及核心科研團(tuán)隊(duì)。由CiteSpace軟件對(duì)污泥基生物炭的第一作者發(fā)文量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(lái)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(dá)15人。正是這些高數(shù)量的發(fā)文量作者,帶動(dòng)了我國(guó)內(nèi)的泥基生物炭的研究進(jìn)展,為后人們奠定了一個(gè)堅(jiān)固的基礎(chǔ)。

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(lái)污水處理廠的產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸加大,導(dǎo)致大量污泥需要處置,而污泥中含有大量有機(jī)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(wú)法實(shí)現(xiàn)資源回收。以污泥制備生物炭,其制備工藝簡(jiǎn)單,原料來(lái)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量生物氣和生物油可進(jìn)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(jī)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(yīng)等方面都可以獲得優(yōu)良的效果。

利用CiteSpace軟件對(duì)近二十年來(lái)污泥制備生物炭的相關(guān)領(lǐng)域的期刊文章進(jìn)行可視化分析,通過(guò)對(duì)研究進(jìn)程、研究熱點(diǎn)、研究現(xiàn)狀、研究?jī)?nèi)容等方面統(tǒng)計(jì)并繪制知識(shí)圖譜,結(jié)果表明:

(1)近二十年來(lái)對(duì)于污泥制備生物炭的相關(guān)研究,研究者主要研究的著重方面還是在生物炭對(duì)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(shù)、土壤改良、生態(tài)修復(fù)等方面為該領(lǐng)域的主要研究方向。

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

(3)近年來(lái)由于國(guó)家低碳環(huán)保的號(hào)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(yù)測(cè)在未來(lái)的幾年中相關(guān)研究領(lǐng)域熱度仍會(huì)居高不下,相關(guān)研究領(lǐng)域的擴(kuò)展研究也會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。