基于Web of Science對垃圾滲濾液處理處置的文獻計量分析

劉青晨,占美麗,張國棟,王亞楠,單斌,王華偉*

(1.青島理工大學 環境與市政工程學院,山東 青島 266033;2.青島市固體廢棄物處置有限責任公司,山東 青島 266043)

垃圾滲濾液主要來源于垃圾中自身含有的水分[1]、覆蓋在填埋場上融化后逐漸滲入地下的雨雪水、生活垃圾的轉運和處理裝置[2]以及生活垃圾在焚燒的衛生填埋中產生的液體,是一種高濃度的有機廢水[3]。在一些非正規的垃圾填埋場,由于管理不善或者維護不及時,未對垃圾滲濾液采取有效的措施進行處理,則會存在垃圾滲濾液滲漏的風險。一旦發生滲濾液泄漏,將會對場地周邊的環境產生不同程度的污染[4]。為了減少滲濾液對周邊環境的污染問題,我國環境保護部門發布了一系列的文件對垃圾滲濾液的處理處置提出了更高的要求。在科技部的各個重大專項中,對滲濾液處理技術的研究也給予了高度的重視[5]。因此,對垃圾滲濾液的處理工藝進行研究具有重要的現實意義。

本文對國內外公開發表的垃圾滲濾液及處理處置的相關文獻進行統計分析[6],從文獻發文數量及年度變化趨勢、發文國家/地區、關鍵詞聚類、主要作者、載文刊物、共被引期刊等方面進行計量學統計分析,探究生活垃圾滲濾液處理處置技術的研究現狀及未來發展趨勢[7],為垃圾滲濾液的科學管理提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究的外文數據[8]采用美國科學信息研究所Web of Science (WOS)[9]中的Science Citation Index Expanded (SCI-EXPANDED)[10]核心合集數據庫。作為目前規模最大的引文回溯數據庫,它包含了全球最重要、最有影響力的研究成果,并被認為是當今世界公認的科學統計與科學評估的重要檢索工具[11]。以(Landfill leachate)AND (Treatment)為主題詞進行檢索,檢索的時間跨度為1985—2022年,共獲取相關文獻4 235篇,通過篩選及刪除無關文獻,最終保留4 135篇文獻。

1.2 研究方法

通過CiteSpace和VOSviewer科學知識圖譜文獻可視化軟件對垃圾滲濾液處理處置進行分析。CiteSpace可視化文獻計量學軟件在關鍵詞的突變分析方面具有優勢,能夠更好地展現研究趨勢和演化進程[12],有利于對本領域最近的研究進行發掘。VOSviewer是一款文獻處理和可視化軟件[13],它以一種簡潔明了、清晰美觀的視圖來展示研究領域的熱點。本研究通過計量學分析,對1985—2022年間發表的有關垃圾滲濾液處理處置文獻從發文數量、國家/地區與機構合作、關鍵詞聚類、關鍵詞共現時區圖譜、爆發詞、主要作者、載文刊物、共被引期刊及文獻等方面進行計量分析,其中運用CiteSpace軟件、VOSviewer軟件進行數據分析時,是將Web of Science數據庫下載txl格式的文章,按照研究內容的需要將文本導入CiteSpace軟件、VOSviewer軟件,然后進行分析[14]。

2 結果與分析

2.1 發文數量及年度變化趨勢分析

通過對論文發表數量進行分析,可以最直觀地反映研究者對這個領域的重視程度,同時也可以從另一方面反映該領域的發展速度和水平。垃圾滲濾液評估領域2008—2022年間的論文通過WOS核心數據庫為基礎進行計量分析,具體見圖1。通過對近年來在該領域發文數量統計分析,可以看出,發文數量呈不斷上升的趨勢,可見近年來垃圾滲濾液這一類問題引起了廣泛研究,逐漸被人們所關注。2008年到2015年發文數量逐年平穩增長,從2015年開始該領域發文數量顯著提升,發文量均在200篇以上,2021年的發文量(495篇)和被引頻次(21 709次)達到最高值,是2011年發文量(139篇)的3倍多,這些都與我國近年來對環境保護及污染治理的重視程度有關。《生活垃圾填埋場滲濾液處理工程技術規范》在2010年頒布實施后,對填埋場滲濾液的治理提出了具體的技術要求并對其進行分析。2017年印發的《關于加強推進黨政機關等公共機構生活垃圾分類工作的通知》,通過實施生活垃圾分類,推動生活垃圾減量化、資源無害化,從而減少滲濾液的排放,降低其環境風險。

圖1 2008—2022年垃圾滲濾液領域文獻發表量

2.2 發文國家/地區分析

在科學研究領域,一個國家在該領域的發文數量反映出該國家對該領域的重視程度和在該領域學術影響力[15],通過VOSviewer國家合作網絡對1985—2022年不同發文國家/地區分析,共有104個國家發表了關于滲濾液領域的相關文章。將國家間合作的閾值調整為20,最終有49個國家符合條件。其中,在垃圾滲濾液領域發文量排名前十的國家中排名第一的是中國,發文量高達1 350篇,占總發文量的32.6%,其次是美國(324篇)、馬來西亞(274篇)、巴西(248篇)、印度(246篇)、伊朗(211篇)、土耳其(206篇)、西班牙(179篇)、波蘭(179篇)、意大利(178篇)。我國在該領域的發文量位于第一位,發表的文獻數量略高于位居第二的美國的4倍。可以看到,我國對于垃圾滲濾液處理處置方面的研究十分重視,這表明我國在垃圾滲濾液處理處置研究方向發文量具有一定的競爭力,同時也進一步說明了我國城市生活垃圾滲濾液的處理處置問題的嚴峻性。

2.3 重要研究機構分析

通過VOSviewer對研究機構分析,來自世界各地的3 086個組織或機構參與垃圾滲濾液的研究。其中馬來西亞的University of Malaysia(馬來亞大學)發文量最多,發文量為117篇,其次發文量前五的還有Tongji University(同濟大學)、Chinese Academy of Sciences(中國科學院大學)、University of Science and Technology Beijing(北京科技大學)、Irditz University of Technology(伊爾迪茲科技大學)。在VOSviewer軟件中顯示各個機構之間聯系的緊密程度,其中各個機構之間的關聯強度較強,如圖2所示,由此可以說明各個機構之間對于垃圾滲濾液之間的研究進行緊密的交流,中國科學院大學在垃圾滲濾液處理處置方面發揮著重要作用,通過與國內外科研院開展學術交流與合作,形成了一種協同效應,推動了垃圾滲濾液領域的迅速發展。

圖2 1985—2022年垃圾滲濾液領域重要論文產出機構及相互合作關系圖譜

2.4 關鍵詞聚類分析

關鍵字主要用于編制索引或者幫助讀者檢索文獻,領域的研究熱點可以在一定程度上通過關鍵詞出現的頻次來體現[16]。通過VOSviewer對4 135篇文獻繪制關鍵詞共現網絡視圖,文獻中共包含12 085個關鍵詞,將最低閾值調整為20,共有359個關鍵詞符合條件,形成4個主要聚類,見圖3。

圖3 1985—2022年垃圾滲濾液領域重要論文關鍵詞關聯圖譜

通過VOSviewer對關鍵詞進行聚類分析,圖中圓球的大小代表著關鍵詞出現的頻率,同時也體現出該領域的研究熱點。Landifill leachate(垃圾滲濾液,2 178次)是出現頻次最高的關鍵詞,其他出現頻次依次較高的有removal(去除,1 232次)、waste-water(廢水,690次)、degradation(分解,674次)、leachate(滲濾液,555次),從這些關鍵詞中不難看出對于垃圾滲濾液的處理問題是當前領域研究的重點。在圖3中,聚類3主要是關于溶解有機物和腐殖質物質的研究,出現較高的關鍵詞有dissolved organic-matter、drinking-water等。聚類1主要是垃圾填埋場的管理及滲濾液的厭氧消化,出現較高的關鍵詞有leachate、water、leachate treatment、management等,結合城市固體廢棄物難以處理的特點,其處理及污染控制已成為國內外學者關注的焦點[17]。尤其是一些有機污染物難以去除,將現有的垃圾滲濾液技術綜合利用,進而形成一種高效的綜合處理技術,是各個國家都面臨的一大難題[18]。聚類4主要是降解、去除垃圾滲濾液問題,出現頻次較高的關鍵詞為removal、degradation、optimization等,在垃圾填埋過程中和封場后的一段時期內,將會產生高濃度的有機物、氨氮及重金屬的垃圾滲濾液,垃圾滲濾液滲入到土壤、河流等流域,將會對周邊的環境產生污染,所以將研究通過生物降解來降解有機污染物或者通過活性炭等舉措來降解去除污染物,將其進行優化。此外,阻隔屏障能夠有效阻止污染物從垃圾填埋場向周圍環境排放,因此,研究阻隔屏障中污染物的運輸過程和阻控機理是當前熱點的研究問題[19],對于保護環境、改善環境質量具有重要意義。聚類2主要是研究通過厭氧氨氧化技術、添加菌劑等技術處理垃圾滲濾液脫氮,出現頻次較高的關鍵詞為nitrogen removal、activated-sludge、denitrification等,由于垃圾滲濾液的特性,導致其中含有高濃度氨氮、低碳氮比、難處理等問題,因此如何解決高效低耗的污水處理,始終是這一領域亟待解決的難題。由圖3可知,圖中有多個相同含義的關鍵詞,例如leachate、landfill leachate均表征滲濾液,所以圖中圓球的大小不是表征研究主題的唯一標準。聚類中關聯度較弱的關鍵詞,無法表達該領域的研究熱點,在熱點分析中可忽略[20]。

通過分析關鍵詞共現時區圖譜(Time Zone)可以反映出各領域研究主題的基本情況。通過對關鍵詞進行時間劃分,然后進行分析,通過垃圾滲濾液中關鍵詞首次出現的時間和整體視角來分析研究熱點。借助Citespace軟件將節點選擇為關鍵詞(Keyword),切片長度(Slice Length)設置成4,選擇標準(Selection Crteria)設置成Top50 per slice,從每一個時間切片中提取前50位的數據,來生成關鍵詞共現時區圖譜,見圖4。在關鍵詞共現時區圖譜中,每一個點都代表一個關鍵詞,時區圖中的每個時間段均是由該時間段所新出現的關鍵詞組成,連線將兩個或多個關鍵詞連接起來,可以發現它們之間的共現程度[21],從而更好地理解關鍵詞之間的聯系。

圖4 基于Citespace的關鍵詞共現時區圖譜

由圖4可知,垃圾滲濾液的研究隨著時間的推移在不斷演變,可分為三個階段:首先是2008—2013年,這一階段主要是在垃圾滲濾液處理方面[22],圍繞removal(去除)、degradation(降解)、performance(性能)等關鍵詞進行研究,這一階段的研究重點是對垃圾滲濾液的處理處置,分析了垃圾滲濾液處理的各種技術,對不同技術在垃圾滲濾液中的處理效果進行分析,結果表明,目前垃圾滲濾液處理的研究熱點不斷增多;其次是2013—2018年,此階段的研究主題比較分散,在此階段中出現的關鍵詞microbial community(微生物群落)、integrated approach(綜合方法)進行研究;第三個階段為2019年-至今,在此階段的關鍵詞為energy consumption(能源消耗)、solidification/stabilization(固化/穩定化)、leachate pollution index(滲濾液污染指數)等。

2.5 主要作者分析

通過發表論文的數量、被引頻次,可以確定論文的主要作者,由此可以有助于在這一領域找到高產研究人員。作者貢獻分析由VOSviewer得出,4 135篇相關文獻中共包括了12 928位該領域的作者,將作者文獻的最低閾值調整為5,得到符合條件的作者有419人。其中,馬來西亞理科大學的ABDUL AZIZ HAMIDI、北京工業大學的PENG YONGZHEN、拉曼大學的BASHIR MOHAMMED J K是發文量排名前三的學者。ABDUL AZIZ HAMIDI[23]主要關注穩定化處理垃圾滲濾液性能比較如運用混凝絮凝工藝與臭氧聯合工藝的研究;PENG YONGZHEN[24]專注介紹了垃圾填埋場滲濾液的處理處置技術和應用現狀并對垃圾滲濾液深度脫氮工藝進行研究; BASHIR MOHAMMED J K[25]主要關注電化學氧化、厭氧膜生物反應器穩定處理垃圾填埋場滲濾液[26]。北京工業大學的彭永臻是發文量排名第一的中國作者,課題組長期致力于對生物污水處理理論及應用、污水脫氮除磷的新工藝與新工藝的研究,并開展了垃圾滲濾液的脫氮除磷研究。在主要作者關聯強度中,各個作者之間的關聯強度并不是很強(圖5),在該領域中的12 928位作者,大部分作者發表文獻數量在1～2篇,相對于該領域所存在的巨大研究和發展空間而言,尚需更多更專業的研究人員關注。

圖5 垃圾滲濾液領域重要論文作者關聯圖譜

2.6 載文刊物分析

通過對載文刊物進行分析,可以了解當前該領域具有前沿性、有原創意義的選題。通過VOSviewer分析,對發表垃圾滲濾液領域的470個載文刊物進行研究。其中發表文獻排名前五的刊物分別為Waste Management(257篇)、Desalination and Water Treatment(257篇)、Journal of Hazardous Materials(158篇)、Bioresource Technology(156篇)、Science of the Total Environment(154篇)。在發文量TOP5的期刊中,2022年影響因子最高的期刊為Journal of Hazardous Materials,其影響因子為14.224,其次是Bioresource Technology和Science of the Total Environment,影響因子分別為11.889和10.753,最低的期刊為Desalination and Water Treatment,其影響因子為1.273。在VOSviewer軟件中顯示載文刊物的網絡密度較高,分布較為密集(圖6),這表明各個期刊之間關于垃圾滲濾液之間的研究交流得較為密切。

圖6 垃圾滲濾液領域重要載文刊物關聯圖譜

2.7 共被引期刊分析

共被引分析的目的是對在某研究領域中被高頻引用的論文和期刊有一個全面分析,通過VOSviewer對期刊共被引圖譜進行檢測,共有20 344篇期刊被引用,設置期刊最少共被引次數的閾值為40次,共有393本期刊用于被引期刊的共引分析,最終呈現的共引關系圖譜,見圖7。

圖7 垃圾滲濾液領域共被引期刊關聯圖譜

由圖7可知,期刊共引網絡由5個聚類組成,對應圖中的5種顏色,被引用次數位列前三期刊分別是《Water Research》(14 277 次引用)、《Journal of Hazardous Materials》(13 721次引用)、《Bioresource Technology》(10 240次引用)。在五個聚類中,聚類1的期刊主要為工程技術和水資源研究領域的期刊,關注技術在水領域的應用,引用這些期刊的目的主要是分析回顧已有的研究,并為自己的研究提供已有的理論和實證支持;聚類2的期刊以環境和生態方面的研究為主;聚類3的期刊主要以化學工程、環境科學和工程領域的研究為重點;聚類4的期刊主要介紹和討論關于固體廢物產生、角色塑造、最小化、收集、分離、處理和處置的信息;聚類5的期刊主要是發表淡化材料、工藝和相關技術的研究。這些期刊往往有較多對數據收集、清晰和分析的技術層面的研究,引用這些期刊的目的主要是為研究提供技術層面的支持。

2.8 共被引文獻分析

文獻共被引(Co-Citation)是指第三篇文獻的施引文獻目錄中包含另外兩篇文獻,這說明已發表論文之間有很強的關聯性。在VOSviewer軟件中,使用了文獻共被引聚類,可以找到具有代表性文獻以及不同的研究領域。接下來用VOSviewer繪制文獻共被引圖譜,共有110 142篇文獻被引用,設置文獻最少共被引次數的閾值為40次,留下292篇文獻用于被引文獻的共引分析,最終呈現的共引關系圖譜(見圖8)。

圖8 垃圾滲濾液領域共被引文獻關聯圖譜

在共被引文獻排名中,在2007年發表的《Landfill leachate treatment:Review and opportunity》是共被引次數最多的文獻,其綜述了垃圾滲濾液的處理方法,討論了該領域技術的發展現狀,結合各種處理方法的優缺點進行討論[27]。通過COD、NH3-N和重金屬作為指標來對處理性能進行評價,將處理常規垃圾滲濾液分為三類:第一種是垃圾滲濾液轉移,是通過循環利用與生活污水聯合進行處理;第二種是通過好氧與厭氧的過程進行聯合生物降解;第三種是運用化學物理方法進行處理,如化學氧化、吸附、化學沉淀、混凝/絮凝等方法。共被引次數排名第二的是在2010年發表的Present and Long-Term Composition of MSW Landfill Leachate:A Review,討論了填埋場氧化還原狀態變化的長期行為[28],對垃圾分解的好氧、厭氧酸、初始產甲烷和穩定產甲烷四個階段進行了分析。

3 垃圾滲濾液處理處置領域的研究重點與研究趨勢

綜上所述,根據關鍵詞共現時區圖譜、關鍵詞聚類重要研究機構分析等信息,分析和總結了近年來垃圾滲濾液處理處置領域的研究重點以及未來的發展趨勢。關于垃圾滲濾液處理處置的研究結果表明,垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度有機廢水,其處理技術較為復雜[29]。隨著時間的推移,垃圾滲濾液的處理工藝在不斷發展,主要是對現有技術進行優化和改進,其處理工藝的主要變化有以下幾個方面:1)在20世紀90初期,由最初的生物處理方法,逐步過渡到“生物處理+物化預處理”;2)在21世紀初期,“生物處理+物化預處理”方法逐步占據了滲濾液處理處置方法的主導地位;3)目前一套較為完備的垃圾滲濾液處理工藝及產業鏈已經較為完善,為“預處理+生物處理+深度處理”的綜合處理路線提供良好的基礎[30]。在處理過程中,生物降解性隨著時間的推移而不斷降低,而氨氮的含量卻在不斷升高,從而會逐步形成一種老齡垃圾滲濾液(填埋場齡>10 a)。老齡垃圾滲濾液可生物降解能力較差,BOD/COD(生化需氧量/化學需氧量)小于0.2,且C/N(碳氮比)低[31]。所以,要滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》中對滲濾液的排放要求,必須采用多種處理工藝,并進行精確調節。生活垃圾填埋場及滲濾液中含有多種類和高豐度的抗生素抗性基因[32],抗生素抗性基因是廣泛存在于環境中的一類新污染物。前期研究表明,抗生素抗性基因與厭氧微生物之間存在著較強的相關性,這對污水處理廠及最終的收納水體都存在著潛在的風險[33]。在國內,未來可通過各種工藝的協同使用,融合單個工藝的優勢,克服各自的缺陷,從而達到垃圾滲濾液中污染物去除的最佳效果。垃圾滲濾液中富含金屬元素和腐殖質,對其進行高效回收可減少其處理成本,但同時也給分離工藝帶來新的挑戰。

4 結論

通過VOSviewer和CiteSpace軟件分析近年來垃圾滲濾液的研究脈絡、熱點及發展趨勢,系統回顧了垃圾滲濾液發展態勢,從國外垃圾滲濾液發展的歷程中可以發現:1)最主要的關鍵詞展現的是垃圾滲濾液研究的核心命題,即垃圾滲濾液如何處理,從物理化學處理技術、生物處理技術、膜法處理技術、深度處理技術等方面對目前處理垃圾滲濾液使用的工藝進行了分析。結合投資和運行費用的經濟指標和工藝本身是否可以長期穩定、良好地達標運轉,來研究處理工藝在今后處理垃圾滲濾液方面的推廣。次要關鍵詞展現的是通過各實驗研究降解垃圾填埋場滲濾液,主要圍繞實驗來提高生物降解垃圾滲濾液的能力,通過光催化降解以及臭氧化過程對垃圾滲濾液的效率與轉化機制進行研究。2)垃圾滲濾液領域發文量最多的國家是中國,是位居第二的美國的四倍多,目前各個國家形成了相對穩定的合作群體。3)重要研究機構前三名為馬來西亞大學、同濟大學、中國科學院。4)該領域文獻發表的期刊主要為Waste Management。本文研究有助于了解垃圾滲濾液處理處置領域的研究方向及熱點。