文獻計量分析污水處理領域生命周期評價的研究熱點趨勢分析

摘要：生命周期評價（LCA）作為環境管理的重要工具，在污水處理領域得到廣泛應用以全面評估處理效果。本研究運用文獻計量學方法，通過Citespace和Vosviewer軟件對Web of ScienceTM核心合集數據庫中相關文獻進行量化分析，涵蓋1997年至2022年，期間共發布1 701篇論文，顯示出年度遞增趨勢。中國為主要發文國，但相比之下平均引用率較低。Feijoo，Cumersindo團隊發文最多，而Chong Mengnan團隊發表的綜述文章在該領域影響最大，引用次數達3 549次。該領域的研究熱點聚焦于污水污泥處理與水處理的可持續性。未來研究將繼續探討如何通過LCA改進水處理工藝，優化能耗和環境效益。

關鍵詞：污水處理；生命周期評價；文獻計量學分析；發展趨勢

中圖分類號：X32 文獻標志碼：A

前言

隨著中國城市化、工業化進程的加快和經濟發展水平的提高導致全國用水量日益增加，污水廢水的排放量不斷增加，全國相當部分地表水受到不同程度的污染，污水的治理也在近些年成為了環境領域的一大熱點。中國每年在污水行業上的投人巨大，污水排放量的小幅度減少伴隨的是大量的資金和資源的消耗，盡管全國的污水處理設施逐步完善，但還是需要開發更加高效、更具性價比、能耗更低的污水處理手段。

生命周期評價（LCA），起始于1960年代，是評估產品或服務全生命周期環境影響的環境管理工具。從90年代被用于全面評估水處理行業的社會、環境、經濟影響。目前，LCA在污水處理的應用研究日益增多，但尚缺乏對該領域研究進展和趨勢的文獻計量學分析。文獻計量學通過定量分析特定時間內的文獻，可以描繪研究發展、識別研究熱點，并預測未來趨勢。

文章基于Webof ScienceTM外文核心合集數據庫檢索數據，通過文獻計量學分析的方法，分析LCA在水處理應用領域的研究情況。通過對發文量、引文量、高頻關鍵詞等數據進行分析，并使用計量學工具對數據進行可視化處理，從而對該領域的發展歷程進行全方位的了解，掌握該領域核心團隊和研究前沿信息，為深入該領域研究提供一定參考。

1數據來源與研究方法

1.1數據來源

數據來源是Webof ScienceTM（WOS）核心合集數據庫，引文索引選擇Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED），高級檢索中輸人的檢索式為TS=（（“waste water”OR wastewater OR sewage OR effluent *） AND（treat * OR dispos * OR processing））AND TS=（（“life cycle assessment”OR LCA OR“life cycle costing”OR LCC） NOT（“lithocholic acid”）），時間跨度設定為1997-01-01-2022-12-31，文獻類型選擇論文、綜述論文、會議錄論文和在線發表，Webof Science類別選擇“Environmental Sciences”、“Engineering Environmental”、“Green Sustainable Technology”、“Water Resource”和“Environmental Studies”，文獻的語種規定為英文，最后篩選出的文獻數為1 702篇。之后利用CiteSpace對導出的文獻數據進行去重，獲得有效文獻1 701篇。

1.2研究方法

運用美國德雷塞爾大學信息科學與技術學院教授、大連理工大學教授陳超美所研發的文獻計量工具CiteSpace以及荷蘭萊頓大學科技研究中心Van Eck等研發的VOSviewer文獻計量軟件，基于Webof ScienceTM（WOS）核心合集數據庫的數據，對1997年-2022年期間LCA在污水處理應用領域的研究進行文獻計量以及可視化分析。兩個軟件可以對wOs數據庫中導出的1 701篇文獻數據進行作者、國家、發文機構、關鍵詞等關鍵信息的提取，其中利用Vosviewer篩選出發文量超過5篇的發文機構，收錄文章5篇以上的期刊以及共現次數超過15次的關鍵詞，并進行手動篩選，剔除無意義和合并重復的信息，之后進行共現網絡的構建，熱點關鍵詞的聚類分析，軟件還會提供相應的可視化圖譜，通過圖譜，描述分析該領域的發展歷程、熱點演化，明確當前的研究前沿，預測將來的發展趨勢。

2結果與分析

2.1發展歷程

1997年至2022年的26年時間內，生命周期評價（LCA）在污水處理應用領域共發表論文1 701篇（由于檢索后發現1997年之前該領域的文章幾乎沒有，可以忽略不計，該領域的文章分析從1997年起），該領域的研究發展歷程可以大致分為三個階段如圖1所示：第一階段（1997-2007），這十一年時間為緩慢探索期，LCA在污水處理應用領域研究處于萌芽階段，平均發文量6.7篇／年，發文量以1篇／年的年增長率緩慢增加；第二階段（2008-2016），這九年時間為平穩發展期，平均年發文量為51篇／年，該時期該領域的發文數每年穩步增加，已經比第一階段大大提高，且年發文平均增幅到達了10篇／年，在這個期間，研究人員開始注重將LCA應用于污水處理領域，從而去分析一些污水處理措施的環境影響、社會影響、經濟成本等信息，指導污水處理往對環境更友好的方向發展；第三階段（2017-2021），這五年時間為高速增長期，該領域文章的年發展數大大增加，達到平均192篇／年，而且文章發表量呈上升趨勢，年發文平均增幅到達了28篇／年，研究者不再只專注于污水處理的工藝技術，開始結合LCA從更大的系統邊界去研究，包括污水處理設施的材料選取、污水處理產生的污泥廢渣的處置利用、污水處理過程中溫室氣體的排放等等，研究者所研究的方面更詳細更具體，并將LCA作為工具去評估新興的污水處理工藝的可替代性，嘗試為改良傳統的污水處理工藝提供一些建議。

另外該領域文章的引用也隨著論文量的增加而逐年增多，其中被引用數超過300次的文章就有11篇，這些高被引用的文章發表時間都集中在平穩發展期，研究的內容也有些區別，焦點主要包括光催化水處理技術、LCA的發展、水生產和處理的能源要求等，影響力最高的文章的引用次數高達3 549次，說明在這一時期的高被引文章對該領域的發展造成了深遠的影響，而在高速增長期的文章還需要時間的積累才能產生足夠的影響。

2.2研究力量構成

2.2.1發文國家分析

有91個國家及地區在該領域發表了總計1 701篇文章，其中中國的節點最大（如圖2所示），即中國在該領域的發文量最多，為339篇，占總發文章數的19.9％；美國則是發文量第二多的國家，共發文252篇，占總發文章數的14.8％。如表1所示美國、西班牙、澳大利亞等發達國家平均發文年份都在2018年之前，說明平均發文時間較早，而反觀中國、印度、巴西這類發展中國家的平均發文時間就較晚，可見發達國家在LCA在污水處理應用領域的研究早于發展中國家，但是發展中國家的發文量正逐漸趕超發達國家。中國在該領域的文章于最近十年來大量發表，且每年發文量都在穩步增多，出現這種情況的原因可能是2012年十八大以來，全國大力推進生態文明建設，《水污染防治法》、“水十條”等法律政策相繼提出與修訂，不僅對污水處理標準規定了更高要求，而且提出了水生態環境保護、低碳治污等多種生態文明目標，使得研究者在污水處理領域開展了更多生命周期研究。

再從文章被引用的角度來看，表1展示了發文量前十的國家的總被引用次數以及篇均被引用次數，部分發展中國家的發文量雖然逐漸追上甚至超過了發達國家，但是相比篇均被引用次數，發達國家還是領先于發展中國家的，其中澳大利亞文章的篇均被引用次數最高，遠高于其他國家，說明澳大利亞在該領域的研究富有成效得到業界更多的推崇，目前發達國家在該領域的研究仍然強于發展中國家，所發表的文章更具影響力，而且發展中國家在這方面的研究較晚，所發表的文章還未沉淀積累，從而使得篇均被引用次數低于發達國家。所以，發展中國家在提高該領域的發文規模的同時也應該不斷鉆研，使研究內容更加深刻深入，增加更多高水平研究，并通過時間的積累，提高在該領域研究上的影響力。

另外表1中的連接強度表示圖譜中節點與其他節點的連接次數，即表示節點國家與其他國家的合作頻繁程度，其中中國是和其他國家合作研究最緊密的國家，連接強度達到266比第二名的美國高出97，該項數據與發文量基本成線性相關，即多與其他國家在研究上尋求合作，有助于研究成果的產出，尤其是發展中國家在起步落后于發達國家的情況下，向發達國家研究者學習以及合作，能夠促進在該領域的發展。

2.2.2發文作者分析

LCA在污水處理領域的1 701篇文章由6 244個作者共同發表，篩選出其中發文量大等于5篇的作者（如圖3所示），在圖中的居中位置是一個作者群，主要是以西班牙圣地亞哥德孔波斯特拉大學研究團隊（2.2.3將介紹）為首的歐美作者群，這個作者群中的節點連線較為密集，表示這些作者之間合作頻繁，其中發文量最多的是來自西班牙的FeijooG.（Feijoo，Gumersindo）團隊，其在該領域共發文31篇，占總文章數的1.8％，Feijoo G.團隊研究的內容主要是利用LCA來評價污水處理設施的環境性能，并且提出對環境更有益的改良策略；而Chong（Chong Mengnan）團隊于2010年所發表的綜述，是該領域最具影響力的文章，總共被引用了3 549次，該文章主要是回顧了以往的有關光催化水處理技術的文章探討其最新進展。另外，發文量前十的作者僅有兩名來自中國機構的研究者，分別是Hong JL（洪靜蘭）和Bai SW（白舜文）其余的皆為外國研究者，說明雖然中國在該領域的發文總量已經是世界領先，但是高產量的研究者相較國外的研究者還是較少。除開中國研究者，其他八位研究者的平均篇均被引用次數為48.63次／篇，中國的兩位研究者的文章篇均被引用量都沒能達到該均值，其中洪靜蘭的文章篇均被引用次數是48.07次／每篇，略低于平均水平，該研究者的研究重點是LCA在污水污泥處理方面的應用，另一位中國研究者白舜文的文章篇均被引用次數是15.42次／篇，主要研究的方向是基于LCA為污水處理事業提供更適合中國的評價方法和決策方案，該研究者首次參與LCA在污水處理領域的研究成果發表于2017年，即該研究者在5年時間有12篇該領域的文章發表，是這個領域近幾年最活躍的研究者之一。

2.2.3發文機構分析

LCA在污水處理領域研究發文量超過5篇的機構152所（如圖4所示）。其中來自西班牙的圣地亞哥德孔波斯特拉大學，發文量達到了51篇，而且還是參與合作最多的機構，總連接強度達到了1 376，即該機構和其他機構在文章中共同出現的次數（包括重復共現），該機構在該領域的研究涉及面廣，主要是以污水處理廠為背景，利用LCA去分析評估水廠各凈水行為的生態環境效益，并為相關決策者提供一些建議和指南；另外，來自中國的機構有4所發文量進人到了前十，分別是中國科學院、清華大學、哈爾濱工業大學和山東大學，其中中科院的研究側重點是結合中國實際情況，包括中國的政策，中國的實際水體、城市等，利用LCA評價相關污水處理措施以及行為；清華大學在該領域的研究重點在于將環境與經濟結合，基于LCA評價不同政策、標準、排放限值等的不同影響，給決策者以提供相應參考；哈爾濱工業大學的研究重點就是2.2.2提及的白舜文所研究的方向，其他研究側重點還包括LCA在污水污泥管理的應用。發文量前十的機構的平均篇均被引用次數為38.25次每篇，四所中國機構的該項數據都低于該平均值，說明中國機構所發表的文章在質量上不足或者還未得到時間的積累。

中國的機構在該領域的發文量已經位于世界的前列，但是由于起步的時間較晚，所以文章的影響力還沒有積累起來，需要繼續在該領域上進一步加強與其他國外優秀機構的合作，相互學習共同進步。

2.2.4發文期刊分析

為探究LCA在水處理領域研究的影響力以及潛力，可以通過分析該領域文章所發表的期刊來判斷。發表文章數5篇以上的46個期刊共發表1 518篇文章，其中有24個Q1區的期刊，10個Q2區的期刊，8個Q3區的期刊以及4個Q4區期刊。發文于Q1區期刊的文章數占到了70.36％，Q2區期刊的文章數占到了16.8％，LCA在水處理領域的研究成果大部分被發表在高影響力的期刊上，在生態環境的研究中具有很高的學術價值，是值得重視且有發展潛力的研究領域。

另外Journalof Cleaner Production期刊是該領域文章發表最多的期刊，共收錄了375篇論文，占到了總文章數量的22％，該期刊影響因子高達11.072，是環境領域極具代表性的期刊之一。

3研究熱點和趨勢分析

3.1研究熱點

應用軟件Vosvlew對關鍵詞進行篩選，篩選出187個不同的關鍵詞（如圖5所示），關鍵詞的節點顯示了幾個突出的熱點，其中“energy”出現了231次，能源消耗一直以來都被視作與環境保護所密切相關的，絕大多數的有關污水處理系統的生命周期評價都會把能源消耗加人到評價的系統邊界中，或是以不同的能源結構來探討污水處理系統的環境性能；另外“sewagesludge”也是污水處理中的一大熱點，污泥處理屬于污水處理的部分但采用固體廢物處置的技術，很多文章都將污水污泥的處置作為污水處理可持續化的關鍵措施，評估污水處理過程的同時也評估污泥處置的環境影響，包括廢水污泥內養分的回收，以污水污泥為基礎制作高能源潛力的生物質等；污水處理廠作為城市污水工業廢水處理的重要場所，一直是該領域的熱點，即“treatmentplant”，對于污水廠的研究可以從時間空間工藝等層面利用LCA去探討環境影響和經濟成本。

除以上提到的幾個熱點外，根據圖譜中的顏色LCA在污水處理領域研究的187個熱點關鍵詞大致分為四類（如圖5所示），一類是紅色部分，關鍵詞主要是污水處理生命周期評價的效應對象，包括環境影響、能量消耗、可持續性等；第二類是綠色部分，主要是生命周期評價污水處理工藝過程對象，包括污水污泥的處置，厭氧消化，活性污泥工藝等；第三類是黃色部分，主要是污水處理后的產品生產，包括通過微藻將污泥廢渣生產生物燃料等；第四類是藍色和紫色部分，主要關鍵詞和污染物有關，主要是污水中污染物去除和回收的生命周期評價，包括磷的回收、氨氮的去除以及營養物質的回用等。

過去二十年來，污水處理事業已經取得了長足的進步，各種更高效智能的工藝及設備問世，絕大多數的水問題已經能夠被解決，研究者開始不僅僅只關注于污水處理的過程，而是將LCA這個工具引人于污水處理，去研究污水處理整個生命周期，包括原料獲取、污水處理、廢物最終處置等等這些過程對社會、環境、經濟的影響。從關鍵詞中還可以發現，研究者更加重視從不同的層面利用LCA去研究污水處理的可持續性，評估了污水處理過程中所產生的溫室氣體對全球氣溫變暖的潛在影響，并探究降低污水處理過程中溫室氣體排放所造成影響的方法；還有利用污水污泥制造生物燃料，通過和其他污泥處置技術進行比較評估，發現將污水污泥進行生產生物燃料有很好的環境效益、污水中營養物質和能量的回收利用，表示廢水處理設計的重點將會從減少污染物逐漸地轉變為資源回收等。

3.2研究趨勢

篩選出的15個出現頻次較高的關鍵詞所作的趨勢熱圖展現了（如圖6所示），在2011年到2021年這段時間里各關鍵詞的出現頻次的變化情況，顏色越深表示該關鍵詞在這一年的出現次數發生顯著增加。在2021年orculareconomy和removal這兩個關鍵詞的出現頻次明顯的增加，即“循環經濟”和“去除”在2021年相較于前幾年成為了研究者研究的重點，尤其是循環經濟在2017年才首次作為關鍵詞出現在文章中，主要研究內容是基于循環經濟理念對廢水中各類養分進行回收再利用，該關鍵詞常與recovery和reuse共同出現；關鍵詞removal在2021年前都呈現緩緩增加的態勢，在2021年出現次數大幅增加，對于該關鍵的主要研究內容是廢水中污染物的去除，以污染物的去除效果、去除成本等指標來評估一些研究前沿的污水處理技術、工藝、設備等的可行性。

根據上述內容可以推測，未來的幾年，對于LCA在水處理應用領域的研究，研究者會把重點放在循環經濟的研究并繼續鉆研于各具體的技術、工藝、污染物等，嘗試去改良已有的工藝技術，堅持可持續化治水理念，從而使得目前這些工藝技術更加的高效、節能，對環境的影響更小。

4結論

根據分析，LCA在水處理應用領域的研究關注度2017年以來顯著增長，進入快速發展階段。其中Feijoo G.團隊在該領域的貢獻最為顯著。而被引用最多的論文是Chong團隊發表的綜述。根據篩選，超過70％的相關文章發表在一區期刊，其中《Journal of Cleaner Production》是主要發文期刊。雖然中國在該領域的研究起步較晚，但已成為發文量最多的國家，不過篇均引用率仍低于多數發達國家。該領域的研究熱點主要分為四類：以環境影響、能耗和可持續性為評價對象的研究；污水處理工藝的LCA，包括污泥處理、厭氧消化和活性污泥等；利用微生物對廢水廢物再利用的研究；污水中污染物的去除和回收評價，如磷回收、氨氮去除和營養物質回用。未來研究將側重使用LCA評估具體水處理工藝或技術的成本、能耗和環境影響，目的在于改進和優化這些工藝或技術，以提高效率、節能并減少環境影響。