基于CiteSpace的生物膜法污水處理技術文獻計量研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0060-05

中圖分類號：X703.1文獻標志碼：A

Bibliometric Analysis of Biofilm Wastewater Treatment Technology Based on CiteSpace Zhang Kaiyuan1，Chen Jian2，Li Guijie3，Liu Hanhu1，Zhang Shuangsheng

（1.SchoolofEnvironmentand Spatial Informatics，ChinaUniversityof Miningand Technology，Xuzhou2116，China； 2.Huaibei City Drainage Co.，Ltd.，Huaibei 23500o，China； 3.Zhaoyuan Municipal Construction Engineering Quality Supervision Station. Zhaoyuan 265199，China； 4.Environmental Engineering College，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China）

Abstract：Inordertograsptheresearchtrendinthefieldofbiofilmwastewatertreatment，CiteSpacesoftwarewasusedtomakea bibliometricnalysisof23O3researchpaperseatedtobiofilmwastewatertreatmentinWOScoredatabasefrom20l3toO23.Theresults showthatChinaisattheoreoftecooperationnetworkinthefeldofiofl，andthereseachistitutionswittehighestberf papersareallfromhina.Theesearchadutilizationofanaerobicammonaoxidationprocess，dentrificationofswage，treamentof petrochemicalwastewaterbyiofilmmethodandpreventionandtreatmentofmembraneplltionaretheresearchstatusinthiseld.Bio filmtreatmentect，ewagedeitrfatiodiofiprossareeesechotspotsintseldesarchndlaiofr latedprocessesofnaerobicammoiaoidationtemovalofoganicmicropolutatsandtheesearchofmovingbedbiofilractor （MBBR）are theresearch frontiersinthe fieldof biofilm.

Keywords：biofilm；anammox；CiteSpace；MBBR；sewage treatment

前言

隨著經濟社會的快速發展和工業化進程的不斷推進，水體污染問題愈加嚴重，因此，人們對水凈化技術的需求也日益提高，迫切需要尋找成本效益高、可持續發展的水處理方法。

生物膜技術就是這樣一種可行的方法，如表1所示，相較于其他常見的污水處理方法，生物膜技術沒有明顯的缺點，高效去除廢水中有機物和氮化物的能力使得該技術在廢水處理領域具有很大的應用潛力，近年來被廣泛應用于農村、低溫、低碳、工業廢水處理等領域，并成為研究熱點。為了更全面地了解近年來生物膜工藝處理污水領域的研究動態，文章選取時間跨度為2013－2023年間發表的與生物膜工藝處理污水相關的文獻并利用CiteSpace進行系統性分析。通過對國家、作者、機構和關鍵詞等多個方面的分析，建立了共現網絡，探討了這些元素之間的內在關聯。這一分析有助于更清晰地把握生物膜領域的研究現狀、熱點和前沿，從而進一步明確該領域的研究方向。

1 材料與方法

1.1 數據獲取

文章于2024年3月9日從WebofScience核心合集數據庫提取相關文章的原數據，時間跨度為2013-2023年，主題檢索式為 TS=（Δbiofilm）， ，又在此主題詞下以“wastewatertreatment”進行精煉檢索以作為補充，論文類型為研究論文，語種選擇英文，使用CiteSpace轉換器去重之后，共得到2303篇研究使用各種生物膜工藝處理污水相關文獻，導出的記錄內容為全紀錄和引用的文獻，導出格式為TXT格式[2]

1.2 數據研究方法

CiteSpace是一款基于科學計量學原理和數據、信息可視化技術的文獻信息挖掘軟件[3]，可用于分析、檢測和可視化科學文獻中的熱點和研究前沿等。文章基于文獻計量法來進行生物膜法處理污水方面有關分析，將2303篇文獻導人CiteSpace（6.1.R6），將時間切片設置為2013－2023且均已1年為切片厚度，節點選擇作者、國家、機構和關鍵詞，在對關鍵詞進行共現時勾選Pathfinder和Pruningslicednet-works，進一步分析文獻發表的作者、國家、機構和關鍵詞，以期客觀準確的闡述利用生物膜法處理污水領域的研究現狀、研究熱點和研究前沿，并對未來研究方向進行展望。

2 結果與討論

2.1 國家層面分析

利用CiteSpace從發表過關于生物膜法的88個國家中在“Bycitation”條件下以42為零界點共現出18個國家得到國家合作共現網絡，如圖1所示，各國在利用生物膜法處理污水方面合作相對密切。CiteSpace能夠對節點中心性和突發性進行定量測量[4]，中心性反映出一個節點在整個網絡中作為“媒介”的能力，一些節點必須通過某一節點才能與其他節點產生聯系。中心性越高，“媒介”能力越強。其中中國的中心性最高為0.32，說明中國在整個合作網中處于最關鍵的地位。其次是美國0.21、日本0.18、印度0.12、加拿大0.11、馬來西亞0.11、韓國0.09。由此可見亞洲地區國家較歐洲國家在生物膜處理污水方面合作更加密切。從各國發文量來看，節點越大表示發文量越多。中國為該領域發表文獻最多的國家，這11年來發表文獻累計高達1 039 篇，占總文獻數量的 45.1% ，其次為美國、印度、西班牙、澳大利亞和加拿大，分別發表文獻215篇、135篇、117篇、108篇和98篇，文獻占比分別為9.3%.5.9%.5.1%.4.7% 和 4.3% 。發表高水平研究文獻的數量指明了一個國家在該領域具有的研究體系水平和可信度，中國在這一領域的文獻發表數量甚至高于其余四者的總和，被引用次數達到18899次，證明了中國對生物膜法處理污水這一議題的重視。

2.2作者與機構層面分析

2013年-2023年，共有超過500位作者發表過與生物膜技術處理污水相關的文章，其中發表論文數量最多的作者是彭永臻，發表的36篇相關論文的均篇引用數達到42.8次，緊隨其后的是張良、袁志國、郭建華、劉濤、賀強、胡世虎和任鴻強，發表論文數量依次為19篇、16篇、15篇、15篇、14篇、11篇和11篇。由圖可知，彭永臻和張良合作比較緊密，袁志國、郭建華、劉濤、胡世虎四人之間存在合作關系，其余作者之間相互合作較少。

文章選取的2013年－2023年間共有384家機構發表過相關論文。如圖2所示機構合作網絡圖，可以看出世界頂尖高校和研究機構在這一領域中合作較為密切，共同促進了生物膜法的研究。發表論文數量前14的機構中共有9個來自中國。其中，中國科學院大學發表論文最多，為89篇。緊接著的是哈爾濱工業大學、北京科技大學、重慶大學、同濟大學和清華大學，分別發表文章83篇、70篇、50篇、46篇和41篇。相對而言，國外的研究機構發文數量較少，其中代爾夫特理工大學發文39篇、昆士蘭大學34篇、南洋理工大學24篇、悉尼科技大學24篇。這表明中國在利用生物膜處理污水方面與國外研究機構還有巨大的合作空間。

2.3 研究熱點與現狀分析

關鍵詞是提取文章關鍵信息的核心元素，它們高度概括了文章的內容，從而使讀者能夠快速了解生物膜領域研究的關注點。在相關文獻中，出現頻率較高的關鍵詞往往代表著某一領域的研究熱點。通過CiteSpace軟件的分析，可以得到關鍵詞的頻次和中介中心性，如圖3所示，節點圓圈大小代表著該關鍵詞出現頻次的高低，因此，共現所得的關鍵詞可以用來預測相關領域的研究熱點。由CiteSpace得知，所檢索到的2303篇論文共涉及500多個關鍵詞，去除無關關鍵詞如wastewater、biofilm、treatment等之后，得到關鍵詞關系網絡、關鍵詞聚類圖。

圖3中為出現總頻次前32的關鍵詞間的共現網絡圖，其中出現頻率最高的幾個關鍵詞為處理效果（563次）、污水脫氮（409次）、活性污泥（365次）、微生物群落（326次）、反硝化（236次）、生物膜工藝系統（216次）。

由此可以得出，目前在生物膜處理污水領域的主要研究熱點為通過控制不同的微生物群落結構來改變生物膜的處理效果、利用生物膜法有效去除水體中的氮、生物膜法與活性污泥法的比較和聯合使用、MBBR和厭氧氨氧化等生物膜工藝的研究和改進。研究學者普遍比較重視生物膜法對污水的處理效果，通過改變微生物群落、變化生物載體和工藝參數，不斷優化生物膜的處理性能，但值得注意的是高鹽度、高有機物含量和高懸浮污泥濃度的污水會破壞附著在生物膜上的微生物群落，從而加速其老化。在污水脫氮方面，除了對生物膜法高效脫氮的研究，WeiJun[5]等人還研究了生物膜形成對氮去除的影響，為生物膜工藝的應用提供理論依據。同時，活性污泥法也是一種好氧生物處理工藝，目前多數是將活性污泥工藝與生物膜工藝進行對比，如AIbrahim等人研究對比好氧生物膜反應器和傳統活性污泥工藝對高鹽條件下芳香族化合物的生物降解情況。對于生物膜工藝系統，典型的生物膜工藝如移動床生物膜反應器（MBBR）和生物膜－活性污泥復合系統（IFAS）、厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝，其中厭氧氨氧化工藝能夠有效去除垃圾滲濾液和厭氧消化等高氨濃度廢水中的氮。然而，這些廢水中較高濃度的腐殖酸可能會影響厭氧氨氧化細菌的活性，并改變微生物群落的結構。

如圖4所示生物膜領域的關鍵詞聚類圖，通常聚類模塊值 Qgt;0.3 意味著聚類結構顯著，聚類平均輪廓值 Sgt;0.5 表示聚類合理。文章聚類模塊值和聚類平均輪廓值分別為0.4004和0.6929，表明此次聚類結構顯著，聚類結果值得信賴。通過關鍵詞聚類一共得到9個模塊，手動去除與生物膜無關的模塊之后得到圖中的七個聚類，數字越小，聚類中包含的關鍵詞就越多，代表包含了更多種類研究內容，它們從小到大依此為厭氧氨氧化、污水脫氮、廢水處理、石化廢水處理、膜污染、生物處理、硝酸鹽去除。關鍵詞聚類分析指明，2013年－2023年，污水生物膜法研究成果主要集中在厭氧氨氧化工藝的研究利用、污水脫氮、石化廢水的處理與處置、膜污染的預防與處理，這些也代表了生物膜法的研究現狀。

2.4 研究前沿分析

突發的關鍵詞隨時間的變化可以預示生物膜法廢水處理領域的研究趨勢。文章通過CiteSpace篩選，獲得了25個具有較強突發性和代表性的關鍵詞，如圖5所示。從關鍵詞突發強度圖可以看出，關于生物膜法去除水中氮素的關鍵詞突發次數最多，通常可與反硝化聯合作用，因此同時硝化-反硝化將是一種有利的生物工藝，可以控制單級生物膜系統（例如移動床生物膜反應器和好氧顆粒污泥系統）中的氮去除，因為氧梯度允許包括硝化和反硝化細菌等多層生物膜的發展。在2013-2014年，膜污染、反滲透和膜生物反應器相繼爆發，主要還是集中在膜污染問題上，例如盡管反滲透系統可以在膜生物反應器之后用于廢水處理和回收，但進水中的少量自養細菌可能會在反滲透膜上形成含有豐富多糖和蛋白質的生物膜，這會導致反滲透系統的膜出現污染。隨著全球變暖的愈演愈烈，氧化亞氮開始爆發，氧化亞氮排放占廢水處理溫室氣體排放總量的大部分，出水中溶解的 N₂O 應更加重視[7]，因此學者們開始研究利用A/A/O、SBR等流行技術來減少氧化亞氮的排放。厭氧氨氧化菌為突發強度僅次于硝化作用的關鍵詞，由此衍生出一些厭氧氨氧化相關工藝，如亞硝化-厭氧氨氧化工藝，該工藝相對于傳統的生物脫氮方法具有顯著優勢，可以節省大約 62.5% 的曝氣量 50% 的堿度、100% 的碳源以及約 90% 的剩余污泥量，并已在處理垃圾滲濾液、污泥消化液、工業廢水等高氨氮廢水方面取得了良好的效果[8]。其他的厭氧氨氧化工藝還有部分反硝化-厭氧氨氧化（PD/anammox）工藝和部分反硝化-厭氧氨氧化與尿素水解聯合（U-PD-Anammox）工藝。其中PD/厭氧氨氧化工藝可以在不同的技術系統中廣泛進行，包括用于側流和主流廢水的單級或雙級系統，與傳統的硝化－反硝化相比，PD/anammox因為溶解氧、有機碳需求量小以及能產生更少的污泥和溫室氣體，為實現廢水的可持續處理提供了巨大機會。關鍵詞主流部分硝化從出現一直突發至2023年，目前學者主要研究焦點在于部分硝化/厭氧氨氧化工藝（PN/A），該工藝是一種從污水中去除氮的節能工藝，Li，JL[9]等人的研究表明進水有機物可能是成功應用污水PN/A的重要因素。近幾年持續突發的還有利用生物膜法去除水中有機微污染物等。關于MBBR的相關文獻于2018年出現，但卻從2021年才開始突發，逐漸成為研究前沿，這歸功于其可以與其他工藝聯合使用以及運行成本低、技術可行性和穩定性高等特點[10]

總之，通過關鍵詞突發強度分析可以看出，厭氧氨氧化相關工藝的研究與運用、有機微污染物的去除和移動床生物膜反應器（MBBR）工藝的研究是生物膜發處理污水領域的研究前沿。

3結論

在生物膜領域，提高生物膜的處理效果、利用生物膜法有效去除水體中的氮、生物膜法與活性污泥法的比較和聯合使用、MBBR和厭氧氨氧化的研究和改進為該領域的研究熱點。厭氧氨氧化相關工藝的研究與運用、有機微污染物的去除和移動床生物膜反應器（MBBR）工藝的研究是生物膜領域的研究前沿。鑒于高腐殖酸會影響厭氧氨氧化菌的活性、利用生物膜法去除污水中有機微污染物的研究還相對較少以及MBBR可以很容易地與其他技術結合應用，因此通過研究和改進厭氧氨氧化相關工藝來減少腐殖酸對厭氧氨氧化菌活性的影響、研究新型生物膜工藝或生物膜組合工藝來有效去除有機為污染物、研究MBBR相關組合工藝如MBBR與 A/0 法聯合工藝、MBBR與SBR聯合工藝等可能是未來值得關注的研究方向。

參考文獻：

[1]曹云鵬，潘偉亮，龔文靜，等.生物膜懸浮填料的研究現狀與進展[J].應用化工，2021，50（10）：2873-2876.

[2]王帆，阿瓊，姜姍，等.生物膜法處理污水的研究現狀及新興趨勢的可視化分析[J].四川環境，2022，41（5）：314-324.

[3]LIM，JIAX，WANGJ，etal.QuantitativeAnalysis of the Research Development Status and Trendsof Tannery Wastewater Treatment Technology[J].Catalysts，2022，12（11）： 1317.