基于CiteSpace的水處理工藝模擬仿真熱點與趨勢研究

文章編號：1674-6139（2025）08-0085-06

中圖分類號：X52文獻標志碼：B

Research Hotspot and Trend Analysis of Water Treatment Process Simulation Based on CiteSpace

Zhang Tengfei'，Geng Yani1，2

（1.Baoji University of Artsand Sciences，Baoji 721013，China;

2.Baoji UniversityofArtsandSciences，ShaanxiProvincialKeyLaboratoryofDisaster Monitoringand MechanismSimulation， Baoji 721013，China）

Abstract：Inordertounderstandtheresearchhotspotsandtrends inthefieldfwatertreatmentprocessimulation，217paperson watertreatmentprocssimulationfromOtoO23weresortedoutusingCKIdatabaseastheliteratureretrievalsource，andvisualizedusingCiteSpace.Theresultsshowthat2OO3-2O19wasaperiodofrapiddevelopmentinthefield，withfluctuatingtrendsnthe numberofpublications.Duringthe23years，therewere11coreuthorswiththeInstituteofAutomation，ShenyangItituteofChinese AcademyofSiencsasteostifuentialseachinsttioThecollborationntworketeenutorsdinstitutiossoweddis persedaddiversifieddevelopment.Theresearchhotspotwastosimulateandanalyzethetreatmentprocessofwastewatercomposite procesesusingsimulationtechnoogy，therebyimprovingthewastewatertreatmentefectandacievinginteligentcontrol.Watereat mentprocesimulationresearchisgraduallshiftingfrombasicresearchtoappliedresearchndinthefuture，moreemphasiswillbe placed on integration with engineering practice.

Key words：CiteSpace；water treatment process；wastewater treatment；bibliometricanalysis；visualizationanalysis

前言

隨著工業化進程的加快，水污染問題日益嚴重，國家對水資源的保護和治理提出了更高的要求。污水處理工藝作為解決水污染問題的關鍵技術，已成為科學研究和工程應用中的熱點和前沿課題。學術界不斷涌現出有關水處理工藝仿真模擬的研究，如王騫等人[]對某污水廠的處理過程進行仿真模擬，確定并解決了該污水處理廠運行狀態中存在的問題；匡科等人[2基于仿真軟件建立某污水廠多級AO工藝的模型，找到了不同工況下最佳的運行策略，使出水水質進一步提升。但利用文獻計量方法對該領域進行統計分析的綜述類研究較少。CiteSpace軟件因能通過分析相關文獻，揭示某領域的研究熱點以及發展趨勢，而受到廣泛關注和應用。為探究該領域的研究熱點與未來的發展趨勢，文章基于CNKI檢索的水處理工藝仿真相關文獻，利用CiteSpace6.3.R1對文獻進行可視化分析，統計并梳理該領域的研究熱點及發展趨勢，為測試并優化污水處理工藝的性能提供理論基礎和參考借鑒。

1數據來源與處理

1.1 數據來源

文章以CNKI為文獻檢索平臺，采用專業檢索方式，設定“水處理”、“活性污泥”、“ A²/O^′ 、“脫氮除磷”、“曝氣”、“SBR”、“CASS”、“氧化溝”和“仿真”為主題詞，檢索時間范圍為2000年1月1日至2023年12月31日，檢索范圍為學術期刊，共檢索有效文獻217篇。

1.2 分析方法

利用CiteSpace6.3.R1對水處理仿真研究領域內合作網絡、聚類、突現等進行可視化分析，通過Or-igin2024繪制發文量分布趨勢圖，在上述分析的基礎上揭示該領域的研究熱點及演化趨勢。

2 結果與分析

2.1 文獻數量分析

2000年-2023年發文量變化如圖1所示，可以發現該領域的發文量總體呈增長態勢。依據發文量的波動趨勢大致可分為3個階段。2000年－2002年，發文量為4篇，該時期水處理工藝仿真研究處于初始探索階段，發文量普遍不高，波動趨勢較小。2003年-2019年，發文量明顯提升（187篇），2009年達到歷年之最（22篇），此階段的發文量處于明顯的波動狀態。2020年以來的第三個時期為穩定發展階段，發文總量為26篇，發文量的波動態勢趨于平緩。

圖1年度發文量統計圖

2.2 主要研究力量與合作分析

2.2.1 作者分析

根據普賴斯定律計算核心作者數量，計算公式： n_max 為發文量最多的作者所發的論文數量， N 為核心作者發文數量的臨界值），發文量gt;N 篇的作者即為核心作者。217篇文獻共納入298位作者，其中核心作者共11位。李春青發文數量最多（4篇），李潔其次（3篇），李春青通過建立MBR工藝的仿真模型，有效、準確地預測了MBR工藝的膜通量;李潔通過采用“理論教學 + 虛擬仿真 + 實踐操作”的教學模式，提升了實踐教學質量。王長海、宛西原在2011年各發文2篇；吳奇、金文在2016年各發文2篇；劉加強、張建昆在2017年各發文2篇；李明河在2019年發文2篇；劉堅、于廣平在2022年各發文2篇，他們的研究較為新穎，二人基于仿真模型對水處理工藝的曝氣過程進行優化控制，進而提高污水處理系統的性能[3]

2.2.2 機構分析

水處理工藝仿真領域的主要研究機構及其合作圖譜如圖2所示。發文量前三的機構分別為中國科學院沈陽自動化研究所（9篇）、同濟大學（9篇）、天津工業大學計算機科學與軟件學院（4篇）。中國科學院沈陽自動化研究所不僅發文量最多，而且也是近年來持續研究該領域的機構之一，中心度遠高于其他機構。機構間的合作主要集中于環境和信息自動化領域，且主要是一些高等院校及科研院所。此外，研究機構在國內各個地區均有分布，且機構間的合作關系受地域影響較大。總體上，研究機構間合作關系呈現出分散式、多元化發展的特點。

圖2發文機構合作網絡圖譜

2.3 研究熱點分析

2.3.1 關鍵詞分析

水處理工藝仿真領域的關鍵詞共現圖譜如圖3所示。關鍵詞的共現網絡聯系較為緊密，各個關鍵詞間共現關系較為清晰。近年來該領域的研究熱點緊緊圍繞污水處理、仿真、溶解氧、水處理、活性污泥、模糊控制等關鍵詞，這揭示了該領域當前的研究重點為基于模糊控制思想，利用 BioWinΩ，GPS-X 等仿真軟件建立 A²/0 與 MBR等污水處理組合工藝的模型。該模型包含了動力學參數、化學計量參數以及工藝運行參數（如溶解氧、回流比、排泥量等）。研究人員基于該模型來模擬不同工況下的污水處理效果，進而分析不同參數對處理效率、出水水質等指標的影響。最終，通過仿真模擬結果，找到最佳的工藝運行參數組合，實現污水處理的優化目標[4-5]

圖3關鍵詞共現圖譜

圖譜中頻數不小于10的關鍵詞如表1所示。頻次排名前3的關鍵詞為污水處理（50）、仿真（40）、溶解氧（22），表明利用仿真技術模擬污水處理過程，通過調整模型參數及工藝運行參數等關鍵參數來測試并優化污水的處理效果是該領域的研究熱點。此外，中心度代表該關鍵詞在整個共現網絡關系中擔任媒介者的能力強度，中心度排名前3的關鍵詞為污水處理（0.57）、仿真（0.43）、水處理（0.24），其中污水處理和仿真作為主要關鍵詞，不僅是該領域的研究重點，同時也引發和輻射其它關鍵詞。污水處理為主要的研究內容，仿真技術為主要的研究方法。

表1高頻關鍵詞

2.3.2 聚類分析

水處理工藝仿真研究的關鍵詞聚類共現時間線圖譜如圖4所示。基于它們各自的研究內容和內在聯系，對所示關鍵詞的聚類及演化進程進行整理歸納分析，共形成3大研究熱點主題。污水處理是研究的中心領域，仿真模擬是關鍵方法，模糊控制是提升智能化水平的重要技術。

2.3.2.1 污水處理

此類聚焦于水處理工藝中涉及的核心領域和基礎問題，包括聚類#0污水處理、#2水處理、#4溶解氧、#8活性污泥和#11污水廠。該領域的研究主要聚焦于污水處理工藝的優化，并高度重視工藝運行參數（如溶解氧、回流比、排泥量等）的精細化調整。如操家順等人[通過分析對比污水處理過程中不同曝氣控制策略的差異及優缺點，提出一種智能曝氣控制策略。

2.3.2.2 仿真模擬

包括聚類#1仿真模擬、#3建模、#7仿真、#10仿真實驗、 #12 優化和#13仿真設計，這些聚類集中在仿真技術的應用和實踐。仿真技術在該領域的研究中占據著重要的地位。利用BioWin、GPS-X、MAT-LAB等軟件建立 A²/O 與MBR等組合工藝的仿真模型，通過調整動力學參數、化學計量參數及工藝運行參數等動態模擬污水處理過程中物質轉化、能量傳遞、反應動力學等過程隨時間的變化，預測處理效果，進而分析不同工藝參數對處理效率、出水水質等指標的影響，找到最佳的運行方案。如張蕓蓓等人[基于ASDM模型建立了武漢某污水處理廠的工藝模型，并對運行參數進行優化調整，顯著提升了工藝的脫氮效果。

2.3.2.3 模糊控制

包括聚類#5模糊控制、#6控制和#9模糊控制系統，這些聚類集中于模糊控制理論和技術的應用。模糊控制是指利用計算機實現智能控制的一種形式。在仿真研究中利用模糊PID控制技術與模糊自適應控制技術，可以建立水質與工藝參數之間的映射關系，并根據實時數據自動調節工藝參數（如溶解氧濃度、回流比及pH值等），實現對污水處理過程的智能化控制，進而提高系統的處理效率，降低運行成本。

2.4 研究趨勢分析

對關鍵詞進行突現分析能夠把握該領域未來的發展趨勢。文章按照突現起始年份排序，獲取2000年-2023年水處理工藝仿真研究領域的17個突現詞（如表2所示）。依據研究熱點的演化過程可分為3個區間，可以發現2000年-2023年水處理工藝仿真研究領域經歷了從以活性污泥和模型為核心的基礎理論研究，到基于已有模型來優化污水處理的具體工藝過程（如曝氣過程），再到全面應用于實際工程并追求深度智能優化的發展歷程。隨著理論研究成果的不斷豐富以及技術的快速發展，構建智能化污水處理系統，將仿真技術與自動化控制進行深度融合，實現污水處理過程的智能實時優化，從而全方位提升水處理工藝的綜合效益與應用水平，將成為該領域未來的發展趨勢。

圖4關鍵詞聚類共現時間線圖譜

（1）2001年-2009年，“活性污泥”的突現強度最高（2.93），突現周期達7年，“模型”的突現周期次之（6年）。活性污泥法是當時水處理領域的關鍵技術之一，這使得活性污泥工藝成為該領域研究的重點對象。此外，模型的建立和應用能夠幫助研究人員更高效地進行實驗設計、數據分析和結果預測，從而加深對水處理工藝的認識和理解，這使得基于模型的活性污泥研究成為當時該領域的核心熱點。這種基于模型的水處理工藝研究方法為后續發展提供了理論基礎和分析手段。隨著模型的精準化與拓展化，水處理工藝仿真模擬研究將進一步發展，全流程仿真模擬將涵蓋污水處理的各個具體環節，精確呈現不同工況下的運行狀態，實現實時預測與精準調控，確保處理效果穩定，同時降低能耗和成本，推動水處理工藝向高效、智能、可持續方向邁進。

（2）2010年－2016年，“仿真模擬（1.68）”和“曝氣過程（1.45）”成為水處理工藝研究領域的突出關鍵詞，突現周期均為6年。前期對于水處理工藝仿真模型的研究已趨于成熟，如今該領域的研究重點正逐步轉向基于已有模型對水處理工藝中的具體過程（如曝氣過程）進行優化調整。如韓紅桂等人[8]設計了一種數據驅動的污水處理曝氣過程低碳優化控制方法，通過收集大量實際運行數據，運用數據挖掘和分析技術，建立起曝氣過程與各種影響因素之間的復雜關系模型，并應用于基準仿真模型進行測試，不斷優化模型參數和控制策略，實現了在保證污水處理效果的前提下降低能耗，減少碳排放。隨著水處理工藝仿真模擬研究的不斷深入，該領域各個方面的理論研究已趨于成熟，這將為實際應用提供堅實的理論支撐。未來的研究將聚焦于應用理論知識解決工程中的實際問題。

（3）2017年-2023年，“虛擬仿真（3.31）”、“實驗教學（1.57）\"和\"優化設計（1.30）\"等突現詞的出現，共同反映了該領域的研究方向從理論研究逐漸轉向實際工程應用領域。在之前的階段，模型構建和工藝原理及過程研究已取得一定成果，為轉向實際應用過渡奠定了基礎。隨著知識的積累和技術的發展，研究人員逐漸將理論成果轉化為實際生產力，應用仿真技術解決實際工程問題。如邢傳宏等人9利用Bio-Win軟件對某污水廠工藝流程進行建模和分析，設計正交模擬優化方案，得到四季最佳的運行參數，使污水廠在不同季節都能高效運行，實現減污降碳。這種基于軟件建模和分析的方法能夠在實際工程中幫助運營者更好地理解和優化工藝流程，提高污水處理廠的處理效率。該領域未來的發展趨勢將更加注重實際工程應用的深度和廣度，并將仿真技術與自動化控制深度融合，實現污水處理過程的智能實時優化。

3結論

2000年-2023年水處理工藝仿真研究主要經歷了3個階段，發文總量為217篇，涉及298位作者，核心作者共11位。研究機構主要為一些高等院校及科研院所，包括中國科學院沈陽自動化研究所（9篇）和同濟大學（9篇）等，且機構間的合作不緊密，受地域影響較大。該領域的研究熱點是基于BioWin、GPS-X等仿真軟件建立 A²/0 與MBR等污水處理組合工藝的仿真模型，通過調整模型參數及工藝運行參數來測試并優化污水處理組合工藝的系統性能，并利用模糊PID控制技術，實現對污水處理過程的智能化控制。水處理工藝仿真模擬已從學術研究拓展到工程實踐領域，未來的研究趨勢是將理論研究與工程實際相結合，通過模擬仿真、分析優化、結果應用等步驟，為工程實踐提供有力的技術支持和決策參考。

參考文獻：

[1]王騫，鄧巧斯，吳畏，等.基于機理模型的永川污水處理廠運行診斷與碳源優化[J].環境工程，2022，40（6）：219-225.

[2]匡科，常穎，孫偉，等.基于仿真模擬的污水廠工藝優化及運行管理[J].中國給水排水，2023，39（19）：69-74.

[3]袁沐坤，于廣平，劉堅，等.基于感知-決策-評估的污水處理智能曝氣方法[J].工業水處理，2022，42（4）：65-72.

[4]何春求，周少奇.改良 A²/O-MBR 工藝仿真模擬及運行優化[J].中國給水排水，2022，38（15）：90-97.

[5]邢夢嬌，安瑾，曾憲勇，等.基于BioWin軟件的垃圾滲濾液AO工藝模擬與優化[J].環境工程，2023，41（1）：207-210.

[6]操家順，葉添，徐潤澤.市政污水生化處理過程中曝氣控制系統研究進展[J].水處理技術，2024，50（2）：7-13

[7]張蕓蓓，馬民，宮玲，等. A/A/0 污水處理工藝脫氮效果模擬及優化[J].中國給水排水，2022，38（1）：88-94.

[8]韓紅桂，趙雅倩，楊宏燕，等.數據驅動的污水處理曝氣過程低碳優化控制方法[J].北京工業大學學報，2024，50（2）：131-139.

[9]邢傳宏，王夢園，胡富靜，等.基于BioWin的AAO工藝能耗調控與藥耗優化仿真研究[J].給水排水，2024，60（9）：160-166.