沼液综合利用技术的统计学特性分析

2021-05-19周瑆玥朱书景

科技创业月刊 2021年3期

黄刚周瑆玥朱书景

(湖北大学资源环境学院，湖北武汉 430068)

0 引言

随着生物质能源利用技术的不断发展，大型沼气工程技术日益成熟，依托养殖业和种植业提供大量的原材料，以厌氧发酵为核心的处理技术是解决有机固废污染的重要手段，产生的沼气也具有极高的利用价值，但在处理过程中会产生一种液态副产物沼液[1-3]。沼液具有“资源化”和“废物化”的特点[4]。一方面沼液是一种优质的有机物，产量巨大，包含农作物生长所需的丰富的氮、磷、钾及腐殖酸等多种营养成分，施用于农田，有利于改良土壤结构、促进农作物生长，提高农作物品质[5-7]；另一方面沼液还具有高氨氮、高COD、高悬浮固体以及较低的碳氮比，生化性能较差等特性[8-12]，若随意排放，会导致环境二次污染。因此沼液的合理处置与否，已成为制约沼气工程建设的重要因素之一。

沼液的综合利用技术已经成为我国乃至世界各国家共同研究的热点，发达国家对于沼液的处置都是通过长期贮存后作为肥料在土地间自然消纳为主[13]，而我国很少有足够的土地来贮存和消纳沼液，更多是以沼液综合利用为主。目前，国内外虽然出现了许多关于沼液处置利用的技术与方法，但缺乏对沼液综合利用技术的系统性总结与归纳，不能客观准确地反映出沼液在综合利用方面的发展趋势。因此运用统计学的方法以及一些可视化软件对沼液综合利用技术进行统计分析非常重要。

统计学具有客观性和定量化的特点，能够有效处理特定领域数据问题，文献计量学方法是以文献的外部特征进行评价科学研究成果的重要方法，结合两者特性，以文献的数量统计及文献的外部特征为研究对象，运用一定的数理统计方法进行定量分析，能够准确反映出科学领域的研究现状和发展趋势[14]。可视化软件Citespace是一款应用于科学文献识别并显示科学发展新趋势和新动态的软件，它以科学知识为计量研究对象，显示科学知识的发展进程与结构关系，用科学知识图谱表示出该领域的发展热点和趋势[15]。VOSviewer是一款用来构建和查看文献计量图谱的文献计量分析软件，是基于文献被引，绘制出各领域的科学图谱[16]。

因此，本文通过运用统计学、文献计量学的方法以及Citespace和VOSviewer等可视化软件对沼液综合利用技术进行统计分析，以期系统准确的分析出沼液综合利用技术领域的发展趋势和发展方向，并对进一步研究提供一定的数据与方法支持。

1 数据来源与研究方法

Web of Science是全球最大、涵盖学科类别最多的综合性学术期刊，收录了大约11 000多种权威且高影响力的学术期刊。本文所用数据全部采集于Web of Science核心合集中的Science citation Index Expanded数据库，以主题TS=“biogas* slurry*”and“treat*”and“comprehensive utilization”为主要筛选目标，在以“Anaerobic fermentation slurry”“biogas liquid”“biogas fluid”“digestate”“Anaerobic digestion”等为关键词进行检索，检索时间跨度为2004-2019年，共检索出1 243篇与沼液综合利用技术相关的文献，其中Article共1 106篇(占总文献数的89%)，proceedings paper共99篇(8%)，review共24篇(2.1%)等。文献发表语言以英文为主，合计1 218篇，占检索文献总数的98%。

对检索的1 243篇文献进行统计学分析，从文献总量、文献类别、刊源分布特征、发表文献国家分布情况、文献主要作者、文献被引次数及文献关键词集的词频进行数据整理分析，初步得出沼液综合利用领域的发展现状，结合检索文献的部分高频关键词所形成的聚类图谱来揭示沼液综合利用技术领域发展热点及未来发展趋势。

2 结果分析

2.1 发文量年度变化趋势分析

2004-2019年关于沼液综合利用技术的研究文献整体呈现稳步增长的趋势(见图1)，从2005年以来，国内外畜牧业发展迅速，规模化率和集约化率逐年提高，需要处理的畜禽粪污增加，导致沼液的产生量也增加，巨大而集中的沼液使得就地消纳变得困难[17]，因此沼液处置与综合利用问题逐渐得到重视，关于沼液综合利用技术的文献的数量整体呈现稳步增长的趋势。随着研究的不断深入，沼液综合利用技术在未来是一个比较热门的研究领域。

图1 2004-2019年沼液综合利用技术研究年度发文量变化趋势

依据文献数量增长的快慢可将沼液综合利用技术研究分为2个阶段。第一阶段(2004-2010年)的文献数量较少且增长趋势不明显；第二阶段(2011-2019年)的文献数量大幅度增多且相较于第一阶段，文献增长幅度较大。第一阶段每年发表的文献数量普遍较少，说明对于沼液的处置还处于一个缓慢发展的阶段，对于沼液综合利用技术研究还处于一个起步摸索阶段。在第一阶段的基础上，随着沼液处置技术的逐渐成熟，沼液综合利用技术逐渐形成新的技术体系，使得第二阶段文献发布增长率提高，发文数量也快速增长，特别是2015-2019年每年的文献发布量剧增，均突破150篇。

2.2 学科及刊源分布特征分析

检索的1 243篇与沼液综合利用技术相关的文献中共有67个学科类别，排名前10位的学科类别如表1所示。文献数超过100篇的主要学科为环境科学生态学、工程学、农业、能源与燃料、微生物学、科学技术。这些学科与沼液处理、沼液的应用及沼液的资源化利用有着密切的联系，是沼液综合利用技术领域比较重要的学科。

对有关沼液综合利用技术的文献期刊进行统计，共有357个期刊，发文量排名前10的期刊如表2所示。其中Bioresource Technology(生物资源技术)期刊发表文献数量最多，为120篇，占总文献数量的9.7%，影响因子高达6.669，排名第二，H指数为229，排名第二。影响因子和H指数可以反映期刊在某一特征研究学科中的学术影响以及引文的使用寿命，是衡量期刊在某一领域的影响力[18]。Bioresource Technology(生物资源技术)的高H指数和影响因子，以及发布文献的数量都表明了生物资源技术期刊对于推动沼液综合利用技术的发展起着重要作用。

2.3 国家分布特征分析

通过对各国或地区发文量进行统计分析能够准确的得出不同国家和地区在该领域的实力及影响力。结果表明，全世界共有51个国家参与了对沼液综合利用技术的研究。中国、意大利和德国是发表超过100篇文献的国家，其中中国发文量最多，为340篇，分别是意大利和德国发文量的2.1倍和2.8倍。中国贡献了最多的个人文章(275篇)和合作文章(65篇)，这表明中国对沼液综合利用技术领域发挥着重要作用及强大的影响力。因为中国是一个农业及畜禽养殖业大国，每年产生的有机固体废弃物含量高居世界各国前列，通过厌氧发酵能够有效减少秸秆、粪污等有机固体废物，但随之产生的沼液也会增加。由于土地面积的限制及处置技术的局限性，使得沼液处置不能仅进只由土地自然消纳降解及其他无害化方式处置[17]，因此沼液的综合利用成为了社会关注的重点，沼液综合利用技术研究也快速开展起来，使得中国在沼液综合利用技术领域内的研究成果丰富，相关文献发表数量多。此外，中国的国家合作文献发表量也处于第一的位置，也进一步显示了中国在沼液综合利用领域内的实力。

表1 2004-2019年沼液综合利用技术领域涉及前10位的学科

表2 2004-2019年沼液综合利用技术领域发文数量居前10位的期刊

表3 2004-2019年沼液综合利用技术领域总发文量居前15位的国家

2.4 作者发文量统计分析

结果表明：2004年-2019年，共有3 789位作者参与了关于沼液综合利用技术的研究；表4列举了总发文数前15的作者，其中仅有6位作者发文量大于等于10篇，其中来自中国和德国的Zhao，YJ和Herrmann，A均发表了11篇文献；发文量前20的作者中，中国和意大利各有7位作者，德国有4位，这些结果表明，中国、意大利和德国在这一研究领域都处于领先地位，与国家发文量数据分析结果一致。这三个国家在沼液综合利用领域有很大的影响力，对沼液综合利用技术的快速发展起到了推动作用。

2.5 高影响力文献分析

文献的引用次数在一定程度上反映了该篇文献在此研究领域的重要程度和影响力，文献的引用次数越高说明该文献在此研究领域质量越高，引用次数越低说明该文献在此研究领域的影响程度越小。表4选取了数据库中引用频次排在前15位的文献，经统计发现，引用频次最高的是Weiland，Peter[19]发表的Biogas production: current state and perspectives，引用频次高达1 123次，该文献主要研究沼气发酵的现状以及未来趋势，包括了沼气发酵过程产生沼液和沼渣的处置及利用问题。该综述表明，通过一定的处置技术回收沼液中养分，不仅能够实验对沼液的综合利用，还能够有效提高沼液可生化性能，沼液降低处置难度，实现沼液合理达标排放，沼液处置效率低的问题。其次是Li[20]在2014年发表的Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste。该文献探讨不同原料沼气产量的变化以及木质纤维素生物质预处理以提高沼气产量的必要性。总结通过使用沼液或沥滤液作为接种剂可增加沼气的产量，同时还可以实现对沼液的二次利用。通过对引用频次排在前2位的文献进行分析，发现针对沼液的处置问题，可以通过两个方向进行研究，即达标处理排放和回收再利用。当前我国是农业大国和畜牧业大国，每年产生的秸秆及粪污产量巨大，在原料资源充足的条件下，可以充分推动沼气工程的发展[2-3]。但是产生的消化沼液也很多，除了利用土地消纳消化沼液外，若将这些沼液丰富的养分进行综合利用，不仅能够回收大部分的资源进行二次利用，也能够在使用合理的工艺进行处理的情况下，避免由于沼液随意排放对环境造成二次污染，能够有效缓解我国在土壤污染、水体污染带来的危害。因此对沼液的新型有效的综合利用技术研究在未来会有很好的发展潜力。

表4 2004-2019年沼液综合利用技术领域总发文量居前20位的国家

表5 2004-2019年沼液综合利用技术领域引用频次排在前20位的文献

2.6 关键词词频分析

关键词是学术论文中不可或缺的组成部分，是论文的主题内容的浓缩，是精炼出的概括论文主题的词汇。通过对高频率出现的关键词集进行统计分析，能够跟深一步的了解领域内的发展现状与方向，并掌握未来的发展趋势及动态。从2005-2019年统计的文献结果表明，1 243篇文献中包括了2 741个关键词，统计出了出现频次次数前20的关键词，结果如表6所示。

出现频次较高的是“Anaerobic digestion” “Digestate” “biogas”以及“Biogas slurry”这4个词是本文主要检索的关键词。在沼液养分综合利用方面“Microalgae”“Biochar”“Sewage sludge”等是近几年出现频次相对较高且排名都有一定增长，表明了近几年来沼液处理的研究热点集中于微藻处理技术、生物炭处理技术以及污泥混合处理技术等方面；“Nutrient removal” “digestate treatment” “nutrients”等关键词在近几年的出现频次的排名都有大幅度的提升，表明对于沼液利用的新途径以及新的资源化利用技术是沼液综合利用技术领域的研究热点及趋势。

表6 2004年-2019年沼液综合利用技术研究中出现频率最高的20个关键词

2.7 未来研究热点及发展趋势

为进一步探明沼液综合利用技术领域未来的研究热点和趋势的准确性，利用Citespace软件对所有统计到的高频关键词进行相似性及共现分析，生成新的关键词集聚类图谱，如图3所示，将沼液综合利用主要关键词分成6个聚类。表7中的Cluster ID表示聚类号；Size表示每个聚类中出现关键词的个数；Silhouette表示每个聚类的平均轮廓值，简称S值；Label(LLR)表示聚类默认的标签词，标签词是根据TF*IDF 加权算法给出的。其中，从S值的大小可以检验聚类是否具有足够的相关性，当S>0.7时，认为聚类是高效率令人信服的，若S值在0.5以上时，一般认为聚类是合理的[15]。前3个聚类的S值均接近0.7。因此总结了最大的3个聚类。为了更好的了解前3个聚类的具体信息，从Summary of Clusters获取了前3大聚类的主题信息。

fodder crop是最大的聚类，主要研究饲料作物。通过将一定量的发酵沼液与普通畜禽饲料混合使用，能够对畜禽生长、发育周期等方面起到促进作用。桑磊等[21]研究表明沼液中含有多种常量物质，游离的氨基酸，维生素，微量元素磷、钙、钾、铜、铁、锌、镁等和活力较强的纤维素酶，蛋白酶，而且大多数可溶性营养物质易于消化吸收，能满足畜禽的生长要求，是一种理想的饲料添加剂；在普通饲料中添加一定量的沼液能够有效促进猪、鱼、鸡鸭等畜禽的生长，有利于提高饲料利用率，减少饲料的使用量，缩短畜禽的发育周期，降低生成本，提高瘦肉率，并且还能够有利于畜禽防病、治病等。将沼液作为畜禽饲料添加剂是沼液资源化利用的一个方面，沼液的资源化利用是沼液处置的最有效的措施之一[4]，不仅能够对沼液所含有的营养成分进行再次利用，还能够有效缓解沼液的处置问题。在发展生态农业形势下，实现沼液资源化利用显得非常有必要。因此对于沼液的资源化利用将成为未来的热点研究方向。

anaerobic digest主要研究厌氧发酵。研究表明通过将沼液直接回用或者经过一定处理后接种到厌氧发酵过程中，能够大大提高甲烷的产生量，同时能够有效地抑制或者消灭发酵原料中的病原微生物。殷丽丽等[22]在预处理沼液与餐厨废弃物的厌氧产气发酵特性的研究中发现，将沼液进行水浴加热、超声波和曝气等预处理后，直接与餐厨废弃物混合后进行厌氧发酵实验，获得了更高产率的甲烷量，大大提高了产甲烷的效率；yang，Fuli[23]等将硫酸盐废水、玉米秸秆以及秸秆发酵沼液混合后进行高温湿式厌氧发酵，结果表明共消化后可获得较高的甲烷产量和硫酸盐去除率。袁万哲[24]等研究表明将沼液与病死猪进行混合厌氧发酵实验时，发现沼液能够对猪的致病微生物进行无害化处理，能够有效地抑制和杀死病原微生物。

Nutrient removal主要研究沼液的营养物去除。沼液中含有丰富的营养物质，蔬菜及藻类能够充分吸收沼液中的各种营养物质，并将这些营养物质转为其蛋白质等所需要的物质，实现沼液资源的再次利用[25-27]。徐卫红等[28]为探究沼液对莴笋和生菜硝酸盐含量以及品质影响时，发现莴笋和生菜能够有效去除沼液中TN、TP的含量，且产量大大提高，营养品质得到改善。蔬菜内的硝酸盐含量也有所降低，氨基酸和含水量有所提高。夏旗等[29]在对纯顶螺旋藻处理沼液研究表明，在温度30℃，光照强度4 000Lux条件下，纯顶螺旋藻对沼液中COD、TN、TP的去除率均高达90%以上，并且处理沼液后的纯顶螺旋藻增重比高达120%，能够通过加工制成蛋白质产品，实现了资源的转移利用。

图2 沼液综合利用技术的关键词聚类图谱

表7 前三大聚类信息总结表

利用VOSviewer软件，根据每年出现的不同关键词来确定该领域的热点，如图4所示。图4反映了2014-2019年关键词的变化，每一个节点代表一个关键词，节点越大，表明该关键词出现的频次越高，节点的颜色随着时间变化也越来越浅。可分析出沼液综合利用领域内的发展热点。第一阶段是2014-2015年，沼液的处置多集中在沼液处理后的达标排放，通常采用生化处理工艺或者组合工艺处理沼液，使水质达到排放标准后排放；第二阶段是2015-2017年，该阶段在沼液生化处理工艺的基础上，利用微藻、金鱼藻等藻类协同作用，这样避免了由于沼液可生化性能差而导致生化处理后水质依然不达标的现象，使水质更进一步净化，这两个阶段都是以处理沼液，达标排放为目的；第三阶段是2017-2019年，以沼液综合利用为目的，通过利用沼液中各种丰富的养分，制作成动物饲料添加剂，抗虫害制剂、土壤修复剂等，为沼液的处理提供了新的方向。沼液的养分资源化利用及发展的新应用是未来的一个发展趋势。