基于CiteSpace的国内生活污水处理研究进展的知识图谱可视化分析

2021-09-15兰子杰

农业与技术 2021年17期

兰子杰

(福建农林大学公共管理学院，福建福州 350000)

引言

随着世界经济的不断发展，促使人们更加关注到人居环境的改善。而在人居环境改善的进程当中，生活污水的污染是必须攻克的一大难题。生活污水，是居民日常生活使用后排放出的脏废水。由于这种脏废水中的病原微生物、有机物极其不稳定，在诱发难以忍受恶臭的同时，还毒化周围生长的植物并且造成淡水的严重污染。因此，在当今社会，生活污水的处理已经成为一项十分紧急的任务。在中国国内学术研究领域，对生活污水处理领域的文章研究也呈现逐步增长的态势。

CiteSpace软件以Java语言开发为载体，在对相关领域的文献进行计量之后绘制出科学合理的知识图谱，以此分析该领域的研究前沿进展并且精准抓住研究热点[1]。目前，CiteSpace已经成为学术界中非常流行的可视化知识图谱分析软件。

为了更加准确地定位国内生活污水处理领域的研究动态及研究热点，预测国内生活污水处理领域的未来研究趋势。本研究基于文献计量的研究方法，采用CiteSpace 5.7.R2文献计量软件并辅以Excel软件，通过对中国知网(CNKI)数据库中2010—2020近10a国内生活污水处理领域的核心期刊文献进行计量统计分析以及可视化知识图谱分析，厘清目前该领域可能存在的问题并把握研究热点方向，以期为国内生活污水处理的研究进展及应用提供参考借鉴。

1 数据来源及方法

1.1 数据来源

通过计算机在中国知网(CNKI)学术期刊数据库中的高级检索中以“生活污水处理”或“生活污水治理”为主题词，检索到14204篇该领域的相关文献。面对数以万计该领域的相关文献，为了使分析结果更加科学合理，选择检索时间节点跨度为近10a(2010—2020年)，检索的文献数据库为CSSCI和CSCD核心学术期刊数据库，默认文献条件“精确”，检索得到1880篇该领域的核心学术期刊。在检索到的数据中，经过人工筛选，剔除掉信息不完整、重复、与该领域不相关的文献、会议通知、工程信息等无效数据信息，最终得到1777篇有效文献进行后续的文献计量与可视化科学知识图谱分析。

1.2 方法

将上述经过人工筛选得到的1777篇有效中文文献导出为Refworks格式，并将文件命名为download.txt。在CiteSpace5.7.R2中导入文件download.txt并进行格式转化，新建new project“生活污水处理”，时间切片为1a，时间跨度为2010—2020年。将节点类型设置为作者、机构、关键词，分别进行可视化知识图谱分析。修剪去重方法选择寻径、修剪切片网络、修剪合并网络，其它值维持默认设置。

2 文献统计结果分析

2.1 期刊发文数量统计

一般而言，发文数量的多寡代表着某一领域关注度的多少。在中国知网检索近10a(2010—2020年)的国内生活污水处理相关领域的文献，检索结果得到9439篇相关文献。从图1近10a(2010—2020年)学术期刊发文数量来看，学术期刊发文数量总体呈现上升的态势，表示该领域的学术关注度也在不断增加。其中大致可以分为2个阶段，第1个阶段是2010—2018年，在这个阶段国内生活污水治理该领域的文献数量呈现一个平稳增长的趋势，学术期刊发文量每年均超过了700篇；第2个阶段是2019—2020年，相比前一个阶段，在这个阶段的学术期刊年发文量明显增多，其中2019年更是达到近10a的峰值1124篇。推测这可能与2018年2月中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《农村人居环境整治三年行动方案》中对农村生活污水的治理要求进一步的强化有关[2]。并且，2018年第四季度国务院办公厅发布的《国务院办公厅关于保持基础设施领域补短板力度的指导意见》指出，促进农村污水处理设施建设；支持城镇生活污水处理设施建设，加快黑臭水体治理[3]。各项政策的出台，为生活污水处理领域带来新的要求和机遇，促使该领域的学术研究成果不断增多，关注度也明显增加。

图1 2010—2020年国内生活污水处理领域期刊发文数量年度分布

2.2 主要期刊发文数量统计

对国内生活污水处理领域中1777篇核心文献来源期刊(前5)进行分析，结果如表1所示，排名前5的期刊发文数量差距明显。收录文献最多的期刊是环境科学，收录文献数量达到48篇，远多于排名在第2位的农业工程学报的13篇文献，从侧面说明该期刊在国内生活污水处理领域的影响力较强。从复合影响因子来看，复合影响因子最高的是发文数量11篇的排在第3位的中国人口·资源与环境，达到6.010。最后是排名第4位和第5位的中国生态农业学报和生态学报，发文数量均低于5篇。如表1所示，在国内生活污水处理领域文献来源期刊前5中，学科来源集中在环境科学与资源利用，分布的学科种类不多。

表1 国内生活污水处理领域文献来源期刊(前5)

2.3 高频被引文献统计

从1777篇核心文献中的前10篇高频被引文献来看，前10篇被引文献总被引频次1404次，篇均被引数140.4次。文献发布时间主要集中在2012—2014年，表明在这一时期该领域高水平高质量的文献较多，近3a来出现的高频被引文献只有1篇。而在这10篇高频被引文献中，关于生活污水处理相关的研究进展及研究现状主要占据了4篇，发表时间均在2015年之前，研究的现状及进展的时效性已经减弱。

2.4 研究作者发文数量统计

研究作者的发文数量代表着对该领域的影响和关注，是绩效考评的一项重要指标。从表2中1777篇核心期刊研究作者的发文数量来看，前10名的研究作者发文量均达到5篇以上，排名第10的研究作者何强发文数量也有8篇，说明国内生活污水治理领域的作者较为高产，对领域的影响也比较大。而CiteSpace中对研究作者进行可视化的知识图谱分析能够反映出国内生活污水领域作者的影响力、团队合作关系与强度，具体见图2，从而更精准地对作者的学术影响力进行评价[4]。如图2所示，以彭永臻、张杰、李冬节点同心圆最大，表明这3位作者在该领域的影响最大。以这3位作者节点同心圆发出的连线代表合作关系，这3位作者的连线都较多，表明这3位作者与其他作者合作较多，可能具备研究团队。但是，分析所有研究作者之间的合作关系中发现，合作节点密度只有0.005，表明所有研究作者之间的合作关系比较少。

表2 高频被引文献信息(前10)

表3 国内生活污水处理领域作者发文量(前10)

图2 国内生活污水处理领域作者合作知识图谱

2.5 研究机构发文数量统计

从1777篇核心文献来源研究机构的发文数量来看，具体见表4，前10位中，发表文献的研究机构主要集中在实验室和高校。各个研究机构之间的发文量层级差距不大。研究机构在全国的中部、东北、东部、华南、西南、西部均有分布，分布情况较为均匀，说明全国各地对生活污水处理都较为重视并且研究成果的质量也相对较高。与分析研究作者的发文数量类似，通过在CiteSpace中分析国内生活污水处理领域研究机构合作知识图谱，发现研究机构之间合作的密度仅有0.0029，说明研究机构之间的合作关系很少，科研集聚尚未形成，具体见图3。

表4 国内生活污水处理领域研究机构发文量(前10)

图3 国内生活污水处理领域机构合作知识图谱

3 研究热点分析

论文中的关键词是论文中心主题的高度提炼以及总结，分析国内生活污水处理的高共现频率和高中心中介性的关键词可以掌握该领域的研究前沿与研究热点，可以精准把握该领域的发展现状以及预测领域未来的发展趋势。

3.1 关键词共现分析

在节点类型中选择关键词，运行CiteSpace软件进行可视化分析，得到710个节点，1683条连线。共现知识网络图谱如图4所示，节点越大表示关键词的共现频率越高。普遍认为，关键词中心性>0.1，代表该关键词在整个网络中的地位较为重要。根据图4结果显示，生活污水、农村生活污水、污水处理、人工湿地、脱氮除磷、脱氮、膜生物反应器、去除率等关键词出现频次较高，关键词之间的网络密度0.005，关键词之间的联系较少。对节点较大的关键词的共现频率及中心性较高的关键词进行整理统计，见表5。如表5所示，高频次与高中心性关键词排名第1位的均是“生活污水”，共现频次达到441次，中心性0.51。前10位的高中心性的关键词的中心性均>0.1，表明这10个关键词在整个网络中处于较为核心的位置。根据对内容的分析，将前10位的高频关键词与高中心性关键词大致划分为3个维度，第1个维度是生活污水的概念性及处理对象类关键词，主要包括生活污水、城市生活污水、农村生活污水、农村污水等；第2个维度是生活污水处理的概念性及处理设备地点类关键词，主要包括污水处理、污水处理设施、污水处理厂、滤柱、总磷、去除率等；第3个维度是生活污水处理过程的反应作用及处理技术工艺类关键词，主要包括反硝化、低温、人工湿地、脱氮除磷、脱氮、膜生物反应器、对策等。

表5 高频词与高中心性关键词(前10)

图4 国内生活污水处理关键词共线知识图谱

3.2 关键词聚类分析

在CiteSpace中将1777篇核心文献数据进行关键词共现可视化分析后，利用“L.I.R”算法对关键词进行聚类分析，得到15个聚类，见图5。国内生活污水领域聚类图谱中聚类模块值Q=0.9125(>0.3)，聚类平均轮廓值S=0.9687(>0.7)，表明聚类效果好，聚类结构显著，聚类结果合理。根据聚类图谱中得到的15个聚类可以看出，目前国内生活污水治理的研究热点主要集中在以下方面。

图5 国内生活污水处理关键词聚类分析知识图谱

生活污水处理的含义内容(#0、#7、#11、#13)。生活污水指的是人们通过厨房做饭、衣物清洗等日常生活过程中排放出的污水。生活污水大致可以分为4类，分别是黑水、灰水、黄水、褐水[5]。其中，生活污水中占比大的灰水指的是洗浴和厨房废水，由于其污染程度较轻，回收价值较高，因此领域内学者广泛研究其处理技术，如运用膜生物反应器、人工湿地等处理工艺对其污染物进行处理[6]，以期为分质分流处理生活污水提供更多路径。而在整个生活污水处理中，农村生活污水处理的研究一直是该领域的热点。农村人居环境整治的强力政策环境下，农村生活污水处理的研究成果也在不断增多。研究学者们因地制宜吸取国外处理工艺经验，针对农村采用生物膜处理技术、人工湿地污水处理系统、塔式蚯蚓生态滤池处理系统[7]、稳定塘处理系统[8]等多种技术工艺处理生活污水。

生活污水处理的设备地点(#10、#15)。生活污水处理设施是指用来处理生活污水的设备。城镇中处理生活污水主要通过污水处理厂的处理。污水处理厂是全球CH4重要的排放源，对整个国家的排放控制都具有重要的意义[9]。因此，研究学者对各地污水处理厂的操作运行、物质排放因子分析、处理技术等各个方面都进行了研究。目前，城镇生活污水处理生活污水的整体运行效率较低[10]。而农村主要采用分散化生活污水一体化模式处理生活污水，处理设施及管理模式都有很大的欠缺[11]。

生活污水处理标准及效果(#1、#3、#8、#9、#12)。生活污水排放标准是指根据污染物的具体来源，项目可以划分为基本控制项目和选择控制项目。各个地方依据具体的实际设立污水排放标准各有不同。通过控制污水中污染物的排放并制定污水调试方案，实现污水净化，达到地表水的三类标准，促进人居环境改善。

生活污水处理的工艺技术(#2、#4、#5、#6、#14)。通过生活污水处理的工艺技术，将生活污水中的有害物质转化为不损害环境、不对人体造成伤害的无毒无害物质。按照处理原理的不同，我国生活污水处理主要分为生态法、活体污泥法以及生物膜法，不同处理方法之间所产生的效果不同，优缺点也各异[12]。生物接触氧化是活体污泥法与生物膜法的结合互补，在生活污水处理技术中扮演着重要的角色[13]。近年来，研究学者们也着力于研究新方法对生活污水进行处理。如，TTC法测定污泥脱氢酶活性，对污泥生物处理生活污水能力及应用作出评估[14]；厌氧氨氧化在一定程度上对脱氮过程中的要求降低，使生活污水治理的效果更佳[15]；水体曝气复氧技术通过增加水体中的溶解氧在处理被生活污水(黑臭水)污染的湖泊河道也十分有效[16]。

3.3 关键词突现分析

在一段时间内突现的关键词，可以反映该段时间内影响力较大的热点。通过对近10a发表的1777篇核心文献中的关键词进行突现分析后，得到前10位突现的关键词，见图6。2013年之前突现的关键词为中水回用、sbr、化学需氧量。2013—2016年突现的关键词为废水处理、膜生物反应器、温度、稳定塘、回流比。2017—2020年突现的关键词为水力停留时间、滤柱。从这些突现词突现的时间来看，与技术研究的进展以及国家对生活污水治理的政策规定都有密不可分的联系。从突现词影响的周期来看，中水回用、膜生物反应器、温度、回流比、水力停留时间、滤柱突现时间均为4a，研究的热度在特定时间段居高不下。

图6 2010—2020年国内生活污水处理突现关键词(前10)

4 结论与建议

4.1 结论

本研究运用CiteSpace 5.7.R2和Excel对近10a国内生活污水处理领域发表的文献进行文献计量与可视化图谱分析，得到以下结论。

国内生活污水处理领域近10a发表的文章数量较多，高质量的核心期刊文献数量也较多，2019年以后的文献数量呈现跳跃式上升，表明该领域受到了研究学者的广泛关注并且关注度持续上升；在该领域中，核心文献来源期刊中环境科学期刊在该领域的影响力较强，期刊学科集中于环境科学与资源利用；2012—2014年高水平高质量的文献数量较多，近3a来的高质量高水平的文献数量较少；在该领域中，彭永臻、张杰、李冬3位研究作者对该领域的影响力最大，具有影响力的研究机构在全国地域分布上较为均匀，研究作者、研究机构之间的合作较为缺乏，尚未形成一个完整的科研群体。

对前10位高频次及高中心性的关键词进行3个维度的划分，分别为生活污水的概念性及处理对象类关键词、生活污水处理的概念性及处理设备地点类关键词、生活污水处理过程的反应作用及处理技术工艺类关键词。这3个维度的关键词，在一定程度上代表着该领域研究的热点。对关键词进行聚类分析后，分析出近10a研究的热点主要在生活污水处理的含义内容、生活污水处理的设备地点、生活污水处理标准及效果以及生活污水处理的工艺技术4个方面。并且“水力停留时间”、“滤柱”等污水处理技术及设备有望成为未来研究热点。