生物膜法处理污水的研究现状及新兴趋势的可视化分析

王 帆，阿 琼,姜 姗，解清杰

(1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2. 西藏自治区环境科学研究所，拉萨 850000)

引 言

按照生物反应器内微生物的生长形态，可以将污水生物处理工艺分为活性污泥法和生物膜法。生物膜反应器根据填料流态，可分为固定床生物膜反应器和移动床生物膜反应器，包括了多种生物膜处理工艺，这些工艺都具有相同的特点，即微生物以光滑的生物膜形态附着在载体表面，当污水流经载体表面时，水中可生物降解的污染物一部分被生物膜微生物同化为细胞物质储藏在微生物体内，一部分可生物降解的污染物被微生物异化分解以提供生命活动所需的能量和物质，一部分不可降解的污染物被生物膜吸附，随生物膜的脱落离开污水体系[1]。

相较于活性污泥而言，生物膜法的处理主体是物理尺度更大的膜状微生物，拥有较为复杂的空间结构，导致生物膜在垂直于载体表面的方向上具有一定的溶解氧梯度，所以微生物的种类较为丰富，能够兼顾多种类别的微生物，构成较为完善的食物链网络[2]；生物膜相对稳定的内部环境能为生长缓慢的微生物提供适宜的生长环境[3]，在不利环境下也能保持足够的微生物数量；生物膜工艺还具有较低的产泥率、单位体积较大生物量和灵活、可控的操作条件[4]，也正是因为这些特点，因此在污水处理领域具有更大的应用潜力，近年来其在农村污水[5]、低温污水[6]、低碳源污水[7]与工业废水[8～10]上的应用越发广泛，是污水处理领域的研究热点。学者们从材料、生物、化学与工程的角度上对其进行了阐释与深化，形成了如今多学科交叉的生物膜研究领域。

美中不足的是，国际学者偏重研究生物膜工艺具体案例或对某几篇热点论文进行总结概述，以期举一反三，缺乏对近年来生物膜工艺研究成果的宏观概述，为了更好把控近年来生物膜领域的研究现状、研究趋势与研究前沿，进一步明确该领域的研究方向，只有对某一时期的生物膜领域研究文献进行总体分析和可视化，这就需要用到Citespace和VOSviewer其可以通过分析研究文献的标题、作者、关键词、被引关系、来源等信息，制成共现网络，将一个领域内的研究成果可视化，帮助科研人员了解该领域的研究趋势与研究热点，迅速抓住领域前沿，指导未来研究的方向[11]。因此，基于Web of Science核心数据库的文献数据，本研究概述了生物膜领域的研究现状，阐明本领域已经形成的研究分类，明确了当下生物膜领域的研究热点与研究前沿，指明了未来生物膜研究领域的方向，为运用生物膜工艺解决水体污染提供了理论基础，以供学者参考，具有指导意义。

1 数据采集和研究方法

1.1 数据采集来源和检索方式

为了探究国际环境领域对生物膜法处理污水的研究现状和发展趋势，本文采集并分析的数据来自Web of Science 的SCI-E，SSCI和CPCI-S核心数据库，由于研究时间为2021年3月，此时2021年文章还未完全收录，为保证分析的严谨性，时间跨度设置为2010～2020年，以“waste-water”OR“sewage”进行标题、摘要、作者与关键词等主题检索，以“Article”为文章类型和“biofilm”为关键字进行精炼，共检索出3385篇文献，由于可能存在仅以工艺名称为主题而不出现生物膜的文献，因此为保证查全率，又在“waste-water”OR“sewage”NOT“biofilm”主题检索下以“biological-filter”和“biological-contactor”进行精炼检索以作为补充，分别检出63篇和86篇文献，以上共检索得到3534篇文献，手动去除无关文献并使用Citespace自带的转换器去重之后，共得到1699篇研究使用各种生物膜工艺处理生活污水和工业废水的独立文献，导出的记录内容为全纪录和引用的文献，导出格式为TXT格式。

1.2 数据研究方法

本文研究基于数据统计和文献计量法，结合知识图谱来具象污水生物膜法处理领域的有关研究，采用Oringin 9基于生物膜法文章发表数量绘制“数量—年限”柱状图，基于文献可视化分析软件Citespace (5.7 R5)和VOSviewer对导出的文献记录进行可视化分析，对生物膜法文献发表的国家、机构、高被引文章、突发文章和关键字聚类进行时空分布分析，以期客观准确的阐述生物膜法污水处理的研究热点、研究现状和研究前沿，并对未来趋势进行预测。

本研究采用Citespace (5.7 R5)对导出的文献数据进行机构、学科、关键词和引文分析，主要设置参数如下：

①时间切片(Time slicing)设置为January 2010-December 2020，以1年为切片厚度；

②节点类型(Node Types)分别选中关键词(Keyword)、学科类别(Category)、机构(Institution)和引用文献(Reference)；

③选择g-index模式进行筛选，筛选门槛K设置为25；

④为使可视化图片清楚明了，勾选修剪(Pruning)标签中Pathfinder和Pruning sliced networks，以对节点进行拖动并简化连线。

⑤在关键词和被引文献分析时候，将可视化控制栏“爆发(burstness)”标签下的最小持续时间(Minimum Duration)设置为2，分别导出关键词与被引文献的突发清单。

本研究采用VOSviewer对导出的文献进行国别和期刊来源分析，主要设置参数如下：

①选择”Co-authorship”选项中的”Countries”，设置显示的国家节点最多为25个，并以发表文献数量10篇及以上为限制；

②选择”Citation”选项中的“Sources”，以发表文献的数量最少为5篇为限制。

2 分析结果

2.1 年度论文发表情况

基于Web of Science核心数据库所收录的期刊发表的文献分布，不难发现，如图1所示，2016年之前文献发表数量较少，变化较为平缓，平均每年发表文献数量在106.5篇，而在2016年发表的文献首次出现了显著的增加，2016～2020年均发表文献的数量较2010年～2015年大幅度上升，上升到了到212篇，涨幅达99.1%。学术文章的数量变化趋势证明学者们对生物膜法的探究热情和重视程度仍在持续高涨，还未到达顶峰，同样证明了生物膜法仍然具有研究价值。

2.2 研究国家与机构分析

如1.2所述对VOSviewer软件进行设置，从发表过关于生物膜法的77个国家中筛选出35个达到了门槛的国家作为共现网络的节点，得到的国家发表文献数量和合作关系如图2，可视化结果表明，各国在生物膜法处理污水方面合作密切，各国以中国、美国和荷兰为合作中心紧密联系，同时中国为该领域发表文献最多、与他国合作密切的国家，这十一年来发表文献累计高达711篇，占总文献数量的41.8%，被引用次数为10 386次，合作线强为196，其次为美国(文献151篇、合作线强144)、荷兰(文献64篇、合作线强98)、澳大利亚(文献77篇、合作线强73)和丹麦(文献41篇、合作线强64)，文献占比分别为8.9%、3.8%、4.5%和2.1%，发表高水平研究文献的数量指明了一个国家在该领域具有的研究体系水平和可信度，中国在这一领域的文献发表数量甚至高于其余四者的总和，并且集中在2017年及以后，证明了中国在这一研究领域的研究水平位于世界前列，体系完善，设施齐全，研究内容全面，研究成果更加可信。

图1 2010年～2020年生物膜领域发表数量与趋势Fig.1 Number and trend of publications in the field of biofilms from 2010 to 2020

图2 国家协作网络Fig.2 National Collaboration network

通过使用Citespace分析Web of Science核心数据源SCI的机构发文数量和合作关系可以分析中世界各研究机构在研究生物膜法时的合作关系网络，得到了图3，该共现网络图表明，世界顶尖高校和研究机构在这一领域中合作较为密切，共同促进了生物膜法的研究，但各机构合作的范围各有不同，例如发表文献最多的哈尔滨工业大学仅与中国国内的高校合作紧密，而发表文献数量第二的中国科学院(57篇，占比3.4%)不仅与中国高校，如清华大学等合作密切，还与亚利桑那州立大学、根特大学等国外高校开展了合作，除了以上两所高校以外，其余发表生物膜法相关文献数量前五的机构全部为中国高校，除了上述两所高校外，分别为北京大学(55篇，占比3.2%)、同济大学(44篇，占比2.6%)、重庆大学(34篇，占比2%)和清华大学(34篇，占比2%)，这意味着，在中国因高速发展导致各类污水产量逐年上升和中国民众环保意识逐渐加强的背景下，生物膜法因其特有的优点，正受到中国研究机构的强烈关注。

图3 组织机构协作网络Fig.3 The collaboration network of institutions

2.3 研究领域与期刊来源分析

根据对文献记录的分析，得到并构建了学科领域的联系网络，这种网络能够阐述学者们主要从哪些角度来研究生物膜法，如图4所述，学科领域的联系网络图表明在生物膜研究是一个多学科交叉的领域，由环境学、生物学和工程学作为主要核心，国际学者又从材料学、能源学和化学等角度对其进行阐释，多角度的丰富了生物膜法的内涵，也使其应用更加广泛。在各学科领域中，发表关于生物膜主题文章数量排名前10的期刊如表1所述，结果表明，近十一年来，有关生物膜法的研究成果不乏刊登在诸如Bioresource technology、Water research、Water science and technology、Environmental science & technology这样的学科领域的顶级期刊上，表明了国际研究学者对生物膜主题研究的重视，也代表这些期刊的主编较为重视关于生物膜领域的研究突破。

图4 学科领域共现网络Fig.4 The co-occurrence network about subjects

表1 污水生物膜处理法领域发表量前10的出版物Tab.1 Top 10 journals of the number of biofilm published

2.4 领域研究现状与研究热点分析

文献的关键词代表了一篇文献主要研究的目标、方法和应用领域等，通过对文献记录的关键词进行分析，并对相似关键词进行聚类分析，通过研究这些代表了分类领域和研究方向的关键词聚类，可以得到生物膜领域的研究现状[12]。

如1.2所述设置Citespace，并去除无关关键词如wastewater、treatment、biofilm等之后，得到的关键词聚类、关键词关系网络和文献共被引网络。图5是生物膜领域的关键词聚类图，图谱模块性指数Q=0.4179，图谱轮廓系数S=0.7145，说明了本次聚类结果合理，各关键词在其聚类较为合适。聚类结果表明国际学者在污水生物膜处理法取得到了相当的研究成果，这些研究成果可以划分为多个聚类，图中显示了重要程度最大的十个聚类，数字越小的聚类，内涵的关键词就越多，代表其包含了更多种类研究内容，从小到大依此为厌氧氨氧化(anammox)、移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor)、胞外聚合物(extracelluar polymeric substance)、厌氧消化(anaerobic digestion)、油砂废水处理(oil sands process-affected water)、微藻生物膜(microalgae)、氧化亚氮(nitrous oxide)、反硝化(denitrification)、焦磷酸测序技术(pyrosequencing)和水力停留时间(HRT)。关键词聚类分析指明，2010年～2020年，污水生物膜法研究成果主要集中在厌氧氨氧化工艺的开发和应用、生物膜生化特性研究、MBBR反应器应用、微藻生物膜反应器开发应用、污水高效脱氮与温室气体的产生和研究工具的开发，代表了生物膜法的研究现状。

图5 关键词聚类分析Fig.5 Co-occurrence cluster analysis of keywords

利用Citespace还可以研究相关文献的共同出现关键词的频次和中心性，一个关键词在不同文献中出现的频次和中心性越大，越能代表这一领域的研究热点。图6为关键词关系网络，表2列举了文献记录中出现频次最高的5个关键词。关键词关系网络表明在2011年至2020年期间，污水脱氮(nitrogen removal)、生物膜法处理效果(performance)、生物膜微生物种群结构(microbial community)、厌氧氨氧化(anammox)、特定细菌(bacteria)的特性是出现在生物膜研究文献中最多的5个关键词，高频关键词指明与其相关的研究是生物膜领域的研究热点，在生物膜研究领域，国际学者主要研究的热点集中在①生物膜法高效脱氮的研究②不同生物载体和工艺参数的变化对生物膜处理效果的影响③生物膜微生物的种群结构及演变④生物膜工艺实现污水厌氧氨氧化的关键工艺参数研究⑤特种细菌对特殊污水的处理研究，这些高频关键词还说明，基于传统的污染物降解机理(如传统硝化反硝化脱氮、同时硝化反硝化等)、简单结构的反应器和常规微生物菌种构建的污水处理技术无法应对日益复杂的水质情况和成本要求，未来水处理技术的研究热点和应用将转移到以厌氧氨氧化为、MBBR和特种微生物代表的新技术之上。

图6 关键词共现网络Fig.6 The co-occurrence network about keywords

表2 频次与中心性排名前5的关键词Tab.2 Top 5 keywords in frequency and centrality

与热点关键词作用相同的是高被引文献，高被引文献所研究的内容是一个领域的最受学者关注的研究成果，也代表了该领域的核心热点。图7为文献共被引网络，表3列举了被引次数最多的5篇文献。从被引文献关系图中可以看到，被引用次数较多的文献集中在研究污水脱氮的相关区域内(图7左下区域)，主要研究内容为厌氧氨氧化(Anammox)反应。

图7 参考文献共被引网络Fig.7 The co-citation network of cited references

表3 生物膜研究领域被引次数前5的参考文献Tab.3 Top 5 cited references in the field of biofilm research

高被引文献同样表明了这一点：Susanne Lackner等人[13]通过对全球范围内实现部分亚硝化—厌氧氨氧化(Partial Nitritation-ANAMMOX，PN/A)工艺的污水处理设备进行调研发现，各处理厂主要通过控制反应器的pH(6.7～8)、溶解氧浓度(0.3 mg/L ～ 1.5 mg/L)和曝气时间(10 min ～15 min)来调整部分PN/A的效果，而采用移动床生物膜反应器(Moving-bed biofilm reactor，MBBR)的设备，相较于使用序批式活性污泥床(Sequencing Batch Reactor，SBR)具有更短的水力停留时间，还能够缓解因活性污泥堵塞造成不利影响，但又存在能耗更大的问题，还需要进一步优化生物膜反应器的构造，研究还发现污泥泥龄过长、氨氮和硝酸盐氮的过量积累对PN/A的影响可达30%～50%，采取的对策是及时排泥、精准曝气量；Eva M. Gibert等人[14]进一步研究MBBR工艺在低温时部分亚硝化—厌氧氨氧化的效果，结果发现，温度对亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite-oxidizing bacteria，NOB)的影响较厌氧氨氧化细菌(Anaerobic ammonium oxidation bacteria, AnAOB)更大，硝化反应收到抑制，而尽管反应器由20℃缓慢降至10℃并维持不变之后，对氨氮的转换效率较20℃时下降了80%，还需要增加一倍的水力停留时间，但是悬浮载体上仍保持了足够的生物量和一定的厌氧氨氧化活性，并且没有出现持久性的亚硝酸盐氮的积累，生物膜微生物群落组成也相对稳定，证明了MBBR工艺在低温下可以稳定实现PN/A；B.Kartal[15]等人认为，污水具有巨大的资源化潜力，为了回收污水中的能量，需要将污水进行厌氧发酵回收甲烷气体，此时剩余碳源不足以支撑传统反硝化进程，因此需要实现消耗碳源更少的厌氧氨氧化以去除水中的氮元素，与传统水处理工艺相比，通过使用厌氧发酵产甲烷工艺与厌氧氨氧化工艺耦合，不仅减少了能源的消耗，还能产生清洁能源甲烷，具有巨大的市场应用前景；Wouter R.L等[16]介绍了位于Rotterdam地区的世界第一台正式运行的厌氧氨氧化反应器，该反应器在接种来自某污水处理厂的低泥龄硝化污泥后，经过长达1800天的启动，实现了反应器内亚硝酸盐氮与氨氮的浓度比例达到1∶1的条件，AnAOB细菌逐渐成为优势菌种，反应器成功启动，稳定运行的处理规模可达750 kg·N/d，该反应器的启动经验指出，约在启动开始后800天之后才检测到厌氧氨氧化反应，这是因为AnAOB细菌在启动前期数量较少，并且处于不利低温，因此启动时期反应器的负荷不能太大，且启动前期需要进行间歇式曝气以产生亚硝酸氮并抑制硝酸盐氮的产生，启动后期可以停止投加碳源以抑制反硝化的进行；Michele Laureni等[17]人同样研究了低温情况下MBBR工艺与混合MBBR工艺实现PN/A长期运行的稳定性和脱氮效果，该研究将两个反应器的运行温度控制在15℃，通过当出水氨氮小于2 mg/L时停止曝气，在较低的溶解氧浓度下(0.15～0.18 mg/L)成功的抑制了NOB细菌的活性，只消耗了反应器中16%的氨氮，两个反应器运行效果稳定，氨氮去除率可达90%以上，总氮去除率在70%以上，出水总氮浓度均低于10 mg/L，并且当反应器运行温度突降至11℃再返回15℃时，厌氧氨氧化进程迅速恢复，证明了两种反应器在低温时可以稳定、有效地实现PN/A。这些高被引文献不同程度上研究了厌氧氨氧化工艺的运行效果，证明了厌氧氨氧化研究是生物膜研究领域的超级热点，具有极大的研究价值和潜力，值得国际学者耕耘。值得注意的是，五篇高被引文献中有四篇提到了MBBR工艺，可见该工艺同样是一个具有潜力的研究方向。

2.5 研究前沿与研究趋势分析

短时间内出现次数激增的关键词和引用次数突增的被引文献可以代表一个时间内该领域的研究前沿，而突发的关键词和被引文献随时间的变化也能说明该领域的研究趋势。同1.2设置Citespace，导出了突发程度较高的关键词61个，经过筛得到了突发强度较大且具有代表性的关键词10个，见表4。从关键词突发强度表可以看出，关于生物膜法去除水中氮素的关键词突发性最大，其中佳能(Cannon)工艺突发强度最大，是学者们最先关注的领域，佳能工艺指完全自养亚硝酸盐脱氮(Completely autotrophic nitrogen-removal over nitrite，Canon)工艺，学者研究其脱氮性能[18-19]和生物特性，并评估溶解氧、生物膜厚[20]、反应温度[21]等工艺参数对其影响，之后是厌氧氨氧化领域与上文提到的PN/A工艺，不仅突发强度大，而且持续时间长，在这一方面，学者主要研究其生物特性[22～24]和最佳的运行参数[25～27]。到了2013年，人们注意到一氧化氮(nitric oxide)对微生物具有诱导作，因此利用其作为生物膜抑制剂，防止膜发生生物污染[28]。随着全球变暖的趋势的加重，学者开始重视污水处理过程释放的温室气体氧化亚氮(nitrous oxide)，并研究工艺运行参数以削减氧化亚氮的释放[29]。总而言之，由关键词突发分析可知，在生物膜研究领域，包括厌氧氨氧化在内的生物膜自养脱氮工艺一直是近11年来绝对的学科前沿。

表4 年度突发强度具有代表性的10个关键词Tab.4 10 keyords with strongest burst

引用次数突增的研究文献代表了某一时间段的学术热点，这些文献研究的内容也是前沿研究的基础。表5列举了近年来突强度最强的十篇文章，经过对这些文章的阅读归纳，发现突发被引文献主要来源于四个研究方向：①厌氧氨氧化工艺研究及开发。突发被引文献中有关厌氧氨氧化工艺的文献最多，有关研究主要是介绍厌氧氨氧化原理与反应器启动运行情况[30,31]、菌胶团粒径与氨氧化细菌分布情况的关系[32]、低温下厌氧氨氧化反应器运行效果及影响因素[33]。②MBBR工艺相关研究。相关研究内容包括对MBBR主要处理性能的介绍[34]和反应器的设计与运行参数[35]等，主要在应用方面。③生物膜法的新技术和工具的开发。高突发的引用文献中介绍了一种基于分析高通量基因测序结果而开发能够分析生物膜微生物的种群结构的软件[36]，能够将生物膜微生物种群结构可视化.④污水脱氮过程氧化亚氮的排放。有关研究主要分析了污水脱氮过程排放温室气体氧化亚氮的生物行为，指出氧化亚氮是好氧反硝化的中间产物，也可能由硝化细菌的某些不正常生理行为产生[37]。

表5 突发强度最强的10篇文献Tab.5 Top-10 cited references with strongest burst strength

综合文献突发关键词和突发被引文献的分析可知，厌氧氨氧化工艺及其变形工艺、研究工具的开发、MBBR工艺的研究与废水脱氮过程产生的温室气体研究是生物膜法的研究前沿，有志于研究生物膜工艺的学者可以从这几个角度出发，丰富生物膜研究的内涵。

3 结 论

3.1 在2010年至2020年期间，在研究生物膜法处理废水的领域中，无论是从相关研究机构的数量还是引导国家间的合作，中国都处于主导地位，这与我国社会环保意识的增强、生态友好型社会的建设以及污水处理压力有关。

3.2 生物膜领域的突破备受学术界关注，领域内的顶级期刊多有收录有关生物膜的研究成功，尤其是Bioresource technology杂志，这十一年里收录了229篇相关文献，是生物膜研究领域的中心期刊。

3.3 生物膜领域内可以分为几个小的学术领域，代表了研究生物膜法几个方向，包括厌氧氨氧化工艺的开发和应用、生物膜生化特性研究、MBBR反应器应用、微藻生物膜反应器开发应用、污水高效脱氮与温室气体的产生和研究工具的开发。

3.4 生物膜法高效脱氮的研究、生物膜处理效果的研究、生物膜微生物的种群结构及演变、生物膜工艺实现污水厌氧氨氧化的关键工艺参数研究和特种细菌对特殊污水的处理研究是生物膜法的研究热点方向，其中厌氧氨氧化工艺是该领域的超级热点，也是生物膜领域高被引文章研究主题。

3.5 厌氧氨氧化工艺、污水脱氮过程中氧化亚氮排放研究、移动床生物膜反应器和生物膜的高效可视化分析方法与工具是污水生物膜处理领域的研究前沿，也是亟待突破的学术焦点。在这之中，厌氧氨氧化工艺与移动床生物膜反应器始终吸引学者们的目光，还将继续保持被研究的热度，是学者值得参与的前沿研究，对解决环境水污染具有重要意义，对未来水处理领域影响深远。