国内污泥制备生物炭的研究热点及趋势的可视化分析

张晓颉,鲁明星,郭竟

(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.河北省矿产资源绿色开发与生态修复协同创新中心,河北 唐山 063210;3.防灾科技学院应急管理学院河北 廊坊 065201;4.唐山学院 土木工程学院,河北 唐山 063002)

城市工业废水与生活污水的排放量日益增多,在城市污水的处理过程中,必然产生大量的污泥,由于污泥含水率高在运输过程和处理过程造成比较大的困难[1],而且污泥中含有大量有机物和有害物质很容易造成二次污染[2]。污泥处置成本可占污水处理厂总投资的30%～50%[3],污泥处理处置已经成为目前污水处理厂面临的严峻问题。因此,我国迫切需要除填埋和焚烧外,更加有效的处理处置方法[4]。近年来污泥热解制备生物炭受到了广泛的关注,其在资源回收、重金属的管控以及能量的消耗是优于传统的处理方法[5]。相关学者在生物炭的制备过程中对于能源消耗、热解过程、热解产物、生物炭的吸附作用以及对土壤的改良作用等方面近年来进行广泛的研究[6-8]。利用污泥中碳元素含量较高的特点对其进行高温热解处理,其中污泥中所含有的微生物残体[9]、有害病菌、有机污染物对其进行无害化、减量化处理[10],所制备出来的生物炭可以有效的保留其中的碳元素[11],同时污泥中的所含有的重金属元素在高温的制备环境也会转化为所呈惰性的固体残渣,这种形态的重金属元素是不会被生物所吸收而且不会通过食物链积累在生物体内,是最安全的重金属形态[12-14]。制备的生物炭具有很高的稳定性,将制备产物存于地下几百年都不会消失,有效地将碳封存起来,并储藏于土壤之中,有效地减少CO2对全球变暖的影响[15]。

污泥制备生物炭研究不仅探讨了废弃物资源化利用的前沿科技方法,而且还阐清了循环农业、循环工业持续发展的概念和模式[16]。但综述类文献仅基于单一角度或聚焦于某一个子概念、技术进行[17],不能清晰展现出其技术创新与其之中的优劣利弊的联系。为了探讨国内市政污泥的利用以及基于污泥制备生物炭的用途研究的研题演变和关联,分析研究的关键转折点和热点,基于CiteSpace可视化软件从整体上把握其研究领域的研究动态,绘制知识图谱,廓清文献之间的联系脉络,发现热点前沿,从而给国内未来农业、生态、环保等领域中从事生物炭研究的相关科研人员提供有价值的参考信息和研究方向,进而推动我国相关发展的创新与进步。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本篇文章所使用数据均摘自中国知网(CNKI)网络总库,主题词限定为“生物炭AND污泥”,检索时间跨度为2003年1月～2023年3月。经过检索,得到CNKI数据文献1 125篇,为文献数据有效性和分析统计结果更加具有权威性、精确性及代表性,经仔细筛查去除重复文献和与本研究主题无关的文献最终得到CNKI数据库712篇高质量期刊文献,并将文件整理输出为Reforks格式文件导入CiteSpace进行可视化分析。

1.2 研究方法

利用 CiteSpace 6.0对所整理数据进行可视化分析。通过软件对近二十年来以污泥制备生物炭的相关研究从整体上进行整理,从而便于科研人员进行研究[19]。CiteSpace所利用的数据来源于中国知网(CNKI)全文数据库,检索出的结果整理作为数据分析并进行可视化图谱的绘制[20]。从而得出我国近二十年来基于污泥制备生物炭的相关文献数量、高产发文作者、高频关键词、突变词、作者间的合作关系等信息[21]。进而对研究现状进行分析总结,发现未来的生态系统服务供需研究的热点及方向。

2 结果与分析

2.1 发文量与时间分布分析

以根据CiteSpace为基础所获得的年度发文量可以清晰地了解基于污泥制备生物炭的相关研究方向的文献发表情况以及各方面的受关注程度。是给研究者用以了解该领域的近二十年的发展趋势的重要指标。通过中国知网数据库检索自2003年1月1日至2023年3月1日,整理所得相关污泥制备生物炭的相关领域期刊文献712篇。总体看来关于污泥与生物炭文献大致可以总结为四个阶段:

第一阶段(2003～2010年):在2010年之前我国基于污泥制备生物炭的研究还处于萌芽起步阶段,自2000～2010年期间共有7篇论文发表,这一阶段研究者的主要研究内容为以生物炭作为处理污水的吸附作用[22],在这十年中研究者的研究方向比较单一,基于污泥与生物炭结合的相关研究关注度比较低。

第二阶段(2011～2014年):文献数量开始缓步上升,在此期间共有76篇文献,其中不乏由国科学院天然气水合物与可再生能源重点实验室所发表的《市政污泥热解制备生物炭实验研究》[23]之类的经典文章,进一步推进国内当时基于污泥制备生物炭的相关研究进展。

第三阶段(2015～2018年),此阶段相关期刊文献发表数量进一步提升,在四年之内共发表200篇期刊文章,对于基于污泥制备生物炭的相关研究内容已经非常丰富,这一阶段人们对于废弃资源再利用以及对于生态环境等方面进一步重视[24],对污泥基生物炭的吸附作用、修复作用、污泥中重金属的钝化等方面展开研究,致使这一阶段的发文量大幅度提升。

第四阶段(2019～2022年):此阶段为爆发式增长,在四年之类共发表408篇期刊文章,其中2022年发表了相关期刊129篇,为近二十年来的发表篇数最高的一年,由于2023年的文章只统计到了3月1日,故只有21篇期刊文章,但根据往年发文量推测2023年的相关文章会只增不减,达到新的文章发表数量最多年份。由于这一阶段,我国对污泥处理以及对污泥资源再利用和基于污泥制备生物炭的相关研究得到的进一步的重视,对于基于污泥制备的生物炭进行了各种方面的测试研究,其中重金属吸附[25]、改良土壤和促进植物生长[26]方面是这四年的重点研究方向。

从图1 的发文量曲线趋势可以看出,对于污泥基生物炭的研究逐年上升,近年来研究急剧上升,未来几年国内对污泥制备生物炭的相关研究还会得到进一步的重视,国内的相关学者以及普遍大众的资源再利用和绿色生态的观念会进一步加强。

图1 年度发文量

2.2 关键词共现

2.2.1 关键词图谱

基于CiteSpace的关键词分析是对关键词对所研究领域方向和内容的高度概括,对于关键词的频次、关联度可以揭示该研究领域话题、内在联系及主要程度。所谓的关键词共现[27],其是作为该领域方向的不同高频词汇之间的联系。所检索的不同关键词之间的相互关系由之间的连线指明[28],连线的颜色代表了各关键词首次关联的时间,其中关键词出现次数由节点表示,节点的大小表示关键词出现的次数[29]。

如图2所示,在污泥与生物炭研究领域,学术研究者的重心还是在污泥生物炭对重金属的吸附作用、污泥制备的生物炭对土壤的改良效果、污泥的热解技术、污泥中重金属的钝化等方面。从图2中可以明显看出近二十年来相关研究围绕“污泥”、“生物炭”、“钝化”、“吸附”等方面研究时间跨度较大,并由此方面衍生的研究扩展较多,是自2004年至2022年上述都是当时的研究热点话题。而对于“土壤修复”、“微生物群落”、“生态风险”、“高级氧化”、“资源化利用”这些都是最近几年来的研究热点话题,也是未来几年来的研究发展趋势。

图2 我污泥基生物炭的关键词共现图谱

2.2.2 关键词突显

利用CiteSpace 软件对突变词进行突显探测分析得到2013～2023年间的突变词分布情况。可以根据突发词的词频变化判断某个研究领域的前沿和趋势[30]。如图3所示,2013～2023年间污泥生物炭这一研究主题共产生了10个突变关键词。分别是“热解”(2014～2016年)、“理化性质”(2016～2017年)、“土壤改良”(2016～2018年)、“生态风险”(2019～2021年)、“资源化利用”(2020～2021年)、“餐厨垃圾”(2020～2020年)、“热力学”(2021～2021年)、“催化”(2021～2021年)、“机理”(2022～2023年)、“土壤”(2022～2023年)。

图3 CNKI数据库关键词突发性检测图

其中爆发强度最高的是“热解”,时间跨度为2年。在这两年国内的热解技术有的很大的提升,由污泥进行热解反应,使有机物大分子热分解转化为液态生物油气态热解气和固态碳基材料的新兴污泥处理处置技术有了新的技术更新。其次突变时间较长的是“土壤改良”和“生态风险”,均为污泥及生物炭的曾经和现在研究热点,近年来由于各位相关研究学者的生态意识的不断加强,“生态风险”这方向的相关衍生的研究不断增加。

2.3 关键词时间线图谱分析

基于CiteSpace所导出的关键词时间线图谱是陈超美教授近些年更推荐的一种时间图谱的展现方式[31],它主要侧重于展现聚类内部各成员之间的相关性、技术的演进以及历史的跨度过程,可以直观地反映出不同关键词在不同年份的出现情况,时间线图谱上的同一个聚类节点按顺序出现的年份依次排列在同一条水平线上。为探究相关污泥制备生物炭的研究热点变迁及演变趋势[32]。对关键词的时间图谱进行整理并筛选前15个聚类结果,如图4所示。自2005年至2010年期间我国对于污泥制备生物炭的研究相对较少,侧重点还是在污水处理产生的污泥的处理方法的研究。自2010年侧重点逐步向“土壤改良”、“吸附机制”、“重金属”等方向等主题偏移,相关研究者对于这些主题开展深入研究。自2016年之后该领域的研究呈现井喷式的增长。今年来,相关的研究又向“土壤环境”“生态环境”“环境应用”等主题方向靠拢,预测着这几个研究领域将是未来几年的热门研究话题。

图4 我国污泥生物炭关键词时间线图谱

2.4 发文作者合作可视化分析

通过构建作者合著网络,通过对近二十年来期刊作者发文量以及合作关系进行可视化分析,从中可以清晰反映出该领域核心作者群以及各位研究人员的合作关系和合作时间[31]。图5中的链接线条颜色代表着各节点之间作者合作时间,节点数量与大小代表了核心作者群体共现频次,它们共同组成了作者群与合作网络的知识图谱[29]。从图5中可以看出近二十年来国内的关于污泥基生物炭的研究大致形成了六个核心科研团队,但各团队之间的研究却鲜有交集,国内起步较早的科研团队是由李刚、王格格、陆江银、王建俊所带领的科研团体。2018～2020年间国内由曹玉成、张进、许思涵、王敏艳、刁韩杰的科研团队拓展了污泥基生物炭的相关研究。近年来由李宁、陈冠益、颜蓓蓓和汪印、余广炜为中心的两大科研团体展开对污泥基生物炭的相关试验研究。

图5 发文作者时间关联共现网络图谱

作者是CiteSpace应用传播的直接主体,单个作者的发文量及作者群的数量变化 可反映出近二十年来的核心作者以及核心科研团队。由CiteSpace软件对污泥基生物炭的第一作者发文量的数据统计前二十的作者如表2,其中发文量为9篇的陆江银是近二十年来发文量最高的作者。紧随其后是汪印,发表了8篇。位居第三的是王建俊,共发表了7篇 。发表5篇以上的作者也高达15人。正是这些高数量的发文量作者,带动了我国内的泥基生物炭的研究进展,为后人们奠定了一个坚固的基础。

表1 污泥基生物炭研究发文量前20的作者

3 结论

由于近二十年来污水处理厂的产业规模逐渐加大,导致大量污泥需要处置,而污泥中含有大量有机物、微生物和有毒有害物质,传统的处理方式焚烧和填埋无法实现资源回收。以污泥制备生物炭,其制备工艺简单,原料来源广泛,并且可以有效地防止污泥中的重金属造成的 二次污染,其生物炭的制备过程中会产生大量生物气和生物油可进行资源二次利用。制备的生物炭是一种多功能材料,在去除有毒、有害有机物、重金属、改良土壤、提高农业产量方面和减少温室效应等方面都可以获得优良的效果。

利用CiteSpace软件对近二十年来污泥制备生物炭的相关领域的期刊文章进行可视化分析,通过对研究进程、研究热点、研究现状、研究内容等方面统计并绘制知识图谱,结果表明:

(1)近二十年来对于污泥制备生物炭的相关研究,研究者主要研究的着重方面还是在生物炭对于重金属的吸附防止污泥中的重金属造成二次污染、生物炭的制备技术、土壤改良、生态修复等方面为该领域的主要研究方向。

(2)我国的污水处理产业近年来规模产业逐步加大,导致污泥产量也日益增多,研究者也对污泥资源再利用开始逐步重视,基于污泥制备生物炭相关领域的研究逐年增长。2019年份至今该领域期刊文章发表数量呈现爆发式增长。

(3)近年来由于国家低碳环保的号召生态环境、土壤环境、生态污染钝化固碳等方面成为热门话题,预测在未来的几年中相关研究领域热度仍会居高不下,相关研究领域的扩展研究也会继续增长。