基于Web of Science对垃圾渗滤液处理处置的文献计量分析

刘青晨,占美丽,张国栋,王亚楠,单斌,王华伟*

(1.青岛理工大学 环境与市政工程学院,山东 青岛 266033;2.青岛市固体废弃物处置有限责任公司,山东 青岛 266043)

垃圾渗滤液主要来源于垃圾中自身含有的水分[1]、覆盖在填埋场上融化后逐渐渗入地下的雨雪水、生活垃圾的转运和处理装置[2]以及生活垃圾在焚烧的卫生填埋中产生的液体,是一种高浓度的有机废水[3]。在一些非正规的垃圾填埋场,由于管理不善或者维护不及时,未对垃圾渗滤液采取有效的措施进行处理,则会存在垃圾渗滤液渗漏的风险。一旦发生渗滤液泄漏,将会对场地周边的环境产生不同程度的污染[4]。为了减少渗滤液对周边环境的污染问题,我国环境保护部门发布了一系列的文件对垃圾渗滤液的处理处置提出了更高的要求。在科技部的各个重大专项中,对渗滤液处理技术的研究也给予了高度的重视[5]。因此,对垃圾渗滤液的处理工艺进行研究具有重要的现实意义。

本文对国内外公开发表的垃圾渗滤液及处理处置的相关文献进行统计分析[6],从文献发文数量及年度变化趋势、发文国家/地区、关键词聚类、主要作者、载文刊物、共被引期刊等方面进行计量学统计分析,探究生活垃圾渗滤液处理处置技术的研究现状及未来发展趋势[7],为垃圾渗滤液的科学管理提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究的外文数据[8]采用美国科学信息研究所Web of Science (WOS)[9]中的Science Citation Index Expanded (SCI-EXPANDED)[10]核心合集数据库。作为目前规模最大的引文回溯数据库,它包含了全球最重要、最有影响力的研究成果,并被认为是当今世界公认的科学统计与科学评估的重要检索工具[11]。以(Landfill leachate)AND (Treatment)为主题词进行检索,检索的时间跨度为1985—2022年,共获取相关文献4 235篇,通过筛选及删除无关文献,最终保留4 135篇文献。

1.2 研究方法

通过CiteSpace和VOSviewer科学知识图谱文献可视化软件对垃圾渗滤液处理处置进行分析。CiteSpace可视化文献计量学软件在关键词的突变分析方面具有优势,能够更好地展现研究趋势和演化进程[12],有利于对本领域最近的研究进行发掘。VOSviewer是一款文献处理和可视化软件[13],它以一种简洁明了、清晰美观的视图来展示研究领域的热点。本研究通过计量学分析,对1985—2022年间发表的有关垃圾渗滤液处理处置文献从发文数量、国家/地区与机构合作、关键词聚类、关键词共现时区图谱、爆发词、主要作者、载文刊物、共被引期刊及文献等方面进行计量分析,其中运用CiteSpace软件、VOSviewer软件进行数据分析时,是将Web of Science数据库下载txl格式的文章,按照研究内容的需要将文本导入CiteSpace软件、VOSviewer软件,然后进行分析[14]。

2 结果与分析

2.1 发文数量及年度变化趋势分析

通过对论文发表数量进行分析,可以最直观地反映研究者对这个领域的重视程度,同时也可以从另一方面反映该领域的发展速度和水平。垃圾渗滤液评估领域2008—2022年间的论文通过WOS核心数据库为基础进行计量分析,具体见图1。通过对近年来在该领域发文数量统计分析,可以看出,发文数量呈不断上升的趋势,可见近年来垃圾渗滤液这一类问题引起了广泛研究,逐渐被人们所关注。2008年到2015年发文数量逐年平稳增长,从2015年开始该领域发文数量显著提升,发文量均在200篇以上,2021年的发文量(495篇)和被引频次(21 709次)达到最高值,是2011年发文量(139篇)的3倍多,这些都与我国近年来对环境保护及污染治理的重视程度有关。《生活垃圾填埋场渗滤液处理工程技术规范》在2010年颁布实施后,对填埋场渗滤液的治理提出了具体的技术要求并对其进行分析。2017年印发的《关于加强推进党政机关等公共机构生活垃圾分类工作的通知》,通过实施生活垃圾分类,推动生活垃圾减量化、资源无害化,从而减少渗滤液的排放,降低其环境风险。

图1 2008—2022年垃圾渗滤液领域文献发表量

2.2 发文国家/地区分析

在科学研究领域,一个国家在该领域的发文数量反映出该国家对该领域的重视程度和在该领域学术影响力[15],通过VOSviewer国家合作网络对1985—2022年不同发文国家/地区分析,共有104个国家发表了关于渗滤液领域的相关文章。将国家间合作的阈值调整为20,最终有49个国家符合条件。其中,在垃圾渗滤液领域发文量排名前十的国家中排名第一的是中国,发文量高达1 350篇,占总发文量的32.6%,其次是美国(324篇)、马来西亚(274篇)、巴西(248篇)、印度(246篇)、伊朗(211篇)、土耳其(206篇)、西班牙(179篇)、波兰(179篇)、意大利(178篇)。我国在该领域的发文量位于第一位,发表的文献数量略高于位居第二的美国的4倍。可以看到,我国对于垃圾渗滤液处理处置方面的研究十分重视,这表明我国在垃圾渗滤液处理处置研究方向发文量具有一定的竞争力,同时也进一步说明了我国城市生活垃圾渗滤液的处理处置问题的严峻性。

2.3 重要研究机构分析

通过VOSviewer对研究机构分析,来自世界各地的3 086个组织或机构参与垃圾渗滤液的研究。其中马来西亚的University of Malaysia(马来亚大学)发文量最多,发文量为117篇,其次发文量前五的还有Tongji University(同济大学)、Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学)、University of Science and Technology Beijing(北京科技大学)、Irditz University of Technology(伊尔迪兹科技大学)。在VOSviewer软件中显示各个机构之间联系的紧密程度,其中各个机构之间的关联强度较强,如图2所示,由此可以说明各个机构之间对于垃圾渗滤液之间的研究进行紧密的交流,中国科学院大学在垃圾渗滤液处理处置方面发挥着重要作用,通过与国内外科研院开展学术交流与合作,形成了一种协同效应,推动了垃圾渗滤液领域的迅速发展。

图2 1985—2022年垃圾渗滤液领域重要论文产出机构及相互合作关系图谱

2.4 关键词聚类分析

关键字主要用于编制索引或者帮助读者检索文献,领域的研究热点可以在一定程度上通过关键词出现的频次来体现[16]。通过VOSviewer对4 135篇文献绘制关键词共现网络视图,文献中共包含12 085个关键词,将最低阈值调整为20,共有359个关键词符合条件,形成4个主要聚类,见图3。

图3 1985—2022年垃圾渗滤液领域重要论文关键词关联图谱

通过VOSviewer对关键词进行聚类分析,图中圆球的大小代表着关键词出现的频率,同时也体现出该领域的研究热点。Landifill leachate(垃圾渗滤液,2 178次)是出现频次最高的关键词,其他出现频次依次较高的有removal(去除,1 232次)、waste-water(废水,690次)、degradation(分解,674次)、leachate(渗滤液,555次),从这些关键词中不难看出对于垃圾渗滤液的处理问题是当前领域研究的重点。在图3中,聚类3主要是关于溶解有机物和腐殖质物质的研究,出现较高的关键词有dissolved organic-matter、drinking-water等。聚类1主要是垃圾填埋场的管理及渗滤液的厌氧消化,出现较高的关键词有leachate、water、leachate treatment、management等,结合城市固体废弃物难以处理的特点,其处理及污染控制已成为国内外学者关注的焦点[17]。尤其是一些有机污染物难以去除,将现有的垃圾渗滤液技术综合利用,进而形成一种高效的综合处理技术,是各个国家都面临的一大难题[18]。聚类4主要是降解、去除垃圾渗滤液问题,出现频次较高的关键词为removal、degradation、optimization等,在垃圾填埋过程中和封场后的一段时期内,将会产生高浓度的有机物、氨氮及重金属的垃圾渗滤液,垃圾渗滤液渗入到土壤、河流等流域,将会对周边的环境产生污染,所以将研究通过生物降解来降解有机污染物或者通过活性炭等举措来降解去除污染物,将其进行优化。此外,阻隔屏障能够有效阻止污染物从垃圾填埋场向周围环境排放,因此,研究阻隔屏障中污染物的运输过程和阻控机理是当前热点的研究问题[19],对于保护环境、改善环境质量具有重要意义。聚类2主要是研究通过厌氧氨氧化技术、添加菌剂等技术处理垃圾渗滤液脱氮,出现频次较高的关键词为nitrogen removal、activated-sludge、denitrification等,由于垃圾渗滤液的特性,导致其中含有高浓度氨氮、低碳氮比、难处理等问题,因此如何解决高效低耗的污水处理,始终是这一领域亟待解决的难题。由图3可知,图中有多个相同含义的关键词,例如leachate、landfill leachate均表征渗滤液,所以图中圆球的大小不是表征研究主题的唯一标准。聚类中关联度较弱的关键词,无法表达该领域的研究热点,在热点分析中可忽略[20]。

通过分析关键词共现时区图谱(Time Zone)可以反映出各领域研究主题的基本情况。通过对关键词进行时间划分,然后进行分析,通过垃圾渗滤液中关键词首次出现的时间和整体视角来分析研究热点。借助Citespace软件将节点选择为关键词(Keyword),切片长度(Slice Length)设置成4,选择标准(Selection Crteria)设置成Top50 per slice,从每一个时间切片中提取前50位的数据,来生成关键词共现时区图谱,见图4。在关键词共现时区图谱中,每一个点都代表一个关键词,时区图中的每个时间段均是由该时间段所新出现的关键词组成,连线将两个或多个关键词连接起来,可以发现它们之间的共现程度[21],从而更好地理解关键词之间的联系。

图4 基于Citespace的关键词共现时区图谱

由图4可知,垃圾渗滤液的研究随着时间的推移在不断演变,可分为三个阶段:首先是2008—2013年,这一阶段主要是在垃圾渗滤液处理方面[22],围绕removal(去除)、degradation(降解)、performance(性能)等关键词进行研究,这一阶段的研究重点是对垃圾渗滤液的处理处置,分析了垃圾渗滤液处理的各种技术,对不同技术在垃圾渗滤液中的处理效果进行分析,结果表明,目前垃圾渗滤液处理的研究热点不断增多;其次是2013—2018年,此阶段的研究主题比较分散,在此阶段中出现的关键词microbial community(微生物群落)、integrated approach(综合方法)进行研究;第三个阶段为2019年-至今,在此阶段的关键词为energy consumption(能源消耗)、solidification/stabilization(固化/稳定化)、leachate pollution index(渗滤液污染指数)等。

2.5 主要作者分析

通过发表论文的数量、被引频次,可以确定论文的主要作者,由此可以有助于在这一领域找到高产研究人员。作者贡献分析由VOSviewer得出,4 135篇相关文献中共包括了12 928位该领域的作者,将作者文献的最低阈值调整为5,得到符合条件的作者有419人。其中,马来西亚理科大学的ABDUL AZIZ HAMIDI、北京工业大学的PENG YONGZHEN、拉曼大学的BASHIR MOHAMMED J K是发文量排名前三的学者。ABDUL AZIZ HAMIDI[23]主要关注稳定化处理垃圾渗滤液性能比较如运用混凝絮凝工艺与臭氧联合工艺的研究;PENG YONGZHEN[24]专注介绍了垃圾填埋场渗滤液的处理处置技术和应用现状并对垃圾渗滤液深度脱氮工艺进行研究; BASHIR MOHAMMED J K[25]主要关注电化学氧化、厌氧膜生物反应器稳定处理垃圾填埋场渗滤液[26]。北京工业大学的彭永臻是发文量排名第一的中国作者,课题组长期致力于对生物污水处理理论及应用、污水脱氮除磷的新工艺与新工艺的研究,并开展了垃圾渗滤液的脱氮除磷研究。在主要作者关联强度中,各个作者之间的关联强度并不是很强(图5),在该领域中的12 928位作者,大部分作者发表文献数量在1～2篇,相对于该领域所存在的巨大研究和发展空间而言,尚需更多更专业的研究人员关注。

图5 垃圾渗滤液领域重要论文作者关联图谱

2.6 载文刊物分析

通过对载文刊物进行分析,可以了解当前该领域具有前沿性、有原创意义的选题。通过VOSviewer分析,对发表垃圾渗滤液领域的470个载文刊物进行研究。其中发表文献排名前五的刊物分别为Waste Management(257篇)、Desalination and Water Treatment(257篇)、Journal of Hazardous Materials(158篇)、Bioresource Technology(156篇)、Science of the Total Environment(154篇)。在发文量TOP5的期刊中,2022年影响因子最高的期刊为Journal of Hazardous Materials,其影响因子为14.224,其次是Bioresource Technology和Science of the Total Environment,影响因子分别为11.889和10.753,最低的期刊为Desalination and Water Treatment,其影响因子为1.273。在VOSviewer软件中显示载文刊物的网络密度较高,分布较为密集(图6),这表明各个期刊之间关于垃圾渗滤液之间的研究交流得较为密切。

图6 垃圾渗滤液领域重要载文刊物关联图谱

2.7 共被引期刊分析

共被引分析的目的是对在某研究领域中被高频引用的论文和期刊有一个全面分析,通过VOSviewer对期刊共被引图谱进行检测,共有20 344篇期刊被引用,设置期刊最少共被引次数的阈值为40次,共有393本期刊用于被引期刊的共引分析,最终呈现的共引关系图谱,见图7。

图7 垃圾渗滤液领域共被引期刊关联图谱

由图7可知,期刊共引网络由5个聚类组成,对应图中的5种颜色,被引用次数位列前三期刊分别是《Water Research》(14 277 次引用)、《Journal of Hazardous Materials》(13 721次引用)、《Bioresource Technology》(10 240次引用)。在五个聚类中,聚类1的期刊主要为工程技术和水资源研究领域的期刊,关注技术在水领域的应用,引用这些期刊的目的主要是分析回顾已有的研究,并为自己的研究提供已有的理论和实证支持;聚类2的期刊以环境和生态方面的研究为主;聚类3的期刊主要以化学工程、环境科学和工程领域的研究为重点;聚类4的期刊主要介绍和讨论关于固体废物产生、角色塑造、最小化、收集、分离、处理和处置的信息;聚类5的期刊主要是发表淡化材料、工艺和相关技术的研究。这些期刊往往有较多对数据收集、清晰和分析的技术层面的研究,引用这些期刊的目的主要是为研究提供技术层面的支持。

2.8 共被引文献分析

文献共被引(Co-Citation)是指第三篇文献的施引文献目录中包含另外两篇文献,这说明已发表论文之间有很强的关联性。在VOSviewer软件中,使用了文献共被引聚类,可以找到具有代表性文献以及不同的研究领域。接下来用VOSviewer绘制文献共被引图谱,共有110 142篇文献被引用,设置文献最少共被引次数的阈值为40次,留下292篇文献用于被引文献的共引分析,最终呈现的共引关系图谱(见图8)。

图8 垃圾渗滤液领域共被引文献关联图谱

在共被引文献排名中,在2007年发表的《Landfill leachate treatment:Review and opportunity》是共被引次数最多的文献,其综述了垃圾渗滤液的处理方法,讨论了该领域技术的发展现状,结合各种处理方法的优缺点进行讨论[27]。通过COD、NH3-N和重金属作为指标来对处理性能进行评价,将处理常规垃圾渗滤液分为三类:第一种是垃圾渗滤液转移,是通过循环利用与生活污水联合进行处理;第二种是通过好氧与厌氧的过程进行联合生物降解;第三种是运用化学物理方法进行处理,如化学氧化、吸附、化学沉淀、混凝/絮凝等方法。共被引次数排名第二的是在2010年发表的Present and Long-Term Composition of MSW Landfill Leachate:A Review,讨论了填埋场氧化还原状态变化的长期行为[28],对垃圾分解的好氧、厌氧酸、初始产甲烷和稳定产甲烷四个阶段进行了分析。

3 垃圾渗滤液处理处置领域的研究重点与研究趋势

综上所述,根据关键词共现时区图谱、关键词聚类重要研究机构分析等信息,分析和总结了近年来垃圾渗滤液处理处置领域的研究重点以及未来的发展趋势。关于垃圾渗滤液处理处置的研究结果表明,垃圾渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水,其处理技术较为复杂[29]。随着时间的推移,垃圾渗滤液的处理工艺在不断发展,主要是对现有技术进行优化和改进,其处理工艺的主要变化有以下几个方面:1)在20世纪90初期,由最初的生物处理方法,逐步过渡到“生物处理+物化预处理”;2)在21世纪初期,“生物处理+物化预处理”方法逐步占据了渗滤液处理处置方法的主导地位;3)目前一套较为完备的垃圾渗滤液处理工艺及产业链已经较为完善,为“预处理+生物处理+深度处理”的综合处理路线提供良好的基础[30]。在处理过程中,生物降解性随着时间的推移而不断降低,而氨氮的含量却在不断升高,从而会逐步形成一种老龄垃圾渗滤液(填埋场龄>10 a)。老龄垃圾渗滤液可生物降解能力较差,BOD/COD(生化需氧量/化学需氧量)小于0.2,且C/N(碳氮比)低[31]。所以,要满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》中对渗滤液的排放要求,必须采用多种处理工艺,并进行精确调节。生活垃圾填埋场及渗滤液中含有多种类和高丰度的抗生素抗性基因[32],抗生素抗性基因是广泛存在于环境中的一类新污染物。前期研究表明,抗生素抗性基因与厌氧微生物之间存在着较强的相关性,这对污水处理厂及最终的收纳水体都存在着潜在的风险[33]。在国内,未来可通过各种工艺的协同使用,融合单个工艺的优势,克服各自的缺陷,从而达到垃圾渗滤液中污染物去除的最佳效果。垃圾渗滤液中富含金属元素和腐殖质,对其进行高效回收可减少其处理成本,但同时也给分离工艺带来新的挑战。

4 结论

通过VOSviewer和CiteSpace软件分析近年来垃圾渗滤液的研究脉络、热点及发展趋势,系统回顾了垃圾渗滤液发展态势,从国外垃圾渗滤液发展的历程中可以发现:1)最主要的关键词展现的是垃圾渗滤液研究的核心命题,即垃圾渗滤液如何处理,从物理化学处理技术、生物处理技术、膜法处理技术、深度处理技术等方面对目前处理垃圾渗滤液使用的工艺进行了分析。结合投资和运行费用的经济指标和工艺本身是否可以长期稳定、良好地达标运转,来研究处理工艺在今后处理垃圾渗滤液方面的推广。次要关键词展现的是通过各实验研究降解垃圾填埋场渗滤液,主要围绕实验来提高生物降解垃圾渗滤液的能力,通过光催化降解以及臭氧化过程对垃圾渗滤液的效率与转化机制进行研究。2)垃圾渗滤液领域发文量最多的国家是中国,是位居第二的美国的四倍多,目前各个国家形成了相对稳定的合作群体。3)重要研究机构前三名为马来西亚大学、同济大学、中国科学院。4)该领域文献发表的期刊主要为Waste Management。本文研究有助于了解垃圾渗滤液处理处置领域的研究方向及热点。