廚余垃圾厭氧消化國際研究趨勢的文獻(xiàn)計(jì)量分析*

任媛媛，宋 娜，于 淼，高 明，吳川福，汪群慧，

（1.日本東北大學(xué)工學(xué)研究科，日本 仙臺(tái) 9800845；2.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3.北京科技大學(xué)天津?qū)W院環(huán)境工程系，天津 301830）

1 引言

廚余垃圾是城市固體廢物中有機(jī)組分的重要組成部分，包括家庭廚房垃圾，餐飲、食堂的食品廢物等。隨著社會(huì)的發(fā)展，廚余垃圾的大量產(chǎn)生逐漸成為一個(gè)全球性問題［1-2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)趨勢估計(jì)，2005—2025 年，亞洲國家的城市廚余垃圾年均可能從2.78×108t 增加至4.16×108t［3］。隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，近年來我國廚余垃圾增長率已超過10%［4-5］。目前，大多廚余垃圾都隨城市垃圾一起填埋或焚燒。雖然暫緩了垃圾圍城的壓力，但涌現(xiàn)出大量問題，例如廢物處理成本上升、填埋空間不足、浸出液污染地下水、排放有毒和溫室氣體以及公共環(huán)境衛(wèi)生問題等［6］。然而，廚余垃圾含水率高（75%～99%）、有機(jī)物濃度高（揮發(fā)性固體含量與總固體含量的比值達(dá)到0.8～0.9，即VS/TS 為0.8～0.9）、可生化性好，是非常理想的厭氧消化底物，具有極高的產(chǎn)甲烷潛力［7-8］。因此，越來越多的研究者選擇利用厭氧消化技術(shù)來處理過量的廚余垃圾，從而達(dá)到廢物利用和減輕環(huán)境壓力的目的。

文獻(xiàn)是研究成果的結(jié)晶，根據(jù)文獻(xiàn)的研究方向和研究數(shù)量可以反映某一領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)及研究進(jìn)展，預(yù)示該領(lǐng)域近一段時(shí)期的發(fā)展方向，表征該項(xiàng)研究的地域分布情況［9］。蔡瑋瑋等［10］曾針對1992—2009 年間有機(jī)廢物（廚余垃圾、污泥等） 厭氧消化產(chǎn)沼氣的研究趨勢進(jìn)行了文獻(xiàn)計(jì)量分析，王利紅等［11］則針對1999—2010 年間廚余垃圾處理方式（堆肥、產(chǎn)生物柴油、產(chǎn)沼氣、產(chǎn)氫、產(chǎn)乙醇等） 的相關(guān)文章進(jìn)行了文獻(xiàn)計(jì)量分析。近年來，有關(guān)廚余垃圾厭氧消化的發(fā)文量持續(xù)增長，研究的熱點(diǎn)也有所變化，但是從文獻(xiàn)計(jì)量角度研究其發(fā)展動(dòng)態(tài)的報(bào)道相對較少。因此，本研究以1994—2018 年間廚余垃圾厭氧消化相關(guān)文獻(xiàn)作為檢索對象進(jìn)行了計(jì)量分析，以便準(zhǔn)確掌握該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及前沿動(dòng)態(tài)，有助于科研工作者了解該領(lǐng)域在全球發(fā)展的整體情況，明確未來的研究方向。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

ISI Web of Science 是全球最大、覆蓋學(xué)科最多的綜合性學(xué)術(shù)信息資源。其引文數(shù)據(jù)庫SCI（Science Citation Index），已成為國際公認(rèn)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)與科學(xué)評價(jià)的主要檢索工具。本研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基于ISI Web of Science 中SCI 數(shù)據(jù)庫， 以（food* waste* or food waste* or fruit* waste* or fruit and vegetable solid waste*or fruit and vegetable waste*or mixed fruit peel waste*or mixed food waste*or solid potato waste* or solid fruit waste* or solid vegetable waste* or vegetable market waste* or vegetable waste*or kitchen waste* or restaurant food residue or food beverage or food residue or food garbage or food rubbish or food trash or kitchen scraps） 和（anaero*or（biogas or methane）） 作為主題檢索詞，選用普通檢索方式，對1994—2018 年間發(fā)表的文章進(jìn)行檢索，共獲得4 306 篇文獻(xiàn)信息。本次計(jì)量分析采用Ho［12］歸納出的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析方法，應(yīng)用Microsoft Excel 2018 軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對該領(lǐng)域的研究進(jìn)行檢索分析。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，最終一共有10 種可被ISI收錄的文獻(xiàn)類型。其中，研究型論文（81.68%）是最常采用的文獻(xiàn)形式，其次是綜述（10.06%）、會(huì)議論文（7.39%）、會(huì)議摘要（0.33%）、編輯材料（0.16%） 等。本研究主要對檢出的3 517 篇研究型論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在對所有相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類之后，將25 a 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，使用5 a 間隔（1994—1998 年、1999—2003 年、2004—2008 年、2009—2013 年、2014—2018 年） 對研究型論文的趨勢進(jìn)行分析，以最大程度地減少逐年波動(dòng)帶來的影響。

3.1 文獻(xiàn)產(chǎn)出整體趨勢分析

通過對3 517 篇研究型論文的發(fā)文語種計(jì)量分析得出，98.49%的期刊論文語言選用英語（3 464篇），其后依次為波蘭語（16 篇）、葡萄牙語（14篇）、西班牙語（11 篇）、德語（2 篇）、日語（2篇）、捷克語（2 篇），以及漢語、法語、塞爾維亞- 克羅地亞語、克羅地亞語、土耳其語、俄語（各1 篇）。

圖1 為1994—2018 年廚余垃圾厭氧消化相關(guān)SCI 文獻(xiàn)發(fā)文量，由圖1 可知有關(guān)廚余垃圾厭氧消化的研究在21 世紀(jì)得到了飛速發(fā)展。1994—1998年、1999—2003 年、2004—2008 年、2009—2013年、2014—2018 年，每5 年之間發(fā)文總數(shù)量分別為117、166、402、992、2 629 篇，增長率分別為41.88%、142.17%、146.77%、165.02%。從該數(shù)據(jù)中可以看出廚余垃圾厭氧消化工藝的研究從2004—2008 年間開始發(fā)展迅速，并在2004—2018年間依舊保持超過100%的增長率，說明由于廚余垃圾數(shù)量增長較快以及人類對能源和環(huán)境的迫切需求，廚余垃圾資源化的相關(guān)研究已成為全球化趨勢，其中以厭氧消化為代表的處理技術(shù)依舊是全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。

此外1994—2018 年間，有關(guān)廚余垃圾厭氧消化研究的歷年發(fā)文基本情況如表1 所示，篇均引文數(shù)量從1994 年的24.58 篇增加至2018 年的46.32 篇，增長幅度約為88.45%，可以反映出關(guān)于廚余垃圾厭氧消化的相關(guān)研究體系逐漸完整，文章結(jié)論的真實(shí)性和穩(wěn)定性得到大家的廣泛認(rèn)可；同期每篇作者人數(shù)則從3.33 人增加至5.12 人，增長53.75%。論文長度基本保持穩(wěn)定，平均篇幅為9.22 頁。此外，1994—2018 年參與廚余垃圾厭氧消化研究的國家由15 個(gè)增加至76 個(gè)。由此也表明，廚余垃圾的資源化利用引起了全球范圍內(nèi)的關(guān)注，利用厭氧消化處理廚余垃圾的技術(shù)被廣泛使用，同時(shí)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步加深了對廚余垃圾厭氧消化研究領(lǐng)域的探索。

表1 1994—2018 年間的發(fā)文特征

3.2 主要國家及研究機(jī)構(gòu)分析

通過對期刊論文通信作者所提供的地址及附屬單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出了不同地區(qū)發(fā)文量分布情況。重新分類后，源于英格蘭、蘇格蘭、北愛爾蘭及威爾士的論文，歸屬地定為英國。對檢出的3 517 篇研究型論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，只有中國在廚余垃圾厭氧消化研究方向的發(fā)文量超過了500 篇，占全球總量的20.22%，達(dá)到711 篇。1994—2018 年廚余垃圾厭氧消化方向總發(fā)文量前5 位國家（中國、美國、印度、意大利、韓國） 每年發(fā)文情況如圖2 所示。數(shù)據(jù)顯示，在2012 年之前，各個(gè)國家的發(fā)文數(shù)量大致相當(dāng)，增長趨勢較為平穩(wěn)，但發(fā)文量前5 位的國家在2012—2018 年發(fā)文數(shù)量增長率分別達(dá)到了542%、208%、291%、121%和225%。由此可以看出2012—2018 年中國在廚余垃圾厭氧消化方面的研究飛速發(fā)展。

圖2 1994—2018 年發(fā)文量居前5 位國家的論文發(fā)表情況

通過統(tǒng)計(jì)論文作者（至少1 位） 所屬單位，對不同研究機(jī)構(gòu)發(fā)文情況進(jìn)行分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，檢出的3 517 篇論文共由2 758 個(gè)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表。其中，僅發(fā)表1 篇論文的機(jī)構(gòu)有1 296 個(gè)（46.99%），發(fā)文量為2 篇及3 篇以上的機(jī)構(gòu)數(shù)量分別為727個(gè)（26.36%）、735 個(gè)（26.65%）。

由表2 可知，發(fā)文量居世界前15 位的研究機(jī)構(gòu)中，中國研究機(jī)構(gòu)7 個(gè)（46.67%），韓國、瑞典、新加坡、丹麥、美國、馬來西亞、日本、法國研究機(jī)構(gòu)各1 個(gè)。清華大學(xué)、中國科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)的總發(fā)文量位列前3 位，且總發(fā)文量均超過了100 篇，分別為144、122、121 篇。此外我國科研院校1994—2018 年間發(fā)文量居前10 位的機(jī)構(gòu)分別是：清華大學(xué)（144 篇，1.49%）、中國科學(xué)院（122 篇，1.26%）、同濟(jì)大學(xué)（121 篇，1.25%）、北京化工大學(xué)（97 篇，1.00%）、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)（96 篇，0.99%）、浙江大學(xué)（54 篇，0.56%）、上海交通大學(xué)（52 篇，0.54%）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（41 篇，0.42%）、江南大學(xué)（40 篇，0.41%），另外，北京科技大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)（34 篇，0.35%）。其中，中國科學(xué)院的各研究機(jī)構(gòu)中，生態(tài)環(huán)境研究中心22 篇；廣州能源研究所14 篇；城市環(huán)境研究所13 篇。從發(fā)文總量來看，居我國前10 位的機(jī)構(gòu)總發(fā)文量全部為世界30 強(qiáng)，表明在廚余垃圾厭氧消化領(lǐng)域的研究中，我國的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)具備世界較強(qiáng)的實(shí)力。

表2 1994—2018 年發(fā)文量居世界前15 位的研究機(jī)構(gòu)

3.3 相關(guān)學(xué)科及學(xué)術(shù)期刊情況分析

基于ISI 的期刊引用報(bào)告（JCR） 中的學(xué)科分類，近25 年內(nèi)，有關(guān)廚余垃圾厭氧消化的論文共分布在99 個(gè)學(xué)科中。其中，檢出論文涉及最多的學(xué)科按降序排列如下：Environmental Sciences&Ecology（環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)，1 434 篇，40.77%）、Engineering（工程學(xué)，1 283 篇，36.48%）、Energy& Fuels（能源與燃料，1 128 篇，30.07%）、Biotechnology&Applied Microbiology（生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)，959 篇，27.27%）、Agriculture（農(nóng)學(xué)，739 篇，21.01%）。上述5 個(gè)高產(chǎn)學(xué)科均為生物學(xué)、環(huán)境學(xué)的分支，發(fā)文量占該領(lǐng)域論文總數(shù)的75.70%。

此外，根據(jù)發(fā)文量及其所占百分比排名，得到1994—2018 年間世界范圍內(nèi)該領(lǐng)域前15 位高產(chǎn)期刊（表3），總計(jì)共占發(fā)文總數(shù)的47.74%。其中《Bioresource Technology》 發(fā)文量遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他期刊。而由中國主辦的期刊《Journal of Environmental Sciences》，在廚余垃圾厭氧消化領(lǐng)域總發(fā)文23 篇，排到了第31 位。影響因子通常用來評估同一研究領(lǐng)域不同期刊的相對重要程度［13］，但有時(shí)影響因子未必能判定某一期刊在該領(lǐng)域的影響程度。例如，《Environmental Science&Technology》2018 年的影響因子達(dá)到7.149，而在厭氧消化產(chǎn)沼氣研究中，其重要程度相比《Bioresource Technology》《Water Research》《Applied and Environmental Microbiology》較差。

表3 1994—2018 年研究論文涉及最多的15 個(gè)期刊

3.4 關(guān)鍵詞分析

統(tǒng)計(jì)分析關(guān)鍵詞的目的在于尋找科學(xué)研究趨勢，有助于研究者快速掌握科研動(dòng)態(tài)。近幾年，出現(xiàn)了可進(jìn)行此項(xiàng)分析的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法［14］，同時(shí)也開始利用高頻詞匯歸納研究熱點(diǎn)［15］。本次研究共檢出1994—2018 年厭氧消化產(chǎn)沼氣領(lǐng)域3 577 個(gè)關(guān)鍵詞，并將其進(jìn)行計(jì)算與排名，最終分析得到30 個(gè)最常用高頻詞匯（表4）。其中，除“anaerobic digestion”“methane”“food waste”等主題檢索詞或者類似主題檢索詞外，“hydrogen”“co-digestion”“sewage sludge”相對其他關(guān)鍵詞檢索頻率更高，從每5 年的分段排名可以看出，這3個(gè)關(guān)鍵詞的排名基本維持在所有關(guān)鍵詞的前11名。由此可以說明，在過去的25 年間利用廚余垃圾發(fā)酵產(chǎn)氫，以及利用廚余垃圾與污泥進(jìn)行共發(fā)酵的研究持續(xù)受到關(guān)注，并有繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)的趨勢。此外，“microbial community”“ life cycle assessment”“pretreatment”從1994—1998 年不被關(guān)注到2014—2018 年排名分別升至第7、8、19名，保持了飛速增長的趨勢，說明微生物群落、生命周期評價(jià)和預(yù)處理在廚余垃圾厭氧消化方面逐漸成為熱點(diǎn)研究，也說明大量的研究人員將關(guān)注點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到機(jī)理研究上，廚余垃圾厭氧消化方向的研究正在逐漸趨于成熟。此外，利用廚余垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷、產(chǎn)氫、產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸、產(chǎn)乙醇以及產(chǎn)乳酸的歷年發(fā)文量如圖3 所示，其中，厭氧消化產(chǎn)甲烷從2007 年之后飛速發(fā)展，熱度持續(xù)攀升，產(chǎn)氫、產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸、產(chǎn)乙醇以及產(chǎn)乳酸的研究趨勢相對比較平穩(wěn)。

表4 1994—2018 年檢索頻率居前30 位的關(guān)鍵詞

續(xù)表4 1994—2018 年檢索頻率居前30 位的關(guān)鍵詞

圖3 1994—2018 年厭氧消化不同產(chǎn)物的發(fā)文量趨勢分析

4 廚余垃圾厭氧消化研究動(dòng)態(tài)

廚余垃圾被認(rèn)為是未來綠色能源的原料，且以其豐富的營養(yǎng)物質(zhì)特點(diǎn)，可作為很好的厭氧消化底物，厭氧消化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢物的處理，具有較好的經(jīng)濟(jì)前景。廚余垃圾中的油脂和鹽分等對廚余垃圾厭氧消化有很大的影響。我國的廚余垃圾中油脂含量達(dá)到5%～20%、鹽含量達(dá)到0.8%～1.5% （以VS 計(jì)）［1］。目前階段，廚余垃圾脫鹽技術(shù)受限，而脫油技術(shù)往往以分離回收制作生物柴油為主，這種方法對技術(shù)要求較高，且處理過程繁瑣，因此在實(shí)際工程中常被忽略，從而導(dǎo)致高含量的鹽和油脂進(jìn)入發(fā)酵體系。此外從不同底物的化學(xué)方程式可以看出，餐廚垃圾中的油脂含量對甲烷的產(chǎn)生量有重要的影響（圖4），因此探索油脂和鹽分含量對于廚余垃圾厭氧消化的影響，以及最佳的厭氧消化工藝參數(shù)對實(shí)現(xiàn)規(guī)?；託夤こ叹哂兄匾饬x。此外廚余垃圾生物煉制也受到了廣泛的關(guān)注，將廚余垃圾分質(zhì)處理，以梯級利用的方式提高底物降解率和產(chǎn)品價(jià)值，通過發(fā)酵制乳酸、乙酸、己酸等，其發(fā)酵殘?jiān)佼a(chǎn)甲烷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多元化和高值化。

圖4 廚余垃圾厭氧消化生物分解反應(yīng)［16 ］

針對厭氧消化的研究機(jī)理，直接種間電子傳遞、同位素示蹤、分子生物學(xué)等方法也得到了廣泛的應(yīng)用。直接種間電子傳遞：Fe2O3可以顯著提高微生物細(xì)胞間的電子傳遞速率，促進(jìn)蛋白質(zhì)和腐植酸樣物質(zhì)的分泌，從而提高COD 的去除率，促進(jìn)甲烷化進(jìn)程［17］。同位素示蹤：將底物的12C替換為13C，通過分析轉(zhuǎn)化過程中13C 的軌跡，可以清晰地掌握底物的轉(zhuǎn)化過程。分子生物學(xué)：從基因的角度入手，通過分析厭氧消化體系中的微生物群落變化，研究不同體系的差異。

通過文獻(xiàn)計(jì)量的關(guān)鍵詞分析（表4） 也可以看出，近20 年來，廚余垃圾厭氧消化的底物預(yù)處理、共發(fā)酵、防止酸化抑制等仍然是研究熱點(diǎn)，一些新的研究方向也受到了研究者的關(guān)注。近年來涌現(xiàn)出許多廚余垃圾預(yù)處理的方法，如乙醇預(yù)發(fā)酵，可將大部分碳源轉(zhuǎn)化為中性分子乙醇，不僅促進(jìn)底物的水解，還可減少有機(jī)酸的生成，防止系統(tǒng)酸化，并使乙醇起到“緩釋乙酸”的作用，從而顯著提高廚余垃圾甲烷發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但各種研究大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，對于未來的規(guī)?；こ虘?yīng)用存在一定的局限性。廚余垃圾共消化可以有效平衡系統(tǒng)中的C/N，與污水處理廠剩余污泥共消化的研究不僅可以幫助回收能源，而且可以降低污泥的排放量，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以確定大型共消化系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)。且尚需解決沼氣提純的一些關(guān)鍵技術(shù)，從而進(jìn)一步降低商業(yè)化利用的成本。

5 結(jié)論

本研究采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對1994—2018 年間廚余垃圾厭氧消化領(lǐng)域的整體研究趨勢進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、能源危機(jī)的爆發(fā)以及對環(huán)境影響的重視，廚余垃圾厭氧消化的相關(guān)研究已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注。更多國家及其科研機(jī)構(gòu)參與其中。統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)，中國的發(fā)文量最多且占全球總量的20.22%，其次是美國和印度。研究機(jī)構(gòu)方面，清華大學(xué)、中國科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)的總發(fā)文量位列世界前3 名。環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)、工程學(xué)、能源與燃料等相關(guān)學(xué)科是廚余垃圾厭氧消化研究的主流領(lǐng)域。 《Bioresource Technology》 領(lǐng)先于其他學(xué)術(shù)期刊，發(fā)文量居首位。通過對關(guān)鍵詞的分析，產(chǎn)甲烷、共消化、微生物群落、揮發(fā)性脂肪酸、生命周期評價(jià)和預(yù)處理等在未來的研究中有繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)的趨勢。