污泥制磚研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)
——基于科學(xué)知識(shí)圖譜的可視化分析

焦點(diǎn) 王儉 李鑫 王芷馨

（遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110036）

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，城市污水處理效率及處理深度不斷提高，污泥的產(chǎn)生量不斷增長(zhǎng)［1］。大量未經(jīng)處理污泥的排放，對(duì)環(huán)境造成了新的污染及再污染問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化處理，解決其造成的污染，是目前我國(guó)污水處理廠面臨的一大難題。目前，填埋法和焚燒法是處理污泥的主要方法，但是污泥中含有病原菌、重金屬和不易降解的有機(jī)污染物，如果以填埋法處理，不僅污泥本身會(huì)產(chǎn)生惡臭，這些污染物還會(huì)滲透進(jìn)周圍的土壤以及水資源中，造成環(huán)境污染，并且填埋會(huì)占用大量土地，并非長(zhǎng)久之計(jì)［2-3］。

污泥處理應(yīng)遵循“減量化、無(wú)害化、資源化”的原則，將污泥作為原料制磚，是焚燒法的主要方式，綜合利用污泥制磚，能很好地解決污泥處置問(wèn)題，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用污泥制磚，不僅處理了污泥，將污泥中的重金屬封存在了磚中，還可以將污泥中的有害細(xì)菌殺滅［4］，而且利用污泥制備的磚沒(méi)有異味，磚質(zhì)輕，孔隙多，具有降噪隔熱的效果。此外，污泥中還有一定量的可燃物，可以減少燒磚過(guò)程中的燃料消耗，降低成本。與其他方法相比，污泥制磚能夠產(chǎn)生較顯著的經(jīng)濟(jì)效益，具備廣闊的發(fā)展前景。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)污泥制磚的研究逐漸深入，對(duì)于污泥制磚過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，探究了相應(yīng)的處理方法［5］，促進(jìn)了污泥處理研究的發(fā)展。各類文章的發(fā)表量逐年遞增，但其內(nèi)容多、涉及面廣，且多是定性分析，系統(tǒng)的定量分析極少。因此，本文試圖通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法，對(duì)污泥制磚領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)行定量的分析，系統(tǒng)性梳理污泥制磚研究的發(fā)展現(xiàn)狀，并探討其未來(lái)走向。

2 分析方法

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，采用高級(jí)檢索式：TS＝（sludge AND brick）進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間為2021 年10 月15 日，共得到文獻(xiàn)665 篇。在此基礎(chǔ)上，利用Web of Science 文獻(xiàn)檢索報(bào)告及計(jì)量可視化工具VOSviewer，繪制了年度發(fā)文被引、作者合作共現(xiàn)及關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)等可視化圖譜，全面梳理了污泥制磚的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)外研究工作提供借鑒和參考。

3 結(jié)果分析

3.1 年度發(fā)文分析

1900—2021 年，污泥制磚的研究領(lǐng)域一共發(fā)表665 篇文章，總被引頻次為11 441 次，篇均被引頻次為17.20 次，其年度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中1900—2021 年污泥制磚研究相關(guān)文章的年度變化趨勢(shì)

關(guān)于污泥制磚的相關(guān)研究始于1984 年，自1996 年后該領(lǐng)域內(nèi)的文章開始逐年增多，這與全球關(guān)注污泥處置問(wèn)題的出現(xiàn)密不可分。如圖1 所示，除了個(gè)別年份的發(fā)文量出現(xiàn)波動(dòng)以外，污泥制磚領(lǐng)域的文章是逐年遞增的，且近幾年發(fā)文量出現(xiàn)激增的態(tài)勢(shì)。從總體上看，發(fā)文量的整個(gè)變化過(guò)程可以分為3 個(gè)階段：1984—1996 年是污泥制磚研究的發(fā)展初期，隨著全球人口增加和全球工業(yè)的迅猛發(fā)展，生活廢水和工業(yè)廢水處理量急劇增加，污水處理后產(chǎn)生的污泥該如何處置的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，該問(wèn)題開始受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于污泥制磚的文章也開始發(fā)表，但此階段的文章數(shù)量不足20 篇，平均1 年發(fā)表1～2 篇文章，沒(méi)有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。1996—2015 年處于起步階段，開始有更多學(xué)者進(jìn)行該領(lǐng)域的研究，發(fā)文量逐年增加，從2 篇（1996 年）增長(zhǎng)到36 篇（2015年）。2015—2021 年關(guān)于污泥制磚的研究飛速發(fā)展，論文數(shù)量顯著增加，增長(zhǎng)速度快于上個(gè)階段，并在2020 年達(dá)到74 篇。至10 月15 日，2021 年該領(lǐng)域發(fā)文量為72 篇，增長(zhǎng)不多，可能由于污泥制磚技術(shù)遇到了瓶頸，需要科研人員投入更多精力研發(fā)出新的技術(shù)。近年來(lái)，污泥處理問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)乃至世界關(guān)注的重點(diǎn)，各國(guó)、各地方都出臺(tái)了相關(guān)政策［6］，關(guān)于污泥制磚的研究定會(huì)突破瓶頸，越來(lái)越深入，發(fā)文量也會(huì)逐年增加。

被引頻次總體上看呈逐年增高的趨勢(shì)，這是任何發(fā)展中的研究該有的表現(xiàn)。值得指出的是，2016年該領(lǐng)域發(fā)表了45 篇文章，共計(jì)被引頻次為1 008次，為整個(gè)階段中最高的年份，說(shuō)明2016 年的研究具有突破性，之后的研究大多是在2016 年研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

3.2 國(guó)家發(fā)文分析

污泥制磚領(lǐng)域發(fā)文量前10 位的國(guó)家如圖2 所示。中國(guó)、巴西、印度和西班牙在該領(lǐng)域的發(fā)文量與總被引頻次均排在前列。發(fā)文總量最多的是中國(guó)，在1900—2021 年間共發(fā)表文章128 篇，總被引頻次為2 286 次，平均每篇被引17.85 次。對(duì)于國(guó)家篇均被引頻次，英國(guó)的篇均被引頻次高達(dá)53.30 次，位列第一，說(shuō)明在污泥制磚領(lǐng)域英國(guó)發(fā)表的文章比較有權(quán)威性和代表性，質(zhì)量較高。此外，西班牙及印度緊隨其后，其篇均被引頻次分別是29.31，20.97 次。值得指出的是，雖然中國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)文及總被引頻次均位于首位，但其篇均被引頻次僅為17.85 次，排名第6 位，這表明中國(guó)在此領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力仍有待加強(qiáng)。

圖2 1900—2021 年污泥制磚研究領(lǐng)域發(fā)文量前10 位的國(guó)家

3.3 發(fā)文機(jī)構(gòu)分析

表1 展示了1900—2021 年污泥制磚研究領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 位的機(jī)構(gòu)。Univ Jaen（西班牙哈恩大學(xué)）以24 篇的發(fā)文量位居高產(chǎn)機(jī)構(gòu)的榜首，發(fā)文量在15 篇以上的還有RMIT Univ（皇家墨爾本理工大學(xué)）（21 篇）、Univ Tun Hussein Onn Malaysia（馬來(lái)西亞敦侯賽因翁大學(xué)）（19 篇）、Bartin Univ（巴爾廷大學(xué)）（18 篇）。Univ London Imperial Coll Sci Technol＆ Med（倫敦大學(xué)帝國(guó)理工學(xué)院）發(fā)文量雖不是很高，但篇均被引頻次卻高達(dá)84.90 次，位列第一。此外，CSIC（西班牙國(guó)家研究委員會(huì)）篇均被引次數(shù)也較高，為37.77 次。

表1 1900—2021 年污泥制磚領(lǐng)域發(fā)文量前10 位的機(jī)構(gòu)及被引情況

3.4 作者發(fā)文及合作關(guān)系分析

圖3 展示了1900—2021 年Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中污泥制磚研究領(lǐng)域前10 位的高產(chǎn)作者。其中，發(fā)文量最多的作者是Mohajerani A，共發(fā)表文章14 篇，總被引頻次為309 次，篇均被引頻次為22.07 次；其次是Eliche－quesada D，發(fā)表文章13 篇，總被引頻次為506 次，篇均被引頻次為38.92次；所有高產(chǎn)作者中，發(fā)文篇均被引頻次最多是Corpas－iglesias FA（40.50 次），其發(fā)文量為10 篇，總被引頻次為405 次。Eliche－quesada D（13 篇）發(fā)文量雖然略低于Mohajerani A（14 篇），但其總被引頻次位列第一，篇均被引頻次位列第二，可以看出，Eliche－quesada D 是污泥制磚領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。發(fā)文量前10 位的作者發(fā)文量均在8 篇以上，一共發(fā)表了113 篇文章，占該領(lǐng)域發(fā)文量總數(shù)的17.0%，說(shuō)明該領(lǐng)域主要依賴于少數(shù)作者的深入研究，其發(fā)展程度相對(duì)不足，亟待進(jìn)一步提升。

圖3 1900—2021 年污泥制磚研究領(lǐng)域前10 位的高產(chǎn)作者發(fā)文及被引情況

圖4 展示了1900—2021 年相關(guān)領(lǐng)域研究發(fā)文前30 位作者的合作共現(xiàn)圖譜。由圖4 可以看出，在污泥制磚領(lǐng)域，各學(xué)者主要以團(tuán)隊(duì)方式進(jìn)行研究合作，每個(gè)團(tuán)隊(duì)內(nèi)作者聯(lián)系緊密，其中，2 號(hào)團(tuán)隊(duì)和3號(hào)團(tuán)隊(duì)較為獨(dú)立，而1 號(hào)團(tuán)隊(duì)和4 號(hào)團(tuán)隊(duì)重復(fù)部分較多，表明其合作更為密切。發(fā)文量靠前的Mymrin V和Avanci M A 處在合作共現(xiàn)圖譜中間的位置，表明這兩位作者與不同團(tuán)隊(duì)均有合作，是各個(gè)團(tuán)隊(duì)合作研究的中心人物。

圖4 1900—2021 年污泥制磚領(lǐng)域研究作者合作共現(xiàn)圖譜

3.5 刊載期刊及高被引論文

表2 展示了Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中該領(lǐng)域載文前10 位的期刊。由表2 可知，對(duì)于污泥制磚的研究，發(fā)文最多的期刊為Construction and Building Materials，發(fā)文量為77 篇，占污泥制磚領(lǐng)域全部研究的11.58%，總被引頻次為1 840 次，篇均被引頻次為23.90 次。Waste Management 的篇均被引頻次為45.30 次，在高發(fā)文期刊中位列第一。此外，發(fā)文量前10 位的期刊中，除了Water Science and Technology，其他期刊影響因子均大于3，具備較大的影響力，說(shuō)明污泥制磚的相關(guān)研究處在科技的前沿。

表2 1900—2021 年污泥制磚研究領(lǐng)域代表性期刊發(fā)文量及被引情況

1900—2021 年污泥制磚領(lǐng)域總被引頻次前10位的論文見(jiàn)表3。從表3 可知，污泥制磚領(lǐng)域排名前10 位的高被引論文均在高水平期刊上發(fā)表，其中，Construction and Building Materials 和Journal of Cleaner Production 均發(fā)表了2 篇文章，其余期刊各發(fā)表了1 篇文章。該領(lǐng)域內(nèi)單篇被引頻次最高的是2013 年發(fā)表在Waste Management 上的Recycling and recovery routes for incinerated sewage sludge ash（ISSA）：A review［7］，總被引頻次達(dá)258 次，年均被引頻次（28.67 次）也位列第一。該文章闡述了污泥焚燒之后產(chǎn)生的灰分不僅可以用作燒結(jié)磚、瓷磚和鋪路機(jī)中黏土的替代品，還可以用作制造輕質(zhì)骨料的原材料，而且由于污泥灰分中磷酸鹽含量與低品位磷礦的含磷量相近，如何從污泥灰分中資源高效地回收磷酸鹽，也成為需要進(jìn)一步研究的方向。這表明，污泥制磚已經(jīng)不僅僅局限于把污泥全部制成磚，還可以將污泥灰分中的有價(jià)值部分回收利用，然后將剩余材料制磚。這10 篇文章中，發(fā)表最早的是2003 年刊登在Advances in Environmental Research的Utilization of sludge as brick materials［8］。該文章的作者Weng C H 等認(rèn)為，污泥配比和燒成溫度是決定磚質(zhì)量的2 個(gè)關(guān)鍵因素。污泥含量的增加導(dǎo)致磚的收縮率、吸水率和抗壓強(qiáng)度降低；磚在燒結(jié)前后的失重主要?dú)w因于燒成過(guò)程中污泥中有機(jī)物的燃燒。最近發(fā)表的高被引論文是2016 年Ahmad T 的Sustainable management of water treatment sludge through“3R”concept［9］，文章介紹了水處理污泥的物理化學(xué)特性及其對(duì)環(huán)境的毒性，并探討了污泥應(yīng)用的各種選擇。

表3 1900—2021 年污泥制磚領(lǐng)域總被引頻次前10 位的論文次

3.6 研究熱點(diǎn)主題

圖5 展示了污泥制磚研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，圓圈代表關(guān)鍵詞的節(jié)點(diǎn)，圓圈越大代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越高，節(jié)點(diǎn)連線代表關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系，不同編號(hào)代表不同聚類。由圖5 可知，關(guān)鍵詞可以分為3 個(gè)聚類群。

圖5 污泥制磚研究領(lǐng)域文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

（1）1 號(hào)聚類：主要以剩余污泥、黏土、水泥、溫度、管理及再利用等關(guān)鍵詞為核心進(jìn)行連接。此聚類主要研究剩余污泥的管理及再利用等內(nèi)容，提出了將污泥與黏土作為原料制磚的新思路。事實(shí)上，利用污泥制磚可以很好地防止二次污染，達(dá)到減量化、無(wú)害化和資源化的目的，解決剩余污泥過(guò)量問(wèn)題。在污泥制磚的過(guò)程中，各研究對(duì)污泥進(jìn)行了不同方式的處理制作燒結(jié)磚，如利用干化污泥直接制磚、利用污泥焚燒灰制磚或者利用濕污泥制磚。不僅可以利用污泥制作燒結(jié)普通磚，還可以制作滲水磚、免燒磚、路面磚、地磚以及輕質(zhì)節(jié)能磚［10］。此外，相關(guān)研究也表明，燒成溫度的高低同樣影響磚的性能。翁仁貴等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，雖然磚體抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著燒結(jié)溫度的提高而增加，但是溫度過(guò)高反而會(huì)使磚體出現(xiàn)裂痕，磚體強(qiáng)度降低［11］。

（2）2 號(hào)聚類：主要以粉煤灰、混凝土、強(qiáng)度、制造及耐久性等關(guān)鍵詞為核心進(jìn)行連接，重點(diǎn)關(guān)注摻雜材料對(duì)污泥磚體結(jié)構(gòu)及其物理性能的影響。GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》對(duì)磚體強(qiáng)度及外觀質(zhì)量提出了相應(yīng)的要求，因此，污泥制磚應(yīng)著重考慮磚的強(qiáng)度及其耐久性。為提升污泥磚的物理性能，實(shí)現(xiàn)資源的回收利用，學(xué)者們?cè)谖勰啻u中摻雜各種材料，如甘蔗渣、谷殼灰、煤矸石、鐵尾礦、黏土、生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的底灰等［12-14］，以改變污泥磚的微觀結(jié)構(gòu)，提升其物理性能，從而使其強(qiáng)度及耐久性達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。使用不同原料、配比同樣也會(huì)對(duì)成品的品質(zhì)有很大影響［15］。大量試驗(yàn)研究表明，隨污泥摻量的提高，煤矸石磚的抗壓強(qiáng)度逐漸降低［16］。此外，煤矸石的可塑性不及黏土，所以制磚時(shí)常常需要加入一定量的黏土，以滿足制坯時(shí)對(duì)可塑性的需要［17］，也有的試驗(yàn)加入頁(yè)巖充當(dāng)黏合劑［12］。

（3）3 號(hào)聚類：重點(diǎn)以污泥、廢物、灰、磚、殘留、重金屬、陶器、玻璃、穩(wěn)定等關(guān)鍵詞為核心。該聚類主要關(guān)注廢棄污泥制磚過(guò)程中產(chǎn)生的灰分及重金屬等污染的穩(wěn)定化處理。由于污泥中含有大量的有機(jī)物，污泥磚燒制過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量有害灰分，灰分中還會(huì)殘留重金屬，排入大氣會(huì)造成大氣污染［18］。因此，可以在制磚前采取相應(yīng)措施對(duì)污泥中的重金屬進(jìn)行穩(wěn)定化處理，以減少成品磚內(nèi)重金屬的析出量，防止二次污染的產(chǎn)生，還可以對(duì)污泥磚燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的灰分進(jìn)行收集處理。在實(shí)際生產(chǎn)中，污泥不僅可以作為制磚的原材料，還被廣泛用于陶制品及玻璃制品的生產(chǎn)［19］，這對(duì)于污泥的資源化利用同樣具有重要意義。

4 結(jié)論

污泥處理應(yīng)遵循“減量化、無(wú)害化、資源化”的原則，綜合利用污泥制磚，能夠很好地解決污泥處置問(wèn)題，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。污泥制磚研究領(lǐng)域的發(fā)展主要分為萌芽階段（1984—1996 年）、起步階段（1996—2015 年）、快速發(fā)展階段（2015—2021 年）3個(gè)階段。自2015 年起，發(fā)文量呈指數(shù)式增長(zhǎng)，2015—2021 年間的發(fā)文量約占研究期內(nèi)總量的61.4%。相關(guān)研究多刊載在Construction and Building Materials，Journal of Cleaner Production 及Waste Management等高水平期刊上，具備較高的學(xué)術(shù)影響力。

利用污泥制作燒結(jié)磚，過(guò)程及工藝較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方式容易，不僅處理了污泥，將污泥中的有害病菌殺滅，還可將污泥中的重金屬封存在了磚中，從根本上防止污泥利用的二次污染，達(dá)到減量化、無(wú)害化和資源化的處理目的。其研究?jī)?nèi)容主要集中在剩余污泥的管理及再利用方式，重點(diǎn)關(guān)注了摻雜材料對(duì)污泥磚體結(jié)構(gòu)性能的影響及制磚過(guò)程中產(chǎn)生重金屬污染等問(wèn)題的處理。各研究主題之間聯(lián)系十分密切，具備較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和互補(bǔ)性。其研究主題可以分為3 個(gè)方面：（1）污泥制磚原材料的選擇和配比。隨著污泥的增加，污泥磚原料中有機(jī)質(zhì)增多，高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體揮發(fā)導(dǎo)致磚體微孔增多、結(jié)構(gòu)疏松，使燒結(jié)塊吸水率和顯氣孔率明顯上升，而且外觀出現(xiàn)較為明顯的裂紋，造成抗壓強(qiáng)度下降［12］；對(duì)于含煤矸石的污泥磚，隨著煤矸石粒度的增大，磚孔隙度增大，顆粒堆積疏松，導(dǎo)致磚密度減小，抗壓強(qiáng)度減小，吸水率增大［20］。使用鋼渣制磚時(shí)，在膠凝材料用量不變的情況下，鋼渣添加量增加，鋼渣磚的強(qiáng)度也隨之增加。從質(zhì)量角度考慮，建議用量在35%～45%之間較為適宜［21］。（2）污泥磚的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等性能。成品磚應(yīng)滿足GB 13544—2011《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》［22］、GB/T 13545—2014《燒結(jié)空心磚和空心砌塊》［23］和GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》［24］標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）污泥制磚后產(chǎn)生的污染。污泥磚燒制過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，應(yīng)經(jīng)離心風(fēng)機(jī)送入干燥室，作為干燥介質(zhì)干燥濕坯，廢氣再經(jīng)風(fēng)機(jī)抽出，采用石灰法濕法脫硫除塵處理［25］，還應(yīng)對(duì)污泥磚進(jìn)行重金屬析出實(shí)驗(yàn)研究。

此外，污泥制磚仍存在摻雜量低、磚體性能差、制作方式混亂等問(wèn)題，未來(lái)研究重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面：一是提高污泥磚中污泥摻量，提高污泥磚的污泥處置效率?，F(xiàn)階段污泥磚燒制時(shí)干化污泥摻入量一般不超過(guò)30%，污泥摻量低意味著制作污泥磚處理的污泥量少，主要是因?yàn)槲勰啻u在燒結(jié)過(guò)程中，污泥中的有機(jī)物燃燒產(chǎn)生氣體，使得污泥磚孔隙率大，強(qiáng)度低?？梢栽谥拼u之前，將污泥進(jìn)行預(yù)處理，例如可以將污泥焚燒，將有機(jī)物提前燃燒處理掉。除此之外，還應(yīng)深入研究污泥磚的原料配比，探究出污泥摻量更大的材料配比，增大污泥處理量。二是提高污泥磚性能和性價(jià)比［26］。目前污泥磚性能和性價(jià)比與市面上已經(jīng)存在的商品磚還有一定的差距。以目前的研究水平，污泥磚的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度還不及現(xiàn)有的商品磚，而且每塊污泥磚的成本是普通燒結(jié)磚的3倍左右，售價(jià)更高。因此，為了解決這些問(wèn)題，應(yīng)開發(fā)一些改性劑如熔融性原料等，改善污泥磚性能。除此之外，需要政府部門依據(jù)環(huán)保要求，出臺(tái)相應(yīng)補(bǔ)貼政策，使污泥磚能夠真正投入到生產(chǎn)生活實(shí)際。三是建立統(tǒng)一的污泥磚標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段缺乏統(tǒng)一的污泥磚制作標(biāo)準(zhǔn)，致使污泥磚制作方式混亂，監(jiān)測(cè)手段及數(shù)據(jù)不一致，沒(méi)有對(duì)比性。應(yīng)建立統(tǒng)一的污泥磚標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范污泥磚行業(yè)的健康發(fā)展［10］。