基于CiteSpace的生物膜法污水處理技術(shù)文獻(xiàn)計(jì)量研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025）05-0060-05

中圖分類號(hào)：X703.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Bibliometric Analysis of Biofilm Wastewater Treatment Technology Based on CiteSpace Zhang Kaiyuan1，Chen Jian2，Li Guijie3，Liu Hanhu1，Zhang Shuangsheng

（1.SchoolofEnvironmentand Spatial Informatics，ChinaUniversityof Miningand Technology，Xuzhou2116，China； 2.Huaibei City Drainage Co.，Ltd.，Huaibei 23500o，China； 3.Zhaoyuan Municipal Construction Engineering Quality Supervision Station. Zhaoyuan 265199，China； 4.Environmental Engineering College，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China）

Abstract：Inordertograsptheresearchtrendinthefieldofbiofilmwastewatertreatment，CiteSpacesoftwarewasusedtomakea bibliometricnalysisof23O3researchpaperseatedtobiofilmwastewatertreatmentinWOScoredatabasefrom20l3toO23.Theresults showthatChinaisattheoreoftecooperationnetworkinthefeldofiofl，andthereseachistitutionswittehighestberf papersareallfromhina.Theesearchadutilizationofanaerobicammonaoxidationprocess，dentrificationofswage，treamentof petrochemicalwastewaterbyiofilmmethodandpreventionandtreatmentofmembraneplltionaretheresearchstatusinthiseld.Bio filmtreatmentect，ewagedeitrfatiodiofiprossareeesechotspotsintseldesarchndlaiofr latedprocessesofnaerobicammoiaoidationtemovalofoganicmicropolutatsandtheesearchofmovingbedbiofilractor （MBBR）are theresearch frontiersinthe fieldof biofilm.

Keywords：biofilm；anammox；CiteSpace；MBBR；sewage treatment

前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水體污染問題愈加嚴(yán)重，因此，人們對(duì)水凈化技術(shù)的需求也日益提高，迫切需要尋找成本效益高、可持續(xù)發(fā)展的水處理方法。

生物膜技術(shù)就是這樣一種可行的方法，如表1所示，相較于其他常見的污水處理方法，生物膜技術(shù)沒有明顯的缺點(diǎn)，高效去除廢水中有機(jī)物和氮化物的能力使得該技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，近年來被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村、低溫、低碳、工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域，并成為研究熱點(diǎn)。為了更全面地了解近年來生物膜工藝處理污水領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)，文章選取時(shí)間跨度為2013－2023年間發(fā)表的與生物膜工藝處理污水相關(guān)的文獻(xiàn)并利用CiteSpace進(jìn)行系統(tǒng)性分析。通過對(duì)國家、作者、機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞等多個(gè)方面的分析，建立了共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，探討了這些元素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這一分析有助于更清晰地把握生物膜領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)和前沿，從而進(jìn)一步明確該領(lǐng)域的研究方向。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取

文章于2024年3月9日從WebofScience核心合集數(shù)據(jù)庫提取相關(guān)文章的原數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2013-2023年，主題檢索式為 TS=（Δbiofilm）， ，又在此主題詞下以“wastewatertreatment”進(jìn)行精煉檢索以作為補(bǔ)充，論文類型為研究論文，語種選擇英文，使用CiteSpace轉(zhuǎn)換器去重之后，共得到2303篇研究使用各種生物膜工藝處理污水相關(guān)文獻(xiàn)，導(dǎo)出的記錄內(nèi)容為全紀(jì)錄和引用的文獻(xiàn)，導(dǎo)出格式為TXT格式[2]

1.2 數(shù)據(jù)研究方法

CiteSpace是一款基于科學(xué)計(jì)量學(xué)原理和數(shù)據(jù)、信息可視化技術(shù)的文獻(xiàn)信息挖掘軟件[3]，可用于分析、檢測和可視化科學(xué)文獻(xiàn)中的熱點(diǎn)和研究前沿等。文章基于文獻(xiàn)計(jì)量法來進(jìn)行生物膜法處理污水方面有關(guān)分析，將2303篇文獻(xiàn)導(dǎo)人CiteSpace（6.1.R6），將時(shí)間切片設(shè)置為2013－2023且均已1年為切片厚度，節(jié)點(diǎn)選擇作者、國家、機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞，在對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)時(shí)勾選Pathfinder和Pruningslicednet-works，進(jìn)一步分析文獻(xiàn)發(fā)表的作者、國家、機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞，以期客觀準(zhǔn)確的闡述利用生物膜法處理污水領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)和研究前沿，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望。

2 結(jié)果與討論

2.1 國家層面分析

利用CiteSpace從發(fā)表過關(guān)于生物膜法的88個(gè)國家中在“Bycitation”條件下以42為零界點(diǎn)共現(xiàn)出18個(gè)國家得到國家合作共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，各國在利用生物膜法處理污水方面合作相對(duì)密切。CiteSpace能夠?qū)?jié)點(diǎn)中心性和突發(fā)性進(jìn)行定量測量[4]，中心性反映出一個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中作為“媒介”的能力，一些節(jié)點(diǎn)必須通過某一節(jié)點(diǎn)才能與其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生聯(lián)系。中心性越高，“媒介”能力越強(qiáng)。其中中國的中心性最高為0.32，說明中國在整個(gè)合作網(wǎng)中處于最關(guān)鍵的地位。其次是美國0.21、日本0.18、印度0.12、加拿大0.11、馬來西亞0.11、韓國0.09。由此可見亞洲地區(qū)國家較歐洲國家在生物膜處理污水方面合作更加密切。從各國發(fā)文量來看，節(jié)點(diǎn)越大表示發(fā)文量越多。中國為該領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)最多的國家，這11年來發(fā)表文獻(xiàn)累計(jì)高達(dá)1 039 篇，占總文獻(xiàn)數(shù)量的 45.1% ，其次為美國、印度、西班牙、澳大利亞和加拿大，分別發(fā)表文獻(xiàn)215篇、135篇、117篇、108篇和98篇，文獻(xiàn)占比分別為9.3%.5.9%.5.1%.4.7% 和 4.3% 。發(fā)表高水平研究文獻(xiàn)的數(shù)量指明了一個(gè)國家在該領(lǐng)域具有的研究體系水平和可信度，中國在這一領(lǐng)域的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量甚至高于其余四者的總和，被引用次數(shù)達(dá)到18899次，證明了中國對(duì)生物膜法處理污水這一議題的重視。

2.2作者與機(jī)構(gòu)層面分析

2013年-2023年，共有超過500位作者發(fā)表過與生物膜技術(shù)處理污水相關(guān)的文章，其中發(fā)表論文數(shù)量最多的作者是彭永臻，發(fā)表的36篇相關(guān)論文的均篇引用數(shù)達(dá)到42.8次，緊隨其后的是張良、袁志國、郭建華、劉濤、賀強(qiáng)、胡世虎和任鴻強(qiáng)，發(fā)表論文數(shù)量依次為19篇、16篇、15篇、15篇、14篇、11篇和11篇。由圖可知，彭永臻和張良合作比較緊密，袁志國、郭建華、劉濤、胡世虎四人之間存在合作關(guān)系，其余作者之間相互合作較少。

文章選取的2013年－2023年間共有384家機(jī)構(gòu)發(fā)表過相關(guān)論文。如圖2所示機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖，可以看出世界頂尖高校和研究機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域中合作較為密切，共同促進(jìn)了生物膜法的研究。發(fā)表論文數(shù)量前14的機(jī)構(gòu)中共有9個(gè)來自中國。其中，中國科學(xué)院大學(xué)發(fā)表論文最多，為89篇。緊接著的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、重慶大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)，分別發(fā)表文章83篇、70篇、50篇、46篇和41篇。相對(duì)而言，國外的研究機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量較少，其中代爾夫特理工大學(xué)發(fā)文39篇、昆士蘭大學(xué)34篇、南洋理工大學(xué)24篇、悉尼科技大學(xué)24篇。這表明中國在利用生物膜處理污水方面與國外研究機(jī)構(gòu)還有巨大的合作空間。

2.3 研究熱點(diǎn)與現(xiàn)狀分析

關(guān)鍵詞是提取文章關(guān)鍵信息的核心元素，它們高度概括了文章的內(nèi)容，從而使讀者能夠快速了解生物膜領(lǐng)域研究的關(guān)注點(diǎn)。在相關(guān)文獻(xiàn)中，出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞往往代表著某一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過CiteSpace軟件的分析，可以得到關(guān)鍵詞的頻次和中介中心性，如圖3所示，節(jié)點(diǎn)圓圈大小代表著該關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次的高低，因此，共現(xiàn)所得的關(guān)鍵詞可以用來預(yù)測相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由CiteSpace得知，所檢索到的2303篇論文共涉及500多個(gè)關(guān)鍵詞，去除無關(guān)關(guān)鍵詞如wastewater、biofilm、treatment等之后，得到關(guān)鍵詞關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵詞聚類圖。

圖3中為出現(xiàn)總頻次前32的關(guān)鍵詞間的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖，其中出現(xiàn)頻率最高的幾個(gè)關(guān)鍵詞為處理效果（563次）、污水脫氮（409次）、活性污泥（365次）、微生物群落（326次）、反硝化（236次）、生物膜工藝系統(tǒng)（216次）。

由此可以得出，目前在生物膜處理污水領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)為通過控制不同的微生物群落結(jié)構(gòu)來改變生物膜的處理效果、利用生物膜法有效去除水體中的氮、生物膜法與活性污泥法的比較和聯(lián)合使用、MBBR和厭氧氨氧化等生物膜工藝的研究和改進(jìn)。研究學(xué)者普遍比較重視生物膜法對(duì)污水的處理效果，通過改變微生物群落、變化生物載體和工藝參數(shù)，不斷優(yōu)化生物膜的處理性能，但值得注意的是高鹽度、高有機(jī)物含量和高懸浮污泥濃度的污水會(huì)破壞附著在生物膜上的微生物群落，從而加速其老化。在污水脫氮方面，除了對(duì)生物膜法高效脫氮的研究，WeiJun[5]等人還研究了生物膜形成對(duì)氮去除的影響，為生物膜工藝的應(yīng)用提供理論依據(jù)。同時(shí)，活性污泥法也是一種好氧生物處理工藝，目前多數(shù)是將活性污泥工藝與生物膜工藝進(jìn)行對(duì)比，如AIbrahim等人研究對(duì)比好氧生物膜反應(yīng)器和傳統(tǒng)活性污泥工藝對(duì)高鹽條件下芳香族化合物的生物降解情況。對(duì)于生物膜工藝系統(tǒng)，典型的生物膜工藝如移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）和生物膜－活性污泥復(fù)合系統(tǒng)（IFAS）、厭氧氨氧化（ANAMMOX）工藝，其中厭氧氨氧化工藝能夠有效去除垃圾滲濾液和厭氧消化等高氨濃度廢水中的氮。然而，這些廢水中較高濃度的腐殖酸可能會(huì)影響厭氧氨氧化細(xì)菌的活性，并改變微生物群落的結(jié)構(gòu)。

如圖4所示生物膜領(lǐng)域的關(guān)鍵詞聚類圖，通常聚類模塊值 Qgt;0.3 意味著聚類結(jié)構(gòu)顯著，聚類平均輪廓值 Sgt;0.5 表示聚類合理。文章聚類模塊值和聚類平均輪廓值分別為0.4004和0.6929，表明此次聚類結(jié)構(gòu)顯著，聚類結(jié)果值得信賴。通過關(guān)鍵詞聚類一共得到9個(gè)模塊，手動(dòng)去除與生物膜無關(guān)的模塊之后得到圖中的七個(gè)聚類，數(shù)字越小，聚類中包含的關(guān)鍵詞就越多，代表包含了更多種類研究內(nèi)容，它們從小到大依此為厭氧氨氧化、污水脫氮、廢水處理、石化廢水處理、膜污染、生物處理、硝酸鹽去除。關(guān)鍵詞聚類分析指明，2013年－2023年，污水生物膜法研究成果主要集中在厭氧氨氧化工藝的研究利用、污水脫氮、石化廢水的處理與處置、膜污染的預(yù)防與處理，這些也代表了生物膜法的研究現(xiàn)狀。

2.4 研究前沿分析

突發(fā)的關(guān)鍵詞隨時(shí)間的變化可以預(yù)示生物膜法廢水處理領(lǐng)域的研究趨勢。文章通過CiteSpace篩選，獲得了25個(gè)具有較強(qiáng)突發(fā)性和代表性的關(guān)鍵詞，如圖5所示。從關(guān)鍵詞突發(fā)強(qiáng)度圖可以看出，關(guān)于生物膜法去除水中氮素的關(guān)鍵詞突發(fā)次數(shù)最多，通常可與反硝化聯(lián)合作用，因此同時(shí)硝化-反硝化將是一種有利的生物工藝，可以控制單級(jí)生物膜系統(tǒng)（例如移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器和好氧顆粒污泥系統(tǒng)）中的氮去除，因?yàn)檠跆荻仍试S包括硝化和反硝化細(xì)菌等多層生物膜的發(fā)展。在2013-2014年，膜污染、反滲透和膜生物反應(yīng)器相繼爆發(fā)，主要還是集中在膜污染問題上，例如盡管反滲透系統(tǒng)可以在膜生物反應(yīng)器之后用于廢水處理和回收，但進(jìn)水中的少量自養(yǎng)細(xì)菌可能會(huì)在反滲透膜上形成含有豐富多糖和蛋白質(zhì)的生物膜，這會(huì)導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)的膜出現(xiàn)污染。隨著全球變暖的愈演愈烈，氧化亞氮開始爆發(fā)，氧化亞氮排放占廢水處理溫室氣體排放總量的大部分，出水中溶解的 N₂O 應(yīng)更加重視[7]，因此學(xué)者們開始研究利用A/A/O、SBR等流行技術(shù)來減少氧化亞氮的排放。厭氧氨氧化菌為突發(fā)強(qiáng)度僅次于硝化作用的關(guān)鍵詞，由此衍生出一些厭氧氨氧化相關(guān)工藝，如亞硝化-厭氧氨氧化工藝，該工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的生物脫氮方法具有顯著優(yōu)勢，可以節(jié)省大約 62.5% 的曝氣量 50% 的堿度、100% 的碳源以及約 90% 的剩余污泥量，并已在處理垃圾滲濾液、污泥消化液、工業(yè)廢水等高氨氮廢水方面取得了良好的效果[8]。其他的厭氧氨氧化工藝還有部分反硝化-厭氧氨氧化（PD/anammox）工藝和部分反硝化-厭氧氨氧化與尿素水解聯(lián)合（U-PD-Anammox）工藝。其中PD/厭氧氨氧化工藝可以在不同的技術(shù)系統(tǒng)中廣泛進(jìn)行，包括用于側(cè)流和主流廢水的單級(jí)或雙級(jí)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的硝化－反硝化相比，PD/anammox因?yàn)槿芙庋酢⒂袡C(jī)碳需求量小以及能產(chǎn)生更少的污泥和溫室氣體，為實(shí)現(xiàn)廢水的可持續(xù)處理提供了巨大機(jī)會(huì)。關(guān)鍵詞主流部分硝化從出現(xiàn)一直突發(fā)至2023年，目前學(xué)者主要研究焦點(diǎn)在于部分硝化/厭氧氨氧化工藝（PN/A），該工藝是一種從污水中去除氮的節(jié)能工藝，Li，JL[9]等人的研究表明進(jìn)水有機(jī)物可能是成功應(yīng)用污水PN/A的重要因素。近幾年持續(xù)突發(fā)的還有利用生物膜法去除水中有機(jī)微污染物等。關(guān)于MBBR的相關(guān)文獻(xiàn)于2018年出現(xiàn)，但卻從2021年才開始突發(fā)，逐漸成為研究前沿，這歸功于其可以與其他工藝聯(lián)合使用以及運(yùn)行成本低、技術(shù)可行性和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[10]

總之，通過關(guān)鍵詞突發(fā)強(qiáng)度分析可以看出，厭氧氨氧化相關(guān)工藝的研究與運(yùn)用、有機(jī)微污染物的去除和移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）工藝的研究是生物膜發(fā)處理污水領(lǐng)域的研究前沿。

3結(jié)論

在生物膜領(lǐng)域，提高生物膜的處理效果、利用生物膜法有效去除水體中的氮、生物膜法與活性污泥法的比較和聯(lián)合使用、MBBR和厭氧氨氧化的研究和改進(jìn)為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。厭氧氨氧化相關(guān)工藝的研究與運(yùn)用、有機(jī)微污染物的去除和移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）工藝的研究是生物膜領(lǐng)域的研究前沿。鑒于高腐殖酸會(huì)影響厭氧氨氧化菌的活性、利用生物膜法去除污水中有機(jī)微污染物的研究還相對(duì)較少以及MBBR可以很容易地與其他技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，因此通過研究和改進(jìn)厭氧氨氧化相關(guān)工藝來減少腐殖酸對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響、研究新型生物膜工藝或生物膜組合工藝來有效去除有機(jī)為污染物、研究MBBR相關(guān)組合工藝如MBBR與 A/0 法聯(lián)合工藝、MBBR與SBR聯(lián)合工藝等可能是未來值得關(guān)注的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹云鵬，潘偉亮，龔文靜，等.生物膜懸浮填料的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2021，50（10）：2873-2876.

[2]王帆，阿瓊，姜姍，等.生物膜法處理污水的研究現(xiàn)狀及新興趨勢的可視化分析[J].四川環(huán)境，2022，41（5）：314-324.

[3]LIM，JIAX，WANGJ，etal.QuantitativeAnalysis of the Research Development Status and Trendsof Tannery Wastewater Treatment Technology[J].Catalysts，2022，12（11）： 1317.