郭榮欣，楊依雯，鄭旭升，張芷晗，王雪波，鄒德勛，劉研萍

(北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100029)

隨著全球人口快速增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，能源短缺及環(huán)境污染問題日益突出[1]。厭氧消化技術(shù)不但可以有效的處理人類各種活動(dòng)產(chǎn)生的污染物，而且會(huì)產(chǎn)生清潔可再生能源—甲烷[2]。對(duì)厭氧消化技術(shù)的研究和進(jìn)一步優(yōu)化已成為當(dāng)前各國(guó)不斷探尋和開發(fā)的重要目標(biāo)。

厭氧消化技術(shù)具體是指在無氧條件下通過微生物(如水解產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌等)的代謝作用將廢物中可生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH4，CO2和穩(wěn)定物質(zhì)的生物化學(xué)過程[3]。自1977年我國(guó)首篇關(guān)于厭氧消化的文獻(xiàn)發(fā)表至今我國(guó)關(guān)于厭氧消化的相關(guān)研究已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年[4]，不論是從技術(shù)方面的創(chuàng)新、優(yōu)化，相關(guān)法律、法規(guī)的提出都取得了十分卓越的成效。我國(guó)厭氧消化技術(shù)也從農(nóng)村較分散的化糞池、沼氣池等發(fā)展到集中式、工業(yè)規(guī)模的綜合型厭氧消化處理工藝。

為了更好的了解厭氧消化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，本文采用Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)庫(kù)通過文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法并對(duì)全球厭氧消化技術(shù)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行可視化分析和統(tǒng)計(jì)分析，使用可視化分析的手段整理了厭氧消化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來面臨的問題，從而為學(xué)者們今后進(jìn)一步研究提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計(jì)方法

1.1 文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)分析

文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)分析是在文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的基礎(chǔ)上與社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合來對(duì)某一學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行宏觀回顧的高效方式[5]。其通過形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法建立了基于國(guó)家、期刊、機(jī)構(gòu)、作者以及關(guān)鍵詞之間的知識(shí)圖譜，而已經(jīng)被大量使用且被證明是一種定量評(píng)估學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)的有效工具[6]。

本文使用VOSviewer(1.6.15版)軟件進(jìn)行了文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)分析，該軟件的主要技術(shù)術(shù)語見表1[7]。

表1 VOSviewer軟件的主要技術(shù)術(shù)語

1.2 數(shù)據(jù)來源

所有數(shù)據(jù)來源于WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中的核心集合，以主題為檢索項(xiàng)目，檢索條件為(Anaerobic digestion)檢索時(shí)間范圍設(shè)置為WOS數(shù)據(jù)庫(kù)包含的所有可用出版年份，數(shù)據(jù)庫(kù)將時(shí)間自動(dòng)設(shè)置為2001～2020年，共得到檢索結(jié)果22275條記錄。所有數(shù)據(jù)均保存為“純文本”文件，其中包含“完整記錄和引用的參考文獻(xiàn)”。所有數(shù)據(jù)截止于2020年7月31日。以此作為分析對(duì)象進(jìn)行下一步的文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

本研究使用SPSS軟件分析了有關(guān)厭氧消化的發(fā)文數(shù)量趨勢(shì)，并使用ARIMA模型進(jìn)行了時(shí)間序列分析并預(yù)測(cè)了2020年的全年發(fā)文量。同時(shí)使用Tableau軟件對(duì)發(fā)文國(guó)家進(jìn)行可視化。使用VOSviewer對(duì)發(fā)文國(guó)家、發(fā)文作者和引文進(jìn)行共現(xiàn)分析并對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類和共現(xiàn)分析。通過形成知識(shí)圖譜對(duì)全球的厭氧消化研究領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)與回顧。

2 結(jié)果與討論

2.1 文獻(xiàn)類型

首先對(duì)得到的樣本進(jìn)行了文獻(xiàn)類型統(tǒng)計(jì)。表2列出了檢索到的22275篇文章的文獻(xiàn)類型，其中研究論文18900篇，占比84.85%。在各種文章類型中研究論文在一定程度上可以很好地反應(yīng)出該領(lǐng)域地發(fā)展趨勢(shì)和進(jìn)展方向。

表2 2001～2020年期間發(fā)表的文獻(xiàn)類型信息

2.2 文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量及增長(zhǎng)趨勢(shì)

某領(lǐng)域的發(fā)文量在一定程度上可以很好的反映出該領(lǐng)域的受重視程度，根據(jù)檢索的結(jié)果來看，從2001～2019年的19年間該領(lǐng)域共發(fā)文20041篇。如圖1所示，自2001年以來，有關(guān)厭氧消化的文章逐年增加，并在近年來增速上升顯著。在使用SPSS軟件進(jìn)行時(shí)間序列分析后預(yù)測(cè)2020年的全年發(fā)文量將達(dá)到3014篇。說明有關(guān)厭氧消化的研究雖然已經(jīng)進(jìn)行多年，但是依舊受到學(xué)者們的關(guān)注[8-9]。

圖1 2001～2019 年相關(guān)文獻(xiàn)年度變化趨勢(shì)圖以及 2020 年發(fā)文量預(yù)測(cè)

2.3 學(xué)科類別分析

表3顯示了2001至2020年在厭氧消化研究中排名前5的學(xué)科，其中工程類是最多的學(xué)科，共發(fā)表了8450篇文章，說明對(duì)厭氧消化的工程應(yīng)用是全球?qū)W者們關(guān)注的重點(diǎn)。環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)發(fā)文8384篇文章，位居第二，此外微生物學(xué)以及化學(xué)等學(xué)科同樣具有一席之地。

表3 各學(xué)科發(fā)文量以及占比

2.4 主要發(fā)文國(guó)家與機(jī)構(gòu)

對(duì)進(jìn)行厭氧消化研究的國(guó)家的發(fā)文量使用Tableau軟件進(jìn)行可視化分析，如圖2所示。來自中國(guó)發(fā)文量最多，達(dá)到5011篇，占到發(fā)文總量的22.496%。此結(jié)果有力地說明了我國(guó)對(duì)厭氧消化的研究十分重視，并取得了矚目成果。

圖2 厭氧消化研究文章各國(guó)家發(fā)文量統(tǒng)計(jì)圖

使用VOSviewer對(duì)發(fā)文國(guó)家進(jìn)行聚類分析，如圖3所示，結(jié)果顯示國(guó)家之間的聚類明顯，合作度較高。國(guó)家的中心性用來表示該國(guó)家在某研究領(lǐng)域的國(guó)際地位，鏈接強(qiáng)度則表明了與其余國(guó)家的合作次數(shù)。其中中國(guó)在網(wǎng)絡(luò)圖譜中的節(jié)點(diǎn)大小以及鏈接強(qiáng)度均為最高。不但說明我國(guó)在該領(lǐng)域研究的活躍性最高同時(shí)研究成果也具有很強(qiáng)的國(guó)際影響力。其次具有一定中心性的國(guó)家為美國(guó)、西班牙、德國(guó)等。

圖3 厭氧消化研究文章發(fā)文國(guó)家聚類網(wǎng)絡(luò)圖

全球范圍內(nèi)共有8043所機(jī)構(gòu)對(duì)厭氧消化技術(shù)進(jìn)行了研究，如表4所示，發(fā)文量前10的機(jī)構(gòu)中有5所來自中國(guó)。這些機(jī)構(gòu)共發(fā)文3693篇占到全部檢索結(jié)果的16.58%。其中，中國(guó)科學(xué)院以647篇的發(fā)文量位居第一，占比達(dá)到2.905%。厭氧消化文獻(xiàn)發(fā)表量前10名的研究機(jī)構(gòu)來自6個(gè)國(guó)家，而其中有5所來自中國(guó)，說明了在厭氧消化的研究上中國(guó)相較于其他國(guó)家具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.5 主要發(fā)文期刊與作者

在厭氧消化的研究上共涉及了39162位作者，其中發(fā)文量在50篇以上的有93位，排名前10的作者信息見表5。該10位作者共發(fā)文1345篇，占到全部作者發(fā)文總量的6.04%。發(fā)文量前3位的作者分別來自丹麥、中國(guó)和法國(guó)，這些作者的發(fā)文量合計(jì)占到前10名作者發(fā)文總量的42.00%；10位作者中來自中國(guó)的最多，有6位，說明中國(guó)學(xué)者在厭氧消化研究領(lǐng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。丹麥技術(shù)大學(xué)的Angelidaki Irini的發(fā)文量達(dá)到208篇，位居榜首且H指數(shù)也位居第一。綜合表4可知，我國(guó)有五所高校和研究所列入前10名，其次是歐洲，并且歐洲的大型厭氧消化工程亦處于世界前列。目前歐盟國(guó)家的沼氣發(fā)電在17662個(gè)工廠中達(dá)到了9985 MWe的裝機(jī)容量[10]。

表4 發(fā)文量前10位研究機(jī)構(gòu)

表5 發(fā)文量前10名作者信息

本研究檢索出的有關(guān)厭氧消化研究的期刊共2037個(gè)。按照發(fā)表數(shù)量，表6列出了排名前10的期刊以及其發(fā)文量、H指數(shù)、所屬國(guó)家和影響因子(greenSCI，2019年)。發(fā)文量在100篇以上的共37個(gè)，200篇以上的19個(gè)。其中最為突出的是BioresourceTechnology共刊發(fā)了2952篇有關(guān)厭氧消化的文章，占到發(fā)文總量的13.25%。同時(shí)該期刊的文章被引用總次數(shù)高達(dá)107426次，同時(shí)H指數(shù)也位居第一，說明該刊在厭氧消化領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。WaterResearch的影響因子最高，為9.13。圖4為使用VOSviewer軟件對(duì)各個(gè)期刊進(jìn)行共現(xiàn)分析的結(jié)果，可以看出BioresourceTechnology在網(wǎng)絡(luò)圖譜中的節(jié)點(diǎn)大小以及鏈接強(qiáng)度均為最高從而體現(xiàn)出了最高的中心性。說明其不但在發(fā)文數(shù)量上位居首位同時(shí)在被引次數(shù)上也是第一，印證了其在厭氧消化研究領(lǐng)域的核心地位。

表6 刊發(fā)文章數(shù)量前10種期刊

圖4 厭氧消化研究發(fā)文期刊共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

2.6 文章被引頻次分析

表7按照總被引次數(shù)統(tǒng)計(jì)了前10篇被引文獻(xiàn)，其中來自University of North Carolina的Cheng Jay J于2008年在BioresourceTechnology上發(fā)表的題為Inhibitionofanaerobicdigestionprocess:Areview[11]一文被引次數(shù)最多，高達(dá)到2407次，位居第一。該文認(rèn)為厭氧消化技術(shù)由于其可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的控制以及對(duì)生物質(zhì)能的利用而成為一種極具潛力的固體廢物的處理方法。許多的農(nóng)業(yè)和工業(yè)固體廢物由于含有大量的可生物降解的成分，因此成為了理想的厭氧消化的理想原料。但是，厭氧消化系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)發(fā)生甲烷產(chǎn)量低或者是工藝不穩(wěn)定等問題從而阻礙了厭氧消化技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。而對(duì)于厭氧消化過程中所產(chǎn)生的大量抑制性物質(zhì)如：氨、硫化物、金屬離子以及重金屬等則是厭氧消化反應(yīng)器出現(xiàn)故障的主要原因。而在眾多文獻(xiàn)中由于接種物、原料以及實(shí)驗(yàn)條件的差異使得對(duì)特定物質(zhì)引起的抑制性作用的結(jié)果千差萬別。但是，采用共消化的方法、讓微生物對(duì)抑制性物質(zhì)產(chǎn)生耐受性以及在預(yù)處理過程中對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行有效地去除都可以顯著地提高厭氧消化的效率。其余的文章被引數(shù)量基本在700次以上，如此高的被引次數(shù)說明了對(duì)厭氧消化技術(shù)的研究一直是目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。

表7 被引文獻(xiàn)及其被引量(Top10)

2.7 關(guān)鍵詞分析

2.7.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次分析

對(duì)檢索出的22275文章中出現(xiàn)的38699個(gè)關(guān)鍵詞使用VOSviewer軟件進(jìn)行可視化分析，其中出現(xiàn)頻次大于150的關(guān)鍵詞共有233個(gè)。圖5顯示，共現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞有厭氧消化、沼氣、產(chǎn)甲烷量、消化、共消化、餐廚垃圾、污泥、預(yù)處理以及甲烷等，說明這些關(guān)鍵詞經(jīng)常在文獻(xiàn)中出現(xiàn)[21-25]。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次密度圖

2.7.2 關(guān)鍵詞聚類與演進(jìn)分析

使用VOSviewer軟件對(duì)出現(xiàn)頻次大于150的關(guān)鍵詞的聚類進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。排名前7的關(guān)鍵詞的屬性見表8可以看出出現(xiàn)頻次大于150的關(guān)鍵詞共233個(gè)，它們的節(jié)點(diǎn)大小代表了總連接強(qiáng)度，各個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)之間的接近程度表明了這些研究主題之間的關(guān)聯(lián)程度?！皡捬跸笔强傛溄訌?qiáng)度最高的關(guān)鍵詞，總鏈接強(qiáng)度第二的則是“沼氣”。表8顯示了而厭氧消化的評(píng)價(jià)指標(biāo)通常選用產(chǎn)沼氣量和產(chǎn)甲烷量，這2個(gè)關(guān)鍵詞排名分別為第三和第四。共消化是目前的研究熱點(diǎn)，位列第五；共消化可通過各類底物的混合實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)的平衡和微生物的富集，提高底物降解效率，優(yōu)化產(chǎn)氣性能并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性?！癈o-Digestion”與“Biogas Production”和“Microbial Community”等關(guān)鍵詞的相似的出現(xiàn)時(shí)間也體現(xiàn)出了共消化的研究目的。網(wǎng)絡(luò)圖中的共消化“Co-Digestion”與“Manure”，“Food Waste”和“Straw”等底物鏈接強(qiáng)度很高，在一定程度上說明了餐廚垃圾、糞污和秸稈是進(jìn)行共消化研究中的常見底物。另外，餐廚垃圾位列第六，并與“pH”和“Volatile Fatty-Acids”的鏈接強(qiáng)度很高，這是因?yàn)椴蛷N垃圾厭氧消化易酸化，快速轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸而降低系統(tǒng)pH值，餐廚垃圾厭氧消化的大量研究集中于解決酸化問題。

圖6 關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖

表8 依據(jù)總連接強(qiáng)度排名前7的關(guān)鍵詞

2.7.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)熱點(diǎn)演進(jìn)分析

關(guān)鍵詞的出現(xiàn)時(shí)間在一定程度上也反映了厭氧消化研究熱點(diǎn)的演進(jìn)路徑。通過VOSviewer軟件，對(duì)關(guān)鍵詞的出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行分析，如圖7所示?？梢钥闯鰧?duì)厭氧消化的研究關(guān)鍵詞由“消化”、“UASB”、“毒性”轉(zhuǎn)向“預(yù)處理”、“堿性預(yù)處理”、“活性污泥”、“秸稈”、“牛糞”等。而目前研究的關(guān)鍵詞則包括：“生命周期評(píng)價(jià)”、“種間電子傳遞”、“微生物群落”等。關(guān)鍵詞的演進(jìn)過程呈現(xiàn)出了厭氧消化的研究進(jìn)程是：從基礎(chǔ)理論的建立向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，再到對(duì)微觀機(jī)理的細(xì)致分析，以及引入環(huán)境管理的視角對(duì)厭氧消化技術(shù)進(jìn)行分析。圖7中于2017年出現(xiàn)的“Interspecies Electron-Transfer”，僅和“Methane Production”和“Anaerobic Digestion”有鏈接。這是由于近年的研究發(fā)現(xiàn)向厭氧消化體系中添加導(dǎo)電材料可以促進(jìn)甲烷的產(chǎn)生[27-29]；促進(jìn)機(jī)制主要通過微生物群落功能進(jìn)行闡述。近年來通過16S rRNA 基因組、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組的分子生物學(xué)的方法對(duì)厭氧消化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)以及多樣性進(jìn)行了深入研究。對(duì)于能夠進(jìn)行種間電子傳遞的微生物種類、種間電子傳遞的具體機(jī)制以及影響種間電子傳遞的因素仍需深入研究。

圖7 厭氧消化研究熱點(diǎn)演進(jìn)圖

3 結(jié)論

利用 Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)分析了全球范圍內(nèi)有關(guān)厭氧消化的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。關(guān)于該主題的文獻(xiàn)總數(shù)(22275篇)顯示出厭氧消化領(lǐng)域雖然進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間但依然是目前學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。有關(guān)該主題的大多數(shù)研究集中在工程應(yīng)用以及環(huán)境領(lǐng)域。

通過時(shí)間序列的分析，未來有關(guān)厭氧消化的研究依然會(huì)不斷地增長(zhǎng)?？紤]到厭氧消化的本質(zhì)是微生物的活動(dòng)過程，未來的研究應(yīng)采用跨學(xué)科的視角來進(jìn)一步探索厭氧消化問題。這要求融合不同的技術(shù)和學(xué)科，其中包括環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的固體廢物處理、機(jī)械領(lǐng)域的厭氧消化設(shè)備設(shè)計(jì)以及生物學(xué)上微生物研究等。