龍於洋 肖立群 沈東升 吳書林

(浙江省固體廢物處理與資源化重點實驗室,浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310012)

隨著污水處理量的快速增加,全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界對污水處理創(chuàng)新性研究的關(guān)注度也與日俱增?；钚晕勰喙に囈蚱涓咝У奶幚砟芰头€(wěn)定的工藝性能,已成為污水處理處置最廣泛應(yīng)用的方法之一。然而,根據(jù)活性污泥工藝特點,污水處理進程的加快也加重了其主要副產(chǎn)物剩余污泥的處置負荷。據(jù)統(tǒng)計,中國2019年剩余污泥干物質(zhì)總量達1 175萬t,且以10.7%的速率逐年遞增。與此同時,歐盟和美國年均剩余污泥干物質(zhì)產(chǎn)量分別達到900萬t和1 780萬t[1]。剩余污泥中富集了銅、鉻、鎳等重金屬以及有毒有機物[2-3],嚴重影響自然環(huán)境,存在的病原微生物亦會對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅[4]。然而,剩余污泥同時也蘊藏了大量的有機質(zhì),具有一定的資源再生潛力。開發(fā)合理的剩余污泥處理處置手段已迫在眉睫。

剩余污泥的處理處置技術(shù)主要包括以去除污染物為主的衛(wèi)生填埋和干化焚燒,以及以資源回收為主的高值化利用。其中,衛(wèi)生填埋雖然技術(shù)簡單、成本低,但占地面積較大且易造成銅、鉻、鎳等重金屬污染[5];干化焚燒具有處置效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點,但易釋放二噁英、二氧化硫等產(chǎn)生二次污染[6]。相較之下,對剩余污泥中可利用有機質(zhì)進行有效回收并將其轉(zhuǎn)化為高能值燃料或工業(yè)原料,可在實現(xiàn)污泥減量的同時實現(xiàn)資源的再生[7],具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

當前,剩余污泥的高值化利用技術(shù)主要集中在甲烷、氫氣、揮發(fā)性脂肪酸等代謝產(chǎn)物的生物厭氧技術(shù)方面。ZHANG等[8]通過過氧化鈣強化剩余污泥厭氧發(fā)酵將揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量提升了96%;ZHANG等[9]在剩余污泥中添加鐵錳改性生物炭,在降低其中重金屬環(huán)境毒性的同時,使甲烷產(chǎn)量增加55.86%。而VILLALOBOS DELGADO等[10]和XIAO等[11]通過可持續(xù)萃取方法可將賦存于剩余污泥中的高值有機物強效回收,得到肥料、黏合劑、動物飼料等工業(yè)原料需要的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等。KUMAR等[12]從污泥中回收聚羥基鏈烷酸酯(PHA)也實現(xiàn)了剩余污泥的高值化利用?？梢?高值化利用技術(shù)可實現(xiàn)剩余污泥從“廢棄污染物”向可提取能源的“資源庫”方向的轉(zhuǎn)化,對綠色可持續(xù)的有機廢棄物處置技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

目前關(guān)于剩余污泥高值化利用的研究較多,但缺乏系統(tǒng)的分析和總結(jié)。本研究采用文獻計量學(xué)方法,基于Web of Science(以下簡稱WOS)核心數(shù)據(jù)庫,對近20年間(2002—2021年)收錄的剩余污泥高值化利用領(lǐng)域的文獻進行量化分析,對剩余污泥高值化研究領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞進行重點梳理和總結(jié),旨在發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域不同時期的研究熱點及發(fā)展趨勢,為后續(xù)的污泥處理處置方法研究提供新視野和新方向。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)基于WOS 核心數(shù)據(jù)庫,以剩余污泥、高值化以及特定強相關(guān)性產(chǎn)物為主題檢索詞(excess sludge、waste activated sludge、excess activated sludge、biorefinery、high value、fuel、biogas、methane、hydrogen、acid、lipid、protein、biodiesel),時間跨度為2002年1月1日至2021年12月31日,數(shù)據(jù)庫的最終檢索時間為2022年4月11日。文獻類型為研究性論文與綜述論文的共集。

1.2 可視化分析方法

借助VOSviewer軟件中共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視圖分析文獻中關(guān)鍵詞的共現(xiàn)聚類情況,以揭示剩余污泥高值化利用的研究熱點及趨勢。

2 結(jié)果與討論

2.1 時間分布和作者分析

以WOS核心數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源,按照特定核心關(guān)鍵詞對2002年到2021年發(fā)表的全部文章進行關(guān)鍵詞檢索,共得到8 508篇與剩余污泥高值化利用相關(guān)的出版文章。檢索得到的相關(guān)文章包含12種類型,主要以研究性論文(7 707篇,91%)為主,另外包括綜述論文536篇(6%)以及其他類型265篇(3%)。為明確該領(lǐng)域的整體研究進展和熱點,對其中8 243篇以實證研究和綜述為主的文章進行著重分析。

如圖1所示,2002—2021年間該領(lǐng)域論文發(fā)表量呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。2002—2005年,該領(lǐng)域處于穩(wěn)步發(fā)展階段,論文年發(fā)表量小于100篇;2006—2012年,論文發(fā)表量進入波動上升期,年發(fā)表量突破100篇,最高發(fā)表量達到270篇,除個別年份有所波動外,總體漲幅明顯,表明剩余污泥高值化利用的相關(guān)研究已引起國內(nèi)外關(guān)注;2013年之后該領(lǐng)域進入快速發(fā)展期,論文年發(fā)表量增幅顯著增多,在2021年單年發(fā)表量達到1 058篇的高峰,表明近10年間剩余污泥高值化利用相關(guān)研究在國內(nèi)外的關(guān)注度逐漸增高,更間接證明剩余污泥引起的環(huán)境污染、資源消耗等問題影響較大,而高值化利用是解決此類問題的有效手段。

圖1 剩余污泥高值化利用領(lǐng)域年度及累計論文發(fā)表量Fig.1 The annual and cumulative number of research articles on high-value utilization of excess sludge

表1列出了發(fā)表量前10位的發(fā)文作者及其相關(guān)信息,10位作者在其發(fā)表的文章中以第一作者或通訊作者為主。其中來自中國的作者占50%。論文發(fā)表量前10位中有3位學(xué)者來自中國湖南大學(xué),且學(xué)者WANG D B和YANG Q二人分別以138篇和111篇的發(fā)表量優(yōu)勢名列前2位;另一位湖南大學(xué)的學(xué)者LI X M在該領(lǐng)域以87篇的發(fā)表量位列第7,其文獻引用次數(shù)高達4 011次,排名第3。此外,除去中國的發(fā)表機構(gòu),仙臺東北大學(xué)、悉尼科技大學(xué)、南洋理工大學(xué)都來自發(fā)達國家,由此不難看出,剩余污泥高值化利用領(lǐng)域研究在我國發(fā)展迅速,并與發(fā)達國家比肩成為該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

表1 剩余污泥高值化利用領(lǐng)域論文發(fā)表量前10的作者Table 1 Top 10 authors in the field of high-value utilization of excess sludge

2.2 學(xué)科領(lǐng)域和首選期刊

論文涉及到98個學(xué)科領(lǐng)域,存在多領(lǐng)域交叉的情況,總體以7個最具相關(guān)性學(xué)科領(lǐng)域為主,如圖2所示,包括環(huán)境科學(xué)(3 836篇,46.5%)、工程環(huán)境(2 533篇,30.7%)、生物技術(shù)應(yīng)用微生物學(xué)(1 894篇,23.0%)、能源燃料(1 860篇,22.6%)、工程化學(xué)(1 577篇,19.1%)、水資源(1 386篇,16.8%)以及農(nóng)業(yè)工程(1 144篇,13.9%),除此之外的其他學(xué)科領(lǐng)域文論發(fā)表量均不足500篇。根據(jù)近20年文獻的出版領(lǐng)域可以看出,剩余污泥高值化利用的相關(guān)研究以工程環(huán)境、工程化學(xué)和農(nóng)業(yè)工程相關(guān)的“工程”領(lǐng)域居多。作為一種通用式的學(xué)科領(lǐng)域,“工程”類文獻數(shù)量的增長可能與剩余污泥高值化利用相關(guān)運行系統(tǒng),如厭氧側(cè)流反應(yīng)器[13]、兩步熱溶解系統(tǒng)[14]等工藝的應(yīng)用有關(guān)。盡管能源燃料學(xué)科領(lǐng)域在2003年的論文發(fā)表數(shù)量僅有1篇,但此后其論文發(fā)表量的增長速率顯著加快,到2021年達到了235篇,該領(lǐng)域論文的篇均被引次數(shù)更是以40.85次的優(yōu)勢顯著領(lǐng)先于其他學(xué)科領(lǐng)域。能源資源枯竭一直是全球亟待解決的重要難題。據(jù)預(yù)測,隨著研究重點轉(zhuǎn)向資源回收以最大限度地減少能源消耗,“能源”主題領(lǐng)域?qū)⑦M一步發(fā)展[15],此結(jié)論在能源燃料領(lǐng)域論文發(fā)表量顯著增加的現(xiàn)狀中得到有效印證。

圖2 前7個與剩余污泥高值化利用最相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域論文發(fā)表量Fig.2 The number of published articles associated with the top 7 subject areas in high-value utilization of excess sludge

從載文期刊角度分析,關(guān)于剩余污泥高值化利用的文獻已在200種不同的期刊上發(fā)表,表2總結(jié)了前10名最具生產(chǎn)力的期刊發(fā)表情況。如表2所示,BioresourceTechnology期刊發(fā)表了1 075篇(13%)文獻,總引用次數(shù)達到45 210次,位列所有期刊榜首,其中論文“Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal:a review”的單篇引用次數(shù)高達3 118次;WaterResearch和ChemicalEngineeringJournal期刊文獻發(fā)表量分列第2、3位,分別達到538篇和321篇?？傮w來看,生物資源、水環(huán)境以及化學(xué)工程領(lǐng)域均有涉及剩余污泥高值化利用相關(guān)研究,但主要集中在生物資源技術(shù)領(lǐng)域。從篇均被引頻次來看,對比WaterScienceandTechnology期刊文獻發(fā)表量達到293篇而篇均被引頻次僅為14.58次的情況,JournalofHazardousMaterials期刊的總發(fā)表量雖略低(200篇),但其篇均被引頻次達到了65.18次,位居十大最具生產(chǎn)力期刊之首,表明該期刊發(fā)表的文獻極具創(chuàng)新性和參考性,在剩余污泥高值化領(lǐng)域具備一流的影響力。

2.3 國家機構(gòu)

對在剩余污泥高值化利用領(lǐng)域發(fā)文領(lǐng)先的國家和機構(gòu)進行分析,中國(3 541篇)、美國(720篇)和澳大利亞(450篇)是論文發(fā)表總量排名前三的國家。2006年之前,美國以微弱的發(fā)表量優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家,但是近20年間,其年發(fā)表量增勢平緩,年均增長速率為12.7%。澳大利亞與美國的發(fā)展趨勢較為相似,年發(fā)表量至今未能突破百篇,但總發(fā)表量逐漸有反超美國的勢頭。我國自2007年論文發(fā)表量則一直處于領(lǐng)先地位,2021年年發(fā)表量就達到552篇,占當年總發(fā)表量的52.2%。我國論文發(fā)表量的增長趨勢從側(cè)面證實了剩余污泥高值化利用領(lǐng)域的快速發(fā)展,這與2012年《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》首次對污泥處理提出具體排放指標,到2017年《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》明確提出從“重水輕泥”轉(zhuǎn)向“泥水并重”等一系列國家政策的出臺密切相關(guān);2020年修訂版《固體廢物污染環(huán)境防治法》將污泥列入無害化要求管理對象中,這或?qū)⑹故Ｓ辔勰喔咧祷妙I(lǐng)域的研究熱度達到新高度。

表2 與剩余污泥高值化利用相關(guān)的10種最具生產(chǎn)力期刊Table 2 Top 10 productive journals in publishing research articles on high-value utilization of excess sludge

中國不僅在污泥高值化利用領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量上顯著領(lǐng)先,在主要研究機構(gòu)中的占比也處于優(yōu)勢地位。機構(gòu)論文發(fā)表數(shù)量及被引次數(shù)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖3,在剩余污泥高值化利用相關(guān)研究的前15所代表性研究機構(gòu)中,其中9所來自中國,共發(fā)表了2 098篇論文,占總發(fā)表量的25.5%。其中,中國科學(xué)院是論文發(fā)表量最多的機構(gòu),達到424篇。其次是同濟大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、清華大學(xué)為代表的國內(nèi)重點研究機構(gòu)。從論文被引次數(shù)來看,同濟大學(xué)的發(fā)表量(406篇)雖略低于中國科學(xué)院,但其被引次數(shù)(16 049次)卻顯著高于其他機構(gòu),位居第一。來自國外的機構(gòu)有6所,其中歐洲研究型大學(xué)聯(lián)盟在論文發(fā)表量只有151篇的情況下,論文被引次數(shù)高達11 798次。此外,昆士蘭大學(xué)、南洋理工大學(xué)和悉尼科技大學(xué)也是剩余污泥高值化利用領(lǐng)域影響力較高的研究機構(gòu),近年來在厭氧消化產(chǎn)甲烷[16-17]、短鏈脂肪酸的回收[18]以及微生物制氫[19]等方面的研究成果較多。

圖3 剩余污泥高值化利用相關(guān)研究代表性機構(gòu)Fig.3 Representative institution of research on high-value utilization of excess sludge

通過VOSviewer可視化圖進一步分析各個國家之間的聯(lián)系,總體看來,在剩余污泥高值化利用研究方面,我國與美國、澳大利亞以及新加坡之間的合作次數(shù)較多。

2.4 剩余污泥高值化利用研究熱點

利用 VOSviewer 中關(guān)鍵詞分析功能,得到該領(lǐng)域8 243篇相關(guān)文獻中包含的20 148個關(guān)鍵詞,將相似的關(guān)鍵詞進行歸一化合并,最低共現(xiàn)次數(shù)設(shè)置為60次,得到符合條件的196個關(guān)鍵詞。其中,“waste activated sludge”(6 533次)出現(xiàn)的次數(shù)最多,其次是“anaerobic-digestion”(2 732次),其余出現(xiàn)次數(shù)較多的關(guān)鍵詞包括“methane production”(1 474次)、“acids”(1 326次)、“biogas production”(1 218次)等。由這些關(guān)鍵詞可看出,剩余污泥高值化利用領(lǐng)域的研究重點是以厭氧技術(shù)為主要手段對甲烷和脂肪酸進行回收。

與上述高頻詞共同關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵詞“solubilization”以及“pretreatment”體現(xiàn)出的研究重點為促進厭氧消化的增溶預(yù)處理,如“thermal pretreatment”“microwave”“ultrasound”等。一般來說,剩余污泥厭氧消化主要包括增溶、水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷4個步驟[20],增溶和水解為后續(xù)生成短鏈脂肪酸提供小分子有機物,被認為是短鏈脂肪酸生產(chǎn)的主要限速步驟[21]。短鏈脂肪酸在產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生,隨后被產(chǎn)甲烷菌迅速消耗生成甲烷[22]。因此,學(xué)者主要通過強化增溶、水解過程來提高甲烷產(chǎn)量。為實現(xiàn)此研究目的,許多預(yù)處理方法,如熱解、超聲波、高級氧化、酸堿水解等被應(yīng)用于污泥預(yù)處理研究中[23-24],H2O2-微波聯(lián)合預(yù)處理也被認為能夠增加剩余污泥中有機物的溶解度,可使甲烷產(chǎn)率提高38%[25]。除此之外,WANG等[26]發(fā)現(xiàn)35 ℃的中溫條件下pH控制為8可以獲得較高沼氣產(chǎn)量,這類研究關(guān)心的重點與“pH”以及“temperature”關(guān)鍵詞的出現(xiàn)情況相吻合。

除此之外,“extracellular polymeric substances”(809次)的高頻出現(xiàn)也值得關(guān)注。剩余污泥中含有的高濃度多糖、蛋白質(zhì)以及脂質(zhì)等有機物會嵌入到胞外聚合物基質(zhì)中,使得有機分子的高效回收受限。在剩余污泥中使用液氮凍融[27]、表面活性劑[28]以及強氧化劑[29]可促進胞外聚合物解崩釋放可溶性有機物以提高剩余污泥的厭氧消化能力。

目前新興研究集中于氣體燃料的回收,研究重點圍繞在以厭氧消化為中心的體系中,資源回收內(nèi)容也大多只針對于甲烷的回收轉(zhuǎn)化。實際上,基于剩余污泥復(fù)雜的有機成分和一些新興的研究成果來看,存在著比沼氣更具價值的高附加值產(chǎn)品。例如污泥熱解產(chǎn)生的生物油[30],通過碳鏈延長技術(shù)從污泥中生產(chǎn)的中鏈脂肪酸[31],以及污泥中半纖維素、纖維素和復(fù)合糖增值轉(zhuǎn)化而成的烷基糖苷、乙酰丙酸烷基酯和呋喃化合物[32]。XING等[33]以剩余污泥為原料,制備了雙功能高效固體酸催化劑,實現(xiàn)了對5-羥甲基糠醛(HMF)的回收。HMF作為構(gòu)建生物質(zhì)衍生中間體的基本結(jié)構(gòu)單元,可進一步轉(zhuǎn)化為生物燃料和一系列高值化學(xué)物質(zhì)[34]。這些資源回收方式為污泥資源化回收利用提供了更廣闊的視角。推測未來剩余污泥高值化利用的發(fā)展趨勢或?qū)⒊佣嘣獎?chuàng)新的產(chǎn)物方向發(fā)展。

3 結(jié) 語

(1) 剩余污泥高值化利用相關(guān)研究領(lǐng)域的論文發(fā)表量逐年遞增,中國、美國和澳大利亞是該領(lǐng)域論文發(fā)表量排名前三的國家。中國在該領(lǐng)域的發(fā)展尤其迅速,自2007年之后一直處于世界領(lǐng)先地位。中國科學(xué)院的論文發(fā)表量占據(jù)榜首,同濟大學(xué)的論文被引次數(shù)最高,論文發(fā)表量最多的作者來自中國湖南大學(xué)。

(2) 就學(xué)科領(lǐng)域和期刊選擇而言,“工程”研究一直是該領(lǐng)域的涉獵重點,“資源”主題的發(fā)展趨勢明顯,這與BioresourceTechnology期刊主題契合度較高,該期刊發(fā)表的相關(guān)研究性論文最多。

(3) 能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷和脂肪酸回收的厭氧消化技術(shù),以及促進厭氧消化效率的預(yù)處理手段是剩余污泥高值化利用的主要研究熱點,但新興產(chǎn)物的研究正逐步進入大家的視野,有望成為剩余污泥未來高值化利用的發(fā)展方向和研究重點。