文獻(xiàn)計量分析污水處理領(lǐng)域生命周期評價的研究熱點趨勢分析

摘要：生命周期評價（LCA）作為環(huán)境管理的重要工具，在污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用以全面評估處理效果。本研究運用文獻(xiàn)計量學(xué)方法，通過Citespace和Vosviewer軟件對Web of ScienceTM核心合集數(shù)據(jù)庫中相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行量化分析，涵蓋1997年至2022年，期間共發(fā)布1 701篇論文，顯示出年度遞增趨勢。中國為主要發(fā)文國，但相比之下平均引用率較低。Feijoo，Cumersindo團隊發(fā)文最多，而Chong Mengnan團隊發(fā)表的綜述文章在該領(lǐng)域影響最大，引用次數(shù)達(dá)3 549次。該領(lǐng)域的研究熱點聚焦于污水污泥處理與水處理的可持續(xù)性。未來研究將繼續(xù)探討如何通過LCA改進(jìn)水處理工藝，優(yōu)化能耗和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：污水處理；生命周期評價；文獻(xiàn)計量學(xué)分析；發(fā)展趨勢

中圖分類號：X32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

隨著中國城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟發(fā)展水平的提高導(dǎo)致全國用水量日益增加，污水廢水的排放量不斷增加，全國相當(dāng)部分地表水受到不同程度的污染，污水的治理也在近些年成為了環(huán)境領(lǐng)域的一大熱點。中國每年在污水行業(yè)上的投人巨大，污水排放量的小幅度減少伴隨的是大量的資金和資源的消耗，盡管全國的污水處理設(shè)施逐步完善，但還是需要開發(fā)更加高效、更具性價比、能耗更低的污水處理手段。

生命周期評價（LCA），起始于1960年代，是評估產(chǎn)品或服務(wù)全生命周期環(huán)境影響的環(huán)境管理工具。從90年代被用于全面評估水處理行業(yè)的社會、環(huán)境、經(jīng)濟影響。目前，LCA在污水處理的應(yīng)用研究日益增多，但尚缺乏對該領(lǐng)域研究進(jìn)展和趨勢的文獻(xiàn)計量學(xué)分析。文獻(xiàn)計量學(xué)通過定量分析特定時間內(nèi)的文獻(xiàn)，可以描繪研究發(fā)展、識別研究熱點，并預(yù)測未來趨勢。

文章基于Webof ScienceTM外文核心合集數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)據(jù)，通過文獻(xiàn)計量學(xué)分析的方法，分析LCA在水處理應(yīng)用領(lǐng)域的研究情況。通過對發(fā)文量、引文量、高頻關(guān)鍵詞等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并使用計量學(xué)工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，從而對該領(lǐng)域的發(fā)展歷程進(jìn)行全方位的了解，掌握該領(lǐng)域核心團隊和研究前沿信息，為深入該領(lǐng)域研究提供一定參考。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源是Webof ScienceTM（WOS）核心合集數(shù)據(jù)庫，引文索引選擇Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED），高級檢索中輸人的檢索式為TS=（（“waste water”O(jiān)R wastewater OR sewage OR effluent *） AND（treat * OR dispos * OR processing））AND TS=（（“l(fā)ife cycle assessment”O(jiān)R LCA OR“l(fā)ife cycle costing”O(jiān)R LCC） NOT（“l(fā)ithocholic acid”）），時間跨度設(shè)定為1997-01-01-2022-12-31，文獻(xiàn)類型選擇論文、綜述論文、會議錄論文和在線發(fā)表，Webof Science類別選擇“Environmental Sciences”、“Engineering Environmental”、“Green Sustainable Technology”、“Water Resource”和“Environmental Studies”，文獻(xiàn)的語種規(guī)定為英文，最后篩選出的文獻(xiàn)數(shù)為1 702篇。之后利用CiteSpace對導(dǎo)出的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行去重，獲得有效文獻(xiàn)1 701篇。

1.2研究方法

運用美國德雷塞爾大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、大連理工大學(xué)教授陳超美所研發(fā)的文獻(xiàn)計量工具CiteSpace以及荷蘭萊頓大學(xué)科技研究中心Van Eck等研發(fā)的VOSviewer文獻(xiàn)計量軟件，基于Webof ScienceTM（WOS）核心合集數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，對1997年-2022年期間LCA在污水處理應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)行文獻(xiàn)計量以及可視化分析。兩個軟件可以對wOs數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出的1 701篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行作者、國家、發(fā)文機構(gòu)、關(guān)鍵詞等關(guān)鍵信息的提取，其中利用Vosviewer篩選出發(fā)文量超過5篇的發(fā)文機構(gòu)，收錄文章5篇以上的期刊以及共現(xiàn)次數(shù)超過15次的關(guān)鍵詞，并進(jìn)行手動篩選，剔除無意義和合并重復(fù)的信息，之后進(jìn)行共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，熱點關(guān)鍵詞的聚類分析，軟件還會提供相應(yīng)的可視化圖譜，通過圖譜，描述分析該領(lǐng)域的發(fā)展歷程、熱點演化，明確當(dāng)前的研究前沿，預(yù)測將來的發(fā)展趨勢。

2結(jié)果與分析

2.1發(fā)展歷程

1997年至2022年的26年時間內(nèi)，生命周期評價（LCA）在污水處理應(yīng)用領(lǐng)域共發(fā)表論文1 701篇（由于檢索后發(fā)現(xiàn)1997年之前該領(lǐng)域的文章幾乎沒有，可以忽略不計，該領(lǐng)域的文章分析從1997年起），該領(lǐng)域的研究發(fā)展歷程可以大致分為三個階段如圖1所示：第一階段（1997-2007），這十一年時間為緩慢探索期，LCA在污水處理應(yīng)用領(lǐng)域研究處于萌芽階段，平均發(fā)文量6.7篇／年，發(fā)文量以1篇／年的年增長率緩慢增加；第二階段（2008-2016），這九年時間為平穩(wěn)發(fā)展期，平均年發(fā)文量為51篇／年，該時期該領(lǐng)域的發(fā)文數(shù)每年穩(wěn)步增加，已經(jīng)比第一階段大大提高，且年發(fā)文平均增幅到達(dá)了10篇／年，在這個期間，研究人員開始注重將LCA應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，從而去分析一些污水處理措施的環(huán)境影響、社會影響、經(jīng)濟成本等信息，指導(dǎo)污水處理往對環(huán)境更友好的方向發(fā)展；第三階段（2017-2021），這五年時間為高速增長期，該領(lǐng)域文章的年發(fā)展數(shù)大大增加，達(dá)到平均192篇／年，而且文章發(fā)表量呈上升趨勢，年發(fā)文平均增幅到達(dá)了28篇／年，研究者不再只專注于污水處理的工藝技術(shù)，開始結(jié)合LCA從更大的系統(tǒng)邊界去研究，包括污水處理設(shè)施的材料選取、污水處理產(chǎn)生的污泥廢渣的處置利用、污水處理過程中溫室氣體的排放等等，研究者所研究的方面更詳細(xì)更具體，并將LCA作為工具去評估新興的污水處理工藝的可替代性，嘗試為改良傳統(tǒng)的污水處理工藝提供一些建議。

另外該領(lǐng)域文章的引用也隨著論文量的增加而逐年增多，其中被引用數(shù)超過300次的文章就有11篇，這些高被引用的文章發(fā)表時間都集中在平穩(wěn)發(fā)展期，研究的內(nèi)容也有些區(qū)別，焦點主要包括光催化水處理技術(shù)、LCA的發(fā)展、水生產(chǎn)和處理的能源要求等，影響力最高的文章的引用次數(shù)高達(dá)3 549次，說明在這一時期的高被引文章對該領(lǐng)域的發(fā)展造成了深遠(yuǎn)的影響，而在高速增長期的文章還需要時間的積累才能產(chǎn)生足夠的影響。

2.2研究力量構(gòu)成

2.2.1發(fā)文國家分析

有91個國家及地區(qū)在該領(lǐng)域發(fā)表了總計1 701篇文章，其中中國的節(jié)點最大（如圖2所示），即中國在該領(lǐng)域的發(fā)文量最多，為339篇，占總發(fā)文章數(shù)的19.9％；美國則是發(fā)文量第二多的國家，共發(fā)文252篇，占總發(fā)文章數(shù)的14.8％。如表1所示美國、西班牙、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家平均發(fā)文年份都在2018年之前，說明平均發(fā)文時間較早，而反觀中國、印度、巴西這類發(fā)展中國家的平均發(fā)文時間就較晚，可見發(fā)達(dá)國家在LCA在污水處理應(yīng)用領(lǐng)域的研究早于發(fā)展中國家，但是發(fā)展中國家的發(fā)文量正逐漸趕超發(fā)達(dá)國家。中國在該領(lǐng)域的文章于最近十年來大量發(fā)表，且每年發(fā)文量都在穩(wěn)步增多，出現(xiàn)這種情況的原因可能是2012年十八大以來，全國大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，《水污染防治法》、“水十條”等法律政策相繼提出與修訂，不僅對污水處理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了更高要求，而且提出了水生態(tài)環(huán)境保護、低碳治污等多種生態(tài)文明目標(biāo)，使得研究者在污水處理領(lǐng)域開展了更多生命周期研究。

再從文章被引用的角度來看，表1展示了發(fā)文量前十的國家的總被引用次數(shù)以及篇均被引用次數(shù)，部分發(fā)展中國家的發(fā)文量雖然逐漸追上甚至超過了發(fā)達(dá)國家，但是相比篇均被引用次數(shù)，發(fā)達(dá)國家還是領(lǐng)先于發(fā)展中國家的，其中澳大利亞文章的篇均被引用次數(shù)最高，遠(yuǎn)高于其他國家，說明澳大利亞在該領(lǐng)域的研究富有成效得到業(yè)界更多的推崇，目前發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域的研究仍然強于發(fā)展中國家，所發(fā)表的文章更具影響力，而且發(fā)展中國家在這方面的研究較晚，所發(fā)表的文章還未沉淀積累，從而使得篇均被引用次數(shù)低于發(fā)達(dá)國家。所以，發(fā)展中國家在提高該領(lǐng)域的發(fā)文規(guī)模的同時也應(yīng)該不斷鉆研，使研究內(nèi)容更加深刻深入，增加更多高水平研究，并通過時間的積累，提高在該領(lǐng)域研究上的影響力。

另外表1中的連接強度表示圖譜中節(jié)點與其他節(jié)點的連接次數(shù)，即表示節(jié)點國家與其他國家的合作頻繁程度，其中中國是和其他國家合作研究最緊密的國家，連接強度達(dá)到266比第二名的美國高出97，該項數(shù)據(jù)與發(fā)文量基本成線性相關(guān)，即多與其他國家在研究上尋求合作，有助于研究成果的產(chǎn)出，尤其是發(fā)展中國家在起步落后于發(fā)達(dá)國家的情況下，向發(fā)達(dá)國家研究者學(xué)習(xí)以及合作，能夠促進(jìn)在該領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2.2發(fā)文作者分析

LCA在污水處理領(lǐng)域的1 701篇文章由6 244個作者共同發(fā)表，篩選出其中發(fā)文量大等于5篇的作者（如圖3所示），在圖中的居中位置是一個作者群，主要是以西班牙圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)研究團隊（2.2.3將介紹）為首的歐美作者群，這個作者群中的節(jié)點連線較為密集，表示這些作者之間合作頻繁，其中發(fā)文量最多的是來自西班牙的FeijooG.（Feijoo，Gumersindo）團隊，其在該領(lǐng)域共發(fā)文31篇，占總文章數(shù)的1.8％，F(xiàn)eijoo G.團隊研究的內(nèi)容主要是利用LCA來評價污水處理設(shè)施的環(huán)境性能，并且提出對環(huán)境更有益的改良策略；而Chong（Chong Mengnan）團隊于2010年所發(fā)表的綜述，是該領(lǐng)域最具影響力的文章，總共被引用了3 549次，該文章主要是回顧了以往的有關(guān)光催化水處理技術(shù)的文章探討其最新進(jìn)展。另外，發(fā)文量前十的作者僅有兩名來自中國機構(gòu)的研究者，分別是Hong JL（洪靜蘭）和Bai SW（白舜文）其余的皆為外國研究者，說明雖然中國在該領(lǐng)域的發(fā)文總量已經(jīng)是世界領(lǐng)先，但是高產(chǎn)量的研究者相較國外的研究者還是較少。除開中國研究者，其他八位研究者的平均篇均被引用次數(shù)為48.63次／篇，中國的兩位研究者的文章篇均被引用量都沒能達(dá)到該均值，其中洪靜蘭的文章篇均被引用次數(shù)是48.07次／每篇，略低于平均水平，該研究者的研究重點是LCA在污水污泥處理方面的應(yīng)用，另一位中國研究者白舜文的文章篇均被引用次數(shù)是15.42次／篇，主要研究的方向是基于LCA為污水處理事業(yè)提供更適合中國的評價方法和決策方案，該研究者首次參與LCA在污水處理領(lǐng)域的研究成果發(fā)表于2017年，即該研究者在5年時間有12篇該領(lǐng)域的文章發(fā)表，是這個領(lǐng)域近幾年最活躍的研究者之一。

2.2.3發(fā)文機構(gòu)分析

LCA在污水處理領(lǐng)域研究發(fā)文量超過5篇的機構(gòu)152所（如圖4所示）。其中來自西班牙的圣地亞哥德孔波斯特拉大學(xué)，發(fā)文量達(dá)到了51篇，而且還是參與合作最多的機構(gòu)，總連接強度達(dá)到了1 376，即該機構(gòu)和其他機構(gòu)在文章中共同出現(xiàn)的次數(shù)（包括重復(fù)共現(xiàn)），該機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究涉及面廣，主要是以污水處理廠為背景，利用LCA去分析評估水廠各凈水行為的生態(tài)環(huán)境效益，并為相關(guān)決策者提供一些建議和指南；另外，來自中國的機構(gòu)有4所發(fā)文量進(jìn)人到了前十，分別是中國科學(xué)院、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和山東大學(xué)，其中中科院的研究側(cè)重點是結(jié)合中國實際情況，包括中國的政策，中國的實際水體、城市等，利用LCA評價相關(guān)污水處理措施以及行為；清華大學(xué)在該領(lǐng)域的研究重點在于將環(huán)境與經(jīng)濟結(jié)合，基于LCA評價不同政策、標(biāo)準(zhǔn)、排放限值等的不同影響，給決策者以提供相應(yīng)參考；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究重點就是2.2.2提及的白舜文所研究的方向，其他研究側(cè)重點還包括LCA在污水污泥管理的應(yīng)用。發(fā)文量前十的機構(gòu)的平均篇均被引用次數(shù)為38.25次每篇，四所中國機構(gòu)的該項數(shù)據(jù)都低于該平均值，說明中國機構(gòu)所發(fā)表的文章在質(zhì)量上不足或者還未得到時間的積累。

中國的機構(gòu)在該領(lǐng)域的發(fā)文量已經(jīng)位于世界的前列，但是由于起步的時間較晚，所以文章的影響力還沒有積累起來，需要繼續(xù)在該領(lǐng)域上進(jìn)一步加強與其他國外優(yōu)秀機構(gòu)的合作，相互學(xué)習(xí)共同進(jìn)步。

2.2.4發(fā)文期刊分析

為探究LCA在水處理領(lǐng)域研究的影響力以及潛力，可以通過分析該領(lǐng)域文章所發(fā)表的期刊來判斷。發(fā)表文章數(shù)5篇以上的46個期刊共發(fā)表1 518篇文章，其中有24個Q1區(qū)的期刊，10個Q2區(qū)的期刊，8個Q3區(qū)的期刊以及4個Q4區(qū)期刊。發(fā)文于Q1區(qū)期刊的文章數(shù)占到了70.36％，Q2區(qū)期刊的文章數(shù)占到了16.8％，LCA在水處理領(lǐng)域的研究成果大部分被發(fā)表在高影響力的期刊上，在生態(tài)環(huán)境的研究中具有很高的學(xué)術(shù)價值，是值得重視且有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域。

另外Journalof Cleaner Production期刊是該領(lǐng)域文章發(fā)表最多的期刊，共收錄了375篇論文，占到了總文章數(shù)量的22％，該期刊影響因子高達(dá)11.072，是環(huán)境領(lǐng)域極具代表性的期刊之一。

3研究熱點和趨勢分析

3.1研究熱點

應(yīng)用軟件Vosvlew對關(guān)鍵詞進(jìn)行篩選，篩選出187個不同的關(guān)鍵詞（如圖5所示），關(guān)鍵詞的節(jié)點顯示了幾個突出的熱點，其中“energy”出現(xiàn)了231次，能源消耗一直以來都被視作與環(huán)境保護所密切相關(guān)的，絕大多數(shù)的有關(guān)污水處理系統(tǒng)的生命周期評價都會把能源消耗加人到評價的系統(tǒng)邊界中，或是以不同的能源結(jié)構(gòu)來探討污水處理系統(tǒng)的環(huán)境性能；另外“sewagesludge”也是污水處理中的一大熱點，污泥處理屬于污水處理的部分但采用固體廢物處置的技術(shù)，很多文章都將污水污泥的處置作為污水處理可持續(xù)化的關(guān)鍵措施，評估污水處理過程的同時也評估污泥處置的環(huán)境影響，包括廢水污泥內(nèi)養(yǎng)分的回收，以污水污泥為基礎(chǔ)制作高能源潛力的生物質(zhì)等；污水處理廠作為城市污水工業(yè)廢水處理的重要場所，一直是該領(lǐng)域的熱點，即“treatmentplant”，對于污水廠的研究可以從時間空間工藝等層面利用LCA去探討環(huán)境影響和經(jīng)濟成本。

除以上提到的幾個熱點外，根據(jù)圖譜中的顏色LCA在污水處理領(lǐng)域研究的187個熱點關(guān)鍵詞大致分為四類（如圖5所示），一類是紅色部分，關(guān)鍵詞主要是污水處理生命周期評價的效應(yīng)對象，包括環(huán)境影響、能量消耗、可持續(xù)性等；第二類是綠色部分，主要是生命周期評價污水處理工藝過程對象，包括污水污泥的處置，厭氧消化，活性污泥工藝等；第三類是黃色部分，主要是污水處理后的產(chǎn)品生產(chǎn)，包括通過微藻將污泥廢渣生產(chǎn)生物燃料等；第四類是藍(lán)色和紫色部分，主要關(guān)鍵詞和污染物有關(guān)，主要是污水中污染物去除和回收的生命周期評價，包括磷的回收、氨氮的去除以及營養(yǎng)物質(zhì)的回用等。

過去二十年來，污水處理事業(yè)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，各種更高效智能的工藝及設(shè)備問世，絕大多數(shù)的水問題已經(jīng)能夠被解決，研究者開始不僅僅只關(guān)注于污水處理的過程，而是將LCA這個工具引人于污水處理，去研究污水處理整個生命周期，包括原料獲取、污水處理、廢物最終處置等等這些過程對社會、環(huán)境、經(jīng)濟的影響。從關(guān)鍵詞中還可以發(fā)現(xiàn)，研究者更加重視從不同的層面利用LCA去研究污水處理的可持續(xù)性，評估了污水處理過程中所產(chǎn)生的溫室氣體對全球氣溫變暖的潛在影響，并探究降低污水處理過程中溫室氣體排放所造成影響的方法；還有利用污水污泥制造生物燃料，通過和其他污泥處置技術(shù)進(jìn)行比較評估，發(fā)現(xiàn)將污水污泥進(jìn)行生產(chǎn)生物燃料有很好的環(huán)境效益、污水中營養(yǎng)物質(zhì)和能量的回收利用，表示廢水處理設(shè)計的重點將會從減少污染物逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源回收等。

3.2研究趨勢

篩選出的15個出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞所作的趨勢熱圖展現(xiàn)了（如圖6所示），在2011年到2021年這段時間里各關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次的變化情況，顏色越深表示該關(guān)鍵詞在這一年的出現(xiàn)次數(shù)發(fā)生顯著增加。在2021年orculareconomy和removal這兩個關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次明顯的增加，即“循環(huán)經(jīng)濟”和“去除”在2021年相較于前幾年成為了研究者研究的重點，尤其是循環(huán)經(jīng)濟在2017年才首次作為關(guān)鍵詞出現(xiàn)在文章中，主要研究內(nèi)容是基于循環(huán)經(jīng)濟理念對廢水中各類養(yǎng)分進(jìn)行回收再利用，該關(guān)鍵詞常與recovery和reuse共同出現(xiàn)；關(guān)鍵詞removal在2021年前都呈現(xiàn)緩緩增加的態(tài)勢，在2021年出現(xiàn)次數(shù)大幅增加，對于該關(guān)鍵的主要研究內(nèi)容是廢水中污染物的去除，以污染物的去除效果、去除成本等指標(biāo)來評估一些研究前沿的污水處理技術(shù)、工藝、設(shè)備等的可行性。

根據(jù)上述內(nèi)容可以推測，未來的幾年，對于LCA在水處理應(yīng)用領(lǐng)域的研究，研究者會把重點放在循環(huán)經(jīng)濟的研究并繼續(xù)鉆研于各具體的技術(shù)、工藝、污染物等，嘗試去改良已有的工藝技術(shù)，堅持可持續(xù)化治水理念，從而使得目前這些工藝技術(shù)更加的高效、節(jié)能，對環(huán)境的影響更小。

4結(jié)論

根據(jù)分析，LCA在水處理應(yīng)用領(lǐng)域的研究關(guān)注度2017年以來顯著增長，進(jìn)入快速發(fā)展階段。其中Feijoo G.團隊在該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)最為顯著。而被引用最多的論文是Chong團隊發(fā)表的綜述。根據(jù)篩選，超過70％的相關(guān)文章發(fā)表在一區(qū)期刊，其中《Journal of Cleaner Production》是主要發(fā)文期刊。雖然中國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，但已成為發(fā)文量最多的國家，不過篇均引用率仍低于多數(shù)發(fā)達(dá)國家。該領(lǐng)域的研究熱點主要分為四類：以環(huán)境影響、能耗和可持續(xù)性為評價對象的研究；污水處理工藝的LCA，包括污泥處理、厭氧消化和活性污泥等；利用微生物對廢水廢物再利用的研究；污水中污染物的去除和回收評價，如磷回收、氨氮去除和營養(yǎng)物質(zhì)回用。未來研究將側(cè)重使用LCA評估具體水處理工藝或技術(shù)的成本、能耗和環(huán)境影響，目的在于改進(jìn)和優(yōu)化這些工藝或技術(shù)，以提高效率、節(jié)能并減少環(huán)境影響。