厨余垃圾厌氧消化国际研究趋势的文献计量分析*

任媛媛，宋 娜，于 淼，高 明，吴川福，汪群慧，

（1.日本东北大学工学研究科，日本 仙台 9800845；2.北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083；3.北京科技大学天津学院环境工程系，天津 301830）

1 引言

厨余垃圾是城市固体废物中有机组分的重要组成部分，包括家庭厨房垃圾，餐饮、食堂的食品废物等。随着社会的发展，厨余垃圾的大量产生逐渐成为一个全球性问题［1-2］。据统计趋势估计，2005—2025 年，亚洲国家的城市厨余垃圾年均可能从2.78×108t 增加至4.16×108t［3］。随着工业发展和城市化进程的不断加快，近年来我国厨余垃圾增长率已超过10%［4-5］。目前，大多厨余垃圾都随城市垃圾一起填埋或焚烧。虽然暂缓了垃圾围城的压力，但涌现出大量问题，例如废物处理成本上升、填埋空间不足、浸出液污染地下水、排放有毒和温室气体以及公共环境卫生问题等［6］。然而，厨余垃圾含水率高（75%～99%）、有机物浓度高（挥发性固体含量与总固体含量的比值达到0.8～0.9，即VS/TS 为0.8～0.9）、可生化性好，是非常理想的厌氧消化底物，具有极高的产甲烷潜力［7-8］。因此，越来越多的研究者选择利用厌氧消化技术来处理过量的厨余垃圾，从而达到废物利用和减轻环境压力的目的。

文献是研究成果的结晶，根据文献的研究方向和研究数量可以反映某一领域内的研究热点及研究进展，预示该领域近一段时期的发展方向，表征该项研究的地域分布情况［9］。蔡玮玮等［10］曾针对1992—2009 年间有机废物（厨余垃圾、污泥等） 厌氧消化产沼气的研究趋势进行了文献计量分析，王利红等［11］则针对1999—2010 年间厨余垃圾处理方式（堆肥、产生物柴油、产沼气、产氢、产乙醇等） 的相关文章进行了文献计量分析。近年来，有关厨余垃圾厌氧消化的发文量持续增长，研究的热点也有所变化，但是从文献计量角度研究其发展动态的报道相对较少。因此，本研究以1994—2018 年间厨余垃圾厌氧消化相关文献作为检索对象进行了计量分析，以便准确掌握该领域的研究现状及前沿动态，有助于科研工作者了解该领域在全球发展的整体情况，明确未来的研究方向。

2 数据来源与方法

ISI Web of Science 是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源。其引文数据库SCI（Science Citation Index），已成为国际公认进行科学统计与科学评价的主要检索工具。本研究的文献数据基于ISI Web of Science 中SCI 数据库， 以（food* waste* or food waste* or fruit* waste* or fruit and vegetable solid waste*or fruit and vegetable waste*or mixed fruit peel waste*or mixed food waste*or solid potato waste* or solid fruit waste* or solid vegetable waste* or vegetable market waste* or vegetable waste*or kitchen waste* or restaurant food residue or food beverage or food residue or food garbage or food rubbish or food trash or kitchen scraps） 和（anaero*or（biogas or methane）） 作为主题检索词，选用普通检索方式，对1994—2018 年间发表的文章进行检索，共获得4 306 篇文献信息。本次计量分析采用Ho［12］归纳出的文献数据分析方法，应用Microsoft Excel 2018 软件对相关数据进行处理，并对该领域的研究进行检索分析。

3 结果与讨论

根据统计结果分析，最终一共有10 种可被ISI收录的文献类型。其中，研究型论文（81.68%）是最常采用的文献形式，其次是综述（10.06%）、会议论文（7.39%）、会议摘要（0.33%）、编辑材料（0.16%） 等。本研究主要对检出的3 517 篇研究型论文进行统计分析，在对所有相关数据进行归类之后，将25 a 的数据进行分段，使用5 a 间隔（1994—1998 年、1999—2003 年、2004—2008 年、2009—2013 年、2014—2018 年） 对研究型论文的趋势进行分析，以最大程度地减少逐年波动带来的影响。

3.1 文献产出整体趋势分析

通过对3 517 篇研究型论文的发文语种计量分析得出，98.49%的期刊论文语言选用英语（3 464篇），其后依次为波兰语（16 篇）、葡萄牙语（14篇）、西班牙语（11 篇）、德语（2 篇）、日语（2篇）、捷克语（2 篇），以及汉语、法语、塞尔维亚- 克罗地亚语、克罗地亚语、土耳其语、俄语（各1 篇）。

图1 为1994—2018 年厨余垃圾厌氧消化相关SCI 文献发文量，由图1 可知有关厨余垃圾厌氧消化的研究在21 世纪得到了飞速发展。1994—1998年、1999—2003 年、2004—2008 年、2009—2013年、2014—2018 年，每5 年之间发文总数量分别为117、166、402、992、2 629 篇，增长率分别为41.88%、142.17%、146.77%、165.02%。从该数据中可以看出厨余垃圾厌氧消化工艺的研究从2004—2008 年间开始发展迅速，并在2004—2018年间依旧保持超过100%的增长率，说明由于厨余垃圾数量增长较快以及人类对能源和环境的迫切需求，厨余垃圾资源化的相关研究已成为全球化趋势，其中以厌氧消化为代表的处理技术依旧是全球范围内的研究热点。

此外1994—2018 年间，有关厨余垃圾厌氧消化研究的历年发文基本情况如表1 所示，篇均引文数量从1994 年的24.58 篇增加至2018 年的46.32 篇，增长幅度约为88.45%，可以反映出关于厨余垃圾厌氧消化的相关研究体系逐渐完整，文章结论的真实性和稳定性得到大家的广泛认可；同期每篇作者人数则从3.33 人增加至5.12 人，增长53.75%。论文长度基本保持稳定，平均篇幅为9.22 页。此外，1994—2018 年参与厨余垃圾厌氧消化研究的国家由15 个增加至76 个。由此也表明，厨余垃圾的资源化利用引起了全球范围内的关注，利用厌氧消化处理厨余垃圾的技术被广泛使用，同时科研机构进一步加深了对厨余垃圾厌氧消化研究领域的探索。

表1 1994—2018 年间的发文特征

3.2 主要国家及研究机构分析

通过对期刊论文通信作者所提供的地址及附属单位进行统计分析，得出了不同地区发文量分布情况。重新分类后，源于英格兰、苏格兰、北爱尔兰及威尔士的论文，归属地定为英国。对检出的3 517 篇研究型论文进行统计分析，结果显示，只有中国在厨余垃圾厌氧消化研究方向的发文量超过了500 篇，占全球总量的20.22%，达到711 篇。1994—2018 年厨余垃圾厌氧消化方向总发文量前5 位国家（中国、美国、印度、意大利、韩国） 每年发文情况如图2 所示。数据显示，在2012 年之前，各个国家的发文数量大致相当，增长趋势较为平稳，但发文量前5 位的国家在2012—2018 年发文数量增长率分别达到了542%、208%、291%、121%和225%。由此可以看出2012—2018 年中国在厨余垃圾厌氧消化方面的研究飞速发展。

图2 1994—2018 年发文量居前5 位国家的论文发表情况

通过统计论文作者（至少1 位） 所属单位，对不同研究机构发文情况进行分析。经统计，检出的3 517 篇论文共由2 758 个研究机构发表。其中，仅发表1 篇论文的机构有1 296 个（46.99%），发文量为2 篇及3 篇以上的机构数量分别为727个（26.36%）、735 个（26.65%）。

由表2 可知，发文量居世界前15 位的研究机构中，中国研究机构7 个（46.67%），韩国、瑞典、新加坡、丹麦、美国、马来西亚、日本、法国研究机构各1 个。清华大学、中国科学院、同济大学的总发文量位列前3 位，且总发文量均超过了100 篇，分别为144、122、121 篇。此外我国科研院校1994—2018 年间发文量居前10 位的机构分别是：清华大学（144 篇，1.49%）、中国科学院（122 篇，1.26%）、同济大学（121 篇，1.25%）、北京化工大学（97 篇，1.00%）、中国农业大学（96 篇，0.99%）、浙江大学（54 篇，0.56%）、上海交通大学（52 篇，0.54%）、哈尔滨工业大学（41 篇，0.42%）、江南大学（40 篇，0.41%），另外，北京科技大学、西安建筑科技大学、南京农业大学、湖南大学（34 篇，0.35%）。其中，中国科学院的各研究机构中，生态环境研究中心22 篇；广州能源研究所14 篇；城市环境研究所13 篇。从发文总量来看，居我国前10 位的机构总发文量全部为世界30 强，表明在厨余垃圾厌氧消化领域的研究中，我国的研究机构已经具备世界较强的实力。

表2 1994—2018 年发文量居世界前15 位的研究机构

3.3 相关学科及学术期刊情况分析

基于ISI 的期刊引用报告（JCR） 中的学科分类，近25 年内，有关厨余垃圾厌氧消化的论文共分布在99 个学科中。其中，检出论文涉及最多的学科按降序排列如下：Environmental Sciences&Ecology（环境科学与生态学，1 434 篇，40.77%）、Engineering（工程学，1 283 篇，36.48%）、Energy& Fuels（能源与燃料，1 128 篇，30.07%）、Biotechnology&Applied Microbiology（生物技术与应用微生物学，959 篇，27.27%）、Agriculture（农学，739 篇，21.01%）。上述5 个高产学科均为生物学、环境学的分支，发文量占该领域论文总数的75.70%。

此外，根据发文量及其所占百分比排名，得到1994—2018 年间世界范围内该领域前15 位高产期刊（表3），总计共占发文总数的47.74%。其中《Bioresource Technology》 发文量远领先于其他期刊。而由中国主办的期刊《Journal of Environmental Sciences》，在厨余垃圾厌氧消化领域总发文23 篇，排到了第31 位。影响因子通常用来评估同一研究领域不同期刊的相对重要程度［13］，但有时影响因子未必能判定某一期刊在该领域的影响程度。例如，《Environmental Science&Technology》2018 年的影响因子达到7.149，而在厌氧消化产沼气研究中，其重要程度相比《Bioresource Technology》《Water Research》《Applied and Environmental Microbiology》较差。

表3 1994—2018 年研究论文涉及最多的15 个期刊

3.4 关键词分析

统计分析关键词的目的在于寻找科学研究趋势，有助于研究者快速掌握科研动态。近几年，出现了可进行此项分析的文献计量学方法［14］，同时也开始利用高频词汇归纳研究热点［15］。本次研究共检出1994—2018 年厌氧消化产沼气领域3 577 个关键词，并将其进行计算与排名，最终分析得到30 个最常用高频词汇（表4）。其中，除“anaerobic digestion”“methane”“food waste”等主题检索词或者类似主题检索词外，“hydrogen”“co-digestion”“sewage sludge”相对其他关键词检索频率更高，从每5 年的分段排名可以看出，这3个关键词的排名基本维持在所有关键词的前11名。由此可以说明，在过去的25 年间利用厨余垃圾发酵产氢，以及利用厨余垃圾与污泥进行共发酵的研究持续受到关注，并有继续成为研究热点的趋势。此外，“microbial community”“ life cycle assessment”“pretreatment”从1994—1998 年不被关注到2014—2018 年排名分别升至第7、8、19名，保持了飞速增长的趋势，说明微生物群落、生命周期评价和预处理在厨余垃圾厌氧消化方面逐渐成为热点研究，也说明大量的研究人员将关注点逐渐转移到机理研究上，厨余垃圾厌氧消化方向的研究正在逐渐趋于成熟。此外，利用厨余垃圾厌氧消化产甲烷、产氢、产挥发性脂肪酸、产乙醇以及产乳酸的历年发文量如图3 所示，其中，厌氧消化产甲烷从2007 年之后飞速发展，热度持续攀升，产氢、产挥发性脂肪酸、产乙醇以及产乳酸的研究趋势相对比较平稳。

表4 1994—2018 年检索频率居前30 位的关键词

续表4 1994—2018 年检索频率居前30 位的关键词

图3 1994—2018 年厌氧消化不同产物的发文量趋势分析

4 厨余垃圾厌氧消化研究动态

厨余垃圾被认为是未来绿色能源的原料，且以其丰富的营养物质特点，可作为很好的厌氧消化底物，厌氧消化技术已广泛应用于工业和农业废物的处理，具有较好的经济前景。厨余垃圾中的油脂和盐分等对厨余垃圾厌氧消化有很大的影响。我国的厨余垃圾中油脂含量达到5%～20%、盐含量达到0.8%～1.5% （以VS 计）［1］。目前阶段，厨余垃圾脱盐技术受限，而脱油技术往往以分离回收制作生物柴油为主，这种方法对技术要求较高，且处理过程繁琐，因此在实际工程中常被忽略，从而导致高含量的盐和油脂进入发酵体系。此外从不同底物的化学方程式可以看出，餐厨垃圾中的油脂含量对甲烷的产生量有重要的影响（图4），因此探索油脂和盐分含量对于厨余垃圾厌氧消化的影响，以及最佳的厌氧消化工艺参数对实现规模化沼气工程具有重要意义。此外厨余垃圾生物炼制也受到了广泛的关注，将厨余垃圾分质处理，以梯级利用的方式提高底物降解率和产品价值，通过发酵制乳酸、乙酸、己酸等，其发酵残渣再产甲烷，实现产品多元化和高值化。

图4 厨余垃圾厌氧消化生物分解反应［16 ］

针对厌氧消化的研究机理，直接种间电子传递、同位素示踪、分子生物学等方法也得到了广泛的应用。直接种间电子传递：Fe2O3可以显著提高微生物细胞间的电子传递速率，促进蛋白质和腐植酸样物质的分泌，从而提高COD 的去除率，促进甲烷化进程［17］。同位素示踪：将底物的12C替换为13C，通过分析转化过程中13C 的轨迹，可以清晰地掌握底物的转化过程。分子生物学：从基因的角度入手，通过分析厌氧消化体系中的微生物群落变化，研究不同体系的差异。

通过文献计量的关键词分析（表4） 也可以看出，近20 年来，厨余垃圾厌氧消化的底物预处理、共发酵、防止酸化抑制等仍然是研究热点，一些新的研究方向也受到了研究者的关注。近年来涌现出许多厨余垃圾预处理的方法，如乙醇预发酵，可将大部分碳源转化为中性分子乙醇，不仅促进底物的水解，还可减少有机酸的生成，防止系统酸化，并使乙醇起到“缓释乙酸”的作用，从而显著提高厨余垃圾甲烷发酵系统的稳定性。但各种研究大多处于实验室研究阶段，对于未来的规模化工程应用存在一定的局限性。厨余垃圾共消化可以有效平衡系统中的C/N，与污水处理厂剩余污泥共消化的研究不仅可以帮助回收能源，而且可以降低污泥的排放量，需要进行进一步的研究以确定大型共消化系统的最佳运行参数。且尚需解决沼气提纯的一些关键技术，从而进一步降低商业化利用的成本。

5 结论

本研究采用文献计量学方法对1994—2018 年间厨余垃圾厌氧消化领域的整体研究趋势进行了统计分析。结果表明，随着世界经济的发展、能源危机的爆发以及对环境影响的重视，厨余垃圾厌氧消化的相关研究已经引起了世界范围内的关注。更多国家及其科研机构参与其中。统计时间范围内，中国的发文量最多且占全球总量的20.22%，其次是美国和印度。研究机构方面，清华大学、中国科学院、同济大学的总发文量位列世界前3 名。环境科学与生态学、工程学、能源与燃料等相关学科是厨余垃圾厌氧消化研究的主流领域。 《Bioresource Technology》 领先于其他学术期刊，发文量居首位。通过对关键词的分析，产甲烷、共消化、微生物群落、挥发性脂肪酸、生命周期评价和预处理等在未来的研究中有继续成为研究热点的趋势。