农村污水处理技术的研究现状及新兴趋式的可视化分析

袁东日 解清杰 周君立 蔡攀攀

（1.上海轩浦净化科技有限公司，上海 201108；2.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212000）

0.引言

现今农村污水成为我国农村环境污染的主要因素，对农村的水环境有着重要的影响，该类污水主要由餐厨废水、洗衣废水、淋浴用水、厕排废水以及家禽养殖废水等构成。农村污水的不合理处置，不仅会对农村生态环境产生危害，还约束着农村经济的发展。因此，社会主义新农村建设这一方针的提出，为我国广大农村的环境改善和经济发展指明了方向和道路，而要实现社会主义新农村这一美好愿景，就需要提高对农村污水治理技术和治理现状的科学认识，所以对当今农村污水治理技术的研究现状和新兴趋势进行可视化分析体现着极大的重要性。

农村污水相比于城市污水，具有其不同的特点，极大程度上影响着农村地区的经济、社会以及医疗服务。就影响区域而言，基于当今世界城市化发展水平，农村污水的污染面积广阔，具有来源多、较分散且不易收集等特点；就水质成分而言，农村污水的成分更为复杂，国内不同地区的农村污水差异较为显著，另外，农村污水具有较高的悬浮物、氮磷、有机物浓度。就污水水量而言，农村一般比城镇要低，高寒地区用水量低于平原丘陵地区。但由于经济发展水平的限制，农村地区和高寒地区缺乏相对完善的运输和处理系统，使得该地区的污水处理率比城镇低得多。未经处理的污水沿道路和农田的边沟流入附近的水体，造成水体污染，从而直接对水环境产生污染，威胁到周边饮用该水居民的身体健康。

截至目前，已经有众多科研人员对于农村污水处理技术的发展作出了巨大贡献。在研究方面，澳大利亚的Brian Mackney曾于1904年[1]首次提出了人工湿地的概念，并指出了该法用于水质净化的优异性。美国学者Spector在1975年开发出A2/O组合工艺，可有效防止了农村污水生化处理过程中产生的污泥膨胀问题。浙江杭州市环境保护公司和浙江大学[2]联合开发出WSHA生活污水厌氧达标处理技术与工艺，该技术于1999年被国家环保总局评为国家重点环保实用技术推广项目。此外，在应用方面，四川省环境保护局曾因地制宜、结合不同地方的区域特点，分区、分类、分级地引入了8种适合本土应用的农村生活污水处理技术。它们分别为：人工湿地与景观集成处理工艺技术、WSHA生活污水厌氧达标处理技术与工艺、生物流化床与生物滤床复合式污水处理技术与工艺、一体化A/O(A2/O)设备处理技术与工艺、厌氧生物滤池―氧化塘―人工湿地复合处理技术与工艺、“双池”模式处理技术与工艺、厌氧沼气池处理技术与工艺、农家乐“厌氧―人工湿地组合”。

正是由于农村污水处理的紧迫和艰难，越来越多的科研工作者对该环境问题进行了深入研究。所以对农村污水处理领域的科学研究进行可视化分析，有利于揭示农村污水处理技术的研究现状以及新兴趋势。综合上述观点，本文以中国知网（CNKI）为数据源，利用信息可视化软件CiteSpace，生成机构合作网络、作者合作网络以及关键词共现网络并对其进行分析，获得了比较客观准确的数据结果。

1.数据来源和研究方法

1.1 数据来源

本文的数据来源主要基于CNKI数据库，时间跨度为2000―2019年，文献类型为期刊，以“农村污水处理技术”作为主题词进行主题检索。于2019年7月14日检索到该主题中文文献1855篇，经过手动排除获奖展示、会议通知等检索项并且除重后，剩下的研究类文献共计1310篇。由于CNKI数据库的技术原因导致的局限性，下载的题录并没有包括相关参考文献。因此，文献共被引分析，期刊共被引分析以及作者共被引分析在本文中没有提及，所下载的文献题录包含的信息有作者、标题以及来源出版物等。

1.2 研究方法

本文运用科学计量法，绘制了对应的科学知识图谱，从而了解农村污水处理技术的研究状况。CiteSpace是通过可视化分析的方法来把握科学知识内在的规律和结构的工具。将有关文献经过CiteSpase可视化分析后导出文献共被引图和关键词共现图，能够科学地分析出该研究领域一定时段内的发展现状和趋势，以及前沿领域的发展脉络。

2.结果

2.1 年度论文分布情况

从CNKI（中国知网）数据源核心期刊年度分布情况中，可以很清晰地了解到，出版物数量从进入21世纪后，其数量在整体上呈现上升的趋势（如图1所示）。在2000―2003年期间，相关文献的发表数基本为零，但此后的年均出版物迅速增长。特别是自2014年以来，期刊年均出版数均超过了100份。近两年的年出版物数量更是突破了180份大关，这一数据表明，已经有越来越多的学者开始关注农村污水处理技术的相关研究。

图1 2000―2019年间发文数量的分布情况

2.2 机构分析

通过对CNKI（中国知网）导出的机构发文数量进行分析了解到，2000―2019年间我国众多高校和研究机构在农村污水处理技术研究领域做出了大量贡献。由图2可知，众多机构中发文数量最大的是中国科学院生态环境研究中心（Chinese Academy of Science），其发表的与该研究领域有关的论文有13篇。北京市水利科学研究所（9篇）、住房和城乡建设部农村污水处理技术北方研究中心（7篇）和清华大学环境科学与工程系（7篇）以及环境保护部华南环境科学研究所（7篇）的发文量分居2～5位。

图2 农村污水处理技术研究的机构共现网络（2000―2017）（CNKI）

该图显示，国内高校和政府研究机构在农村污水处理技术研究方面取得的成果要明显多于企业研发中心，这一现象可以归因于更密切的科研合作，更高效的政策鼓励和更多的资金投入。此外，国内高产机构需加强彼此之间的交流合作，促进中国农村污水处理技术研究的发展。

2.3 作者分析

由CNKI（中国知网）所导出的数据可知，就发表的论文数量而言，农村污水处理技术研究中最高产的作者是范彬（13篇）和李冠杰（11篇），其次是吴迪，吴德礼，王军，高贤彪和张亚雷（均为6篇）。从CiteSpace创建的作者合作网络图谱可以看出（如图3所示），虽然在高产作者之间整体合作的密切度不高，但是可以清楚地了解到从事该研究领域的主要科研团队，例如范彬和李冠杰团队、吴迪和高贤彪团队、吴德礼和张亚雷团队。该分析能够给相关研究人员了解重要的作者信息提供参考。

图3 农村污水处理技术研究的作者合作网络（2000―2019）（CNKI）

2.4 关键词分析

在关键词的共现网络中（如图4所示），节点大小代表了关键词出现频次（CF）的高低。关键词所在的节点越大，代表其出现的频次越高，也即所受到的关注程度越高。而具有高度中心性（BC）的节点是沟通其他多个节点的“桥梁”，充当着媒介者的作用[3]。因此，同时具有高的出现频次和中介中心性的节点的关键词是农村污水处理技术研究领域的热点话题。对分析结果影响较小的节点（如：农村生活污水、农村污水、农村等）进行去除，同时对节点按其重要性进行排序。表1列出了CF×BC数值排名前10的关键词。结果表明：农村污水处理技术研究领域中，影响力重大的关键词分别为人工湿地、污水处理设施，其频次×中心度分别为28.98、10.29。由此可知，从关键词的方面来看，目前农村污水处理技术研究领域的热点是对人工湿地的应用和污水处理设施的开发。

图4 农村污水处理技术研究的关键词共现网络（2000―2019）（CNKI）

表1 农村污水处理技术研究领域中CF×BC值排名前10的关键词(2000―2019) （CNKI）

CiteSpace同时可以探索突发关键词，并且对其突发强度和突发历史进行分析。表2中归纳了突发强度位于前10的关键词。其中突发时间较近的关键词可以被视为新兴趋势，由于这些关键词突发程度强烈，就意味着在某个时间段内对某个特定领域的研究兴趣急剧增加。因此，“高寒地区”这一关键词具有重要意义，可用于揭示和研究新兴趋势：高寒地区农村污水处理技术的研究。

表2 农村污水处理技术研究领域中突发强度排名前10的关键词(2000―2019) （CNKI）

3.讨论

3.1 研究热点

3.1.1 人工湿地在农村污水处理上的应用

本文从关键词的CF×BC值的角度揭示了农村污水处理技术的研究热点，这使得得出的结论更加严谨。如上文所述，党的十六届五中全会提出建设“社会主义新农村”以来，农村污水处理问题得到了广泛的关注。

人工湿地经由人工修建控制与管理，使污水通过一系列物理化学作用，其中的营养物质被吸收转化而得到处理，最后按期对湿地植物进行处理，达到湿地生态系统的循环往复，从而去除净化水体中的污染物。我国正式开始着手研究人工湿地工艺是在1990年左右，北京昌平建立起第一座以污水治理为目标的自由表面流人工湿地[4]。而后的深圳石岩人工湿地，利用高效垂直流人工湿地系统不仅使水质得到净化，还具有结构灵活、占地面积小、不易造成堵塞等优点，同时极大地提高了污水处理量。影响湿地作用效果的因素主要包括湿地基质填料种类与级配、植物种类和温度气候变化等。

就实际工程效果而言，王凯军等于2008年[5]进行垂直流与潜流复合湿地用于农村灰水治理的研究时，经过分析发现垂直流湿地硝化作用明显，而潜流湿地由于在其内部形成了厌氧区域，导致其反硝化作用有明显的加强。运用该组合对农村灰水处理，其COD和TN的平均净化率可达70%与99%。

3.1.2 污水处理设施的开发

由关键词的CF×BC值分析可知，污水处理设施的开发为农村污水处理技术领域的另一研究热点。近年来，农村经济的发展使得生活污水排放源和排放量不断增加，机械化处理的手段已成为完善农村基础建设的重要标志之一。

农村污水处理设备，是一种能有效处理农村生活污水，产业废水等的工业设备。主要类型包括：离心机、污泥压缩机、曝气机、气浮机、微滤机、膜生物反应器等。与城市污水处理设施相比，由于处理水量的差别，在设计尺寸和材料应用等方面均具有一定差别。2009年，蔡亮等[6]人基于北京市郊区农村生活污水，对重力出水式膜生物反应器的最适运行参数开展了研究，并取得了良好的效果。2011年，魏翠霞[7]等人结合实际工程案例，就气浮过滤池应用于西北农村地区的水库水净化进行了探讨，为当地农村饮用水的来源开辟了新的途径。另外，研究表明当前农村缺乏配套的剩余污泥处理设备和设施。因此需要由相关法律法规引导，研发出适合农村小型污水处理设施的污泥处置及资源化利用的设备和模式，优化农村污水处理设施的剩余污泥处理的配套建设。

3.2 新兴趋式

3.2.1 高寒地区农村污水处理技术基本状况

由突发关键词分析可知，高寒地区农村污水处理技术的研究是目前该领域研究的新兴趋式。我国包含缺氧地区主要有西藏自治区、新疆南部、甘肃西南部、青海及四川西部等大片地区。由于该区域受高寒缺氧气候以及落后的经济条件的影响，同时缺乏相关的技术管理人员，导致其存在污水处理能耗高、处理效率低、适应性差、管理复杂等普遍问题！考虑到以上限制因素，高寒地区农村污水处理领域出现了拥有使用较低建设费用，同时达到较好的处理效果，能耗低，易维护等优点的处理技术。

3.2.2 高寒地区农村污水处理技术的研究

在昼夜温差大的气候条件下，对高寒缺氧地区农村污水的相关研究中，用于脱氮、除磷的工艺主要包括：A2/O工艺、SB系列改进工艺、氧化沟系列改进工艺[8]。在特定的运行条件下，对上述工艺技术的合理使用，不仅能实现污水的高效地净化这一基本需求，还可以较好地适应该区域的环境和气候条件[9]。近年来，不少学者对高寒地区新型污水处理技术的应用开展了大量探索。例如，杜甫义等[10]以拉萨市林周县温室型多介质人工湿地示范工程为基础，对比分析了不同湿地植物配置系统(T1-T4)下芦苇、黑三棱和水葱3种水生植物的生长特性以及各湿地系统对COD、NH+4-N、TN和TP的去除效果，进而优化了湿地植物配置，提高了人工湿地系统的去污能力。张斌等[11]针对高寒地区污水处理设施运行过程中出现的问题，在现行工艺基础上进行改良，提出了改良型A2/O工艺，该工艺实现了一体化结构、低溶氧、高污泥浓度、大表面积曝气、大回流比循环等技术改进。取得了良好的净化效果。在中国政府对环境保护和污染治理高度重视的大环境下，由于高寒缺氧地区特殊的政治、地理环境，高寒地区农村污水处理技术的研究在将来仍然是科学研究的新兴趋式。

4.结论

本文从文献计量的角度阐述了农村污水处理技术的研究现状与新兴趋式。揭示出全国范围内农村污水处理近16年来研究热度呈不断上升的趋势，中国科学院生态环境研究中心是从事农村污水处理技术研究的高产机构。同时，本文总结了在国内农村污水处理技术研究领域的有影响力的科研团队和个人。由关键词共现分析和突发性分析可知，人工湿地的应用和污水处理设施的开发是当前研究的热点，高寒地区农村污水处理技术的研究是当前领域出现的新兴趋式。