污泥制砖研究现状与热点——基于科学知识图谱的可视化分析

焦点 王俭 李鑫 王芷馨

（辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036）

1 引言

随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水处理效率及处理深度不断提高，污泥的产生量不断增长［1］。大量未经处理污泥的排放，对环境造成了新的污染及再污染问题。如何实现污泥的无害化处理，解决其造成的污染，是目前我国污水处理厂面临的一大难题。目前，填埋法和焚烧法是处理污泥的主要方法，但是污泥中含有病原菌、重金属和不易降解的有机污染物，如果以填埋法处理，不仅污泥本身会产生恶臭，这些污染物还会渗透进周围的土壤以及水资源中，造成环境污染，并且填埋会占用大量土地，并非长久之计［2-3］。

污泥处理应遵循“减量化、无害化、资源化”的原则，将污泥作为原料制砖，是焚烧法的主要方式，综合利用污泥制砖，能很好地解决污泥处置问题，是可持续发展的必然趋势。利用污泥制砖，不仅处理了污泥，将污泥中的重金属封存在了砖中，还可以将污泥中的有害细菌杀灭［4］，而且利用污泥制备的砖没有异味，砖质轻，孔隙多，具有降噪隔热的效果。此外，污泥中还有一定量的可燃物，可以减少烧砖过程中的燃料消耗，降低成本。与其他方法相比，污泥制砖能够产生较显著的经济效益，具备广阔的发展前景。近年来，国内外有关学者对污泥制砖的研究逐渐深入，对于污泥制砖过程中产生的有毒有害物质进行了测定，探究了相应的处理方法［5］，促进了污泥处理研究的发展。各类文章的发表量逐年递增，但其内容多、涉及面广，且多是定性分析，系统的定量分析极少。因此，本文试图通过文献计量学的方法，对污泥制砖领域的相关研究进行定量的分析，系统性梳理污泥制砖研究的发展现状，并探讨其未来走向。

2 分析方法

本文数据来源于Web of Science 核心合集数据库，采用高级检索式：TS＝（sludge AND brick）进行检索，检索时间为2021 年10 月15 日，共得到文献665 篇。在此基础上，利用Web of Science 文献检索报告及计量可视化工具VOSviewer，绘制了年度发文被引、作者合作共现及关键词聚类网络等可视化图谱，全面梳理了污泥制砖的研究热点及发展趋势，能够为国内外研究工作提供借鉴和参考。

3 结果分析

3.1 年度发文分析

1900—2021 年，污泥制砖的研究领域一共发表665 篇文章，总被引频次为11 441 次，篇均被引频次为17.20 次，其年度变化趋势见图1。

图1 Web of Science 数据库中1900—2021 年污泥制砖研究相关文章的年度变化趋势

关于污泥制砖的相关研究始于1984 年，自1996 年后该领域内的文章开始逐年增多，这与全球关注污泥处置问题的出现密不可分。如图1 所示，除了个别年份的发文量出现波动以外，污泥制砖领域的文章是逐年递增的，且近几年发文量出现激增的态势。从总体上看，发文量的整个变化过程可以分为3 个阶段：1984—1996 年是污泥制砖研究的发展初期，随着全球人口增加和全球工业的迅猛发展，生活废水和工业废水处理量急剧增加，污水处理后产生的污泥该如何处置的问题逐渐显现，该问题开始受到相关学者的关注，关于污泥制砖的文章也开始发表，但此阶段的文章数量不足20 篇，平均1 年发表1～2 篇文章，没有明显增长趋势。1996—2015 年处于起步阶段，开始有更多学者进行该领域的研究，发文量逐年增加，从2 篇（1996 年）增长到36 篇（2015年）。2015—2021 年关于污泥制砖的研究飞速发展，论文数量显著增加，增长速度快于上个阶段，并在2020 年达到74 篇。至10 月15 日，2021 年该领域发文量为72 篇，增长不多，可能由于污泥制砖技术遇到了瓶颈，需要科研人员投入更多精力研发出新的技术。近年来，污泥处理问题已经成为我国乃至世界关注的重点，各国、各地方都出台了相关政策［6］，关于污泥制砖的研究定会突破瓶颈，越来越深入，发文量也会逐年增加。

被引频次总体上看呈逐年增高的趋势，这是任何发展中的研究该有的表现。值得指出的是，2016年该领域发表了45 篇文章，共计被引频次为1 008次，为整个阶段中最高的年份，说明2016 年的研究具有突破性，之后的研究大多是在2016 年研究成果的基础上进行的。

3.2 国家发文分析

污泥制砖领域发文量前10 位的国家如图2 所示。中国、巴西、印度和西班牙在该领域的发文量与总被引频次均排在前列。发文总量最多的是中国，在1900—2021 年间共发表文章128 篇，总被引频次为2 286 次，平均每篇被引17.85 次。对于国家篇均被引频次，英国的篇均被引频次高达53.30 次，位列第一，说明在污泥制砖领域英国发表的文章比较有权威性和代表性，质量较高。此外，西班牙及印度紧随其后，其篇均被引频次分别是29.31，20.97 次。值得指出的是，虽然中国在该领域发文及总被引频次均位于首位，但其篇均被引频次仅为17.85 次，排名第6 位，这表明中国在此领域的学术影响力仍有待加强。

图2 1900—2021 年污泥制砖研究领域发文量前10 位的国家

3.3 发文机构分析

表1 展示了1900—2021 年污泥制砖研究领域发文量排名前10 位的机构。Univ Jaen（西班牙哈恩大学）以24 篇的发文量位居高产机构的榜首，发文量在15 篇以上的还有RMIT Univ（皇家墨尔本理工大学）（21 篇）、Univ Tun Hussein Onn Malaysia（马来西亚敦侯赛因翁大学）（19 篇）、Bartin Univ（巴尔廷大学）（18 篇）。Univ London Imperial Coll Sci Technol＆ Med（伦敦大学帝国理工学院）发文量虽不是很高，但篇均被引频次却高达84.90 次，位列第一。此外，CSIC（西班牙国家研究委员会）篇均被引次数也较高，为37.77 次。

表1 1900—2021 年污泥制砖领域发文量前10 位的机构及被引情况

3.4 作者发文及合作关系分析

图3 展示了1900—2021 年Web of Science 核心合集数据库中污泥制砖研究领域前10 位的高产作者。其中，发文量最多的作者是Mohajerani A，共发表文章14 篇，总被引频次为309 次，篇均被引频次为22.07 次；其次是Eliche－quesada D，发表文章13 篇，总被引频次为506 次，篇均被引频次为38.92次；所有高产作者中，发文篇均被引频次最多是Corpas－iglesias FA（40.50 次），其发文量为10 篇，总被引频次为405 次。Eliche－quesada D（13 篇）发文量虽然略低于Mohajerani A（14 篇），但其总被引频次位列第一，篇均被引频次位列第二，可以看出，Eliche－quesada D 是污泥制砖领域的领军人物。发文量前10 位的作者发文量均在8 篇以上，一共发表了113 篇文章，占该领域发文量总数的17.0%，说明该领域主要依赖于少数作者的深入研究，其发展程度相对不足，亟待进一步提升。

图3 1900—2021 年污泥制砖研究领域前10 位的高产作者发文及被引情况

图4 展示了1900—2021 年相关领域研究发文前30 位作者的合作共现图谱。由图4 可以看出，在污泥制砖领域，各学者主要以团队方式进行研究合作，每个团队内作者联系紧密，其中，2 号团队和3号团队较为独立，而1 号团队和4 号团队重复部分较多，表明其合作更为密切。发文量靠前的Mymrin V和Avanci M A 处在合作共现图谱中间的位置，表明这两位作者与不同团队均有合作，是各个团队合作研究的中心人物。

图4 1900—2021 年污泥制砖领域研究作者合作共现图谱

3.5 刊载期刊及高被引论文

表2 展示了Web of Science 核心合集数据库中该领域载文前10 位的期刊。由表2 可知，对于污泥制砖的研究，发文最多的期刊为Construction and Building Materials，发文量为77 篇，占污泥制砖领域全部研究的11.58%，总被引频次为1 840 次，篇均被引频次为23.90 次。Waste Management 的篇均被引频次为45.30 次，在高发文期刊中位列第一。此外，发文量前10 位的期刊中，除了Water Science and Technology，其他期刊影响因子均大于3，具备较大的影响力，说明污泥制砖的相关研究处在科技的前沿。

表2 1900—2021 年污泥制砖研究领域代表性期刊发文量及被引情况

1900—2021 年污泥制砖领域总被引频次前10位的论文见表3。从表3 可知，污泥制砖领域排名前10 位的高被引论文均在高水平期刊上发表，其中，Construction and Building Materials 和Journal of Cleaner Production 均发表了2 篇文章，其余期刊各发表了1 篇文章。该领域内单篇被引频次最高的是2013 年发表在Waste Management 上的Recycling and recovery routes for incinerated sewage sludge ash（ISSA）：A review［7］，总被引频次达258 次，年均被引频次（28.67 次）也位列第一。该文章阐述了污泥焚烧之后产生的灰分不仅可以用作烧结砖、瓷砖和铺路机中黏土的替代品，还可以用作制造轻质骨料的原材料，而且由于污泥灰分中磷酸盐含量与低品位磷矿的含磷量相近，如何从污泥灰分中资源高效地回收磷酸盐，也成为需要进一步研究的方向。这表明，污泥制砖已经不仅仅局限于把污泥全部制成砖，还可以将污泥灰分中的有价值部分回收利用，然后将剩余材料制砖。这10 篇文章中，发表最早的是2003 年刊登在Advances in Environmental Research的Utilization of sludge as brick materials［8］。该文章的作者Weng C H 等认为，污泥配比和烧成温度是决定砖质量的2 个关键因素。污泥含量的增加导致砖的收缩率、吸水率和抗压强度降低；砖在烧结前后的失重主要归因于烧成过程中污泥中有机物的燃烧。最近发表的高被引论文是2016 年Ahmad T 的Sustainable management of water treatment sludge through“3R”concept［9］，文章介绍了水处理污泥的物理化学特性及其对环境的毒性，并探讨了污泥应用的各种选择。

表3 1900—2021 年污泥制砖领域总被引频次前10 位的论文次

3.6 研究热点主题

图5 展示了污泥制砖研究领域的关键词共现图谱，圆圈代表关键词的节点，圆圈越大代表关键词出现的频次越高，节点连线代表关键词的共现关系，不同编号代表不同聚类。由图5 可知，关键词可以分为3 个聚类群。

图5 污泥制砖研究领域文献的关键词共现网络图谱

（1）1 号聚类：主要以剩余污泥、黏土、水泥、温度、管理及再利用等关键词为核心进行连接。此聚类主要研究剩余污泥的管理及再利用等内容，提出了将污泥与黏土作为原料制砖的新思路。事实上，利用污泥制砖可以很好地防止二次污染，达到减量化、无害化和资源化的目的，解决剩余污泥过量问题。在污泥制砖的过程中，各研究对污泥进行了不同方式的处理制作烧结砖，如利用干化污泥直接制砖、利用污泥焚烧灰制砖或者利用湿污泥制砖。不仅可以利用污泥制作烧结普通砖，还可以制作渗水砖、免烧砖、路面砖、地砖以及轻质节能砖［10］。此外，相关研究也表明，烧成温度的高低同样影响砖的性能。翁仁贵等学者研究发现，虽然砖体抗压强度会随着烧结温度的提高而增加，但是温度过高反而会使砖体出现裂痕，砖体强度降低［11］。

（2）2 号聚类：主要以粉煤灰、混凝土、强度、制造及耐久性等关键词为核心进行连接，重点关注掺杂材料对污泥砖体结构及其物理性能的影响。GB/T 5101—2017《烧结普通砖》对砖体强度及外观质量提出了相应的要求，因此，污泥制砖应着重考虑砖的强度及其耐久性。为提升污泥砖的物理性能，实现资源的回收利用，学者们在污泥砖中掺杂各种材料，如甘蔗渣、谷壳灰、煤矸石、铁尾矿、黏土、生活垃圾焚烧后产生的底灰等［12-14］，以改变污泥砖的微观结构，提升其物理性能，从而使其强度及耐久性达到实际应用的要求。使用不同原料、配比同样也会对成品的品质有很大影响［15］。大量试验研究表明，随污泥掺量的提高，煤矸石砖的抗压强度逐渐降低［16］。此外，煤矸石的可塑性不及黏土，所以制砖时常常需要加入一定量的黏土，以满足制坯时对可塑性的需要［17］，也有的试验加入页岩充当黏合剂［12］。

（3）3 号聚类：重点以污泥、废物、灰、砖、残留、重金属、陶器、玻璃、稳定等关键词为核心。该聚类主要关注废弃污泥制砖过程中产生的灰分及重金属等污染的稳定化处理。由于污泥中含有大量的有机物，污泥砖烧制过程会产生大量有害灰分，灰分中还会残留重金属，排入大气会造成大气污染［18］。因此，可以在制砖前采取相应措施对污泥中的重金属进行稳定化处理，以减少成品砖内重金属的析出量，防止二次污染的产生，还可以对污泥砖烧结过程中产生的灰分进行收集处理。在实际生产中，污泥不仅可以作为制砖的原材料，还被广泛用于陶制品及玻璃制品的生产［19］，这对于污泥的资源化利用同样具有重要意义。

4 结论

污泥处理应遵循“减量化、无害化、资源化”的原则，综合利用污泥制砖，能够很好地解决污泥处置问题，是可持续发展的必然趋势。污泥制砖研究领域的发展主要分为萌芽阶段（1984—1996 年）、起步阶段（1996—2015 年）、快速发展阶段（2015—2021 年）3个阶段。自2015 年起，发文量呈指数式增长，2015—2021 年间的发文量约占研究期内总量的61.4%。相关研究多刊载在Construction and Building Materials，Journal of Cleaner Production 及Waste Management等高水平期刊上，具备较高的学术影响力。

利用污泥制作烧结砖，过程及工艺较简单，实现方式容易，不仅处理了污泥，将污泥中的有害病菌杀灭，还可将污泥中的重金属封存在了砖中，从根本上防止污泥利用的二次污染，达到减量化、无害化和资源化的处理目的。其研究内容主要集中在剩余污泥的管理及再利用方式，重点关注了掺杂材料对污泥砖体结构性能的影响及制砖过程中产生重金属污染等问题的处理。各研究主题之间联系十分密切，具备较强的关联性和互补性。其研究主题可以分为3 个方面：（1）污泥制砖原材料的选择和配比。随着污泥的增加，污泥砖原料中有机质增多，高温烧结过程中产生的气体挥发导致砖体微孔增多、结构疏松，使烧结块吸水率和显气孔率明显上升，而且外观出现较为明显的裂纹，造成抗压强度下降［12］；对于含煤矸石的污泥砖，随着煤矸石粒度的增大，砖孔隙度增大，颗粒堆积疏松，导致砖密度减小，抗压强度减小，吸水率增大［20］。使用钢渣制砖时，在胶凝材料用量不变的情况下，钢渣添加量增加，钢渣砖的强度也随之增加。从质量角度考虑，建议用量在35%～45%之间较为适宜［21］。（2）污泥砖的抗压强度、抗折强度等性能。成品砖应满足GB 13544—2011《烧结多孔砖和多孔砌块》［22］、GB/T 13545—2014《烧结空心砖和空心砌块》［23］和GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》［24］标准要求。（3）污泥制砖后产生的污染。污泥砖烧制过程中产生的烟气，应经离心风机送入干燥室，作为干燥介质干燥湿坯，废气再经风机抽出，采用石灰法湿法脱硫除尘处理［25］，还应对污泥砖进行重金属析出实验研究。

此外，污泥制砖仍存在掺杂量低、砖体性能差、制作方式混乱等问题，未来研究重点应放在以下几个方面：一是提高污泥砖中污泥掺量，提高污泥砖的污泥处置效率。现阶段污泥砖烧制时干化污泥掺入量一般不超过30%，污泥掺量低意味着制作污泥砖处理的污泥量少，主要是因为污泥砖在烧结过程中，污泥中的有机物燃烧产生气体，使得污泥砖孔隙率大，强度低。可以在制砖之前，将污泥进行预处理，例如可以将污泥焚烧，将有机物提前燃烧处理掉。除此之外，还应深入研究污泥砖的原料配比，探究出污泥掺量更大的材料配比，增大污泥处理量。二是提高污泥砖性能和性价比［26］。目前污泥砖性能和性价比与市面上已经存在的商品砖还有一定的差距。以目前的研究水平，污泥砖的抗压强度和抗折强度还不及现有的商品砖，而且每块污泥砖的成本是普通烧结砖的3倍左右，售价更高。因此，为了解决这些问题，应开发一些改性剂如熔融性原料等，改善污泥砖性能。除此之外，需要政府部门依据环保要求，出台相应补贴政策，使污泥砖能够真正投入到生产生活实际。三是建立统一的污泥砖标准。现阶段缺乏统一的污泥砖制作标准，致使污泥砖制作方式混乱，监测手段及数据不一致，没有对比性。应建立统一的污泥砖标准，以规范污泥砖行业的健康发展［10］。