隨著社會經濟的發(fā)展及人類對自然資源的耗竭, 資源回收利用越來越受到國際社會的重視。其中, 廢水資源化作為資源回收利用的一個方面, 已成為環(huán)境工程領域重要的研究方向之一。為了深入了解目前廢水資源回收技術的研究現狀, 及時把握其發(fā)展新動向及其前沿, 采用文獻計量學的方法可以獲得最有價值的信息。

文獻計量學最早由Pritchard^[1]提出, 隨著各個學科的發(fā)展, 對于文獻計量分析的需求也越來越多。近年來, 文獻計量學廣泛應用于各研究領域已發(fā)表學術論文的統計研究中, 以便對當前研究和未來研究方向有具體的了解和認識^[2]。目前, 利用文獻計量學的方法對環(huán)境相關領域研究狀況的分析包括長江中下游河湖濕地研究^[3]、中國生態(tài)脆弱性^[4]、我國碳排放^[5]、氣候政策建模研究^[6]、清潔生產^[7]、土壤重金屬污染^[8]和焚燒技術^[9]等。

科學引文索引(Science Citation Index, SCI)來自美國科學信息研究所(Institute for Scientific Information, ISI)的網絡科學數據庫(Web of Science Databases), 是文獻計量學分析中最重要和最常用的源數據庫^[10]。本文采用文獻計量學方法, 利用SCI收錄的廢水資源回收領域相關文獻數據進行統計分析。

本文基于科學引文檢索擴展版(Science Citation Index Expanded, SCIE)基礎進行統計分析。

通過擬定廢水資源回收主題, 選取該領域被引率較高的幾篇綜述文章以便對該領域有一定了解, 在此基礎上, 利用資源(resource or material* or energy or heat)、回收(reclamation or reuse or recovery or recycl*)、廢水(wastewater or sewage or effluent)等關鍵詞之間的組合限定, 寫出總的檢索式(見附錄)。根據檢索式, 檢索出11468篇文章, 利用SCI提供的Analyze Results系統、Excel透視表、Endnote軟件和ucinet軟件進行統計分析, 包括全球論文發(fā)表數年度變化趨勢分析、主要研究領域分析及分領域論文年度變化趨勢分析、學科分布情況及學科分布年度變化趨勢、國家分布特征、國家研究實力比較以及中國和美國論文發(fā)表總體水平年度變化趨勢與比較分析、全球研究機構實力比較、國內科研機構與國際科研機構論文發(fā)表總體水平年度變化趨勢與比較分析、發(fā)表論文期刊分布特點及期刊所屬領域分析以及論文關鍵詞分析。根據這些分析結果了解當前廢水資源回收領域發(fā)展情況, 并對其發(fā)展趨勢做出預測。

1995-2014年SCI收錄有關廢水資源回收的相關論文共11468篇。從圖 1中論文數隨年份(1995-2014)變化情況可以看出, 廢水資源回收領域研究起步較早, 1995年發(fā)表論文數便接近200篇, 從1998年開始呈現穩(wěn)步上升的趨勢。實際上, 當放開檢索范圍時間限制時, 發(fā)現從1991年開始, 廢水資源回收方面的論文數目增長較快, 由25篇(1990年)一下子增加到116篇(1991年)。根據搜索資料發(fā)現, 廢水資源回收領域發(fā)展迅速的原因是1991年日本、美國兩國在污水深度處理工藝(如新型脫氮除磷技術、膜分離技術、膜生物反應器技術等)方面取得較大的進展, 兩個國家的論文數量占當時所有論文數量的90%以上。

中水回用是一直以來關注度比較高的課題。該技術包括物理化學方法和生物方法, 如吸附、膜分離技術等。工業(yè)廢水里往往含有加工殘余的有價值物質(如氮、磷、金屬元素以及高分子殘留物), 回收這些有價值的物質, 可以實現資源的循環(huán)利用。按照資源回收的目標, 廢水資源回收研究主要可以劃分為水資源回收(中水回用)、能源能量回收和廢水資源物料回收三方面。按照統計結果分析(圖 2), 水資源回收方面發(fā)表的文章數量占總文章數的72.0%;其次是物料回收, 所占比例為24.2%;能量回收所占比例最低, 為3.8%。從各個領域論文隨年份變化情況(圖 3)可以看出, 物料回收方面, 在1995年之前就有人提出廢水中的氮、磷元素的回收課題, 但該方向的論文增長幅度并不大。近幾年, 磷回收利用再度變成研究熱點, 主要是因為人類對磷資源將近枯竭現狀的關注。由于當前全世界都面臨水資源耗竭的問題, 各國不得不將大部分的注意力放在水資源回用上。因此, 水資源回用的研究一直長盛不衰, 特別是2000年以后, 該領域論文數目增長非常迅速。能源回收則相對是一個比較新的概念, 20世紀幾乎很少有人關注, 發(fā)表的文章數也較少。之后, 隨著微生物燃料電池的興起, 對廢水資源中的能源回收起到一定的促進作用, 因此能源回收在2010年后發(fā)展較迅速, 目前已成為值得關注的研究領域。

按照學科分布對11468篇論文進行統計, 結果表明廢水資源回收主要分布在環(huán)境科學、環(huán)境工程、水資源、化學工程、生物技術與應用微生物學等139個學科領域。

從論文數量分布上看(圖 4), 環(huán)境科學所占比例為21.03%;其次是環(huán)境工程、水資源和化學工程3個學科領域, 分別為14.71%, 14.67%和11.50%;排名其后的是生物技術與應用微生物學, 占4.17%。從各學科論文數年增長速度來看(圖 5), 環(huán)境科學學科論文數量在2009-2012年沒有增長, 而在2013年得到跨越式的增長, 增長速度最快, 而環(huán)境工程和水資源學科增長相對較緩。這從一個側面反映廢水資源回收在這些學科領域的發(fā)展態(tài)勢以及學科的發(fā)展狀況。環(huán)境科學偏重于理論研究, 說明廢水資源回收理論性的研究增長較快, 工程應用類文章滯后于理論研究, 這也是很多研究方向普遍存在的現象。

通過已發(fā)表論文總數、總被引用量以及平均引用率等對各國研究實力進行比較。在1995-2014年發(fā)表的11468篇關于廢水資源回收論文中, 美國發(fā)表 1609篇, 占總數的14.03%。中國發(fā)表 1577篇, 緊隨美國之后。另外, 西班牙、印度和澳大利亞3個國家發(fā)表論文數在500~1000篇之間; 加拿大、日本、英國、意大利、巴西等國發(fā)表論文數在400~500篇之間。發(fā)表文章總數并不是衡量一個國家研究實力的唯一標準, 總被引用量也是衡量指標之一。從表 1可以看出, 美國、中國、西班牙、印度以及澳大利亞的文章被引次數都超過10000次, 中國居第2位。但是從平均引用率(平均引用率是最能評價一個國家發(fā)表文章質量的一個關鍵參數)來看, 排名前十的國家(除中國和巴西外)所發(fā)表文章的平均引用率均超過10, 其中美國所發(fā)表文章的平均引用率達到22.08, 排名第一; 其次是加拿大, 為19.10;排名第三的是意大利, 為18.52。綜合以上3個因素, 無論從文章發(fā)表量, 總被引用量和平均引用率來看, 美國、西班牙、印度都相對較高。從總體上看, 中國雖然發(fā)表的文章總數較多, 但是平均引用率相對較低, 說明中國在該領域發(fā)表文章的質量還有待提高, 也需要進一步得到國際同行的認可。

通過比較中國和美國文章發(fā)表總數、總被引用量和平均引用率隨年度變化情況, 證明中國學者發(fā)表文章的質量已經不遜于美國。從圖 6可以看出, 美國近20年在廢水資源回收領域發(fā)表文章數量呈現一個平緩增長趨勢; 中國雖然在廢水資源回收方面的研究起步較晚, 一開始研究力量也比較薄弱, 但是中國研究者在此領域發(fā)表的論文總數隨年度的變化卻呈現指數上升的趨勢。從1995年幾乎為零的起步到2008年之后, 中國在年度發(fā)表文章數量上已趕超美國, 2014年發(fā)表的論文總數為美國的兩倍。圖 7和8分別對兩國在不同年份發(fā)表論文的總被引用量和平均被引率進行比較, 發(fā)現中國論文的總被引用量在2010年后開始趕超美國。從平均被引率來看, 中國最近3年所發(fā)表文章的平均被引率由原來的與美國差距很大到現在的基本上一致, 說明中國所發(fā)表文章的質量相對于過去有很大的提高, 中國研究者在該領域的影響力已經初步形成。

目前, 全球有5586個機構發(fā)表了關于廢水資源回收方面的論文, 其中前十位的研究機構如表 2所示。中國科學院(Chinese Academy of Sciences)發(fā)表的論文總數最多, 共計231篇。印度科學與工業(yè)研究理事會(India Council of Scientific Industrial Research)、美國加利福尼亞大學(University of California System)、印度理工學院(India Institute of Technology)、清華大學(Tsinghua University)、西班牙科學研究理事會(Consejo Superior de Investiga-ciones Cientificas)、法國國家科學研究院(Centre National de la Recherche Scientifique)以及哈爾濱工業(yè)大學(Harbin Institute of Technology)等機構發(fā)表論文均在100篇以上�？蒲袡C構按發(fā)表文章數排名情況, 從一個側面反映了一個國家的綜合科研實力。結合2.3節(jié)中國家發(fā)表論文情況來看, 排名前四的國家分別是美國、中國、西班牙和印度。這4個國家分別都有代表性的研究機構入選, 說明這些國家在廢水資源處理領域的研究已經形成一定的國際影響力。

從機構發(fā)表文章的總被引用量上分析, 印度理工學院發(fā)表的133篇文章當中, 總被引用量達到3390次, 平均引用率為25.49。排名其后的是美國加利福尼亞大學, 發(fā)表的156篇文章中總被引用量為3365次, 平均引用率達到21.57。從平均引用率來看, 排名第一的當屬西班牙國家科學研究理事會。該機構發(fā)表的111篇論文總被引用量為2993次, 發(fā)表論文的平均引用率達到26.96。因此, 綜合三者來看, 印度理工學院、美國加利福尼亞大學以及西班牙科學研究理事會在當前廢水資源回收領域綜合實力最強。

從表 2還發(fā)現, 按論文發(fā)表總量排名前十的研究機構中, 來自中國的有3所, 分別是排名第一的中國科學院、排名第5的清華大學以及排名第8的哈爾濱工業(yè)大學, 這3個研究機構在廢水資源回收方面的研究實力較強。但是, 從論文的引用率來看, 這3個機構并不占優(yōu)勢。

從圖 9可以看出, 中國科學院文章發(fā)表總數從2009年開始急劇上升, 遠高出其他研究機構; 清華大學發(fā)表的論文總數從2014年開始呈現增長趨勢。從圖 10看出, 中國科學院和清華大學近3年發(fā)表文章的平均引用率與國外兩個頂尖研究機構非常接近。論文的引用量在一定程度上會隨著時間的增加而增加, 因此近期發(fā)表文章的引用量會相對較低。中國雖然在廢水資源回收方面的研究起步較晚, 但是最近幾年呈現突飛猛進式增長, 中國代表性研究機構論文引用情況與國外代表性研究機構的差距已經逐漸縮小, 表明中國機構發(fā)表論文的影響力不斷增大。

1995-2014年關于廢水資源回收方面的11468篇論文共發(fā)表在1177個學術期刊上, 其中405個期刊發(fā)表論文篇數在4篇以上, 占期刊總數的34.4%, 占論文總數的90.3%; 20個期刊發(fā)表論文篇數在100以上, 占期刊總數的1.7%, 占論文總數的46.0%。這表明1.7%的期刊囊括了46.0%的廢水資源回收領域的論文。表 3列出相關期刊的文章發(fā)表量、總被引用量、平均被引率, 期刊的排名是綜合考慮到這三方面的排名之后得出的。排名第一的期刊為《Water Research》, 發(fā)表論文總量為480篇, 論文總被引用量排名第一, 平均引用率達到33.92。期刊影響因子排名較前, 無疑為廢水資源領域中的期刊首選�！禘nvironmental Science and Technology》排名第二, 發(fā)表文章數僅為172篇, 但是文章的平均引用率排名第一, 達到56.73。作為環(huán)境領域的頂級期刊, 它對環(huán)境領域的影響力體現在環(huán)境領域研究中的各個方面。從期刊的領域小類歸屬來看, 《Water Research》, 《Environmental Science and Technology》和《Journal of Hazardous Materials》屬于工程, 環(huán)境(engineering, environ-mental)領域; 《Desalination》和《Water Science and Technology》屬于水資源(water resources)領域; Bioresource Technology屬于生物工程與應用微生物(biotechnology and applied microbiology)領域; 《Journal of Membrane Science》屬于高分子科學(polymer science)領域; 《Chemosphere》屬于環(huán)境科學(environmental science)領域; 《Separation and Purification Technology》屬于工程, 化工(engin-eering, chemical)領域。從大類來看, 這些期刊分屬于工程技術、環(huán)境科學、化學3個領域。

通過對1995-2014年有關廢水資源回收方面的11468篇論文作者進行統計, 列出排名前十的廢水資源回收領域研究者名單, 結果見表 4。從發(fā)表文章數量來看, 排第一位的是澳大利亞悉尼科技大學的Saravanamuthu Vigneswaran教授, 20多年來一直從事水處理、廢水管理以及廢水資源回收與循環(huán)利用方面的研究工作, 共發(fā)表 40篇該領域的論文。從影響力來看, 來自比利時根特大學的Willy Verstraete教授以及來自沙特阿卜杜拉國王科技大學和德國慕尼黑工業(yè)大學的Jörg E. Drewes教授的H因子均為17, 論文的平均引用率均大于30, 其中Jörg E. Drewes教授發(fā)表論文的平均引用率達到36.89。從作者單位來看, 澳大利亞悉尼科技大學有兩位研究者分別列第一位和第三位(Saravanamuthu Vigneswaran教授和Huu H. Ngo教授)。Huu H. Ngo教授主要關注水的可持續(xù)利用、廢水處理與再利用技術。從對國家/地區(qū)和研究機構的分析對比可以看出, 中國目前缺乏真正有影響力的科學家來帶動廢水資源回收領域核心競爭力的提升。

通過關鍵詞, 讀者可以對文獻全文有一定了解。使用文獻計量學的方法分析關鍵詞, 可以了解研究方向和發(fā)展趨勢, 對于指導科學和項目研究具有重要的意義。在1995-2014年廢水資源回收的相關研究中, 頻次在前十位的關鍵詞為phosphorus, adsorption, reverse osmosis, ultrafiltration, irrigation, heavy metals, nanofiltration, struvite, membrane bioreactor, anaerobic digestion。其中, 反滲透(re-verse osmosis)、超濾(ultrafiltration)、納濾(nanofil-tration)代表廢水資源水回用中膜技術的研究方向; 磷(phosphorus)、鳥糞石(struvite)代表廢水磷資源回收的研究熱點; 重金屬(heavy metals)代表廢水資源中物料回收利用方向, 在回收重金屬研究中頻次最高; 吸附(adsorption)、膜生物反應器(membrane bioreactor)、厭氧消化(anaerobic digestion)以及廢水再利用中的灌溉(irrigation)是水資源回收利用研究較為廣泛的主題。從這些關鍵詞分析可以看出, 污水回用、金屬回收、磷回收以及廢水處理膜技術、膜生物反應器、厭氧消化等都是當前廢水資源回收領域主要關注的研究內容。

將1995-2014年劃分為4個時間段, 排名前十的關鍵詞出現的次數如圖 11所示。可以看出, 磷(phosphorus)一直位于前兩位, 并且隨著年份增加, 磷作為關鍵詞出現的頻率增加非常明顯, 說明污水中磷回收問題越來越受到研究者的關注, 也是當前污水資源回收中的熱點研究方向。近年來, adsorption在關鍵詞出現頻率上一直排在第一位, 原因在于固體吸附劑能有效去除廢水中多種污染物, 特別是采用其他方法難以有效處理的劇毒和難降解的污染物, 經處理后出水水質好且比較穩(wěn)定, 因而吸附法在廢水處理中有不可取代的作用。隨著排放標準的日趨嚴格、水資源回收利用的日益迫切, 吸附法在廢水處理中的作用越來越重要。其次, 反滲透、超濾、納濾作為關鍵詞出現的頻率也明顯增加, 主要是因為這幾種膜技術是污水回用處理中的關鍵技術。近年來, 膜生物反應器、污水污泥中的厭氧消化處理過程、污水中重金屬回收問題也是比較熱門的研究課題, 從科學研究到工程應用, 都備受關注。

利用Ucinet軟件對關鍵詞之間的內部聯系進行分析, 發(fā)現排名前十的關鍵詞中, 除irrigation與其他關鍵詞基本上沒有聯系之外, phosphorus, struvite與adsorption之間, 以及reverse osmosis, nanofiltration與ultrafiltration等關鍵詞之間均有緊密的聯系, 因此, 中心性分析結果呈現均一分布, 較為分散。

本文通過SCI提供的Analyze Results和Cita-tion Report鏈接對檢索到的11468篇廢水資源回收研究論文進行統計分析, 描繪了全球和中國在廢水資源回收的研究情況。分別列出全球和中國排名前十的研究機構和研究者, 分析論文的年度分布和應用領域分布, 并比較各國及各研究機構的科研實力, 進而分析全球和中國廢水資源回收領域的研究進展和趨勢。

分析結果表明: 1) 論文發(fā)表數量隨年度變化趨勢為穩(wěn)中有升, 論文數量增加最快的領域為水資源回收(即水資源再生利用); 2) 從論文的學科分布來看, 主要集中分布在環(huán)境科學、環(huán)境工程、水資源、化學工程、生物技術與應用微生物領域, 其中環(huán)境科學論文年度增長速度最快; 3) 從國家研究實力來看, 美國、西班牙、印度論文發(fā)表量、總被引用量和平均引用率水平都比較高。中國發(fā)表論文的平均引用率遠低于這些國家, 但是通過對平均引用率年度變化情況分析得出, 中國最近3年發(fā)表論文的平均被引率與美國的差距已經不明顯, 說明中國發(fā)表論文的質量已有很大提高; 4) 從全球機構研究實力來看, 印度理工學院、美國加利福尼亞大學以及西班牙科學研究理事會是當前廢水資源回收領域綜合實力最強的3個研究機構。中國近幾年代表性研究機構論文引用情況與國外代表性研究機構的差距逐漸縮小, 中國研究機構正不斷提升在國際社會的影響力。

總之, 未來廢水回收領域仍然會以水資源再利用為主要方向, 廢水中各種可利用資源的研究也將穩(wěn)步發(fā)展, 廢水中能源回收是個新興課題, 被認為最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

附錄:

總檢索式: #5 OR #4 OR #3 OR #2 OR #1

#1 TI=(wastewater or sewage or effluent) AND TS=(reuse or recycl* or reclamation or recovery)

#2 TS=(wastewater or sewage or effluent) AND TI=(reuse or recycl* or reclamation or recovery)

#3 TS=(“resource recycl*” or “resource reclamation” or “resource reuse” or “resource recovery” or “material* recycl*” or “material* reclamation” or “material* reuse” or “material* recovery” or “energy recovery” or “heat recovery”) and TS=(wastewater or sewage or effluent)

#4 TS=(“wastewater recycl*” or “wastewater reclamation” or “wastewater reuse” or “wastewater recovery” or “sewage recycl*” or “sewage reclamation” or “sewage reuse” or “sewage recovery” or “effluent recycl*” or “effluent reclamation” or “effluent reuse” or “effluent recovery”)

#5 TS=(phosphorus recovery or phosphate resource or struvite or nutrient recovery or metal* recovery) AND TS=(wastewater or effluent or sewage)