城市生活垃圾处理技术的文献计量分析
时间：2023-04-22 18:50:05 来源：千叶帆 本文已影响人
屈若然
（中化商务有限公司，北京 100045）
对于城市生活垃圾的研究，无论是技术层面的创新优化，还是政策层面提出验证，近几十年来都取得了十分卓越的成效[1]。很多学者对生活垃圾的相关研究做了回顾与总结[2]，但是基于文献计量学方法对该领域进行整体性回顾的研究却鲜有报道。
本文对国内普遍使用的城市生活垃圾处理方法进行统计分析，采用了文献计量学的方法并利用CiteSpace、VOSviewer、Tableau和SPSS等软件进行可视化分析和统计分析，数据库采用CNKI中国知网数据，梳理并分析了近40年来我国城市生活垃圾处理资源化利用的研究现状与今后面临的挑战，以期对今后的进一步研究提供一定参考。
1.1 城市生活垃圾处理现状
城市生活垃圾的产生量、各类垃圾的具体含量和垃圾性质与各地的城市规模、经济发展水平、居民收入情况和消费水平、地理位置甚至城市风俗历史均有很深的联系。我国城市生活垃圾总体产生量巨大，并且依然处于快速增长阶段[2]。国家统计局发布的数据显示，2020年由于新冠疫情的爆发，国内正常社会生产生活秩序受到一定波及，生活垃圾清运量出现一定程度的下滑，2020年中国生活垃圾清运量为23 511.7万吨，较2019年同比减少2.87%。随着疫情的好转，2021年中国生活垃圾清运量继续呈增长趋势。
面对如此庞大数量的城市生活垃圾，主流的处理方法依然是混合收集，大部分采用卫生填埋或焚烧的方式，少部分采用堆肥或厌氧消化的处理方法。但单一的处理方法无法从根本上满足城市生活垃圾的减量化、无害化以及资源化的要求，发展城市生活垃圾分类综合处理技术成为现在固体废弃物处理领域的热点问题。
1.2 数据来源及统计方法
本研究的数据来源为CNKI中国知网期刊全文数据库。研究以主题为检索项，以“城市生活垃圾处理”“城市生活垃圾资源化利用”“城市生活垃圾综合处理”“生活垃圾堆肥”“城市生活垃圾再生”“生活垃圾焚烧”“生活垃圾填埋”“生活垃圾厌氧消化”为检索词进行检索，并采用同义词拓展，检索范围为全部期刊，时间为数据库包含的所有年份。按此检索条件共检索到8 077条结果。再将中英文重复、会议与期刊重复、一稿多发以及非学术性文章去除后，得到相关研究论文共5 516篇，本文以此作为分析样本进行文献计量学统计分析。
2.1 论文总量的统计与分析
某领域内文献发表数量在一定程度上可以很好地反映出该领域的受重视程度，本文对最终选取的5 516篇文献的年度发表量进行了分析。结果发现，我国对于城市生活垃圾的研究始于1983年，前11年为我国城市生活垃圾处理研究的初始阶段，年发文量基本在个位数徘徊；
而从1994年开始，发文量出现了明显的快速增长趋势，1994～2003年是发文量增速最快的10年；
从2004年开始，相关的发文量一直保持振荡性的持续增长，2021年达到了391篇。采用SPSS软件进行时间序列预测2022年全年的发文量可达405篇。
2.2 期刊分布统计与分析
在文献计量学中，期刊的发文数量一般符合布拉德福定律，亦称“文献分散定律”[3]。使用Tableau软件对发文量进行统计，结果显示，发文数量最多的期刊为《环境卫生工程》，该期刊是由天津市市容环境工程设计研究所主办的环卫行业学术期刊，主要刊发环境卫生工程（特别是固体废物）及相关领域的研究成果。该刊的发文数量高居榜首，达到474篇，是发文量排名第二的《中国环保产业》93篇发文量的5倍多，在此之后的《环境工程》、《环境与发展》和《资源节约与环保》等期刊的发文量均在80篇左右。
2.3 论文作者与机构统计分析
研究利用CiteSpace及Tableau软件进行可视化分析，对近30年来城市生活垃圾研究领域的作者、研究机构与发文量分别进行了统计，结果如图1和图2所示。从发文量、被引频次、篇均被引次数以及H指数4方面综合来看，同济大学的赵由才老师各项数值均位于榜首，其实验室的主要研究方向为生活垃圾、泥质废物、建筑废物、危险废物、工业废物处理与资源化研究和应用，发文量达到了196篇[4]。
图1 城市生活垃圾处理技术作者共现网络图
图2 城市生活垃圾处理技术研究机构发文量统计图（前10）
使用CiteSpace可视化手段对发文机构进行共现分析，可获得城市生活垃圾处理研究机构共现图，结果如图3所示。可以看到，体现出明显合作关系的有3组，分别为：清华大学环境学院与中国环境科学研究院；
同济大学环境科学与工程学院、上海市环境工程设计科学研究院有限公司与上海市卫生工程设计有限公司；
中科院生态环境研究中心鄂尔多斯固体废弃物资环化工程技术研究所和鄂尔多斯市城市矿产研究开发有限责任公司。
图3 城市生活垃圾处理技术研究机构共现网络图
2.4 文献被引频次分析
表1按照被引量统计了前10篇被引文献，其中来自浙江大学的陈云敏老师于2000年发表的《城市生活垃圾土性参数的室内试验研究》[5]文章被引171次，位居榜首。此文章的主要内容是对杭州天子岭城市生活垃圾填埋场中的填埋垃圾进行取样，通过成分分析、理化性质检测、有机质含量测定以及三轴剪切试验，探明该垃圾填埋场的运行情况，为中国生活垃圾填埋场的稳定性分析、变形计算以及作为建筑地基的可行性研究奠定了基础并提供了数据；
其次，来自同济大学的何品晶老师于2002年发表的《城市生活垃圾焚烧灰渣及其性质分析》和《城市生活垃圾焚烧灰渣的资源化利用》[6]均为前10高被引文章；
余下7篇文章的被引次数均超过了100次。这也从一定程度上说明了对城市生活垃圾处理的研究是环境领域的热点问题。
表1 被引文献及其被引数量（前10）
2.5 关键词的聚类分析与突现分析
使用VOSviewer可视化分析手段对检索出的5 516篇文章中出现的593个关键词进行共现频次密度和聚类分析，见图4。
从图4可以看到，90个关键词被分为4个聚类。整体来看，各个聚类联系紧密，关联性较强。聚类1的关键词集中在卫生填埋、堆肥化、填埋处理、封场、渗滤液、焚烧和热值等，该聚类主要聚焦城市生活垃圾处理处置的具体方法以及影响因素，例如在卫生填埋中的封场问题以及在填埋过程中的渗滤液处理问题；
聚类2的关键词则集中在产气速率、垃圾成分、产气量、填埋气体和填埋衬垫等，该聚类是从相关处理处置手段具体内容的角度入手，例如在生活垃圾厌氧消化过程中不同垃圾成分对产气速率和产气量的影响；
聚类3的关键词则集中在工程角度；
聚类4的关键词则包含了垃圾堆肥、垃圾产量、现状、对策等问题，是对城市生活垃圾处理的总体性思考。
图4 关键词共现频次密度及聚类网络图
2.6 基于关键词分析的研究热点与发展趋势
分析关键词的出现热点可以很好地梳理城市生活垃圾处理技术研究的演进路径。本文使用VOSviewer对不同的处理技术分别进行关键词的时间分析，默认按关键词的平均年份取score值进行颜色映射，见图5。
我国的垃圾能源化具有很强的发展活力，因为我国人口密度大，填埋场的选址越来越困难，可同时实现资源化和减量化的焚烧技术呈现快速发展趋势，不仅可以很好地应对由于人口增长带来的城市生活垃圾快速增长，同时可以通过产热发电的方式缓解对能源的需求。另一方面，焚烧产生的烟气中二噁英和重金属等二次污染物的处理也急需解决。从图5（a）可以看出，对焚烧技术的研究热点从最初的焚烧效率到对污染物的研究的趋势变化。现在垃圾焚烧领域有两个热点，一是对污染物的研究，例如“飞灰”“二噁英”“重金属”等，二是对管理的研究，例如“可持续发展”“环境监理”“协同处置”等[5]。
图5 生活垃圾处理技术研究
厌氧消化技术是环保的生活垃圾处理技术之一[7]，该技术不但可以有效处理我国城市生活垃圾中庞大的有机质部分，而且可以产生清洁能源——甲烷，这也是相关研究文章数量最多的原因之一。但由于工艺的不稳定性、基质的质量以及操作过程的大量参数选择等原因，该技术依然无法广泛应用于城市生活垃圾的处理。从图5（b）可以看出厌氧消化技术从单一参数研究到相关机理以及共消化技术的研究热点变化趋势，但共消化工艺的技术复杂性以及如何从实验室小试转向较大规模的应用依然是现阶段研究的重点和难点。
好氧堆肥是通过微生物的作用将有机质转化为腐殖质的固态发酵过程，其堆肥产品可直接用作肥料或土壤改良剂。堆肥技术由于其环境兼容性好，在城市生活垃圾处理的研究中发文量仅次于厌氧消化。堆肥过程受到许多因素如温度、通气效果、含水量、pH值、基质颗粒等的影响，因此对这些因素进行控制调节成为以往研究的重点，通过研究相关因素的最优值以获得堆肥过程的最佳条件。从图5（c）中可以看出好氧堆肥的研究从参数研究到估计模型建立的热点变化趋势，且常规的研究手段已经不能满足这种复杂体系的研究需求，一些动态的数学模型及机器学习神经网络的发展也被广泛应用于堆肥技术领域的研究。
垃圾填埋技术的特点是操作简单，并且可以处理各种类型的垃圾。通过卫生填埋场处理城市生活垃圾，由于其经济性较好，所以被广泛应用[8]。垃圾填埋需要大量土地作为支撑，但是随着城市的发展，其选址问题变得尤为困难。填埋产生的渗滤液由于高COD、高氨氮含量、高致病微生物含量和持久性污染物等原因，被认为是地下水的重要污染源。通过图5（d）可以看到有关填埋技术的研究主要体现在三方面：一是填埋场的建设、二是渗滤液和填埋气的处理、三是填埋的技术革新。
（1）我国关于城市生活垃圾处理的首篇文献发表于1983年，且该领域的文章数量处于逐年递增的趋势，发展态势良好。同时根据时间序列分析未来城市生活垃圾处理的研究文章将进一步增多。（2）我国对城市生活垃圾处理的研究呈现“局部集中，整体分散”的特点，少部分团队以及其核心作者在某些方向上贡献了大量的论文，整体上显现出“百花齐放”的特点。（3）关键词聚类分析聚焦于4类：第一类是城市生活垃圾处理处置的具体方法及影响因素；
第二类是针对处理处置手段中的相关具体工艺参数；
第三类是工程工艺及后续二次污染物的处理问题；
第四类是对城市生活垃圾处理的整体性思考。（4）从关键词的共现频次和突现强度来看，针对中国城市生活垃圾高有机质含量、高水分含量的特点，使用生物处理技术以达到减量化、无害化和资源化目标将会是未来的重点方向。（5）我国城市生活垃圾处理已经从单一的末端处理方式向城市生活垃圾的综合处理体系发展，并致力于从前端垃圾分类开始到终端垃圾处置的全过程管理。未来城市生活垃圾处理的发展趋势是进行垃圾分类及分类运输、分类处理，构建精细、多元、整体性的处理处置体系。
