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垃圾填埋场地下水相关研究的研究热点与趋势:基于CiteSpace的可视化分析

作者:武汉中地大环境地质研究院 发布时间:2022-06-26 22:38:58人气:

叶兆勇 杨禹1侯立安1,2

(1.北京师范大学,2.西安高新技术研究所)

文章来源:环境工程

第一作者:叶兆勇,博士研究生,主要研究方向为垃圾填埋场地下水污染与修复研究、纳米改性膜技术研究。

通信作者:杨禹,副教授,博士生导师,主要研究方向为垃圾填埋场地下水污染与修复研究、饮用水及再生水回用技术研究开发、膜组合工艺研究等。


摘要:随着经济社会的发展,我国每年会产生大量生活垃圾,而填埋由于具有成本低、操作便捷等优点,成为应用最为广泛的生活垃圾处理手段。然而垃圾填埋却会产生大量的垃圾渗滤液,严重威胁周边地下水的安全。为探讨垃圾填埋场地下水领域的研究热点与前沿,基于文献计量与数据可视化分析软件CiteSpace对WebofScience数据库进行了文献统计与信息挖掘,以期为我国垃圾填埋场地下水研究提供借鉴与参考。结合CiteSpace分析图谱发现,研究热点主要有渗滤液、吸附、重金属、评价方法(层次分析法)、多环芳烃、渗滤液污染指标、硝化等;研究前沿已从重金属、挥发性有机物(甲烷、碳)等具体的污染物质研究逐渐转变为污染区域、污染物影响、地理信息系统等研究。结合相关文献及CiteSpace结果进行分析认为,基于地理信息系统知识精细刻画区域内污染物的传输与扩散模型,以及结合污染区域健康风险评估进行系统的垃圾填埋场污染修复和治理工作将成为今后的发展趋势。


引言


随着我国经济的快速发展、人民生活水平的提高,城市地区生活垃圾清运量也大幅增长。根据2015—2019年中国统计年鉴公布资料,我国生活垃圾清运量连续5年不断增长,2018年我国生活垃圾清运量达到约2.3亿t,较2014年提高了约27.67%。目前,填埋为处理市政垃圾最为重要的手段之一[1],2019年中国统计年鉴数据表明,市政生活垃圾填埋率超过50%,该处理方式具有成本低、操作便捷等优点。然而雨水渗透和对垃圾的浸泡会产生垃圾渗滤液,其有害成分超过一定剂量后将对人体健康产生威胁,部分有机成分甚至为致畸、致癌、致突变的“三致”有毒污染物[2,3]。


垃圾填埋场渗滤液渗漏会造成不同程度的地下水污染,如刘国等[4]发现四川省某垃圾填埋场由于渗滤液的渗漏导致该区域地下水水质极差,主要污染物为SO42-和Cl-;雷抗等[5]发现天津市某垃圾填埋场附近区域存在NH4+-N、NO3--N、TOC等地下水污染情况;王敏等[6]发现徐州地区数个垃圾填埋场地下水均存在Mn、Fe、Zn、Ba等重金属污染。Han等[1]在研究分析相关科学论文、现场调查和环境评估报告的基础上,指出我国生活垃圾填埋场附近地下水质量综合评分F值为7.85,属于极差级别,开展垃圾填埋场地下水污染调查与治理工作意义重大。


目前关于垃圾填埋场地下水污染与治理的研究越来越多,对相关文献进行梳理,可以更好地了解已有理论成果、把握研究脉络。因此,本文基于文献计量分析方法,利用CiteSpace对垃圾填埋场地下水相关研究文献进行梳理,探究了领域内的研究热点与趋势变化,以期为国内相关研究学者的研究工作提供借鉴。CiteSpace可用于从大量文献资料中挖掘研究动态及趋势的信息可视化分析工具[7],已被广泛应用于教育[8]、心理学[9]、科技发展[10]等相关学科。CiteSpace在水环境相关方向虽然有应用,但相关应用仍然较少,尤其在垃圾填埋场地下水研究领域尚未见相关分析报道。


1数据采集与方法

1.1数据采集


以WebofScience核心合集(SCI-EXPANDED,SSCI,A&HCI,CPCI-S,CPCI-SSH)为文献来源,检索条件为TS=(wastelandfillANDgroundwater),时间跨度为2000—2020年,共检索到1071条数据,除重处理后剩余1067条数据。数据库更新日期为2020年3月24日。


1.2可视化分析方法


本研究运用5.6.R5版本Citespace对检索到的2000年以来的1067篇文献进行分析,网络节点采用单节点研究的方法,时间片段为1年,数据选择标准为Top50,即每年内出现频次或共被引频次排在前50的文献。研究内容主要包括发文量时间分析,发文国家、机构等合作网络分析,关键词等共现网络分析及突现术语分析,共被引文章、共被引作者等共被引分析4个部分。


2结果与分析

2.1发文量时间分析


对2000—2019年WebofScience核心合集中关于垃圾填埋场地下水相关研究的发文量进行统计,如图1所示。分析发现,2000—2007年发文量上下波动,总体呈稳定态势;2008—2019年发文量整体呈逐步增多态势。这说明2008年以来学者对垃圾填埋场地下水安全关注程度不断提高,研究投入逐渐加大。


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2.2合作网络分析


合作网络分析主要包括发文国家、机构分析以及其合作关系的构建,代表垃圾填埋场地下水领域的主要研究力量。分别选择国家(Country)及机构(Institute)为网络节点运行CiteSpace软件,时间片段为1年,数据选择标准为Top50,得到研究国别及机构的知识图谱,如图2、3所示。图谱顶端每段颜色依次对应2000—2020年的年份,节点大小及字体大小代表发文频数的大小,合作关系由节点间的连线表示,连线越粗代表2个节点(国家或机构)间合作越多,某个节点与其他节点连线越多代表该节点与其他国家或机构合作越多。


图2研究国家与合作图谱显示,美国、中国、印度及部分欧洲国家(波兰、意大利、英格兰、德国等)研究较多,且各国之间互相有所合作。这表明垃圾填埋场地下水污染与防治是全球性问题,不仅中国、印度等发展中国家存在,在美国、波兰、意大利等发达国家依然存在。但目前经济体量偏小的发展中国家研究较少,这可能由于其垃圾填埋场地下水污染问题影响较轻或重视程度不够,不过笔者仍然建议其应结合自身特点加强垃圾填埋场地下水安全保护。


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图3研究机构分布图谱显示:中国环境科学研究院、北京师范大学、丹麦科技大学、印度科技研究所及中国科学院等机构研究成果较多,研究实力较强。发文量排名前5的机构中我国占3个,一方面说明我国垃圾填埋场地下水污染与防治中仍存在许多问题尚待解决,另一方面也说明我国在该领域内投入多、发展快。同时分析发现,虽然中国环境科学研究院与北京师范大学等机构有所合作,但总体来看,各机构间交流合作偏少,机构间的合作有待进一步加强。


2.3共现网络分析及突现术语分析


关键词是共现网络分析中最具代表性的一项,是对文章研究内容的高度凝练和总结,领域内关键词出现次数越多,越能代表领域内的研究热点[11]。选择关键词(Key)为网络节点运行CiteSpace软件,时间片段为1年,数据选择标准为Top50,得到高频关键词。对“leachate”“landfillleachate”等相似关键词进行合并处理,得到高频关键词,对其进行聚类得到关键词聚类的分布图谱,如图4所示。其中,黑色字体为关键词,红色字体为聚类结果。


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高频关键词主要有“渗滤液”“重金属”“土壤污染”“污染物”“管理”“去除”“水质”“迁移”“吸附”“影响”等,主要围绕着垃圾填埋场地下水污染的来源、种类、影响及修复等方面。根据关键词聚类结果发现,主要相关研究热点有渗滤液、吸附、重金属、评价方法(层次分析法)、多环芳烃、渗滤液污染指标、硝化等。


CiteSpace的突现词(BurstTerms)分析功能可用来考察突然出现、频次增长速度快的术语,这类突现词往往反映了领域内研究的前沿[12]。术语来源选择标题(Title)、摘要(Abstract)、作者关键词(AuthorKeywords)及新加关键词(KeywordsPlus),接着选择“NounPhrases”进行术语词汇库创建,然后点击“BrustTerms”进行突现词分析,分析结果如表1所示。


通过突现词分析发现,研究前沿从土壤污染逐渐转向了地下水污染,研究区域从丹麦等地逐渐转向了中国等地区,研究内容从重金属、挥发性有机物(甲烷、碳)等具体的污染物质逐渐转变为污染区域、污染物影响、地理信息系统等。


2.4共被引分析


共被引分析主要包括共被引文献及共被引作者分析等,指2篇文献或2个作者同时被第3篇文章所引用。高频的共被引文献或作者通常对研究领域的理论和方法有创新,并对研究领域的发展有突出贡献[13]。因此,对垃圾填埋场地下水研究领域进行共被引分析有助于了解领域内有影响的学者与成果。分别选择共被引文献(Reference)及共被引作者(CitedAuthor)为网络节点运行CiteSpace软件,时间片段为1年,数据选择标准为Top50,得到共被引文献及共被引作者的知识图谱并进行聚类,结果如图5、6所示。其中,垃圾填埋场地下水研究领域高被引文献排名前10的文献如表2所示。


上述高被引文献均对研究对象进行了综合全面的讨论,对于相关领域研究具有重要的参考价值。结合图5中的聚类结果发现,上述高被引文献主要涉及水质指标、溶解性有机物、渗滤液、污染物、层次分析评价、处理技术、健康风险等几类。从内容上,主要包括填埋场地下水污染物种类及含量特点分析、地下水污染羽扩散特点研究及垃圾渗滤液处理技术介绍3个方面。

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水质指标、溶解性有机物、渗滤液、污染物、层次分析评价、处理技术、健康风险等几类。从内容上,主要包括填埋场地下水污染物种类及含量特点分析、地下水污染羽扩散特点研究及垃圾渗滤液处理技术介绍3个方面。


1)高被引文献从垃圾渗滤液特点、渗滤液水质参数对地下水水质影响,以及填埋场地下水污染情况分析评价3个方面探讨了填埋场地下水污染物种类及含量特点分析。具体来说:①多数高被引文献均从全球范围或针对个别垃圾填埋场进行了渗滤液种类及含量的分析与报道。例如,第1篇文献汇总了全球重点地区典型垃圾渗滤液水质参数,并根据填埋场“年龄”总结分析了其水质参数的特点,研究表明,填埋场的“年龄”以及固体废物的沉降程度对垃圾渗滤液水质特性有显著影响。以第7篇为代表的文献将垃圾渗滤液成分分为4大类:溶解性有机物、无机盐、重金属和异型生物质,文献提出渗滤液的成分主要取决于填埋废物的降解阶段,但是氨氮浓度几乎比较稳定、可能是垃圾渗滤液中主要的长期污染物之一。除了常规污染物,第10篇文献在垃圾渗滤液中发现新兴化合物,如全氟化物、有机磷、神经毒素增塑剂等,其在各地区垃圾渗滤液中含量差异大,但具有健康危害大、存在时间长的特点。②在渗滤液水质参数对地下水水质的影响方面,第5、6、8篇文献均进行了讨论,研究表明,垃圾填埋场地下水水质与渗滤液水质具有很强的相关性。但是第8篇文献同时指出重金属在渗滤液下渗过程中由于吸附、沉淀、氧化还原等作用被去除,从而使得其对地下水污染影响较小。③以第2篇文献为代表的高被引文献进一步对填埋场地下水污染情况进行了分析,指出地下水污染通常发生在垃圾填埋的5年后,随后逐渐达到峰值。该文章在对相关文献及报道进行总结的基础上,依据大量的污染物数据对我国填埋场地下水污染情况进行了分级评价,指出我国主要存在氨氮、TP、COD等22种污染物,整体水质属于极差的级别。


2)高被引文章对地下水中污染羽扩散特点进行了研究。第4篇文献基于已有报道文献对垃圾填埋场地下水中有机及无机物质的污染羽进行了详细刻画,提出由于垃圾渗滤液羽流的衰减过程(稀释、吸附、离子交换、沉淀、氧化还原反应和降解)使其对地下水的主要影响通常限制在垃圾填埋场周边1000m的区域内。第2篇文献通过分析污染物含量与迁移距离的关系,同样得出了地下水污染主要发生在垃圾填埋场周边1000m范围内的结论。


3)高被引文献对垃圾渗滤液处理技术进行了汇总分析,并提出了相关建议。第1篇文献对比了包括渗滤液转移、生物降解、化学和物理方法及膜工艺在内主要处理技术的经济性与处理效果,并且提出为达到日益严格的排放要求,可将反渗透(RO)为代表的膜技术作为垃圾渗滤液处理链中的主要步骤或作为单个后处理步骤进行应用。第10篇文献则针对渗滤液中的新兴化合物指出,应结合常规处理方法(短期生物降解等)与其他处理技术(如膜技术)构造组合处理工艺进行处理。第8篇文献更是指出应对污染进行源头控制,建议各地政府应适当加强固体废物管理。第9篇文献为世界卫生组织于2011年发布的《饮用水水质准则(第四版)》,该准则提出了科学规范的水质标准,给出了关于防范饮用水安全风险的建议,在管理垃圾填埋场引起的地下水污染情况时,应当充分借鉴该准则。


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由图6分析发现:高被引作者按被引量排序主要为Christensen、Kjeldsen、Mor、Renou、Christensen、USEPA、Rowe、Fatta、WHO等。其中,主要的被引作者与高被引文章相对应,只不过由于同一作者的被引文章数量不同等因素造成排序略有不同。需要注意的是,美国国家环境保护局(USEPA)与世界卫生组织(WHO)被引用较多,具有重要的参考价值。结合聚类分析结果,发现共被引作者的研究主要围绕渗滤液污染指标、地下水保护、污染传输、铵盐、市政废物等方面。


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3讨论与展望


本文基于WebofScience核心合集中的文献,利用CiteSpace对垃圾填埋场地下水相关研究文献进行了梳理,发现2008年以来学者对垃圾填埋场与地下水安全关注程度不断提高,研究投入逐渐加大。研究力量主要集中在美国、中国、印度及部分欧洲国家,研究主力为中国环境科学研究院、北京师范大学、丹麦科技大学、印度科技研究所及中国科学院等机构,但目前各研究机构间的合作较少、有待进一步加强。研究热点有渗滤液、吸附、重金属、评价方法(层次分析法)、多环芳烃、渗滤液污染指标、硝化等。研究前沿从重金属、挥发性有机物(甲烷、碳)等具体污染物质研究逐渐转变为污染区域、污染物影响、地理信息系统等研究。高被引文章主要涉及水质指标、溶解性有机物、渗滤液、污染物、层次分析评价、处理技术、健康风险等。共被引作者研究主要围绕渗滤液污染指标、地下水保护、污染传输、铵盐、市政废物等方面。


基于相关文献报道并结合CiteSpace分析结果可知,目前关于垃圾填埋场地下水的研究主要围绕污染物种类(渗滤液成分)、污染传输与扩散过程及污染修复等方面进行。

国内外学者此前对渗滤液导致的垃圾填埋场地下水污染物种类进行了大量研究,主要污染物种类已经明确,包括有机物、无机盐、重金属及异型生物质等几类。结合研究前沿分析结果,今后此方面的研究将主要针对具体填埋场,通过测定具体污染物种类及含量从而加强污染区域的健康风险评估,并对修复工作进行指导。

污染传输与扩散主要包括2方面内容:污染物由渗滤液通过土壤层进入地下水的过程,以及地下水中污染羽的迁移过程。研究表明,土壤层对重金属等污染物具有吸附作用,吸附作用的强弱主要依赖于地质构造、土壤种类、土壤层厚度等[14],但由于渗滤液中污染物浓度高等因素导致进入地下水中的污染物仍处于偏高水平[15]。为明确不同污染物在地下水中的迁移规律,目前很多学者基于实测或软件拟合等方式对主要污染物在垃圾填埋场地下水中的污染羽进行了刻画[16,17],多数研究认为,由于物理化学等过程引起的衰减作用使得污染影响可以控制在填埋场周边半径1000~1500m区域内[5,16]。结合研究前沿分析结果,笔者认为今后的研究方向将是结合地理信息系统精细刻画区域内污染物的传输与扩散模型。


垃圾填埋场地下水污染修复技术方面,包括对填埋垃圾前处理、渗滤液收集处理、已污染地下水污染修复等部分。研究表明,市政固废在填埋前进行一段时间的堆肥处理有助于减少渗滤液中的有机负荷[18]。针对渗滤液有机物浓度高、成分复杂等特点,其处理技术将仍以生物降解结合混凝沉淀、高级氧化、过滤等物化技术为主[19],其中反渗透、纳滤等技术将是很有前景的深化处理技术[20,21]。垃圾填埋场地下水污染修复技术主要包括异位抽提处理技术以及加药法、曝气法、可渗透反应墙技术、生物修复技术等原位修复技术[22,23]。今后的研究方向除了开发高效修复技术外,结合污染区域健康风险评估进行系统的垃圾填埋场污染修复和治理工作将成为今后的发展趋势。

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