Carbon emission analysis of sewage treatment based on CiteSpace knowledge map
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摘要: 为研究近二十年我国污水处理碳排放的发展变化,以中国知网(CNKI)数据库检索到的期刊论文为数据源,基于CiteSpace知识图谱分析,对国内污水处理碳排放的研究热点、演变趋势等方面进行分析,对未来污水厂建设思路的转变、处理工艺的更新做了进一步探讨,并总结污水处理厂实现碳中和的方法与路径. 提出污水处理碳排放在未来的研究中应当从加强各高校之间的合作、加速污水处理厂转型、加深处理工艺研究三个方面入手.Abstract:
To comprehensively analyze the development and changes in carbon emissions associated with sewage treatment in China over the past two decades, key areas of focus, evolving trends, and the other pertinent aspects related to carbon emissions within China's domestic sewage treatment sector were analyzed based on journal articles sourced from the CNKI database and the CiteSpace knowledge mapping tool. Approaches to sewage treatment plant construction and updates to treatment processes were further discussed, and the methods and strategies of carbon neutrality in sewage treatment plants in future were summarized. The future research on carbon emissions in sewage treatment should be carried out from three aspects: enhancing collaboration among various universities, expediting the transformation of sewage treatment plants, and deepening research on treatment processes. -
Key words:
- sewage treatment plant /
- carbon emission /
- CiteSpace /
- treatment process /
- carbon neutrality
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至20世纪末期,全球气候问题已经到了刻不容缓的地步[1-2]. 如何应对全球气温变化导致的生态问题,已经成为21世纪人类共同面对的主题[3]. 1992年人类首个气候公约《联合国气候变化框架公约》发布,在此基础上,1997年人类历史上首个以法律条文形式限制温室气体排放的《京都议定书》问世标志着温室气体正式成为了全人类共同应对的问题[4]. 2015年《巴黎协定》明确提出:要将全球升温幅度控制在2 ℃以内,同时在本世纪下半叶实现碳排放净增长为零[5]. 现阶段,我国碳排放量还较大[6],对此,国家采取更加有力的政策和措施,提出二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值,努力争取在2060年实现碳中和.
当前我国污水处理规模已达 2.63 × 108 t/d,其碳排放当量(以 CO2eq 计)占社会总排放量的 1%~2%[7]. 在我国减碳行业中,污水处理占据了举足轻重的地位. 但我国污水处理碳排放相关研究相对较少,且不全面,现有规范仅有2022年发布的《污水处理厂低碳运行评价技术规范》. 因此,借助可视化图谱梳理清当下污水处理碳排放的研究热点和前沿技术尤为重要. 常见的可视化图谱分析工具有HistCite[8]、RefViz[9]、CiteSpace[10]、SATI[11]. 比较这些软件的特点可以发现,SATI和CiteSpace具有相似的功能,可以生成共现图谱,但SATI无法绘制时间线图谱,导致分析变得困难. HistCite和RefViz操作相对简单,但HistCite依赖词频分析,无法联系作者、机构之间的关系,无法满足识别合作网络以及分析共现图谱的需求. 此外,RefViz常用于关键字分析,不支持从多个角度分析所需内容. 因此,本研究选择CiteSpace作为主要工具,通过数据可视化,利用科学知识图谱梳理相关联系,从而探究未来发展趋势.
1. 研究方法与数据来源
1.1 研究方法
本研究使用CiteSpace6.1.R2软件,运用文献计量分析方法,通过科学知识图谱将数据进行挖掘分析,可将知识可视化,梳理污水处理碳排放相关研究进展,以期为后续研究提供参考.
1.2 数据来源
在中国知网(CNKI)期刊数据库中以并列主题词“污水处理”和“碳排放”进行高级检索,选择2001年1月至2022年6月该领域相关文献. 因为国内对污水处理碳排放研究起步较晚,最终得到523篇相关中文文献. 人工筛选掉与所需领域不符的文献、报纸、会议等无关数据,最终得到321篇相关有效数据. 在此基础上设置每1年一个时间切片,对发文数量、研究热点进行文献计量和科学知识图谱分析.
2. 研究分析
2.1 发文数量和时间分布
污水处理碳排放的年度发文数量及发文变化趋势可直观地反映出所研究领域受关注的变化程度,如图1所示. 由图可见,10年前相关研究文献很少,原因在于在十二五之前,我国还一直将经济发展作为第一中心,对此重视不足. 2010年研究出现小爆发,其原因有:1)2009年11月,国家决定将“2020年单位国内生产总值二氧化碳比2005年下降40% ~ 50%” 作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划[11];2)2010年7月国家发改委下发《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》,要求试点地区积极探索有利于节能减排和低碳产业发展的体制机制,研究运用市场机制推动控制温室气体排放目标的落实[12];3)2010年10月国务院下发《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,提出要建立和完善碳排放交易制度[13]. 三个文件使学者们开始关注碳排放,相关污水处理中碳的排放研究也日渐火热. 2015年,200多个国家共同签订《巴黎协定》,碳排放在全球受到广泛关注,研究文献量陡然上升. 根据协定内容,预测在未来的30年,都将保持着较高的论文发表数量,这也预示着对污水处理中碳排放的研究将会受到前所未有的关注.
2.2 研究机构合作网络
154个发文机构之间的合作网络如图2所示. 从图中可以看出对污水处理碳排放产生重要贡献的机构,并且能确定各机构之间的合作关系. 北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心发表论文最多,且与其他机构合作紧密,使得这些机构可以更进一步地深入研究,方便资源和信息相互流通,为人才培养提供便利,确保整个科研机构能始终保持在前沿水平,持续产出高质量的研究成果. 与之相比,其他高校机构之间的合作较为分散,且成果产出不多. 后续研究人员可以多关注北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心的相关学术成果.
3. 研究热点探讨
3.1 关键词分析
利用CiteSpace聚类功能绘制图谱,将文献关键词通过对数似然比(Log Likelihood Ratio,LLR)算法进行聚类分析,该聚类标签可反映出污水处理碳排放领域中的研究热点,得到排名前10的关键词聚类图谱,分别为温室气体、污水处理、污泥、节能、焚烧、碳排放、碳中和、剩余污泥、影响因素,如图3所示. 当平均轮廓值S >0.5时,认为聚类是合理的;S >0.7时,该聚类是高效且令人信服的[10]. 平均轮廓值为0.9274,可认为聚类出的关键词是可靠的. 为进一步梳理清各聚类之间的相互关联及各聚类在时间年份上的变化,绘制关键词时间线图谱如图4所示. 由图可见,自2002年起就有污水处理相关论文发表,但直到2010年都没有新的聚类产生. 2010年后出现的关键词聚类为污水处理碳排放研究提供了数据支撑. 除去本研究中污水处理、碳排放两个主题词以外,“碳中和”“污泥”“焚烧”从2010年开始构成主流聚类,反映出研究者密切关注碳中和在该领域的作用. “节能优化”作为另一高聚类关键词聚类持续时间较长(2010—2020年),反映出该领域对研究主题的持续关注. 该聚类中还包含污泥、焚烧、工艺技术等主流研究的关键词.
3.2 污水厂概念转变
污水处理碳中和的本质是指通过处理技术,实现污水厂自身的能量循环. 目前,我国污水处理每年能耗约184 × 108 kW·h[14],平均能耗为0.328 kWh·m3[15]. 截至2020年底,我国有污水处理厂12300座,相比2015年(4512座)增长了2.7倍[16]. 在提高污水处理普及率和处理程度的同时,以高能耗换取高品质水的现象越来越普遍,进一步增加了碳排放量[17]. 污泥处置是污水处理中一个重要阶段,厌氧消化是处理剩余污泥的主要方法[18],但我国现有设有厌氧消化设施的污水处理厂数量不足5%[19],因此,对污水处理厂进行节能改造有重要意义. 美国污水处理厂年能耗占社会总能耗的3%以上[20],欧美研究人员提出2030年污水处理厂应实现“碳中和”的目标[21]. 我国研究学者也在不断探索低碳污水处理厂,其中以概念污水厂和蓝色水工厂最具代表性.
3.2.1 概念污水处理厂
为解决传统污水厂存在的各种问题,中国工程院院士曲久辉等[22]提出面向未来的概念污水厂,其核心目标为:1)出水水质是污水处理厂首要考虑的问题,在达到水质标准的前提下,满足水资源可循环利用;2)目前我国污水厂的运营普遍粗放,运用新工艺、新技术可达到节能降耗的目标,最终达到“净零能耗”的目标;3)概念厂将追求物质合理循环,最大程度上减少对化学品的依赖,提高资源利用效率[23];4)概念厂应该是感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好的污水处理厂. 概念污水厂的提出为污水处理行业指明了新的发展方向. 但如何在减少投资和运行成本的基础上,满足概念污水厂的目标,仍是未来研究的重点方向.
3.2.2 蓝色水工厂
为进一步提升中国污水处理厂低碳环保的能力,实现“净零”环境影响,郝晓地等[24]提出蓝色水工厂框架,其核心以可持续利用为中心,碳中和与磷回收为两个基本点,资源与能源回收为主要目标. 核心技术为好氧颗粒污泥技术,具有节约土地资源、耗能较低、剩余污泥量少等优点[25-26]. 剩余污泥处理方式选择干化焚烧,产生的大量热能可以进行发电处理,能有效减少剩余污泥的体积,且能将污水中90%的磷留至焚烧灰中,是磷回收的最好方式[27]. 目前,全球磷资源越来越稀缺,仅存的磷储量只够人类再使用100年左右,从污泥中回收磷资源是未来的趋势[28]. 在此循环基础上,构建生物工艺数学模拟技术为核心的智慧控制系统,不仅能降低污水处理厂的运行成本还能提高资源回收经济效益. 蓝色水工厂的框架[24]如图5所示. 其净利润可达2.33元/m3[29],随着好氧颗粒污泥技术的发展和干化焚烧方式的改进,其有着巨大的发展潜力.
3.3 碳减排路径分析
基于知识图谱分析以及未来污水处理厂的发展方向,总结出污水处理厂碳减排可以从厌氧氨氧化和污泥处置两个方向进行深入探究.
3.3.1 厌氧氨氧化
随着水体富营养化的程度进一步加重,水中氮元素含量也随之增高,如何高效、经济、环保、安全地降低水体氮元素(N)含量(质量分数,全文同),成为研究学者关注的重点[30]. 厌氧氨氧化作为一种高效低耗的除氮工艺受到广泛关注. 该工艺是将NH4 +—N作为电子供电,将NO2 −—N作为电子受体被厌氧氨氧化细菌转化成N2和NO3 −—N[31],可以有效降低水体氮元素含量. 但在厌氧氨氧化工艺中,由于厌氧氨氧化细菌极易受到温度、溶解氧、反应物浓度、pH、有机物、光照等因素的干扰,如何富集厌氧氨氧化细菌达到工程程度成为一大难题[32-35]. 为解决这一难题,荷兰科学家利用厌氧氨氧化细菌可形成颗粒污泥这一特点,率先研制出颗粒污泥反应器,极大促进了厌氧氨氧化在实际工程中的应用[32]. 经过几十年的发展,厌氧氨氧化已经取得很大的突破,但还存在适用对象有限,目前只适用高浓度含硝酸盐废水、城市污水的脱碳,在工业上的应用还不成熟[33]、细菌生长速度较慢等有待进一步突破的难点[36]. 相信随着技术的发展,在降低碳排放、实现碳中和的前景下,厌氧氨氧化会更加受到研究学者的欢迎.
3.3.2 污泥处置趋势
污泥是污水处理的副产物,含有重金属、病原体、寄生虫卵等有毒物质,未经妥善处理极易危害环境和公共安全[37-40]. 近些年,随着污水处理规模的增大,污泥产量也越来越高,已经突破6×107 m³/年[6]. 污泥内含有的大量有机物、营养物具有巨大的利用潜力. 如何在处理污泥时做到减量化、稳定化、无害化对减少碳排放实现碳中和具有重大意义. 其中,“干化焚烧”是最安全、最彻底的方法[41-42]. 随着可再生能源目标的提出,通过厌氧消化手段处理污泥产生甲烷成为越来越重要的清洁手段[43-44]. 基于此,“厌氧消化 + 干化焚烧”成为主流的研究方向[6]. 虽然厌氧消化能产生大量清洁气体,但其所消耗的能源量也是巨大的. 随着我国碳中和政策的落地,以高能耗换取高品质的方式逐渐被淘汰. 在厌氧消化前加入合适的预处理步骤可以在产生较多的清洁气体的同时降低能耗,在厌氧消化前加入热水解步骤,可以加速污泥大分子有机物的水解,提高厌氧消化的效率[45]. 因此,“热水解厌氧消化 + 干化焚烧”的处理工艺将成为未来研究的主流方向[46-47]. 基于热水解的污泥处理虽然展现了良好的应用前景,但仍需进一步研究确定最佳反应温度和最佳持续时间,以达到用最低的能耗实现对污泥的处置,从而实现碳中和的目标[48].
4. 结论与展望
通过CiteSpace知识图谱分析可以得出,近年来国内研究学者在污水处理厂降低碳排放实现碳中和方面做了很多努力,为未来实现污水处理厂净零碳排放奠定了基础. 污水处理厂在未来碳排放的研究中应当注重以下几点.
1)加强合作. 现阶段,各高校、各研究所之间联系并不紧密,大都处于独自研究的阶段. 随着全球信息化时代的到来,各研究单位之间唯有不断加强相互间的联系,才能促进该领域不断发展.
2)加速转型. 传统的污水处理厂存在着低效率、高能耗、高排放等问题, 随着碳中和时间的临近,污水处理厂转型也刻不容缓,加速对污水处理厂的提标改造,对实现碳中和、创造绿色环境有极为重要的影响.
3)加深研究. 对污水处理厂减碳的研究应着重从设备、工艺方面进行优化研究. 在保证安全的基础上提升效率、降低成本、降低能耗应是污水处理厂未来的研究方向.
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