活性污泥数学模型研究的文献计量学分析

吴羡

华北电力大学环境科学与工程学院中国市政工程华北设计研究总院有限公司

摘要

目前大部分城镇污水处理厂以活性污泥法为主要工艺，为提高污水处理能力过去主要通过实验方法对活性污泥工艺段进行提质增效研究，随着计算机科学的不断进步，模型模拟研究方法正得到也来越多的关注与应用。数学模型模拟具有小成本、高精度和高性价比等优点，已被广泛应用于活性污泥研究。本文对活性污泥数学模型（ASM）领域研究文献进行定量分析,反映ASM研究领域的整体现状与各国研究情况，并为该领域的进一步工作提供支持。

关键词

文献计量学；活性污泥数学模型（ASM）；共现分析；引文分析；可视化

1. 引言

活性污泥法模型是在微生物模型基础上发展起来的，微生物模型包括Monod模型与微生物综合模型。^[1,2]

Water Association，于1983年成立了专门的专业组，目的在于汇总各种不同的模型理念，研究出更为实用的模型应用于实践操作。1986年，专业组提出了第一份成果报告—活性污泥1号模型(Activated Sludge Model No.l, ASM1)，此模型包含了常见的硝化和反硝化反应，为后续模型的发展搭建了框架，奠定了基础。1995年，Henze等人在ASM1的基础上加入了生物除磷过程，开发了ASM2模型(Activated Sludge Model No 2 )。1999年，又提出ASM2d，进一步对于聚磷菌反硝化过程中的问题进行了解释。^[3]考虑到ASM1存在的不足，在1999年，Gujer等人提出了ASM3模型，此模型区别于ASM1不以水解作用为重点，强调细胞内部的活动过程。^[4,5]

文献计量分析是一种能够对大量的学术文献进行宏观综述的技术。通过对数据库中现有信息的统一分析，如作者、关键词、期刊、国家，机构等，可以映射出某一特定研究领域的科研产出特征和发展。^[6]

迄今为止，文献计量技术和方法已经成功地应用于许多研究课题的分析，而在ASM研究，这类研究还比较少。文献计量学可以用于ASM研究，揭示其重要特点。因此，本文尝试使用文献计量学和可视化方法，对科学引文索引扩展数据库中所有的关于ASM领域研究出版物进行系统的研究。

2. 研究方法

ASM文章是从Web of science的核心合集数据库中检索的，搜索范围仅限于SCI-Expanded，本研究通过检索类型(“activated sludge model”)的主题研究收集出版物，即在出版物的标题、摘要和关键字中识别该术语。对文章类型不做限制，为了收集所有相关论文，在检索过程中将时间跨度设置为全年，即从1991年到检索日期(2021年11月26日)结果，共获得ASM领域研究相关的出版物628篇。

在从WoS中导出参考文献的信息是选择全纪录与引用的参考文献，这些信息被保存为纯文本，以供后续的文献计量分析使用。利用可视化软件和技术(如Bibexcel、VOS viewer、CiteSpace、Pajek、等)来展示不同学科的整体框架。在这项工作中，我们首先利用Bibexcel软件对合作者、题目主题词、地址（国家和机构）、作者关键词进行处理分析，通过VOS viewer分别对其可视化处理生成知识图谱；再通过已有的文件进行年度发文量，发表期刊，作者关键词共现矩阵的分析和处理。

3. 结果与讨论

3.1文献产出

共获得628篇文献，其近20年的年度分布及累积结果如图1所示。从图中可以看出20年间，年发文量在25篇上下浮动。2009-2011年为高峰年，年发文量均超过35篇。

图1 ASM领域应用研究的年度发文量

3.2共现分析

3.2.1合作者分析

图2 ASM领域应用研究的作者合作知识图谱

在本部分的研究中，以发文量在6篇以上的高产作者为作者合作分析的对象，共 40 位作者，以此发现活性污泥模型研究领域的作者合作情况，首先借助 Bibexcel的共现分析功能构建出作者共现矩阵，利用Pajek软件的数据转换功能，将该矩阵转换成格式的网络数据，再通过VOS viewer组件，将转换后的网络数据绘制成可视化的知识图谱。

如图2所示，上述作者形成了ASM研究领域科学合作的主要框架，共包括7个合作群体。图中节点的大小与其点度值呈正相关关系，点度值越大的节点与该群体中其他作者连线的数量越多；线条的粗细表示每对合作对之间的合作强度，线条越粗，作者之间的合作强度越高。可以看到 Van Loosdrecht MCM和Vanrolleghem PA的中心性最大，他们各自控制了三个小群体的合作交流，对该群体中合作研究的开展具有绝对的控制作用。

3.2.2主题词词频分析

图3 ASM领域应用研究的主题词词频分析的知识图谱

词频分析是基于齐普夫定律产生的一种经典的文献计量学分析方法，关键词或主题词能够揭示或表达文章的核心内容与主题特征。图3借助科学知识图谱的方法，全面展示ASM领域应用研究的热门领域及方向。经过Bibexcel软件能够提取出ASM领域应用研究628篇文章的1001个关键词，出现的总频次为 6040 次. 在ASM领域应用研究的1001个关键词中，出现次数为1的有602个，出现次数≧5的有91个，共出现692次，出现次数≧10的101个，共出现3768次。

3.2.3国家和机构合作网络分析

图4 国家与地区关于ASM领域应用研究的合作网络

国家与地区之间的合作网络结果如图4所示，圆圈的大小表示发表的文章的数量，连接的厚度表示合作的强度。颜色代表合作集群。有两个主要的圆圈，一个围绕中国，另一个围绕美国。其中，中国和澳大利亚，波兰，荷兰等有较强的合作关系，而美国和加拿大，韩国，法国，瑞士有较强合作关系。还有一个较小的集群，围绕比利时。

图5 ASM领域应用研究机构合作图谱

如图5所示在ASM领域研究机构合作图谱中，根特大学发文量最多，大部分都是欧洲的机构并且内部之间合作较多，它与丹麦科技大学，代尔夫特理工大学大学之间都有合作。

3.2.4作者关键词分析

图6 ASM领域应用研究的作者关键词知识图谱

圆圈的大小表示关键词出现的频次，连线的强度表示共同出现的频次，可以看出，ASM出现的次数最多，其次是，denitrification和Nitrification，这说明目前关于活性污泥数学研究主要的应用为脱氮。

3.2.5源期刊分析

表1 关于“activated sludge model”主题最活跃的前10个期刊

学术期刊是传播、传播和传承科学成果的重要信息载体。期刊分析有助于确定ASM研究中核心期刊的分布。检索结果显示，在发表了628篇文章的期刊中，涉及环境科学、环境工程、水资源、化学工程等研究领域。拥有10篇以上的ASM领域研究文章的前10名高产期刊如表1所示。其中，发文量最多的期刊为《WATER SCIENCE AND TECHNOLOGY》，为183篇。其他发文量为30以上的期刊有《WATER RESEARCH》《WATER ENVIRONMENT RESEARCH》。

4. 结论

本文通过文献计量分析，对1991年至2020年的ASM领域应用研究进展进行了调查和揭示。本文以WoS CC的SCI-Expanded数据库收录的628篇出版物为基础，利用VOSviewer和CiteSpace软件对年度出版物产出、来源期刊、国家、作者、学科术语和共被引文献进行了统一分析。从视觉网络中可以得到一些有价值的信息。

收集到的样本中最早与ASM相关的文章发表于1982年，而相关的出版物自1998年以来年发文量稳定在15-38篇。关于ASM的主题词，主要是脱氮。发表文章最多的是《WATER SCIENCE AND TECHNOLOGY》，已经发表了183篇关于ASM的文章。中国和美国是最高产的两个国家，而且在网络中显示出很强的协作关系。

参考文献

1. 卢培利,张代钧,刘颖,等.活性污泥法动力学模型研究进展和展望[[J].重庆大学学报:自然科学版,2002, 25 C3): 109-114.

2. 顾夏声.废水生物处理数学模式[M].清华大学出版社,1993.

3. 活性污泥2号模型的应用与校正[J]. 陈晓龙,杨海真,顾国维.  工业用水与废水. 2003(01)

4. 张锡辉.高等环境化学与微生物学原理及应用[M].化学工业出版社,2001.

5. 池春榕,董姗燕,李齐佳,等.活性污泥数学模型研究进展[J].有色金属科学与工程,2017,8

6. 赵鑫,方叶.基于数学模型的污水生物技术发展及展望[[J].资源节约与环保,2015(12):44-4

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