飲用水消毒技術(shù)發(fā)展趨勢分析

　　1 引言

　　飲用水消毒是飲用水凈化過程中的最后一個環(huán)節(jié)，也是和人體健康最直接相關(guān)的技術(shù)單元，始終作為飲用水安全保障的研究熱點(diǎn).20世紀(jì)初，研究者主要致力于控制飲用水中的大腸桿菌和釋放有害物質(zhì)的細(xì)菌.隨著氯、氯胺 、臭氧等消毒技術(shù)的出現(xiàn)，人們有效抑制了上述污染物導(dǎo)致的病原性傳染病，從而保證了飲用水的微生物安全性.但與此同時，這些氧化劑與原水中有機(jī)物發(fā)生加成、取代和氧化等反應(yīng)，生成大量消毒副產(chǎn)物，對水體產(chǎn)生了二次污染.1974年，Rock等首次在飲用水氯化過程中檢測出消毒副產(chǎn)物-三氯甲烷，在隨后的40年中，越來越多對人體健康具有潛在風(fēng)險的消毒副產(chǎn)物被研究者報道.在飲用水消毒過程中如何平衡飲用水微生物安全性與化學(xué)安全性是亟待攻克的一個重大難題，成為當(dāng)前飲用水消毒技術(shù)研究的重要內(nèi)容.針對消毒過程的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究發(fā)展迅速的現(xiàn)狀，亟需系統(tǒng)梳理和分析飲用水消毒與風(fēng)險控制研究的熱點(diǎn)和趨勢.因此，分析全球飲用水消毒技術(shù)研究總體情況以及我國在該領(lǐng)域的研究水平和與發(fā)達(dá)國家之間的差距，對明確我國飲用水消毒技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究人員選題具有重要意義.

　　文獻(xiàn)計量分析法是利用統(tǒng)計學(xué)的方法將來自圖書館學(xué)和信息科學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而定量描述和解釋一個給定主題、領(lǐng)域、機(jī)構(gòu)和國家的文章或?qū)＠�分布情況和變化規(guī)律.該方法在許多領(lǐng)域研究發(fā)展趨勢分析中得以應(yīng)用，并做出了如下假定，即：① 一個國家在某個領(lǐng)域的文章和專利發(fā)表量代表該國對此領(lǐng)域研究的關(guān)注程度;② 文章被引頻次與該國在此領(lǐng)域的研究水平相關(guān); ③關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次與該技術(shù)在某階段的研究熱點(diǎn)相關(guān).本研究利用文獻(xiàn)計量分析方法對2000—2012年間與飲用水消毒相關(guān)的SCI論文和專利進(jìn)行了統(tǒng)計分析.我們首先對論文和專利的發(fā)文量、被引頻次、領(lǐng)先國家進(jìn)行定量描述，然后通過關(guān)鍵詞分析了解飲用水消毒技術(shù)的研究趨勢和熱點(diǎn)以及我國與發(fā)達(dá)國家存在的差距.

　　2 研究方法

　　本研究所獲得的數(shù)據(jù)分別來自文獻(xiàn)檢索和專利檢索，并通過文獻(xiàn)計量分析法對其進(jìn)行統(tǒng)計分析.文獻(xiàn)和專利檢索的時間跨度均為2000—2012年.

　　2.1 文獻(xiàn)檢索

　　學(xué)術(shù)論文主要反映基礎(chǔ)研究情況.文獻(xiàn)檢索采用Web of Science中的科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫，其檢索領(lǐng)域包括“evironmental sciences”，“water resources”和“environmental engineering”.文獻(xiàn)檢索式為：“drinking water*” AND(disinfect* OR disfection*); “drinking water*” AND(adsorpt* OR sorpt*); “drinking water*” AND(chlorin* OR(chlorine dioxide)OR chloramin* OR monochloramin*); “drinking water*” AND(ozone OR ozonation); “drinking water*” AND(hydrogen-peroxide OR(hydrogen NEAR/1 peroxide)OR H2O2); “drinking water*” AND(UV* OR ultraviolet*)NOT visible; “drinking water*” AND(photodegrad* OR photooxid* OR photolysis OR photocatalysis).

　　2.2 專利檢索

　　專利申請更多反映技術(shù)應(yīng)用研究情況.專利檢索選取Web of Science中德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫，在國際專利分類為C02F*下進(jìn)行.專利檢索式為：((“drinking water” AND((“disinfect*” AND(“ozone” OR “chlorin*” OR UV))OR “disinfect*”))OR((((“disinfect*” AND(“ozone” OR “chlorin*” OR UV))OR “disinfect*”)AND water)NOT(“waste* water*” OR “atmosphere” OR “circulat* water” OR “deionized water” OR “wastewater” OR “industr*” OR “sewage”))).

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 總體情況

　　根據(jù)檢索結(jié)果，共有2119篇文獻(xiàn)和2856項專利符合檢索條件.為了進(jìn)一步了解2000—2012年飲用水消毒領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，文獻(xiàn)和專利檢索結(jié)果按時間(年)展開.由圖 1可以看出在這13年間，全球飲用水消毒領(lǐng)域發(fā)文和專利數(shù)量呈逐年上升的趨勢，且2012年發(fā)文數(shù)量達(dá)到了2000年發(fā)文量的2.6倍，專利申請量達(dá)到了2000年專利申請量的2.5倍，表明研究者對飲用水消毒領(lǐng)域的科學(xué)研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的關(guān)注一直處于持續(xù)增長中.此外，飲用水消毒領(lǐng)域的專利數(shù)略高于發(fā)文數(shù)，表明這13年間研究者不僅關(guān)注了飲用水消毒領(lǐng)域的科學(xué)研究，并且致力于將研究成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中.

　　圖1 2000—2012年飲用水消毒技術(shù)文章和專利發(fā)表數(shù)量

　　3.2 研究趨勢及熱點(diǎn)

　　為了了解2000—2012年飲用水消毒領(lǐng)域的主要研究方向及整體變化趨勢，我們對本領(lǐng)域處于前10位的關(guān)鍵詞及其出現(xiàn)的頻次進(jìn)行了統(tǒng)計，并且細(xì)分了3個階段(2000—2004年、2005—2008年和2009—2012年)來研究.如圖 2所示，“消毒副產(chǎn)物”、“氯和氯化”、“臭氧和臭氧發(fā)生器”、“三鹵甲烷”、“鹵乙酸”和“腐殖質(zhì)”這幾個關(guān)鍵詞在3個階段均排在前10位，表明這13年來飲用水的消毒研究方向主要集中在消毒工藝方法和消毒副產(chǎn)物兩方面.其中“消毒副產(chǎn)物”、“氯和氯化”、和“臭氧和臭氧發(fā)生器”這3個關(guān)鍵詞在3個時間段的出現(xiàn)頻次始終處于領(lǐng)先地位，進(jìn)一步確定消毒工藝方法和消毒副產(chǎn)物研究在飲用水消毒領(lǐng)域研究的重要性.

　　圖2 2000—2012年飲用水消毒技術(shù)的關(guān)鍵詞

　　在消毒工藝方法方面，由圖 2可以看出關(guān)鍵詞“氯和氯化”出現(xiàn)的頻次由2000—2004年的139上升到2008—2012年的291，關(guān)鍵詞“臭氧和臭氧發(fā)生器”出現(xiàn)的頻次由2000—2004年119上升到2008—2012年的139，表明在這13年間，研究者持續(xù)高度地關(guān)注了氯化和臭氧氧化消毒工藝.這主要是由于氯是一種世界范圍內(nèi)使用最廣的消毒劑，而臭氧消毒是歐洲主要城市飲用水深度凈化的重要手段.此外，“二氧化氯”作為十大關(guān)鍵詞之一出現(xiàn)在2000—2008年，隨后消失，表明該技術(shù)在近幾年受到的關(guān)注度有所降低.

　　在消毒副產(chǎn)物方面，圖 2顯示2000—2012年間，生成消毒副產(chǎn)物的反應(yīng)動力學(xué)、生成種類以及消毒副產(chǎn)物的去除持續(xù)受到研究者的關(guān)注.常規(guī)的消毒副產(chǎn)物“三鹵甲烷”和“鹵乙酸”一直是研究熱點(diǎn)，并呈逐年增長的趨勢.在2005—2008年間，“溴化物”第一次成為前10個熱點(diǎn)關(guān)鍵詞之一，表明研究者開始重點(diǎn)關(guān)注消毒過程中產(chǎn)生的溴代物.并且溴代物已被證實(shí)其毒性要遠(yuǎn)高于氯代物，可能對人類健康造成較強(qiáng)的潛在危害.此外，一些新型的消毒副產(chǎn)物如含氮消毒副產(chǎn)物，由于研究時間不長，發(fā)文數(shù)量較少，在2000—2012年間未能成為高頻關(guān)鍵詞.但考慮到它們對人體健康和生態(tài)環(huán)境存在較高的潛在風(fēng)險，因此未來很可能得到研究者的重點(diǎn)關(guān)注.在2005—2008年，研究者開始將目光轉(zhuǎn)移到消毒副產(chǎn)物生成的源頭-“前驅(qū)物”上，其中最受關(guān)注的是“腐殖酸”.研究者主要是通過“混凝”的方法去除這類大分子前驅(qū)體，從而達(dá)到控制消毒副產(chǎn)物的目的.在2009—2012年，上述關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次均有一定的上升.與此同時，關(guān)鍵詞“基因毒性”的出現(xiàn)，表明研究者的關(guān)注重點(diǎn)不再局限于消毒副產(chǎn)物種類和含量的測定或是簡單的去除，已經(jīng)著眼于它們的毒性檢測及對人體健康的風(fēng)險評估方面.

　　我們對2000—2012年國際消毒技術(shù)熱點(diǎn)專利進(jìn)行分析，了解研究者重點(diǎn)將哪些研究成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中.根據(jù)圖 3和表 1我們發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)集中在飲用水消毒工藝技術(shù)和消毒副產(chǎn)物去除兩方面.研究者重點(diǎn)關(guān)注的消毒技術(shù)從高到低依次為：消毒劑消毒、紫外消毒、電化學(xué)消毒、臭氧消毒、電解消毒.可以看出除傳統(tǒng)消毒技術(shù)以外，越來越多新型消毒技術(shù)被應(yīng)用.這些技術(shù)可以控制消毒過程中副產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而降低消毒副產(chǎn)物對人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來的潛在危害和風(fēng)險.

　　圖3 2000—2012年國際飲用水消毒技術(shù)熱點(diǎn)專利分類

　　3.3 領(lǐng)先國家飲用水消毒技術(shù)及我國與其研究差距

 　　3.3.1 領(lǐng)先國家消毒領(lǐng)域總體情況

 　　為了進(jìn)一步了解各國飲用水消毒領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r，我們選擇5個在該領(lǐng)域研究處于領(lǐng)先地位的國家進(jìn)行調(diào)查，并將我國的發(fā)展情況與其他國家進(jìn)行對比分析.

　　可以看出在2000—2012年間，美國不但發(fā)文量位列第一，而且文章被引頻次(16736)也遠(yuǎn)高于其他國家，表明美國在飲用水消毒領(lǐng)域做了大量高水平的研究.瑞士發(fā)文量和文章被引頻次(2464)雖遠(yuǎn)低于美國，但其篇均被引頻次(36.78)要遠(yuǎn)高于美國(21.76)，可以認(rèn)為瑞士在這方面的研究得到廣泛的認(rèn)可，居于國際領(lǐng)先水平.而我國發(fā)文量雖僅次于美國，但篇均被引頻次只有8.14，與其他4個領(lǐng)先國家相比差距明顯，表明我國在飲用水消毒方面的研究雖投入大量的精力，但仍處于追隨者的階段，缺乏原創(chuàng)性的研究.

       通過對5個國家研究可以看出這5個國家發(fā)文數(shù)的總體趨勢是隨時間而增加，尤其在近5年來達(dá)到了新高，表明這些國家越來越重視飲用水消毒領(lǐng)域方面的研究.通過對比各國每年發(fā)文數(shù)量可以看出，在2000年我國的發(fā)文量最低，因而我國在該領(lǐng)域的研究起步要晚于其他領(lǐng)先國家.但我國發(fā)展勢頭迅猛，近年來發(fā)文數(shù)量已經(jīng)趕超除美國以外的其他國家，進(jìn)一步表明我國對飲用水消毒研究的高度重視.

　　3.3.2 領(lǐng)先國家研究熱點(diǎn)

　　我們分3個階段(2000—2004年、2005—2008年和2009—2012年)列出美國、瑞士和中國排在前10位的關(guān)鍵詞，從而反映這3個國家的研究熱點(diǎn)及趨勢.

　　根據(jù)表 2可知，美國在飲用水消毒領(lǐng)域最為關(guān)注的是消毒副產(chǎn)物和消毒方法工藝.在消毒工藝技術(shù)方面，該國主要是以氯化和臭氧氧化消毒研究為主.而在消毒副產(chǎn)物方面，“三鹵甲烷”和“鹵乙酸”持續(xù)受到研究者的重點(diǎn)關(guān)注.2005—2012年期間，“腐殖酸”和“天然有機(jī)物”作為前驅(qū)體對消毒副產(chǎn)物生成的影響以及其去除方法引起美國研究者的高度關(guān)注.2009—2012年，關(guān)鍵詞“基因毒性”首次出現(xiàn)，消毒副產(chǎn)物的毒性檢測及其對人體健康的影響已成為美國的研究熱點(diǎn).

表2 2000—2012年美國、瑞士、中國飲用水消毒技術(shù)高頻次出現(xiàn)的關(guān)鍵詞 　

　　由表 2看出，瑞士在該領(lǐng)域持續(xù)而高度關(guān)注了消毒工藝技術(shù)、消毒過程的動力學(xué)以及消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生及去除.在消毒工藝方面，瑞士一直關(guān)注的是臭氧氧化等高級氧化技術(shù).在2009—2012年，“太陽能消毒”首次出現(xiàn)在前10個關(guān)鍵詞中，表明研究者在關(guān)注高級氧化技術(shù)效能的同時，開始將重心轉(zhuǎn)移到技術(shù)的實(shí)用性和可操作性上.在消毒副產(chǎn)物方面，2000—2004年期間飲用水中含溴前驅(qū)物和溴化消毒副產(chǎn)物已經(jīng)受到研究者的高度關(guān)注，較其他國家至少提前了5年.在2005—2008和2009—2012這兩個階段，研究者通過“可同化有機(jī)碳”的變化重點(diǎn)關(guān)注了飲用水在輸配過程中細(xì)菌的繁殖狀況.2009—2012年關(guān)鍵詞“雌激素活性”和“流式細(xì)胞術(shù)”的出現(xiàn)，表明評估與控制消毒副產(chǎn)物對人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來的風(fēng)險已成為近年來瑞士的研究熱點(diǎn).

　　我國在這13年間出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞如表 2所示(不含臺灣地區(qū)的數(shù)據(jù)).“氯和氯化”、“消毒副產(chǎn)物”是我國在2000—2012年飲用水消毒領(lǐng)域所發(fā)文章出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞.在消毒工藝方面，由于目前我國自來水廠大部分采用的是氯消毒工藝，因此對該消毒技術(shù)的關(guān)注在我國一直居高不下.其他添加殺菌劑的化學(xué)消毒方法如“氯胺消毒”和“二氧化氯消毒”在我國也均有所研究.而高級氧化技術(shù)之一“臭氧氧化消毒”在2009—2012年才受到高度關(guān)注，與瑞士和美國相比落后近10年.在消毒副產(chǎn)物方面，我國研究者一直重點(diǎn)關(guān)注的是常規(guī)消毒副產(chǎn)物“三鹵甲烷”和“鹵乙酸”，這與我國采用的消毒方式息息相關(guān).2009—2012年，“基因毒性”出現(xiàn)在我國飲用水消毒領(lǐng)域前10個關(guān)鍵詞中，表明我國在飲用水風(fēng)險評估方面的研究已經(jīng)緊跟發(fā)達(dá)國家.另外，在消毒副產(chǎn)物控制方面，我國傾向于利用混凝工藝來去除飲用水中的消毒副產(chǎn)物前驅(qū)體來減少消毒副產(chǎn)物的生成.

　　由圖 7和表 3可以看出在2000—2012年間，美國、日本、歐盟和中國在飲用水消毒應(yīng)用研究中最為關(guān)注的是飲用水消毒技術(shù)工藝和消毒副產(chǎn)物去除技術(shù).在消毒工藝技術(shù)方面，氯化消毒成為關(guān)注最多和應(yīng)用最為成熟的技術(shù).其他消毒工藝技術(shù)根據(jù)關(guān)注程度從高到低依次排序：美國為紫外消毒、電化學(xué)消毒以及氧化消毒;日本為電化學(xué)消毒、紫外消毒、氧化以及臭氧消毒;歐盟為紫外消毒、電化學(xué)消毒、氧化和臭氧消毒;中國為紫外消毒和臭氧消毒.可以看出與其他領(lǐng)先國家相比，我國消毒技術(shù)研究重點(diǎn)仍在于傳統(tǒng)的消毒技術(shù)，而對新興消毒工藝(如：電化學(xué)消毒)關(guān)注相對較少.

　　　　表3 飲用水消毒技術(shù)不同專利號與相對應(yīng)的研究方向

　　4 結(jié)論

　　1)在2000—2012年國際上對飲用水消毒研究的關(guān)注度持續(xù)增加.該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究關(guān)注重點(diǎn)主要集中在消毒工藝技術(shù)、消毒副產(chǎn)物以及研究方法方面.在消毒工藝技術(shù)方面，氯化消毒一直是國際研究的重點(diǎn).隨著消毒副產(chǎn)物的不斷發(fā)現(xiàn)，高級氧化技術(shù)(紫外、臭氧)作為相對安全的替代技術(shù)已經(jīng)步入應(yīng)用.在消毒副產(chǎn)物方面，研究者最初關(guān)注的是消毒劑與水中天然有機(jī)物生成的常規(guī)消毒副產(chǎn)物，如三鹵甲烷和鹵乙酸.隨著臭氧氧化技術(shù)的應(yīng)用，水體中無機(jī)物溴離子在此過程中生成的溴代物也引起研究者的高度關(guān)注.在研究方法方面，研究者一直致力于消毒副產(chǎn)物生成動力學(xué)及控制技術(shù)的研究.近年來隨著消毒副產(chǎn)物對人體健康危害的不斷發(fā)現(xiàn)和認(rèn)知，研究者開始引入毒理學(xué)指標(biāo)來評價飲用水的安全性.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2)我國與在本領(lǐng)域領(lǐng)先國家美國、歐洲相比，研究起步晚，但近幾年研究產(chǎn)出增長顯著.在研究水平上，我國原創(chuàng)性研究較少，整體仍然處于跟跑地位.我國的研究工作主要集中在氯氧化消毒工藝和常規(guī)消毒副產(chǎn)物方面，近幾年來高級氧化技術(shù)和一些新興的消毒副產(chǎn)物也開始受到關(guān)注.為保障我國飲用水安全，在關(guān)鍵的飲用水消毒工藝環(huán)節(jié)，亟需開展低風(fēng)險的消毒技術(shù)與工藝研發(fā)，新型消毒副產(chǎn)物的控制，以及引入水質(zhì)毒理學(xué)評價指標(biāo)等研究，進(jìn)一步提高我國消毒技術(shù)研究和應(yīng)用水平.